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

1. КАТАЛИТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ:ПЕРСПЕКТИВЫ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯВ ТЕРМОЯДЕРНЫХ РЕАКТОРАХ В.Н. Пармон Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН Интеграционный проект СО РАН #112

2. 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 ??

3. Каталитические технологии в нетрадиционной и возобновляемой энергетике • Производство тепла из низкокалорийных и нетрадиционных топлив • Превращение биомассы в высококачественные топлива • Атомная и нетрадиционная (солнечная) энергетика • Увеличение эффективности получения механической энергии и электричества • Электрохимическая энергетика. Топливные элементы и водородная энергетика • Рекуперация и использование средне- и низкопотенциальной теплоты

4. Некоторые обратимые каталитические реакции, предлагаемые для конверсии ядерной и солнечной энергии, а также для химических тепловых насосов T* – температура смещения химического равновесиявправо (Go(T*) = 0)

5. Принципиальная схема цикла ЕВА-АДАМ для термокаталитической конверсии ядерной энергии «EВA» «AДAM» CH4 + H2O 3H2 + CO

6. Удельная энергонапряженность (УЭН) Количество теплоты, превращенной в химическую энергию УЭН = (Объем реактора) время УЭНHo (скорость реакции) УЭНрегулирует размер и стоимости устройства для превращения энергии УЭН для цикла ЕВА-АДАМ меньше 5 МВт / м3Энергонапряженность ядерных реакторовоколо 100–200 МВт / м3

7. Принципиальная схема цикла ИКАР для термокаталитической конверсии ядерной энергии ИКАР CH4 + H2O 3H2 + CO

8. Экспериментально измеренные значения для энергонапряженности некоторых каталитических процессов в режиме ТЯР

9. 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

10. Свойства катализатора 0,8 % Ru/UO2в реакции CH4 + H2O  3 H2 + CO Удельнаяэнерго-напряженность,кВт/дм3 Конверсияметана

11. Каталитически активированное ядерное топливо Каталитически активныйкомпонент (Ni, Ru и т.д.) Пористый оксид уранаSуд.=1–10 м2/г Порыd ~ 10 мкм 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

12. Экспресс-регулировка температуры катализатора(например, в аварийной ситуации) CH4 + H2O 3 H2 + CO

13. Вывод из экспериментов: • Использование электронных ускорителей с энергией протонов около 2 МэВ и катализаторов на основе пористых Al2O3и UOxне 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

14. Особенности энергии, выделяемой управляемыми термоядерными установками: • энергия выделяется в виде ионизирующего излучения • потоки энергии на стенке «Токамаков» велики ( 10 Вт/см2?) и достаточно постоянны

15. Схема прямой конверсии химической энергии в механическую в турбине без вредных выбросов (Zero-Emission Turbine – ZET) с использованием обратимых топливных смесей Пример:3H2 + CO CH4 + H2O S.I.Prokopiev,Yu.I.Aristov, V.N.Parmon,Izvestia RAN ,Ser.Energy, 1994, vol.69, N 3, p.346-351 Эффективность конверсии химической энергии в механическую в ZET около50 %при сжатии 20x Основное преимущество:отсутствие теплообменников и, следовательно, чрезвычайно малый вес металла

16. 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 топлива100–200 МВт / м3катализатора

17. 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. Термодинамически разрешенная эффективность конверсии солнечной энергии в химическую в термохимических процессах æ ö ö æ ç ÷ ÷ ç ç ÷ ÷ ç ç ÷ ÷ ç ç ç ÷ ÷ è ø ø è Эффективность конверсии солнечной энергии в тепло с температурой T æ ö Эффективностьконверсии теплав химическую энергиюG æ ö T T o – – ç ÷ 1 1  » ´ ç ÷  = 1 2 = è ø è ø T T солн Tsun 5800 KT  1000–1100 Kможет легко достигаться с помощью достаточно простых концентраторов солнечного света (зеркала и т.д.) Для конверсии в энтальпиюH ограничения не такие жесткие!

19. Опытная установка термокаталитического преобразования солнечной энергии с полезной мощностью 2,0 кВт Солнечный каталитический реактор СКР­3 CH4 + H2O  3 H2 + CO 900 °C Реактор каталитического метанирования 3 H2 + CO  CH4 + H2O 600 °C 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 % + теплота – теплота Проверено в 1984–1985 гг. (Крым)

20. 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 %

21. 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

22. Термокаталитическая предварительная обработка топлива, сопряженная с охлаждением в российском ультразвуковом самолете «Нева» для XXI века V = 10 000 км/ч