Мне нравится
0
Сегодня читали статью (1)
Способ производства экологически чистого химического горючего и установка для его осуществленияИЗОБРЕТЕНИЕ
|
![]() |
В состав установки для электролиза воды входят (фиг.1): |
Блок низкотемпературного ядерного синтеза представляет собой ядерный реактор, предназначенный для выполнения реакций низкотемпературного ядерного синтеза. Он работает на тепловых нейтронах с графитовым замедлителем. Ядерным горючим (реагентом) служат отходы ядерных реакторов деления тяжелых атомных ядер, например, стронций-90.
![]() |
Активная зона реактора для получения водорода и кислорода представляет собой графитовую емкость, в которой расположены следующие элементы (фиг.2): |
Функционально работа реактора заключается в том, что пластины исходного реагента облучаются потоком медленных нейтронов, излучаемых основным генератором нейтронов. Нейтроны излучаются тяжелой водой при облучении ее потоком гамма-лучей, исходящих от исходного реагента в процессе осуществления реакций радиационного захвата нейтронов и преобразования нейтронов в протоны. Образованные генератором нейтроны прежде чем прореагировать проходят через умножитель и замедлитель, где увеличивается поток нейтронов до требуемой плотности и замедляется скорость нейтронов до требуемой энергии, соответствующей максимальному сечению радиационного захвата нейтронов в ядерном реакторе ядром исходного реагента. Под действием радиационного захвата нейтронов в ядерном реакторе происходит низкотемпературный ядерный синтез нуклонов в ядрах реагента, состоящий в том, что избыточная часть накопившихся нейтронов превращается в протоны и объединяется с остальными захваченными нейтронами, образуя ядра дейтерия или гелия, которые затем сливаются с исходным ядром реагента. Происходит выделение энергии за счет увеличения энергии связи между нуклонами. В процессе реакции синтеза расходуются только нейтроны, служащие строительным материалом для увеличения состава ядра, но новые поколения нейтронов, как это происходит при делении тяжелых ядер, не рождаются. Поставлять нейтроны вынуждены с помощью специального (основного) генератора нейтронов. Одним из используемых в настоящее время типов генераторов нейтронов является генератор, состоящий из системы узких трубок, пронизывающих активную зону реактора, заполненных тяжелой водой. В исходном состоянии тяжелая вода выведена из активной зоны и хранится в специальном резервуаре. В рабочем состоянии тяжелая вода прокачивается по трубкам, облучается потоком гамма-лучей, возникающих в процессе реакции синтеза, и производит новые поколения нейтронов для продолжения реакции синтеза. Нейтроны поступают в реагент, возбуждают реакции синтеза и принимают в них активное участие. Управление мощностью выделяемой энергии производят изменением количества тяжелой воды, находящейся в активной зоне. Чтобы уменьшить мощность, следует вытеснить из трубок часть тяжелой воды. В этом случае произойдет сокращение потока нейтронов и уменьшение актов синтеза ядер в единицу времени. Для увеличения мощности достаточно увеличить количество тяжелой воды в активной зоне. Для уменьшения непроизводительных расходов нейтронов активная зона ограничена отражателями нейтронов, в качестве которых используются графитовые пластины и графитовая обмазка. Энергия, производимая такой установкой низкотемпературного ядерного синтеза, дешевле энергии, производимой современными АЭС, в 400-700 раз.
![]() |
Блок преобразования энергии и производства электроэнергии представляет собой типовой контур преобразования ядерной энергии (фиг.3) состоит из |
Блок электролиза воды и получения водорода и кислорода. Наиболее простым в техническом исполнении и широко используемым в промышленности известным способом получения водорода является электролиз воды в щелочной среде (25-30% КОН). Этот процесс энергоемок: для получения 1 м3 водорода и 0,5 м3 кислорода требуется затратить около 6 кВт.ч электроэнергии. Поэтому для снижения стоимости производимого водорода следует использовать дешевую электроэнергию, производимую за счет низкотемпературного ядерного синтеза.
Схема электролиза раствора КОН с угольными (нерастворимыми) электродами.
Еще до пропускания тока щелочь как сильный электролит диссоциирует на ионы . Вода как слабый электролит частично диссоциирует на ионы
. Таким образом, в растворе содержатся ионы К+; Н+; ОН-.
При пропускании тока к катоду подходят ионы К+ и Н+, к аноду - ионы ОН-. На катоде будут разряжаться ионы водррода (ионы К+ труднее разряжаются).
На аноде отдача электронов происходит у ионов ОН-. В результате электролиза на катоде выделяется водород, а в растворе возле катода ионы ОН- с ионами К+ образуют КОН.
