1Каталитические процессы в ядерной энергетике: перспективы для ТЯР Институт катализа им. Г.К.Борескова СО РАН КАТАЛИТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ: - презентация

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

2 2Каталитические процессы в ядерной энергетике: перспективы для ТЯР Институт катализа им. Г.К.Борескова СО РАН Основные источники энергии в истории человечества: До XVII века До XVII века– древесина XIX век XIX век– уголь ХХ век ХХ век– нефть (+ природный газ + атомная энергия) XXI век XXI век– природный газ + атомная энергия + биомасса ??

3 3Каталитические 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

4 4Каталитические 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 T* – температура смещения химического равновесия вправо ( G o (T*) = 0)

5 5Каталитические 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 CH 4 + H 2 O 3 H 2 + CO «EВA» «AДAM»

6 6Каталитические процессы в ядерной энергетике: перспективы для ТЯР Институт катализа им. Г.К.Борескова СО РАН Удельная энергонапряженность (УЭН) УЭН H o ( 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 / м 3 Энергонапряженность ядерных реакторов около 100–200 МВт / м 3

7 7Каталитические процессы в ядерной энергетике: перспективы для ТЯР Институт катализа им. Г.К.Борескова СО РАН Принципиальная схема цикла ИКАР для термокаталитической конверсии ядерной энергии CH 4 + H 2 O 3 H 2 + CO ИКАР

8 8Каталитические процессы в ядерной энергетике: перспективы для ТЯР Институт катализа им. Г.К.Борескова СО РАН Экспериментально измеренные значения для энергонапряженности некоторых каталитических процессов в режиме ТЯР РеакцияКатализатор УЭН (кВт/дм 3 ) CH 4 + H 2 O CO + 3 H 2 (H 2 O : CH 4 = 2.0) TH-2 GIAP-8 K-3 NC SO 3 SO 2 + ½ O 2 V 2 O 5 Fe 2 O 3 /Al 2 O 3 Fe 2 P 3 /SiO NH 3 ½ N 2 + ³/ ² H 2 Rh Pt Ru

9 9Каталитические 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 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 Экспериментальная УЭН > 200 МВт / м 3 !

10 10Каталитические процессы в ядерной энергетике: перспективы для ТЯР Институт катализа им. Г.К.Борескова СО РАН Свойства катализатора 0,8 % Ru/UO 2 в реакции CH 4 + H 2 O 3 H 2 + CO Удельная энерго- напряженность, кВт/дм 3 Конверсия метана

11 11Каталитические процессы в ядерной энергетике: перспективы для ТЯР Институт катализа им. Г.К.Борескова СО РАН Каталитически активированное ядерное топливо 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 Каталитически активный компонент (Ni, Ru и т.д.) Пористый оксид урана S уд. =1–10 м 2 /г Поры d ~ 10 мкм

12 12Каталитические процессы в ядерной энергетике: перспективы для ТЯР Институт катализа им. Г.К.Борескова СО РАН Экспресс-регулировка температуры катализатора (например, в аварийной ситуации) CH 4 + H 2 O 3 H 2 + CO

13 13Каталитические процессы в ядерной энергетике: перспективы для ТЯР 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 Al 2 O 3 и UO x не позволяет обеспечить диссипацию энергии электронов с плотностью выше 200 Вт/см 3 Удельная плотность термокаталитического преобразования энергии ионизирующего излучения в химическую энергию не лимитируется каталитическим процессом при достигнутых плотностях энерговыделения в слое катализатора

14 14Каталитические 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/см 2 ?) и достаточно постоянны

15 15Каталитические 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 3 H 2 + CO CH 4 + H 2 O Пример: 3 H 2 + CO CH 4 + H 2 O конверсии химической энергии в механическую в Эффективность конверсии химической энергии в механическую в ZET около 50 % при сжатии 20 x 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

16 16Каталитические 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 CH 4 + H 2 O 3 H 2 + CO: = 70 % x 50 % = 35 % Удельная энергонапряженность конверсии ионизирующего излучения в энергию химического топлива 100–200 МВт / м 3 катализатора

17 17Каталитические 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 %

18 18Каталитические 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 T sun 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! – – 11 T T T T солн o = 1 2 = Эффективность конверсии солнечной энергии в тепло с температурой T Эффективность конверсии тепла в химическую энергию G

19 19Каталитические 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 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 реактор СКР­3 CH 4 + H 2 O 3 H 2 + CO 900 °C 900 °C Реактор каталитического метанирования 3 H 2 + CO CH 4 + H 2 O 600 °C 600 °C Проверено в 1984–1985 гг. (Крым) + теплота – теплота

20 20Каталитические процессы в ядерной энергетике: перспективы для ТЯР Институт катализа им. Г.К.Борескова СО РАН Высокоэффективны светопроницаемый термокаталитический реактор для превращения световой энергии CH 4 + H 2 O 3 H 2 + CO Зарегистрированная полезная мощность реактора: ca. 200 W Эффективность конверсии света в химическую энергию : 60 %

21 21Каталитические 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 / H fuel = 1 – T o / T hot < 1 Эффективность Гиббса: G = Work / G fuel = 1 Так как обычно H G, G > C

22 22Каталитические 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 = км/ч