В.Н. Пармон Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН

1 Каталитические процессы в ядерной энергетике: перспективы для ТЯР Институт катализа им. Г.К.Борескова СО РАН

КАТАЛИТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В КАТАЛИТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В

ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ:ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ:

ПЕРСПЕКТИВЫ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯПЕРСПЕКТИВЫ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

В ТЕРМОЯДЕРНЫХ РЕАКТОРАХВ ТЕРМОЯДЕРНЫХ РЕАКТОРАХ

В.Н. ПармонИнститут катализа им. Г.К. Борескова СО РАН

Интеграционный проект СО РАН #112


Основные источники энергии в истории Основные источники энергии в истории человечества:человечества:

До До XVII XVII векавека – древесина

XIX XIX веквек – уголь

ХХ векХХ век – нефть(+ природный газ + атомная энергия)

XXI XXI веквек – природный газ + атомная энергия + биомасса ??


Каталитические технологии в нетрадиционной и Каталитические технологии в нетрадиционной и возобновляемой энергетикевозобновляемой энергетике

1. Производство тепла из низкокалорийных и нетрадиционных топлив

2. Превращение биомассы в высококачественные топлива

3. Атомная и нетрадиционная (солнечная) энергетика

4. Увеличение эффективности получения механической энергии и электричества

5. Электрохимическая энергетика. Топливные элементы и водородная энергетика

6. Рекуперация и использование средне- и низкопотенциальной теплоты


Некоторые обратимые каталитические реакции, Некоторые обратимые каталитические реакции, предлагаемые для конверсии ядерной и солнечной предлагаемые для конверсии ядерной и солнечной энергии, а также для химических тепловых насосовэнергии, а также для химических тепловых насосов

T* – температура смещения химического равновесия вправо (Go(T*) = 0)


Принципиальная схема цикла ЕВА-АДАМ для Принципиальная схема цикла ЕВА-АДАМ для термокаталитической конверсии ядерной энергиитермокаталитической конверсии ядерной энергии

CHCH44 + H + H22O O 3 3 HH22 + CO + CO

«E«EВВA»A» «A«AДДAM»AM»


Удельная энергонапряженностьУдельная энергонапряженность ( (УЭНУЭН))

УЭН Ho (скорость реакции)

УЭН =

Количество теплоты, превращенной в химическую энергию

(Объем реактора)

время

УЭН регулирует размер и стоимости устройства для превращения энергии

УЭН для цикла ЕВА-АДАМ меньше 5 МВт / м3

Энергонапряженность ядерных реакторов около 100–200 МВт / м3


Принципиальная схема цикла ИКАР для Принципиальная схема цикла ИКАР для термокаталитической конверсии ядерной энергиитермокаталитической конверсии ядерной энергии

CHCH44 + H + H22O O 3 3 HH22 + CO + CO

ИКАРИКАР


Экспериментально измеренные значения для Экспериментально измеренные значения для энергонапряженности некоторых каталитических энергонапряженности некоторых каталитических

процессов в режиме ТЯРпроцессов в режиме ТЯР

Реакция КатализаторУЭН

(кВт/дм3)

CH4 + H2O CO + 3 H2

(H2O : CH4 = 2.0)

TH-2

GIAP-8

K-3

NC-2

70

50

45

30

SO3 SO2 + ½ O2 V2O5

Fe2O3/Al2O3

Fe2P3/SiO2

100

30

15

NH3 ½ N2 + ³/² H2

Rh

Pt

Ru

230230

100

20


Два варианта загрузки катализатора Два варианта загрузки катализатора конверсии энергии в ядерный реакторконверсии энергии в ядерный реактор

a b

Yu.I. Aristov, Yu.Yu. Tanashev, S.I. Prokopiev, L.G. Gordeyeva, V.N. Parmon. Int. J. Hydr. Energy, 1993, vol.18, N 1, p.45-62

Экспериментальная УЭНЭкспериментальная УЭН > 200 > 200 МВтМВт / / мм33 ! !


Свойства катализатораСвойства катализатора 0 0,,8 % Ru/UO8 % Ru/UO22 в в

реакцииреакции

CHCH44 + H + H22O O 3 H 3 H22 + CO + CO

Удельная энерго-

напряженность,кВт/дм3

Конверсия метана


Каталитически активированное ядерное Каталитически активированное ядерное топливотопливо

L.G.Gordeeva, Yu.I.Aristov, E.M.Moroz, N.A.Rudina, V.I.Zaikovskii, Yu.Yu.Tanashev, V.N.ParmonJ. Nuclear Materials, 1995, Vol.218, p.202-209

Каталитически активныйкомпонент (Ni, Ru и т.д.)