На аноде выделяется кислород, а в растворе возле анода ионы Н+ с ионами ОН- образуют Н2О. При перемешивании электролита щелочь растворяется в воде, диссоциирует и процесс возобновляется. В таком случае продуктами электролиза будут только водород и кислород, т.е. будет происходить разложение воды электрическим током.
Способ производства экологически чистого химического горючего включает следующие операции:
1. Подготовка установки для производства экологически чистого горючего к работе
Производят осмотр блоков, загружают исходный реагент в ядерный реактор, заправляют до нормы теплоноситель, заправляют тяжелую воду генератора нейтронов до нормы, производят опробование функционирования узлов ядерного реактора без подачи нейтронов, производят проверку готовности к работе блока преобразования энергии и производства электроэнергии, производят подготовку к работе электролизеров и средств сбора и хранения водорода и кислорода, производят проверку работы системы управления, производят проверку работы системы защиты.
2. Включение установки
Производят включение системы защиты, производят включение системы автоматического управления, производят включение теплоносителя, производят включение основного генератора нейтронов, производят установку и включение пускового генератора нейтронов, после чего возбуждается реакция синтеза, начинает функционировать основной генератор нейтронов и устанавливается рабочий режим ядерного реактора. Во время включения блока низкотемпературного ядерного синтеза в работу устанавливают такое количество тяжелой воды в активной зоне реактора, чтобы ядерный реактор при выходе в рабочий режим производил минимальную мощность вырабатываемой энергии при устойчивой работе без срывов. Затем плавно увеличивают мощность до заданного уровня, контролируя работу всех узлов блока. После выхода блока низкотемпературного ядерного синтеза на рабочий режим его нагружают турбогенератором, производящим электроэнергию, после чего включают в работу электролизеры, производящие водород и кислород.
3. Рабочий режим
В рабочем режиме осуществляют разложение воды на водород и кислород, используя энергию низкотемпературного ядерного синтеза. В этом режиме производят контроль за работой узлов и систем установки и выполнением технологических процессов производства водорода и кислорода. При необходимости уменьшить мощность производимой энергии уменьшают количество тяжелой воды в активной зоне, а для ее увеличения увеличивают количество тяжелой воды.
4. Режим останова
Для останова и выключения установки снижают мощность производимой энергии до минимальной, отключают электроэнергию от электролизеров, отключают турбогенератор, сливают тяжелую воду в резервуар, убирают из активной зоны пластины пускового генератора нейтронов. После этого прекращаются реакции ядерного синтеза.
Необходимость замены традиционных видов моторного топлива на более перспективные подтверждается следующими известными положениями.
Традиционными видами топлива, интенсивно используемыми в настоящее время, подаренными природой человечеству, являются ископаемые природные органические вещества: нефть, уголь, природный газ. Несмотря на высокие эксплуатационные качества, большую энергоемкость и относительно низкую стоимость имеется ряд аспектов, требующих неотложного решения. Основными из них являются:
а) ограниченные запасы природных горючих материалов, количество которых неуклонно сокращается. Опубликованные оценки подтверждают, что, цитирую:
"ресурсы минерального топлива ограничены и при сохранении существующих темпов развития энергетики они будут исчерпаны на протяжении ближайших десятилетий (нефть, горючие газы) или столетий (уголь)".
Конец цитаты (Физический энциклопедический словарь. 1983, с. 786);
б) экологическое загрязнение окружающей среды от использования традиционных топлив слишком велико и наносит вред живым организмам и растениям. Цитата:
"Действующий с марта 1992 г. закон об охране окружающей среды не стабилизировал экологическую ситуацию в стране. Более того, она продолжает ухудшаться. Некоторые города оказались в критическом, другие в катастрофическом положении. Среди них первое место занимает Москва, второе Санкт-Петербург, третье Краснодар, далее Омск и Уфа. В Москве несмотря на сокращение объемов промышленного производства растет валовой выброс токсичных веществ автомобилями. Загрязнение воздуха токсичными веществами в центре города превышает норму в 15-30 раз. В результате экологическая ситуация в стране неуклонно ухудшалась. И на конференции ООН по окружающей среде, состоявшейся в Рио-де-Жанейро, Россия была названа в группе самых неблагополучных в экологическом отношении стран на планете".
Конец цитаты (Журнал "Энергия", 1996, 3, с. 52).
в) выбор альтернативного экологически чистого горючего
Для замены традиционного вида топлива следует подобрать из всех существующих такое альтернативное топливо, которое удовлетворяло бы в большей мере ряду требований:
а) по своим запасам должно многократно превышать запасы традиционных видов топлива;
б) месторождения запасов топлива должны быть легко доступны для их массового использования и приближены к месту использования;
в) стоимость топлива не должна заметно превышать стоимость традиционных видов топлива;
г) экологические показатели должны существенно превосходить аналогичные показатели традиционных видов топлива. Автомобиль или электромобиль не должны загрязнять окружающую среду;
д) иметь высокие технические и эксплуатационные свойства, не уступающие аналогичным для традиционных топлив.
Среди известных альтернативных топлив наиболее подходящим видом топлива является водород, полученный электролизом воды, используя наиболее дешевую энергию низкотемпературного ядерного синтеза. Подтверждается следующей цитатой:
"Водород является экологически чистым энергоносителем и может производиться за счет возобновляемых источников энергии. Типичными примерами применения новых водородных технологий являются автотранспорт с низким или нулевым выбросом вредных веществ в атмосферу и жилые дома с автономным энергообеспечением".
Конец цитаты (Журнал "Энергия", 1996, 5, с. 19. "Водород-96").
"Перспективен электролиз воды для получения водорода, но при наличии дешевой электроэнергии. Этим способом производят некоторое количество водорода в Норвегии и АРЕ, ведутся работы во Франции по получению водорода различными методами с использованием дешевой электроэнергии АЭС в ночное время".
Конец цитаты (Г.А. Терентьев, В.М. Тюков, Ф.В. Смаль. Моторные топлива из альтернативных сырьевых ресурсов. 1989, с. 223).
"Интерес к водороду как моторному топливу обусловлен его высокими энергетическими показателями, отсутствием вредных веществ в продуктах сгорания и, главное - практически неограниченной сырьевой базой. Водород характеризуется наиболее высокими энергомассовыми показателями среди химических топлив".
Конец цитаты (там же, с. 176).
Сдерживающим фактором широкого применения водорода в качестве моторного топлива в настоящее время является относительная дороговизна его производства. Стоимость современного производства водорода, даже с использованием дешевой энергии АЭС значительно превышает стоимость добычи и переработки нефти. Цитирую:
"Выполненные в США расчеты с учетом перспективных оценок в изменении стоимости углеводородного сырья показали, что к 2000 г. себестоимость получения водорода составит - при электролизе воды с использованием энергии АЭС (к.п.д.=27%) - 1427-1732 долл/т".
Конец цитаты (Г.А. Терентьев и др., там же с. 223).
"Средние текущие издержки добычи нефти в капиталистическом мире в 2000 г. определяются в 44 долл/т".
Конец цитаты (Там же, с. 32).
Заявленный способ позволяет снизить стоимость электролизного водорода в 400-700 раз, что сделает водород дополнительно к его известным достоинствам еще и наиболее экономически выгодным из всех имеющихся видов современных топлив. Подтверждается следующими положениями, цитирую:
"Поскольку стоимость одного грамма дейтерия примерно в 100 раз меньше стоимости грамма урана-235, а его природные запасы практически неисчерпаемы, чего нельзя сказать о запасах делящихся веществ, широкое развитие работ по изысканию путей для осуществления управляемых реакций ядерного синтеза экономически оправдано".
Конец цитаты (А.К. Вальтер, И.И. Залюбовский. Ядерная Физика. - Харьков, 1991, с. 385).
Следует учесть, что 1 кг дейтерия способен выделить в 4-7 раз больше энергии, чем такое же количество урана-235. Таким образом, используя энергию низкотемпературного ядерного синтеза, получим стоимость электролизного водорода порядка 1-4 долл/т.
Такое резкое снижение стоимости водорода позволяет произвести переоценку перспективности современных видов моторных топлив в пользу водорода, быстрому развитию производства установок низкотемпературного ядерного синтеза и производства водорода на их основе.
Установка для производства экологически чистого горючего представляет собой стационарную энергетическую установку, использующую автономный блок низкотемпературного ядерного синтеза для производства водорода и кислорода путем электролиза воды.
Установка состоит из (см. фиг.1):
блока низкотемпературного ядерного синтеза;
блока преобразования энергии и производства электроэнергии;
блока электролиза воды и получения водорода и кислорода.
