Неорганические наноматериалы (стр. 57 )

Наноматериалы для защиты окружающей среды в энергетической отрасли промышленности – мезопористые фильтры.

7.3.  Генерирование энергии. Атомная энергетика

В общемировом производстве энергии атомная энергетика занимает лишь 6.5%. Современная атомная энергетика базируется на реакторах с тепловыми нейтронами и реализует простейший топливный цикл: уран «сжигается» один раз, его остатки извлекают и возвращают на переработку, а радиоактивные отходы направляют в подземные могильники. Более перспективен и экономичен замкнутый цикл, в котором все трансурановые элементы сжигаются в реаторах на быстрых нейтронах и проблема бесконечно долгого хранения долгоживущих радиоактивных веществ практически снимается. Однако на пути реализации замкнутого цикла стоят нерешённые материаловедческие проблемы, устранение которых требует создания и применения наноструктурированных материалов.

Атомная энергетика СССР и России ещё в 1950-х годах обратилась к наноматериалам (тогда называвшихся ультрадисперсными), которые использовались для мембран в диффузионном методе разделения изотопов урана.

В будущем реакторы ядерного деления сменят реакторы ядерного синтеза, в которых используются тяжелые изотопы водорода – дейтерий и тритий. Здесь материаловедческие задачи ещё более сложны.

Добавки в керамическое ядерное горючее влияют на кинетику диффузии, скорость спекания и микроструктуру таблеток UO2, а структура и размер кристаллитов изменяют теплопроводность таблеток, поведение материала при облучении, в определённой степени действуют на процесс выделения 133Хе и кислородный потенциал других газообразных продуктов деления. Модифицирование структуры и морфологии частиц топлива позволяет в конечном счёте повысить глубину выгорания урана и снизить его потребление в расчёте на единицу производимой энергии. В качестве добавок испытаны MgO, CaO, AlOOH, CeO2, Gd2O3, Er2O3, SiO2, SnO2, TiO2, Nb2O5, Cr2O3, Fe2O3.

Строительные и конструкционные материалы для многих узлов атомно-энергетических установок помимо обычных требований должны отвечать требованиям радиационной стойкости. Под действием радиации многие металлы и сплавы испытывают радиационное охрупчивание, расслоение фаз и распухание. При повышении температуры появляется ползучесть. Ключевым методом повышения радиационной стойкости является введение наночастиц, которые одновременно увеличивают трещиностойкость и прочность композитов. Наночастицы создают центры рекомбинации точечных дефектов, возникающих при облучении, и препятствия для перемещения дислокаций.

Сенсоры нового поколения необходимы как для систем АЭС, так и для индивидуального пользования. 7-4

Новое поколение феррито-мартенситных радиационностойких сталей с наночастицами оксидов (ДУО-стали), к тому же обладающих значительно повышенной прочностью на растяжение (рис. 194.) и

Рис. 194.

жаростойкостью, уже создано. Порошки композита перед экструзией и спеканием целесообразно механически активировать. Это усиливает тенденцию к образованию кластеров наноразмера, которые выполняют упрочняющую роль.

Для поглощения нейтронного излучения используют бористые стали. Их наноструктурирование, переход к наночастицам размером 5–100 нм позволяет увеличить содержание бора в 3–4 раза при сохранении пластичности и свариваемости. Перспективным материалом для защиты считаются композиты с углеродными нанотрубками.

Изготовление высокоскоростных центрифуг (используются при обогащении природного урана по изотопу-235) требует высокопрочных материалов, а наночастицы могут найти применение как упрочняющие добавки.

По зарубежным данным, углеродные нанотрубки могут использоваться для изготовления топливных проволок в высокотемпературных реакторах и в новой технологии сжигания радиоактивных отходов в ядерных реакторах (объём обходов снижается на два порядка).

При химической переработке уранового сырья и облучённого топлива широко применяются сорбенты и экстрагенты. Наночастицы обладают двумя особенностями, которые делают их привлекательными как высокоёмких сорбентов и компонентов трёрдых экстрагентов. Во-первых, они обладают высокой удельной поверхностью. Во-вторых, они способны к поверхностной функциализации. В-третьих, они способны образовывать с растворителями устойчивые гели. 7-5

Работа ядерных энергетических установок невозможна без радиационностойких теплоносителей. Введение наночастиц (в частности углеродных нанотрубок) позволяет повысить эффективность теплоносителей и, возможно, перспективно для теплоносителей в ядерной отрасли.

При очистке жидких радиоактивных отходов используются металлокерамические мембраны с последовательно уменьшающимся вплоть до 2 нм размером пор. Эффективность осаждения радиоактивного цезия из кубовых остатков АЭС повышается при использовании мембран с размером пор 5-30 нм. Катализаторы с наночастицами платиновых металлов могут эффективно использоваться для разложения органических и азотсодержащих компонентов радиоактивных отходов. 7-6

Улавливание летучих соединений радиоактивного иода (I2, HI, CH3I) производится гранулированными сорбентами «Физхимин» на основе силикагеля с наночастицами Аg.

Для атомной энергетики большое значение имеет накопление энергии для пиковых нагрузок. Здесь необходимы высокоёмкие суперконденсаторы (разд. 7.8).

В связи с развитием микроэлектромеханических и наноэлектромеханических систем (МЭМС и НЭМС) возникает вопрос и о миниатюризации источников энергии для этих систем. Недостатком химических источников тока является падение плотности тока с уменьшением размеров. Перспективным направлением поэтому может быть создание миниатюрных радиоизотопных источников, в которых тепло генерируется радиоактивным изотопом. Подобные источники энергии используются в труднодоступных районах и в космосе (питание автоматических метеорологических станций, радиомаяков и др.), служат вживляемыми батарейками.

Для этих целей используют β-активные 90Sr, 137Cs, 147Pm и др., α-активные 210Po, 238Pu, 242Cu, 244Cm, выделяющие 0.1–100 Вт/г и имеющие период полураспада от нескольких месяцев до десятков лет. По типу используемого вещества (α- или β-излучатели) радиоактивные источники тока делятся на альфавольтаические и бетавольтаические.

Радиоизотопные источники тока (РИТЭГи) были разработаны в 1950-х гг. Они отличаются большим сроком действия и значительно более высокой удельной плотностью энергии (Дж/кг), чем химические источники тока. По сравнению с литий-ионными аккумуляторами их удельная плотность выше примерно в 106 раз.

Термоэмиссионный преобразователь энергии – конвертер тепловой энергии в электрическую – состоит из эмиттера электронов (катода) и коллектора электронов (анода), которые размещены в вакуумированной трубке на небольшом расстоянии друг от друга. Катод нагревают с помощью того или иного источника тепла, в том числе сбрасываемого, а анод снабжают тепловым стоком. Приложение небольшой разницы потенциалов между электродами вызывает электрический ток.

Термоэлектронная эмиссия была открыта (1847 –1931) в 1884 г., а связь явления с электронами доказана Дж. Дж. Томсоном (1856–1940) в 1897 г. При повышении температуры некоторые электроны, хаотически диффундирующие в металле, могут перейти с поверхности металла в окружающую среду. Чтобы выйти за пределы металла электроны должны преодолеть силы, удерживающие их в металле, обладать определённой работой выхода. Величина работы выхода в вакуум при тепловом возбуждении специфична для каждого металла и меняется от 1.81 эВ у Cs до 5.3 эВ у W (110).

Термоэмиссионные генераторы подразделяются на вакуумные (с межэлектродным расстоянием до 0.01 мм) и газонаполненные. Последние подразделяются на трёхэлектродные (с дополнительным источником питания), наполненные Cs и с объёмной ионизацией.

В СССР были созданы установки с термоэмиссионным (термоионным) преобразованием тепла «Топаз» электрической мощностью 5 и 10 кВт, две из которых были испытаны в космических полётах. В качестве катода использовался молибден, покрытый вольфрамом, рабочей средой – ионы цезия.

Используются также источники с полупроводниками. Излучение взаимодействует с полупроводником, вызывая появление электронов и дырок, которые разделяются с помощью выпрямляющего p-n-перехода и при нагрузке создают электрический ток. Для бетавольтаических устройств в качестве полупроводника используют SiC или аморфный Si. В связи с большим деградирующим действием α-частиц выбор полупроводников для альфавольтаических устройств более ограничен и наиболее часто используемым веществом является InGaP. 7-7

В советских установках использовался полупроводниковый материал, структурированный путём закаливания расплава на охлаждаемую поверхность, а также термоэлектрический сплав из механоактивированных компонентов. Термоэлектрические генераторы, основанные на использовании полупроводниковых термоэлементов, описаны в разделе 7.8.

В ядерных силовых установках для преобразования тепловой энергии в электрическую перспективно использование керамики из нанопорошков ZrO2, Y2O3, Sc2O3. 7-8

7.4.  Генерирование энергии. Топливные элементы.

Топливные элементы – электрохимические устройства, непосредственно преобразующие энергию химических окислительно-восстановительных реакций в электроэнергию с относительно высоким кпд и минимальным загрязнением окружаюший среды. Восстановителями в них служат водород, этанол и метанол, а окислителями – кислород или воздух. Топливные элементы появились в 1960-е годы, но их широкое применение только ожидается.

Существует несколько типов топливных элементов, которые различаются не только по выбору восстановителя, но также по составу электролита (полимеры, неорганические кислоты, суперионики), составу катализатора (Pt, Pd, RuO2 и др.). Реакции, протекающие на электродах, показаны в табл. 25.

Табл. 25

Таблица 25. Электрохимические реакции в топливных элементах различных типов.

Тип топливного элемента	Реакция на аноде	Реакция на катоде
протонобменный щелочной фосфорнокислотный на расплаве карбонатов твёрдооксидный	H2 → 2H+ + 2e – H2 + 2OH– → 2H2O + 2e – H2 → 2H+ + 2e – H2 + CO32- → H2O + CO2 +2e– H2 + O2- → H2O + 2e –	½O2 + 2H+ + 2e –→ H2O ½O2 + H2O + 2e –→ 2OH - ½O2 +2H+ + 2e –→ H2O ½O2 + CO2 + 2e –→ CO32- ½O2 + 2e –→ O2-

Протонобменные топливные элементы называют также твёрдополимерными. Рабочие температуры приведённых в табл. Устройств отличаются и составляют соответственно 50–100 (протонобменные), 90–100, 150–200, 600–700 и 600–1000 оС (твёрдооксидные).