Преобразователи энергии (стр. 5 )

Радиоизотопные электрогенераторы (РИЭГ), или, как их чаще называют, ядерные батареи, осуществляют непосредственное превраще-ние ядерной энергии в электродинамическую и могут работать на всех трех видах излучений: и Однако наиболее перспективным считается -излучение. и -частицы, будучи тяжелыми, быстро разрушают прибор, а -кванты опасны для жизни и поэтому радиоизотопные электрогенераторы должны снабжаться относительно тяжелой защитой.

РИЭГ являются источниками электрического тока высокого напря-жения (до 800000 В) и малой силы (10-11–10-8 и выше). Высокое напряжение обеспечивается большой энергией частиц, возникающих при радиоизотопном распаде. Количественный же их выход, определяющий силу тока и мощность, мал и зависит также от времени полураспада. Поэтому они, отличаясь длительным сроком службы (до 20–30 лет и более), обеспечивают очень малую мощность (от 10-5–10-3 до 5 Вт). КПД большинства типов РИЭГ не превышает 2 %, а чаще имеет значения еще меньшие.

Реакторные ядерные электрогенераторы непосредственного превра-щения ядерной энергии в электродинамическую и электромагнитную (без предварительного превращения ее в тепловую). Действие их основыва-ется на следующих принципах.

Электростатический принцип превращения ядерной энергии в электродинамическую. В обычных условиях заряженные осколки деления, несущие 80 % энергии, разлетаются равномерно во все стороны, но если их движению придать направленность, то они могут заряжать электроды электростатического генератора, создавая потенциал примерно 4 МВ или несколько менее. Одновременная разрядка такого генератора на внешнюю нагрузку позволяет продолжать процесс переноса зарядов и, следовательно, использовать устройство в качестве постоянного источника электродинамической энергии.

Электромагнитный принцип (превращение ядерной энергии в электромагнитную). Идея его сводится к превращению кинети-ческой энергии осколков деления в энергию электромагнитного излу-чения с помощью сверхвысокочастотных (СВЧ) приборов типа магнетронов или с помощью оптических квантовых генераторов (лазеров).

Тепловой электромагнитный принцип превраще-ния ядерной энергии в тепловую, затем механическую и, наконец, электродинамическую. Если бы удалось создать направленный поток продуктов деления, не давая им прийти в беспорядочное тепловое движение, то можно было бы построить непосредственный электромагнитный преобразователь ядерной энергии в электрическую, действующий по принципу механических электрогенераторов – при пересечении проводником силовых линий магнитного поля в проводнике возникнет электрический ток.

Радиоизотопные двигатели (РИД) могут быть активного и реактив-ного действия. В первом случае радиоактивный источник энергии помещается на подвижном элементе двигателя и время от времени приводится в соприкосновение с неподвижным проводником, являющимся токоподводом зарядов к подвижным элементам. Во втором случае радиоактивный материал размещается на приводимом в движение теле.

Ядерные реакторные двигатели (ЯРД) можно в принципе постро-ить по тем же схемам, однако «активные» ЯРД с непосредственным использованием кинетической энергии осколков деления будут уступать по эффективности и габаритным показателям соответствующим тепловым ядерным двигателям.

Реакторные двигатели непосредственного преобразования энергии. Их отличие от реактивных РИД состоит лишь в том, что вместо радиоактивного изотопа источником энергии служит ядерный реактор специфической формы. Этому двига-телю присущи все недостатки радиоизотопного: почти половина энергии деления не участвует в создании тяги (поглощается в ракете вследствие равномерного разлета осколков); при этом на каждый килограмм тяги должно рассеиваться почти 180 MВт тепла. Необходимо распределять делящийся материал в виде тонкого слоя, что приво­дит к очень малой эффективности ней­тронов деления; велика трудность коллимации осколков и т. п.

Тепловые реакторные двигатели. Различные варианты конструкций тепловых ЯРД выполняются по типу обычных реактивных двигателей. В них ядерная энергия в реакционной камере – активной зоне реактора – превращается в тепловую, которая в свою очередь переходит в кинетическую – механическую энергию газового потока, истекающего через реактивное сопло, и преобразующуюся в механическую энергию движения соответствующего аппарата по реактивному принципу.

Можно различать две типичные схемы: двигатель, где рабочее тело – газ нагревается, охлаждая стержни с твердым делящимся веществом. Эта схема ядерного реактивного двигателя ограничена по температуре и, следовательно, удельной тяге и скорости разгона рабочего тела жаростой-костью стержней.

Вторая схема – газовые реакции идут в самом рабочем теле и поэто-му члены меньше. Простейший вариант – это так называемый камерный реактор, в котором смесь газообразного ядерного топлива и рабочего тела проходит через активную зону, окруженную твердым замедлителем – отражателем нейтронов, и истекает через сопло. Вследствие большого расхода ядерного топлива (чаще всего это уран) такой реактор совершенно неприемлем по стоимости и радиационной опасности.

Термоядерные двигат е л и. Принцип ускорения рабо-чего тела и другие черты процесса превращения энергии в термоядерных ракетных двигателях совпадают в своей основе с таковыми для ядерных тепловых реактивных двигателей. Особенности данного способа освобождения энергии придают этому процессу специфику, которую легко обнаружить, рассмотрев схему одного из вариантов термоядерного двигателя, показанного на рис. 7.1.2.

Рис. 7.1.2. Термоядерный ракетный двигатель:

1– система охлаждения жидким гелием; 2 – система охлаждения водой; 3 – несущая конструкция; 4 – катушки из сверхпроводников, создающих магнитное поле;

5 – область плазмы; 6 – горячее рабочее тело; 7 – графитовая защита;

8 – обмотка двигателя

Рабочее тело подаётся в камеру через стенки, охлаждая их, и нагревается, обтекая плазменный шнур. Тепловое излучение разреженной плаз-мы в этом двигателе мало по сравнению с нейтронным и -излучениями, которые меньше поглощаются стенками двигателя, что позволяет нагревать рабочее тело до более высокой температуры сравнительно с ядерными двигателями деления. Такой двигатель может быть использован и в качестве двигателя с электромагнитным ускорением плазмы, так как в нем имеется и ядерный источник проводящего газа – плазмы, и магнитные системы. Ослабив заднюю магнитную пробку, можно обеспечить истечение продуктов реакции. Осевая скорость истечения ионов на выходе из магнитного сопла может составить 104 км/сек. Электроны, которые будут истекать с релятивистскими скоростями, увеличивают тягу незначительно.

Преобразование ядерной энергии в химическую. Во всех преобразова-телях ядерной энергии деления существует опасность радиационного поражения живых существ и растений, поэтому ядерные реакторы снабжа-ются тяжелой и громоздкой биологической защитой. Это препятствует их использованию на легких транспортных средствах (небольших судах, локомотивах, автомобилях и т. п.), а также в местах скопления большого количества людей – в крупных городах.

Поэтому интересной возможностью исключения этих недостатков ядерной энергии является превращение ее в химическую энергию, использование которой безопасно, иными словами – превращение ядерных горючих в химические.

Непосредственное преобразование в химическую энергию. Процессы, в результате которых происходит поглощение энергии продуктов ядерной реакции веществом, весьма сложны. Тяжелые заряженные частицы (протоны, дейтроны, -частицы и т. д.) отдают свою энергию главным образом в процессе упругих столкновений с электронами атомов вещества; электроны – в процессах неупругого рассеяния (ионизация и тормозное рентгеновское излучение) и упругого рассеяния (отклонение частицы полями электронов атома и ядра без потери энергии); электромагнитное излучение (рентгеновские и -лучи) передает свою энергию в результате трех основных процессов: фотоэлектрического поглощения (фотоэффект), комптоновского рассеяния (упругое столкновение с электронами вещества) и образования пар (электрон – позитрон); нейтроны взаимодействуют в основном с ядрами атомов в процессах упругого рассеяния, неупругого рассеяния, расщепления ядер с испусканием заряженных частиц (протонов, -частиц и т. п.), деления ядер и радиационного захвата.

