Presentation - Институт Ядерной Физики им.Г.И.Будкера 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
‹#›
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