Пористый оксид уранаSуд.=1–10 м2/г

Поры d ~ 10 мкм


Экспресс-регулировка температуры катализатораЭкспресс-регулировка температуры катализатора

((напримернапример, , в аварийной ситуациив аварийной ситуации))

CH4 + H2O 3 H2 + CO


Вывод из экспериментов:Вывод из экспериментов:

• Использование электронных ускорителей с энергией протонов около 2 МэВ и катализаторов на основе пористых Al2O3 и UOx не позволяет обеспечить диссипацию энергии электронов с плотностью выше 200 Вт/см3

• Удельная плотность термокаталитического преобразования энергии ионизирующего излучения в химическую энергию не лимитируется каталитическим процессом при достигнутых плотностях энерговыделения в слое катализатора


Особенности энергии, выделяемой Особенности энергии, выделяемой управляемыми термоядерными установками:управляемыми термоядерными установками:

• энергия выделяется в виде ионизирующего излучения

• потоки энергии на стенке «Токамаков» велики ( 10 Вт/см2 ?) и достаточно постоянны


Схема прямой конверсии химической энергии в механическую Схема прямой конверсии химической энергии в механическую в турбине без вредных выбросовв турбине без вредных выбросов (Zero-Emission Turbine (Zero-Emission Turbine – – ZET) ZET)

с использованием обратимых топливных смесейс использованием обратимых топливных смесей

Пример: 33 HH22 + CO CH + CO CH44 + H + H22OO Эффективность конверсии химической энергии в механическую вконверсии химической энергии в механическую в ZET около 50 % при сжатии 20x

Основное преимущество: отсутствие теплообменников и, следовательно, чрезвычайно малый вес металла

S.I. Prokopiev, Yu.I. Aristov, V.N. Parmon, Izvestia RAN , Ser.Energy, 1994, vol.69, N 3,

p.346-351


Процессы ИКАР и Процессы ИКАР и ZET ZET как наиболее эффективные как наиболее эффективные устройства для поглощения тепла и конверсии энергии устройства для поглощения тепла и конверсии энергии

для источников термоядерной энергии будущегодля источников термоядерной энергии будущего

Ожидаемая суммарная энергоэффективность превращения ядерной энергии в механическую по реакции

CHCH44 + H + H22O O 3 H 3 H22 + CO: + CO: = 70 % x 50 % = 35 % = 70 % x 50 % = 35 %

Удельная энергонапряженность конверсии ионизирующего излучения в энергию химического топлива 100–200 МВт / м3 катализатора


Принципиальная схема термокаталитического Принципиальная схема термокаталитического преобразования солнечной энергии на основе преобразования солнечной энергии на основе

реакции паровой конверсии метанареакции паровой конверсии метана

Экспериментально достигнут к.п.д. преобразования солнечной энергии 43 % и для полного цикла аккумулирование – выделение энергии – 20 %


Термодинамически разрешенная эффективность Термодинамически разрешенная эффективность конверсии солнечной энергии в химическую в конверсии солнечной энергии в химическую в

термохимических процессахтермохимических процессах

Tsun 5800 KT 1000–1100 K может легко

достигаться с помощью достаточно простых

концентраторов солнечного света (зеркала и т.д.)

Для конверсии в энтальпию H ограничения не такие жесткие!

–

–

1 1

T

T

T

Tсолн

o = 1 2 =

Эффективность конверсии солнечной

энергии в тепло с температурой T

Эффективностьконверсии теплав химическую

энергию G


Опытная установка термокаталитического Опытная установка термокаталитического преобразования солнечной энергии с полезной преобразования солнечной энергии с полезной

мощностью 2,0 кВтмощностью 2,0 кВт

Диаметр параболоидного зеркала: 5 м

Конверсия солнечной энергии в химическую в СКР: к.п.д. 43 %

Полезная мощность 2,4 кВт

Общий к.п.д. замкнутого контура: 20 %

Солнечный каталитический Солнечный каталитический реактор СКРреактор СКР 3 3

CHCH44 + H + H22O O 3 H 3 H22 + CO + CO 900 °C900 °C

Реактор каталитического Реактор каталитического метанированияметанирования

3 H3 H22 + CO + CO CH CH44 + H + H22OO 600 °C600 °C

Проверено в 1984–1985 гг. (Крым)

+ теплота+ теплота

– – теплотатеплота


Высокоэффективны светопроницаемый Высокоэффективны светопроницаемый термокаталитический реактор для термокаталитический реактор для

превращения световой энергиипревращения световой энергии

CHCH44 + H + H22O O 3 H 3 H22 + CO + CO

Зарегистрированная полезная мощность

реактора: ca. 200 W

Эффективность конверсии света в

химическую энергию: 60 %


Принципиальная схема «Химического Принципиальная схема «Химического рекуператора тепла» для повышения рекуператора тепла» для повышения

эффективности использования топлива в эффективности использования топлива в газовой турбинегазовой турбине

Эффективность Карно: C = Work / Hfuel = 1 – To / Thot < 1Эффективность Гиббса: G = Work / Gfuel = 1Так как обычно H G, G > C


Термокаталитическая предварительная обработка Термокаталитическая предварительная обработка топлива, сопряженная с охлаждением в российском топлива, сопряженная с охлаждением в российском

ультразвуковом самолете «Нева» для ультразвуковом самолете «Нева» для XXI XXI векавека

V = 10 000 км/ч

Documents

В.Н. Пармон Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН