КАТАЛИТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ: ПЕРСПЕКТИВЫ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ТЕРМОЯДЕРНЫХ РЕАКТОРАХ В.Н. Пармон Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН Интеграционный проект СО РАН #112 ‹#› Каталитические процессы в ядерной энергетике: перспективы для ТЯР Институт катализа им. Г.К.Борескова СО РАН Основные источники энергии в истории человечества: ‹#› До XVII века – древесина XIX век – уголь ХХ век – нефть (+ природный газ + атомная энергия) XXI век – природный газ + атомная энергия + биомасса ?? Каталитические процессы в ядерной энергетике: перспективы для ТЯР Институт катализа им. Г.К.Борескова СО РАН Каталитические технологии в нетрадиционной и возобновляемой 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 ‹#› Каталитические процессы в ядерной энергетике: перспективы для ТЯР Институт катализа им. Г.К.Борескова СО РАН Некоторые обратимые каталитические реакции, предлагаемые для конверсии ядерной и солнечной энергии, а также для химических тепловых насосов Ho298 , ккал / моль So298, ккал / моль T* K N Реакция 1 SO3(г) SO2(г) + 1/2 O2 23.5 22.5 1030 2 C(тв) + H2O(ж) H2 + CO 41.9 60.4 980 3 C(тв) + CO2 2 CO 41.4 42.2 980 4 CH4 + H2O(ж) 3 H2 + CO 59.8 79.7 960 5 CH4 + CO2 2 H2 + 2 CO 59.1 61.5 960 6 C6H12(г) C6H6(г) + 3 H2 49.3 86.6 570 7 NH3(г) 1/2 N2 + 3/2 H2 11.0 23.7 470 8 CH3OH(г) 2 H2 + CO 21.7 52.3 415 T* – температура смещения химического равновесия вправо (Go(T*) = 0) ‹#› Каталитические процессы в ядерной энергетике: перспективы для ТЯР Институт катализа им. Г.К.Борескова СО РАН Принципиальная схема цикла ЕВА-АДАМ для термокаталитической конверсии ядерной энергии «EВA» CH4 + H2O ‹#› Каталитические процессы в ядерной энергетике: перспективы для ТЯР «AДAM» 3 H2 + CO Институт катализа им. Г.К.Борескова СО РАН Удельная энергонапряженность (УЭН) Количество теплоты, превращенной в химическую энергию УЭН = УЭН (Объем реактора) время Ho (скорость реакции) 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 ‹#› Каталитические процессы в ядерной энергетике: перспективы для ТЯР Институт катализа им. Г.К.Борескова СО РАН Принципиальная схема цикла ИКАР для термокаталитической конверсии ядерной энергии ИКАР CH4 + H2O ‹#› Каталитические процессы в ядерной энергетике: перспективы для ТЯР 3 H2 + CO Институт катализа им. Г.К.Борескова СО РАН Экспериментально измеренные значения для энергонапряженности некоторых каталитических процессов в режиме ТЯР Катализатор УЭН (кВт/дм3) 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 230 100 20 Реакция CH4 + H2O CO + 3 H2 (H2O : CH4 = 2.0) ‹#› Каталитические процессы в ядерной энергетике: перспективы для ТЯР Институт катализа им. Г.К.Борескова СО РАН Два варианта загрузки катализатора конверсии энергии в ядерный реактор a b Экспериментальная УЭН > 200 МВт / м3 ! 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 ‹#› Каталитические процессы в ядерной энергетике: перспективы для ТЯР Институт катализа им. Г.К.Борескова СО РАН Свойства катализатора 0,8 % Ru/UO2 в реакции CH4 + H2O 3 H2 + CO Удельная энергонапряженность, кВт/дм3 Конверсия метана ‹#› Каталитические процессы в ядерной энергетике: перспективы для ТЯР Институт катализа им. Г.К.Борескова СО РАН Каталитически активированное ядерное топливо Каталитически активный компонент (Ni, Ru и т.д.) Пористый оксид урана Sуд.=1–10 м2/г Поры d ~ 10 мкм L.G.Gordeeva, Yu.I.Aristov, E.M.Moroz, N.A.Rudina, V.I.Zaikovskii, Yu.Yu.Tanashev, V.N.Parmon J. Nuclear Materials, 1995, Vol.218, p.202-209 ‹#› Каталитические процессы в ядерной энергетике: перспективы для ТЯР Институт катализа им. Г.К.Борескова СО РАН Экспресс-регулировка температуры катализатора (например, в аварийной ситуации) CH4 + H2O ‹#› Каталитические процессы в ядерной энергетике: перспективы для ТЯР 3 H2 + CO Институт катализа им. Г.К.