Производство экологически чистых видов горючего для автомобильных топлив

По данным МАГАТЭ в настоящее время энергетический потенциал углеводородного сырья оценивается величиной 55 • 10¹² МВтч при нынешнем ежегодном расходовании 3 • 10 ^ю 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, является водородное топливо.

«Перспективным топливом для двигателей внутреннего сгорания является водород… Перспективен электролиз воды для получения водорода, но при наличии дешевой электроэнергии…» (Г.А. Терентьев, В. М. Тюков, Ф. В. Смаль. Моторные топлива из альтернативных сырьевых ресурсов. 1989 г., с. 223).

Но себестоимость получения водорода при электролизе воды с использованием энергии АЭС (КПД 27%) — 1427−1732 долл./т. Для сравнения, средние текущие издержки добычи нефти оцениваются в 44 долл./т. 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: «Приуспешном 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? 10^й т дейтерия. При современном уровне энергетических потребностей запасов дейтерия на Земле могло бы хватить на 20 млрд лет". (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.

«Поскольку стоимость одного грамма дейтерия примерно в ЮОразменъше 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». (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.

Так, изобретение Евсюкова Г. А. [33] 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.

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.

Другой 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 электролизёры;
• 4) включают в работу ядерный реактор и электролизёры.

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 КПД 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. Установка включает основной генератор нейтронов, выполненный с возможностью производства нейтронов путем облучения тяжелой воды гамма-лучами, умножитель нейтронов и пусковой генератор нейтронов. Блок электролиза воды связан с блоком преобразования энергии и производства электрической энергии, источником которой он служит.

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 ее состав входят (рис. 8.1):

• 1) блок низкотемпературного ядерного синтеза;
• 2) блок преобразования энергии и производства электроэнергии;
• 3) блок электролиза воды и получения водорода и кислорода.

Рис. 8.1. Установка низкотемпературного ядерного синтеза

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, предназначенный для выполнения реакций низкотемпературного ядерного синтеза, работает на тепловых нейтронах с графитовым замедлителем. Ядерным горючим (реагентом) служат отходы ядерных реакторов деления тяжелых атомных ядер, например, стронций-90. Состоит из следующих функциональных элементов (рис. 8.2):

• — 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 (рис. 8.3);
• — основного генератора нейтронов 3, 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;

Рис. 8.2. Активная зона реактора:

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

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.

энергии, производимой современ;

Рис. 8.3. Блок преобразования энергии и производства электроэнергии.

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 ными АЭС, в 400−700 раз.

Блок преобразования энергии и производства электроэнергии представляет собой типовой контур преобразования ядерной энергии в электрическую с КПД порядка 27%. (рис. 8.3). Он включает в свой состав: 1 — генератор, теплообменник 7, циркуляционные насосы 8, турбогенератор 9, конденсатор 10, питательный насос 11, обслуживающие и вспомогательные системы.

Блок электролиза воды и получения водорода и кислорода содержит ряд электролизёров наиболее перспективных известных конструкций и вновь разрабатываемых типов и конструкций, а также емкости и средства для хранения, сжатия, сжижения газов и гидрирования металлов.

Наиболее простым 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.

Еще до пропускания тока щелочь как сильный электролит диссоциирует на ионы КОН? К⁺ + ОН'. Вода как слабый электролит частично диссоциирует на ионы Н₂0 U Н⁺+ ОН'. Таким образом, в растворе содержатся ионы К⁺; Н⁺; ОН' (рис. 8.4).

Рис. 8.4. Схема электролиза раствора КОН с угольными (нерастворимыми) электродами.

При пропускании тока к катоду подходят ионы К⁺ и Н⁺, к аноду — ионы ОН'. На катоде будут разряжаться ионы водорода (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 Н₂0. 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.

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:

• 1. Ограниченные запасы природных горючих материалов, количество которых неуклонно сокращается. Опубликованные оценки подтверждают, что ресурсы минерального топлива ограничены, и при сохранении существующих темпов развития энергетики они будут исчерпаны на протяжении ближайших десятилетий (нефть, горючие газы) или столетий (уголь).
• 2. Экологическое загрязнение окружающей среды от использования традиционных топлив слишком велико и наносит вред живым организмам и растениям. 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. Самым экологически неблагополучным городом страны последних лет признан Норильск, где основным источником загрязнения окружающей среды является металлургический комбинат. Атмосфера города, а также почвы и окрестные водоемы перенасыщены вредными соединениями, в которые входят никель, медь, селен, кобальт, свинец и другие металлы. Воздушное загрязнение здесь усиливается также за счет высокой концентрации диоксида серы и окислов азота. В числе самых грязных городов не только России, но и всего мира вот уже долгое время остается и Москва. Основная часть вредных веществ в ее атмосферу поступает за счет автомобильных выхлопов, в составе которых — формальдегид, бензопирен и угарный газ. Свою долю в отравлении московской атмосферы вносят и промышленные предприятия, и в первую очередь нефтеперерабатывающий завод в Капотне. В списке 35 самых загрязненных населенных пунктов нашей страны находятся также Санкт-Петербург, Волгоград, Нижний Новгород, Чапаевск, Новокуйбышевск, Томск, Нижний Тагил, Липецк, Магнитогорск и ряд других городов. Содержание вредных примесей в воздухе здесь превышает предельно допустимые нормы в десятки раз, что, естественно, укорачивает жизнь и сильно подрывает здоровье его жителей. 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.
• 3. 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:
  • — по своим запасам должно многократно превышать запасы традиционных видов топлива;
  • — месторождения запасов топлива должны быть легко доступны для их массового использования и приближены к месту использования;
  • — стоимость топлива не должна заметно превышать стоимость традиционных видов топлива;
  • — экологические показатели должны существенно превосходить аналогичные показатели традиционных видов топлива (автомобиль или электромобиль не должны загрязнять окружающую среду);
  • — 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.

«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» (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» (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» (там же, с. 176).

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.