Преобразование с использованием промежуточного теплового вида энергии. Вероятно, одна из самых реальных возможностей превращения ядерной энергии в химическую состоит в использовании тепла, выделяемого при ядерных реакциях, для разложения химических соединений. На этом принципе основано действие так называемых «хемоядерных» или «ядерно-химических» реакторов. Один из вариантой такого реактора соединен с топливным элементом – устройством дли непосредственного превращения химической энергии в электрическую. Под действием тепла, выделяемого в ядерном реакторе, одно из соединений металлов (лития, натрия, калия, бария и т. п.) с водородом (гидридов) распадается на свои составляющие – металл и водород. Соединяясь в топливном элементе, они освобождают энергию в виде электрического тока. Разложение гидрида может происходить как внутри реактора, так и вне его. В первом случае гидрид будет разлагаться не только под действием нагрева, но и под действием излучений.

Преобразование ядерной энергии в аннигиляционную и другие виды энергий

Ядерную энергию можно превратить и в аннигиляционную в процессе образования пар – частицы и античастицы. Из-за необходимости соблюдения законов сохранения энергии и импульса образование пар может происходить лишь в присутствии третьих частиц. Так, образование пары электрон – позитрон происходит при столкновении фотона с ядром атома, образование пар нуклон – антинуклон – при столкновении нуклонов с ядрами и т. д. При этом частица, из которой образуется пара, например фотон, должна обладать некоторым определенным минимальным значением энергии – порогом образования пар, эквивалентным сумме масс образующихся частиц. Все эти условии возникают при делении и синтезе ядер. Однако пока неизвестно, как управлять при этом процессом образования пар и в какой степени он может протекать при ядерных реакциях.

7.2. Преобразователи-размножители на быстрых нейтронах

Работающий реактор на тепловых нейтронах использует ядерное топливо очень неэффективно.

В этой схеме работает в основном только уран-235 и небольшая часть урана-238, превращающаяся в плутоний-239. Длительность компа-нии, т. е. длительность пребывания ядерного горючего в реакторе, должна быть такой, чтобы уран-235 не выгорел до конца, иначе реактор остановится. После окончания компании твэлы, содержащие оставшиеся уран-235, уран-238 и образовавшиеся осколки деления, должны быть удалены из реактора и направлены на переработку.

Уже давно разработана концепция реактора-размножителя, работающего на быстрых нейтронах. Идея реактора-размножителя состоит в том, чтобы по возможности полно вовлечь в цикл энергетического использования наряду с уран-235 и основной изотоп уран-238. Осуществляется это следующим образом. Как уже говорилось, нейтроны, образующиеся при делении ядра уран-235 являются быстрыми и интенсивно поглощаются ядрами уран-238. В обычном реакторе на тепловых нейтронах этот процесс второстепенный, тогда как в реакторе на быстрых нейтронах именно этот процесс является основным – главная задача этого реактора превратить уран-235 в плутоний 239.

Если построить реактор, который будет работать с достаточно большим потоком быстрых нейтронов, то наряду с тем, что он будет выдавать энергию, в нем непрерывно с достаточно большим темпом ядра уран-238 будут превращаться в ядра плутония-239. Такой реактор рассчитывается так, чтобы количество производимого нового ядерного топлива превосходило количество использованного, и поэтому он называется размножителем. Это можно сделать потому, что при делении ядра уран-235 или плутоний-239 образуется 2,5–2,8 нейтрона. Если какая-то часть из них будет затрачиваться на поддержание реакции в активной зоне и во всяком случае больше чем один нейтрон будет расходоваться на производство плутония-239, то ясно, что ядер плутония-239 будет образовываться больше, чем будет исчезать исходных делящихся ядер.