Блок низкотемпературного ядерного синтеза помещен в толстостенную бетонную конструкцию, служащую защитой обслуживающего персонала и окружающей среды от радиоактивных излучений, возникающих в активной зоне ядерного реактора. Он представляет собой ядерный реактор и состоит из следующих функциональных элементов (см. фиг. 2):
- реагента 1, пластины которого равномерно распределены по рабочему объему активной зоны реактора;
- теплоносителя, циркулирующего по тонкостенным трубкам 6, трубки теплоносителя расположены в непосредственной близости от пластин реагента, по трубкам движется дистиллированная вода или жидкий металл, охлаждающие пластины реагента и отводящие тепловую энергию от реагента в теплообменник 7 (фиг. 3);
- основного генератора нейтронов 3 (фиг.2), представляющего собой систему тонких трубок, расположенных в промежутках между пластинами реагента, по трубкам циркулирует тяжелая вода. В результате облучения гамма-лучами, исходящими от реагента, тяжелая вода излучает нейтроны, которые захватываются ядрами реагента, и происходит экзотермическая реакция синтеза;
- умножителя нейтронов 4 (фиг. 2), представляющего собой тяжелые атомные ядра, способные при захвате нейтронов делиться с излучением большего числа нейтронов, чем было захвачено.
Делящиеся элементы умножителя располагаются между трубками основного генератора нейтронов и пластинами реагента и обеспечивают поддержание заданного уровня отдаваемой мощности реагентом или увеличение ее до необходимого значения;
- замедлителя нейтронов 2, представляющего собой графитовый заполнитель всего свободного пространства активной зоны реактора. Служит для уменьшения скорости быстрых нейтронов и увеличения сечения захвата нейтронов ядрами реагента;
- пускового генератора нейтронов 5, представляющего собой радиоактивный изотоп с большим периодом полураспада. Он устанавливается в специальные гнезда, расположенные в активной зоне в момент включения и инициирует начальный поток нейтронов, достаточный для возбуждения реакции синтеза и включения в работу основного генератора нейтронов.
Блок преобразования энергии и производства электроэнергии (см. фиг. 3) представляет собой известный типовой контур преобразования ядерной энергии. Он включает в свой состав
- теплообменник 7
- циркуляционные насосы 8
- турбогенератор 9
- конденсатор 10
- питательный насос 11
Блок преобразования энергии и производства электроэнергии предназначен для преобразования ядерной энергии в электрическую с к.п.д. порядка 27%.
Блок электролиза воды и получения водорода и кислорода содержит ряд электролизеров наиболее перспективных известных конструкций и вновь разрабатываемых типов и конструкций, а также емкости и средства для хранения, сжатия, сжижения газов и гидрирования металлов.
1. Способ производства экологически чистого химического горючего путем электролиза воды с получением водорода и кислорода, отличающийся тем, что осуществляют реакции низкотемпературного ядерного синтеза в ядерном реакторе, в качестве исходного реагента используют радиоактивные отходы ядерных реакторов и дейтерий для производства нейтронов, ядерный синтез осуществляют путем радиационного захвата реагентом медленных нейтронов, выделяемую ядерную энергию преобразуют в электрическую, которую используют для осуществления электролиза воды.
2. Установка для производства экологически чистого химического горючего, содержащая блок электролиза воды и получения водорода и кислорода, подключенный к источнику электрической энергии, отличающаяся тем, что снабжена блоком преобразования энергии и получения электрической энергии и блоком низкотемпературного ядерного синтеза с ядерным реактором, выполненным с возможностью осуществления реакций низкотемпературного ядерного синтеза и с возможностью использования в качестве энерговыделяющих элементов ядерных отходов, в том числе стронция-90, и включающим основной генератор нейтронов, выполненный с возможностью производства нейтронов путем облучения тяжелой воды гамма-лучами, умножитель нейтронов и пусковой генератор нейтронов, причем блок электролиза воды связан с блоком преобразования энергии и производства электрической энергии, источником которой служит последний.
Разместил статью: search
Дата публикации: 18-02-2003, 18:34
html-cсылка на публикацию |
⇩ Разместил статью ⇩
![]() Владимир Николаевич |
|
BB-cсылка на публикацию | ||
Прямая ссылка на публикацию |
![]() | pi31453_53 Публикаций: 9 Комментариев: 0 |
![]() | agrohimwqn Публикаций: 0 Комментариев: 0 |
![]() | agrohimxjp Публикаций: 0 Комментариев: 0 |
![]() | Patriotzqe Публикаций: 0 Комментариев: 0 |
![]() | kapriolvyd Публикаций: 0 Комментариев: 0 |
![]() | agrohimcbl Публикаций: 0 Комментариев: 0 |
![]() | Patriotjpa Публикаций: 0 Комментариев: 0 |
![]() | kapriolree Публикаций: 0 Комментариев: 0 |
![]() | gustavoytd Публикаций: 0 Комментариев: 0 |
![]() | Mihaelsjp Публикаций: 0 Комментариев: 0 |