Борескова СО РАН 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 Каталитические процессы в ядерной энергетике: перспективы для ТЯР Институт катализа им. Г.К.Борескова СО РАН Особенности энергии, выделяемой управляемыми термоядерными установками: ‹#› • энергия выделяется в виде ионизирующего излучения • потоки энергии на стенке «Токамаков» велики ( 10 Вт/см2 ?) и достаточно постоянны Каталитические процессы в ядерной энергетике: перспективы для ТЯР Институт катализа им. Г.К.Борескова СО РАН Схема прямой конверсии химической энергии в механическую в турбине без вредных выбросов (Zero-Emission Turbine – ZET) с использованием обратимых топливных смесей S.I. Prokopiev, Yu.I. Aristov, V.N. Parmon, Izvestia RAN , Ser.Energy, 1994, vol.69, N 3, p.346-351 Пример: 3 H2 + CO CH4 + H2O Эффективность конверсии химической энергии в механическую в ZET около 50 % при сжатии 20x Основное преимущество: отсутствие теплообменников и, следовательно, чрезвычайно малый вес металла ‹#› Каталитические процессы в ядерной энергетике: перспективы для ТЯР Институт катализа им. Г.К.Борескова СО РАН Процессы ИКАР и ZET как наиболее эффективные устройства для поглощения тепла и конверсии энергии для источников термоядерной энергии будущего Ожидаемая суммарная энергоэффективность превращения ядерной энергии в механическую по реакции CH4 + H2O 3 H2 + CO: = 70 % x 50 % = 35 % Удельная энергонапряженность конверсии ионизирующего излучения в энергию химического топлива 100–200 МВт / м3 катализатора ‹#› Каталитические процессы в ядерной энергетике: перспективы для ТЯР Институт катализа им. Г.К.Борескова СО РАН Принципиальная схема термокаталитического преобразования солнечной энергии на основе реакции паровой конверсии метана Экспериментально достигнут к.п.д. преобразования солнечной энергии 43 % и для полного цикла аккумулирование – выделение энергии – 20 % ‹#› Каталитические процессы в ядерной энергетике: перспективы для ТЯР Институт катализа им. Г.К.Борескова СО РАН Термодинамически разрешенная эффективность конверсии солнечной энергии в химическую в термохимических процессах = 1 Эффективность конверсии солнечной 2 = энергии в тепло с температурой T Эффективность конверсии тепла в химическую энергию G T T 1 – o 1 – T солн T Tsun 5800 K T 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! ‹#› Каталитические процессы в ядерной энергетике: перспективы для ТЯР Институт катализа им. Г.К.Борескова СО РАН Опытная установка термокаталитического преобразования солнечной энергии с полезной мощностью 2,0 кВт Солнечный каталитический реактор СКР3 Диаметр параболоидного зеркала: 5 м + теплота CH4 + H2O 3 H2 + CO 900 °C Конверсия солнечной энергии в химическую в СКР: к.п.д. 43 % Полезная мощность 2,4 кВт Реактор каталитического метанирования Общий к.п.д. замкнутого контура: 20 % 3 H2 + CO CH4 + H2O – теплота 600 °C Проверено в 1984–1985 гг. (Крым) ‹#› Каталитические процессы в ядерной энергетике: перспективы для ТЯР Институт катализа им. Г.К.Борескова СО РАН Высокоэффективны светопроницаемый термокаталитический реактор для превращения световой энергии CH4 + H2O 3 H2 + CO Зарегистрированная полезная мощность реактора: ca. 200 W Эффективность конверсии света в химическую энергию: 60 % ‹#› Каталитические процессы в ядерной энергетике: перспективы для ТЯР Институт катализа им. Г.К.Борескова СО РАН Принципиальная схема «Химического рекуператора тепла» для повышения эффективности использования топлива в газовой турбине Эффективность Карно: C = Work / Hfuel = 1 – To / Thot < 1 Эффективность Гиббса: G = Work / Gfuel = 1 Так как обычно H G, G > C ‹#› Каталитические процессы в ядерной энергетике: перспективы для ТЯР Институт катализа им. Г.К.Борескова СО РАН Термокаталитическая предварительная обработка топлива, сопряженная с охлаждением в российском ультразвуковом самолете «Нева» для XXI века V = 10 000 км/ч ‹#› Каталитические процессы в ядерной энергетике: перспективы для ТЯР Институт катализа им. Г.К.Борескова СО РАН