Важной характеристикой этого реактора является коэффициент воспроизводства, т. е. величина, показывающая, сколько ядер плутония-239 образуется на каждый распад ядра уран-235. Часто вместо этой характеристики указывают тесно связанную с ней, называемую временем удвоения. Под временем удвоения понимают время, в течение которого в активной зоне реактора образуется количество плутония-239, которое достаточно, чтобы компенсировать выгоревшее исходное ядерное топливо, и кроме того, построить еще один такой же новый реактор, т. е. через время удвоить количество произведенного ядерного топлива, что позволит построить еще один реактор, подобный исходному.

Время удвоения сразу показывает, какой темп развития ядерной энергетики возможен, если ее базировать только на искусственно создан-ном ядерном топливе. Такое время приближенно связано с годовым приростом продукции простой формулой:

.

Отсюда годовой прирост производства ядерной энергии, выраженный в процентах, при времени удвоения для реакторов, равном составит: . В начальный период внедрения реакторов-размножи-телей производство дополнительного горючего в них не может обеспечивать сколько-нибудь быстрого развития энергетики в целом. В течение длительного переходного периода новое строительство реакторов-размножителей пройдет не за счет собственного производства горючего, а за счет выработки плутония в тепловых реакторах, сжигающих обогащенный уран.

Столь медленное освоение реакторов-размножителей связано с рядом специфических трудностей их создания и эксплуатации.

Первая трудность состоит в том, что идея размножения ядерного топлива предполагает переработку топлива, извлекаемого из ядерного реактора. Когда в активной зоне накопится достаточное количество нового делящегося вещества, материал активной зоны следует отправить на ядерно-химическое предприятие, на котором плутоний-239 (или уран-233) должен быть отделен от других веществ активной зоны и использован для создания топливной загрузки нового реактора.

Процесс переработки материалов активной зоны, обладающих высокой радиоактивностью, представляет сложную и дорогостоящую операцию. Плутоний является очень токсичным веществом, работа с ним опасна.

Вторая трудность состоит в том, что для обеспечения высокого коэффициента производства или для достижения малого времени удвоения активная зона реактора-размножителя должна быть компактной. Это означает, что в единице объема активной зоны выделяются в виде теплоты очень большие мощности. В некоторых конструкциях эти мощности составляют несколько сот кВт на 1 л объема активной зоны. Отвод больших количеств теплоты, выделяемых в малом объеме, представляет трудную теплотехническую задачу. Следует учесть, что теплоноситель не должен действовать как замедлитель нейтронов. Поэтому наиболее респространенным теплоносителем для реактора-размножителя является жидкий натрий – активный щелочной элемент, бурно реагирующий с водой и воздухом. Работа с этим теплоносителем требует больших материальных затрат.

7.3. Преобразователи термоядерной энергии

Термоядерными реакциями называются ядерные реакции синтеза легких ядер в более тяжелые.

Элементом, используемым при термоядерном синтезе, является водород. Главное преимущество термоядерного синтеза – практически неограниченные ресурсы исходного сырья, которое может быть добыто из морской воды. Водород составляет около 90 % всего вещества. Сырье для термоядерного синтеза, содержащееся в 33 кубических километрах океанской воды эквивалентно по своему содержанию всем ресурсам твердых топлив.

Существуют три основных изотопа водорода: их атомные массы – 1, 2 (дейтерий), 3 (тритий). Эти изотопы могут производить такие ядерные реакции, при которых суммарная масса конечных продуктов реакции меньше, чем суммарная масса веществ, вступивших в реакцию. Разница в массах составляет кинетическую энергию продуктов реакции.

Слияние ядер легких элементов не происходит естественно. Чтобы заставить ядра вступить в реакцию синтеза требуются высокие температуры. При этом газ представляет собой ионизированную плазму. Пробле-ма удержания этой плазмы представляет собой главное препятствие на пути использования этого метода получения энергии.

В настоящее время ведутся теоретические и экспериментальные работы по исследованию способов удержания плазмы:

1. Метод использования магнитных полей. Создается магнитное поле, которое пронизывает канал движущейся плазмы. Заряженные частицы, из которых состоит плазма, во время движения в магнитном поле подвергаются воздействию сил, направленных перпендикулярно движению частиц и линям магнитного поля.

2. Инерционное удержание плазмы. В реакторе осуществляются термоядерные взрывы с частотой 20 ударов в минуту. Для реализации этого метода частицу термоядерного топлива нагревают с помощью сфокусированного излучения до температуры зажигания реакции синтеза за время, прежде чем она успеет разлететься на заметное расстояние.

Термоядерный синтез лежит в основе водородной бомбы, которая основана на самопроизвольной термоядерной реакции. Взрывчатым веществом является смесь дейтерия и трития. В качестве источника энергии используется энергия ядерной бомбы деления.

Принцип идеи термоядерного синтеза в реакторах типа тороидаль-ная камера в магнитном поле катушки заключается в следующем: камера вакуумируется и заполняется газовой смесью дейтерия и трития. По смеси пропускается ток в несколько миллионов ампер. За 1–2 секунды температура смеси поднимается до сотен тысяч градусов. В камере образуется плазма. Дальнейший нагрев ее осуществляется инжекцией нейтральных атомов дейтерия и трития с энергией 100–200 кэВ. Температура плазмы поднимается до десятков миллионов градусов и начинается самопроизвольная реакция синтеза. Через 10–20 минут в плазме накопятся тяжелые элементы из частично испаряющегося материала стенок камеры. Плазма остывает, термоядерное горение прекращается. Камеру нужно снова отключить и очистить от накопившихся примесей.

Термоядерный электрогенератор. При использовании дейтерия в качестве термоядерного топлива две трети энергии должно освобождаться в виде кинетической энергии заряженных частиц. Электромагнитными методами эта энергия может быть превращена в электрическую.

Электроэнергия может быть получена при импульсном и стационарном режиме работы. При втором режиме получающиеся в результате самоподдерживающей реакции синтеза ионы и электроны тормозятся магнитным полем. Ионный ток отделяется от электронного при помощи поперечного магнитного поля. КПД такой системы при прямом торможении будет около 50 %, а остальная энергия превращается в тепло.

8. Преобразователи химической энергии

8.1. Электрохимические источники электрической энергии

Преобразователи химической энергии находят самое широкое применение главным образом в виде теплогенераторов (печи, котлы, камеры сгорания тепловых двигателей), электрогенераторов – хранителей энергии (электрические аккумуляторы) и электрогенераторов – топливных элементов (преобразователи химической энергии с двойным циклом превращения: химическая энергия в тепловую, а последняя – в электромагнитную), а также используются для освещения (свечи, керосиновые лампы и т. п.).

Также широко применяется еще один тип химических электро-генераторов – топливные элементы – преобразователи химической энергии с двойным циклом превращения (химическая энергия в тепловую, а тепловая в электромагнитную).

Внешние черты механизма освобождения части атомной энергии (т. е. совокупность энергии электронов, движущихся вокруг ядра атомов) в процессе протекания химических реакций сходны с внешними чертами механизма освобождения атомной энергии. Для того чтобы получилась энергетически выгодная химическая реакция, надо привести молекулы в столкновение друг с другом, сообщив им энергию, значение которой превышает значение активной энергии. В условиях осуществления химической реакции эта энергия чаще всего подводится в виде тепла. Согласно законам классической кинетики, скорость химических реакций определятся такими факторами, как концентрация реагирующих веществ, температура, давление. По закону Арреннуса

,

где – коэффициент, учитывающий концентрацию реагирующих веществ; – множитель, выражающий полное число соседствующих молекул при максимально возможной скорости реакции; – абсолютная температура.

Сущность химических реакций заключается во взаимодействии так или иначе, но разноименно заряженных частиц, т. е. природа их электрическая, а характер взаимодействий обменный. «Обмен» осуществляется электронами тем или другим способом в зависимости от вида химической связи – ионной, ковалентной и т. п.

Опыт показал, что ряд химических реакций не подчиняется законам классической кинетики: протекание их происходит без предварительного разогрева реагирующих веществ, при низких температурах и с большими скоростями. Было установлено, что механизм таких реакций является цепным. К числу цепных реакций относятся, в частности, реакции горения Н2, СО, СН4 и других углеводородов. Эти реакции протекают через ряд химических превращений, ведущую роль в которых играют промежуточные активные центры – продукты реакций в виде свободных атомов и радикалов с ненасыщенной валентностью. При столкновении с молекулами инертных веществ или со стенкой сосуда активные частицы теряют свою избыточную энергию и становятся неспособными для продолжения реакции. Гибель активного центра вызывает обрыв цепи. Различают неразветвленные и разветвленные цепные реакции; в первом случае каждый активный центр при взаимодействии порождает один новый активный центр, дающий начало новой цепи, во втором один активный центр при взаимодействии вызывает образование двух и более новых активных центров.

При протекании химических реакций происходит изменение числа молей вещества: оно уменьшается, остается без изменения или увеличивается. Так как моль вещества в газообразном состоянии занимает определенный объем (при заданных давлении и температуре), то при химических реакциях может происходить и изменение объема в соответствии с изменением числа газовых молей. Поэтому при оценке числа молей реагирующих веществ обычно не принимаются во внимание вещества в жидкой и твердой фазе. Обратимся теперь к энергетической стороне химических реакций, энергетическому «выходу» их и соответствующим техническим устройствам.

Химические теплогенераторы. Будучи по своей природе электрической, химическая энергия наиболее просто освобождается в виде тепловой энергии: молекулы конечных продуктов реакции, приобретя скорость, большую, чем у молекул исходных продуктов, двигаясь неупорядоченно сами и придавая неупорядоченное движений инертным молекулам, создают и вызывают тепловое движение, энергия которого может бито оценена температурой соответствующего вещества. По мере увеличения температуры твердые продукты переходят в жидкое состояние, жидкие – в парообразное, частицы газа раскаляются и начинают излучать свет – электромагнитную энергию; так получаются огонь и тепло.

Таким образом, при освобождении химической энергии в виде тепла упорядоченное движение электронов переходит в неупорядоченное – тепловое движение молекул и атомов. Как мы знаем, в этом случае энтропия системы возрастает, энергия деградирует и дальнейшее ее превращение и другие виды энергии уже не может быть осуществлено полностью даже при обратимом протекании процессов – оно ограничивается КПД Карно.

Следовательно, этот способ освобождения химической энергии не является наилучшим, более выгодно было бы оставить природу химической энергии неизменной, т. е. превратить ее и электродинамическую, сохранив упорядоченность движения электронов. Однако технически это путь более сложный, и поэтому эффективные преобразователи этого типа стали практически осуществимыми лишь в самое последнее время.

Тепловой эффект химической реакции зависит от условий выделения тепла. Если процесс протекает при постоянном давлении, то , а если при постоянном объеме, то .

Причиной химических реакций является химическое сродство реагирующих веществ, т. е. сила их стремления к соединению. Когда-то за меру химического сродства принимался тепловой эффект: считалось, что всякая химическая реакция стремится идти в направлении наибольшего выделения тепла. Однако некоторые реакции (эндотермические) протекают в обратном направлении.

Во второй половине XIX в. было установлено, что за меру химического сродства следует принимать максимальную работу реакции, т. е. при изотермно-изохорных реакциях уменьшение свободной энергии:

,

а при изотермно-изобарных реакциях уменьшение свободной энтальпии:

.

Схематическое изображение основных типов химических теплогенераторов дано на рис. 8.1.1. Органическое горючее (уголь или угольная пыль, продукты перегонки нефти, горючие газы) или неорганическое горючее (алюминий, натрий и т. п.) и окислитель (воздух, кислород, фтор, хлор и т. п.) подаются в камеру сгорания, где вступают в химическую реакцию.

а б в г

Рис. 8.1.1. Основные типы химических теплогенераторов: а – печь или топка парового котла; б – камера сгорания двигателя внутреннего сгорания; в – камеры сгорания в турбинах;

г – реактивных двигателях

Для уменьшения габаритов камеры и обеспечения максимальной полноты реакции применяются различные средства, улучшающие перемешивание горючего с окислителем и поджигание свежих порций смеси: турбулизация потока, придание ему вращательного (циклонного) движения и т. п. Теплогенераторы, вырабатывающие тепло для отопительных и технологических целей, работают при низком давлении (1–2 бар), теплогенераторы, тепло которых служит затем для получения механической энергии в тепловых двигателях (поршневых, турбинных, реактивных), работают при высоком давлении (до 50–300 бар).

Одним из основных показателей теплогенераторов является объемная теплонапряженность (или удельная мощность), характеризующая компактность теплогенератора и представляющая собой количество тепла , выделяемого в единицу времени на 1 м3 объема рабочего пространства Vр.

, Дж/(м3 ∙ час).

Эта величина изменяется примерно со 100000 кДж/(м3 ∙ час) для печей, до 5–10 млн. кДж/(м3 ∙ час) – для циклонных топок котлов и камер сгорания газотурбинных и особенно реактивных двигателей.

КПД теплогенераторов зависит от различных видов потерь энергии: за счет химической и механической неполноты сгорания, потерь тепла в окружающую среду и т. п. – и составляет обычно 80–90 %.

Преобразование химической энергии в электродинамическую. Первые химические электрогенераторы (ХЭГ) были названы гальваническими элементами. В них осуществлялись реакции по схеме металл – электролит – металл. Несколько позже были сделаны попытки использовать гальванический принцип для «электрохимического» или «холодного сжигания» топлива. Такие ХЗГ были названы топливными элементами (ТЭ). В них реакции идут но схеме горючее – электролит – окислитель.

Процесс электрохимического «сжигания» топлива протекает следующим образом. Энергия, требующаяся для отрыва валентного электрона (т. е. потенциал ионизации), для разных элементов различна и возрастает по направлению от I к VIII группе периодической системы. При сближении двух атомов, например, атомов элементов II и VII групп они соединяются в молекулы и электрон из атома с малым потенциалом ионизации переходит в атом с большим потенциалом. В результате против поля атома элемента II группы будет произведена работа еVII , а при помощи поля атома элемента VII группы получена работа еVVII. Избыток энергии, полученной при соединении ионов горючего и окислителя, выделяется обычно в виде тепла. Это происходит вследствие очень быстрого «короткого замыкания» многочисленных элементарных токов между молекулами и атомами с различными электрическими потенциалами. Для предотвращения этого надо, во-первых, замедлить движение электронов и, во-вторых, сохранить упорядоченность его. И то, и другое достигается разделением процесса на две стадии при помощи промежуточной среды –электролита. Первая стадия состоит в ионизации атомов горючего, т. е. отрыве от них электронов, она происходит на отрицательном электроде. Вторая стадия состоит в соединении электронов с ионами кислорода, она происходит на положительном электроде. Передвижение электронов – электрический ток осуществляется по внешней цепи (металлическому проводнику). По внутренней цепи – в электролите происходит движение ионов, а на границе отрицательного электрода и электролита – соответствующая химическая реакция.

По такой схеме действуют все химические электрогенераторы.

В гальванических элементах необходимо периодически заменять израсходованные материалы новыми, вследствие чего в эксплуатации они дороги и неудобны. Поэтому были разработаны регенерируемые гальванические элементы, позволяющие восстанавливать израсходованные материалы, пропуская через элемент ток в обратном направлении. Так появилась разновидность гальванических элементов, называемая аккумуляторами. На этом дальнейшая дифференциация гальванических элементов прекратилась.

Преобразование химической энергии в механическую. Непосредственное превращение химической энергии и механическую может происходить только путем увеличения объема продуктов химической реакции, протекающей при постоянной температуре, равной температуре окружающей среды. А это возможно лишь в случае, если реакция проходит с участием газообразной фазы, конечное число молей которой больше, чем начальное. При этом, как показал Вант-Гофф, такие реакции в принципе можно провести обратимо и получить механическую энергию в количестве, равном разности свободных энтальпий до и после окончания реакции, т. е. максимальной работе. Следовательно, теоретический КПД соответствующего преобразователя – двигателя – будет выражаться той же зависимостью, что и КПД рассмотренного выше топливного элемента, и может достигать значений, близких к 100 %.

Непосредственное превращение химической энергии в упругую, например сжатого газа, легко осуществляется в изотермическом процессе протекания химической реакции с увеличением числа молей, рассмотренном выше. Ряд других превращений химической энергии (и соответствующих преобразователей) может быть осуществлен путем использования промежуточных этапов превращения – в тепловую и механическую энергии.

8.2. Топливные элементы

Топливные элементы (ТЭ) дифференцировались значительно больше: в зависимости от рода топлив (горючих и окислителей), агрегатного состояния электролита, расходуемости электродов, обратимости процессов, температуры, давления и т. п.

Однако наиболее часто топливные элементы различают по виду и агрегатному состоянию горючего – твердого, жидкого и газообразного. Из твердых горючих, естественно, наиболее заманчиво использовать уголь. Однако, как показали многочисленные исследования, уголь начинает электрохимически реагировать с кислородом только при температурах более 700–1000 оС. Эти реакции сопровождаются рядом нежелательных побочных явлений, вследствие чего работоспособного и эффективного угольного топливного элемента до сего времени не создано.

Несколько лучше обстоит дело с разработкой топливного элемента с жидкими горючими, однако продукты перегонки нефти пока что не удалось заставить реагировать с кислородом в жидком состоянии.

Наиболее успешно разрабатываются топливные элементы с газообразными горючими: водородом, окисью углерода, природным газом и т. п. На рис. 8.2.1 схематически показаны устройство и принцип действия водородно-кислородного ТЭ. Водород и кислород пропускаются раздельно через два пористых электрода, сделанных из каталитически активных материалов, опущенных в электролит КОН. На водородном электроде (аноде) происходит разделение молекул водорода на атомы, которые, теряя свои электроны, превращаются в положительные ионы. Последние стремятся перейти в электролит, создавая таким образом отрицательный заряд на электроде. Электроны же по внешнему проводнику, замыкающему цепь, переходят на кислородный электрод (катод) и присоединяются к атомам кислорода, образуя с ними отрицательные ионы. Последние в составе радикалов ОН свободно проходят через электролит к аноду, где происходит их соединение с ионами водорода с образованием воды. Таким образом, при продолжающемся подводе водорода и кислорода будет происходить реакция окисления горючего не атомами кислорода, а ионами с одновременным образованием тока во внешней цепи. Однако напряжение получающегося тока невелико – около 1 В, что заставляет объединять отдельные элементы в батареи.

Рис. 8.2.1. Принципиальная схема водородно-кислородного топливного элемента: 1 – кислородный электрод (катод); 2 – водородный электрод (анод); 3 – нагрузка; 4 – вольтметр; 5 – вода