Способ производства экологически чистого химического горючего и установка для его осуществления

ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2180366

Имя изобретателя: Евсюков Геннадий Александрович 
Имя патентообладателя: Евсюков Геннадий Александрович
Адрес для переписки: 443087, г.Самара, п/о 87, а/я 13113, Г.А.Евсюкову
Дата начала действия патента: 1997.07.16

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ноу-хау разработки, а именно данное изобретение автора относится к проблеме производства экологически чистых видов горючего взамен устаревших традиционных видов углеводородных топлив, пригодных для автомобильных моторных топлив.

Промышленная революция, начавшаяся в 18 веке, внесла значительные изменения во взаимоотношения природы и человека. До поры до времени человек, как и другие живые существа, был естественной составляющей своих экосистем, вписывался в кругооборот веществ и жил в согласии с природой. Но начиная с промышленной революции, ситуация стала стремительно меняться, и главной причиной изменений сделалась добыча и использование углеводородного топлива - угля, нефти, сланцев, газа, затем металлов и других полезных ископаемых. В кругооборот веществ в природе начали включаться запасенные былыми биосферами вещества. Появление в биосфере этих веществ, изначально ей не свойственных, загрязняло воду, воздух, почву (кислотные дожди, загрязнение морей и рек нефтепродуктами и др.). И процесс загрязнения биосферы стал интенсивно нарастать. В настоящее время перед человеком во весь рост поднимается проблема изучения влияния на его здоровье, на условия его жизни, на его будущее тех изменений природной среды, которые вызваны им самим. Действующий с марта 1992 г. закон об охране окружающей природной среды не стабилизировал экологическую ситуацию в стране. Более того, она продолжает ухудшаться. Некоторые города оказались в критическом, а 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. В состав отработавших газов автотранспорта входят токсичные и потому опасные для здоровья человека окись углерода, окислы (окись и двуокись) азота, углеводороды, альдегиды (формальдегид и акролеин), соединения серы, свинца и его соединения, сажа и канцерогенное вещество бензпирен.

Таким образом, предлагаемое изобретение относится к одной из наиболее актуальных областей техники, производства экологически чистого, безвредного горючего для автомобильного транспорта на многие века. При этом заявленная установка в отличие от существующих производств практически не расходует энергию извне, производя ее с помощью реакций низкотемпературного ядерного синтеза.

Наиболее простым в техническом исполнении и уже реализованным в промышленности известным способом получения водорода является электролиз воды, который имеет три модификации:

1) Классический электролиз в щелочной среде (25-30% КОН);

2) Электролиз с применением твердых полимерных электролитов, служащих одновременно электролитом и электролизной ячейкой;

3) Электролиз водяного пара при высоких температурах.

В качестве аналога настоящего изобретения остановимся на изобретении (RU 2006527 C1, опубл. 30.01.1994, кл. С 25 В1/04).

Однако указанный способ несколько устарел и в настоящее время имеются более совершенные, более экономичные и более технологичные, на которые следовало бы ориентироваться, но использовать мою энергетическую установку можно на любом агрегате, производящем электролиз воды любым способом. Электролиз в растворе щелочного электролита служит сейчас основным процессом промышленного получения водорода этим методом. 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. Ведутся исследования по повышению энергоэффективности электролиза в щелочных растворах. Например, за счет повышения температуры до 100-120^oС, что достигается применением электролизеров, работающих под давлением 1-5 МПа, снижаются напряжение в ячейках и плотность тока. При этом расход электроэнергии на производство 1 м³ водорода можно снизить до 4 кВт.ч, а энергетический к.п.д. процесса увеличить с 20 до 25%.

В разрабатываемых электролизерах с твердыми полимерными электролитами электролиз должен протекать при температуре 25-150^oС и давлении около 20 МПа. Энергетический к.п.д. таких электролизеров может достигать 32%. Электролиз водяного пара проводится при температуре 800-900^oС с использованием в качестве твердого электролита оксида циркония с различными добавками, увеличивающими ионную проводимость. Перенос заряда в таком электролите осуществляется ионами кислорода, образующимися при диссоциации воды. В этом процессе расход электроэнергии минимальный, но отсутствие конструкционных материалов, пригодных для эксплуатации при высоких температурах, ограничивает возможность его применения в промышленном масштабе. Затраты на производство электролитического водорода в наибольшей степени зависят от стоимости электроэнергии.

Еще одним способом получения водорода из воды является применение термохимических циклов, где разложение воды идет в несколько стадий с использованием реагентов, которые теоретически в конце цикла полностью возвращаются в исходное состояние. Термический к.п.д. таких циклов может достигать 55%. Однако реализация их сдерживается из-за высоких температур реакций, которые могут быть обеспечены при использовании тепла высокотемпературных ядерных реакторов, а также коррозионной агрессивностью среды, что требует применения специальных конструкционных материалов для оборудования. В связи с этим термохимические циклы не вышли еще из стадии исследовательских работ.

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 электролиза воды. Целью изобретения является подготовка к переходу от использования современного традиционного моторного топлива, основанного на ископаемых видах органических веществ: нефть, уголь, газ, запасы которых ускоренно убывают и не воспроизводятся и их на Земле остается не так уж много, как этого хотелось бы. Эта ситуация вызывает тревогу и начинает сказываться на возрастании цен на бензин.

По данным МАГАТЭ в настоящее время энергетический потенциал углеводородного сырья оценивается величиной 55·10¹² МВт.ч при нынешнем ежегодном расходовании 3·10¹⁰ МВт.ч. Оценки показывают, что с учетом роста расхода угля может хватить на 200-500 лет, а газа и нефти - всего на 20-50 лет. Им нужна срочная замена, которую следует готовить уже в настоящее время. Одним из наиболее перспективных видов энергоносителей, способных с успехом заменить углеводородное сырье и обеспечить людей дешевой энергией на многие века в неограниченном количестве, являются изобретенные мной способы низкотемпературного ядерного синтеза (патенты 2128374, 2123730). Современная оценка водородного топлива дает следующее представление, цитирую:

"Перспективным топливом для двигателей внутреннего сгорания является водород. . . Перспективен электролиз воды для получения водорода, но при наличии дешевой электроэнергии. ... Выполненные в США расчеты с учетом перспективных оценок показали, что к 2000 году себестоимость получения водорода при электролизе воды с использованием энергии АЭС (к.п.д. 27%) - 1427-1732 долл/т".

Конец цитаты (Г.А. Терентьев, В.М. Тюков, Ф.В. Смаль. Моторные топлива из альтернативных сырьевых ресурсов.1989 г., с. 223).

Для сравнения, средние текущие издержки добычи нефти к 2000 г. оцениваются в 44 долл/т (там же, с. 32). Отсюда в настоящее время водород при всех своих достоинствах является слишком дорогой заменой традиционным топливам и доступен только для ракетных топлив. Его стоимость в 1500/44=34 раза дороже традиционных топлив. При использовании энергии низкотемпературного ядерного синтеза стоимость водорода становится порядка 4,33 долл/т, т.е. его стоимость станет в 10 раз дешевле бензина. Таким образом, проблема замены углеводородных топлив водородом находит свое решение в использовании изобретений низкотемпературного ядерного синтеза, цитирую:

"При успешном решении проблемы управляемых термоядерных реакций человечество было бы обеспечено практически неисчерпаемыми источниками энергии, превосходящими все остальные источники. В самом деле, в 1 литре воды содержится около 1/30 г дейтерия и его теплотворная способность в качестве термоядерного горючего эквивалентна примерно 300 л бензина.

В океанах Земли содержится около 5·10¹³ т дейтерия. При современном уровне энергетических потребностей запасов дейтерия на Земле могло бы хватить на 20 млрд лет".

Конец цитаты (П.Е. Колпаков. Основы ядерной физики. - М., 1989, с. 328).

Реакции низкотемпературного ядерного синтеза осуществимы и позволяют превращать одно атомное ядро в другое и при этом выделяется большое количество энергии. Так, например, если превратить атомное ядро азота-14 в атомное ядро кислорода-16, выделяется энергия порядка 23,79 МэВ. Преобразование 1 кг азота-14 в кислород сопровождается выделением 3,9·10¹⁰ ккал энергии. Этой энергии достаточно для разложения 6 тыс. т воды на кислород и водород.

Цитата:

"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. 365).

Таким образом, если совместить получение ядерной энергии с помощью низкотемпературного ядерного синтеза с производством водорода путем электролиза воды, то при равных условиях себестоимость водорода окажется в 400-700 раз меньше, чем при использовании энергии АЭС (1 кг дейтерия способен выделить в 4-7 раз больше энергии, чем 1 кг урана-235). Откуда стоимость электролитического водорода становится 1732/400=4,33 долл/т.

Таким образом, мое изобретение решает проблему обеспечения моторным топливом и указывает путь, как при помощи низкотемпературного ядерного синтеза, имеющего неограниченные запасы ядерного горючего, калорийность которого в миллионы раз превышает калорийность бензина, обеспечить будущим поколениям людей автомобильный транспорт дешевым экологически чистым горючим на многие века. Решение этого вопроса является главной целью моего изобретения.

Более целесообразно для производства ядерной энергии в качестве реагента использовать нереализованные радиоактивные отходы ядерных реакторов, подлежащие утилизации, допустим, стронций-90, цезий-137 и др. В этом случае одновременно с производством водорода будет осуществляться производительная утилизация ядерных отходов, что отразится на еще большем снижении стоимости производимого водорода.

Таким образом, второй важной задачей, решаемой данным изобретением, является снижение экологического загрязнения окружающей среды и активная утилизация ядерных отходов.

Предлагаемый способ включает следующие операции:

1) в ядерный реактор, предназначенный для низкотемпературного ядерного синтеза, загружают реагент (стронций-90);

2) подготавливают к работе ядерный реактор;

3) подготавливают к работе электролизеры;

4) включают в работу ядерный реактор и электролизеры. В процессе работы ядерного реактора происходит облучение реагента нейтронами, производимыми основным генератором нейтронов, при этом осуществляется следующая цепочка ядерных реакций:

На этом процесс радиационного захвата нейтронов не заканчивается, он может продолжаться многократно. Реагент при этом не расходуется и не теряет способность к радиационному захвату нейтронов. Цикл работы реактора завершается после того, как ядром реагента (стронция-90) будет захвачено 40 медленных нейтронов, в результате чего оно превратится в стабильное ядро ксенона-130 в виде газообразного компонента, который будет откачан из активной зоны реактора. При этом будет выделена энергия порядка 314,3 МэВ. Таким образом, 1 кг реагента, состоящего только из ядер стронция-90, выделит энергию 20,9·10²⁶ МэВ, что эквивалентно сжиганию 7,18 тыс. т бензина. Это в 4 раза больше той энергии, которую может выделить 1 кг урана-235.

Энергия выделяется за счет расхода нейтронов в процессе их радиационного захвата и изменения внутриядерных связей между нуклонами и преобразованием нуклонов. В приведенном примере израсходованы 2 нейтрона. Нейтроны производятся основным генератором нейтронов за счет облучения тяжелой воды гамма-квантами или другим способом. Таким образом, израсходовано 2 дейтерона. Захваченный нейтрон выделяет энергию порядка 18,68/2=9,34 МэВ. Чтобы разделить дейтерон на протон и нейтрон затрачивается энергия 2,2 МэВ, следовательно, каждый прореагировавший дейтерон отдает полезную ядерную энергию связи, равную 9,34-2,2=7,14 МэВ (1 МэВ соответствует 2,83·10^-17 ккал).

Таким образом, израсходование 1 кг дейтерия может выделить 8,2·10¹⁰ ккал энергии, что в 4,1 раза больше чем 1 кг урана-235. Выделенная энергия ядерного синтеза улавливается теплоносителем и поступает в контур теплообмена, где превращается в электроэнергию с к.п.д. 27%.

Наиболее перспективным способом получения водорода для энергетических целей являются различные методы разложения воды с использованием ядерной энергии низкотемпературного ядерного синтеза. Это особенно актуально, поскольку традиционные ископаемые горючие материалы не воспроизводятся, их запасы, цена, эксплуатационные и экологические показатели не могут конкурировать с электролизным водородом, полученным предлагаемым способом.

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 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.

Установка предназначена, во-первых, для производства водорода и кислорода путем электролиза воды с использованием наиболее дешевой электроэнергии, производимой с помощью низкотемпературного ядерного синтеза. Такая установка обеспечена собственным независимым источником энергии и не требует расхода энергии извне. Во-вторых, задачей, которую решает установка, является улучшение экологической обстановки путем полезного расходования ядерных отходов, подлежащих утилизации и захоронению, и производство дешевых экологически чистых горючих материалов, потребность в которых с течением времени возрастает быстрыми темпами.

В состав установки для электролиза воды входят (фиг.1): 1) блок низкотемпературного ядерного синтеза; 2) блок преобразования энергии и производства электроэнергии; 3) блок электролиза воды и получения водорода и кислорода.

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): - пластины исходного реагента (стронция-90) 1; - пластины замедлителя нейтронов (из графита) 2; - основной генератор нейтронов на тяжелой воде) 3; - умножитель нейтронов на тяжелых делящихся ядрах 4; - пусковой генератор нейтронов 5; - трубки, по которым циркулирует теплоноситель 6.

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 - теплообменника 7 - циркуляционных насосов 8 - турбогенератора 9 - конденсатора 10 - питательного насоса 11 - обслуживающих и вспомогательных систем и предназначен для преобразования ядерной энергии в электрическую.

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.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

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  Его публикации  Нужна регистрация Отправить сообщение
BB-cсылка на публикацию
Прямая ссылка на публикацию

Огромное Спасибо за Ваш вклад в развитие отечественной науки и техники!