Реферат: Применение углеродных нанотрубок в энергетике
Для
получения электричества была разработана следующая схема (рис. 6). Два волокна
были скручены в спираль, причем одно из них было покрыто слоем золота. Оно
выступало в роли катода наногенератора. При трении волокон между концами цепи
возникала разность потенциалов 1-3 мВ. Сила тока в цепи лимитируется
сопротивлением волокон. Путем снижения сопротивления удалось добиться силы тока
4 нА. Объединение волокон в нити, из которых потом можно изготовить ткань,
должно привести к увеличению производительности устройства. Ожидается, что
таким образом будет достигнута мощность 20-80 мВт на квадратный метр такой
ткани.
[18]
3.
Применение нанотрубок в энергетике
3.1
Использование наноматериалов в атомной энергетике
Технологии,
основанные на качественном изменении свойств материалов при переходе к
нанометровому размеру, стали разрабатываться в атомной отрасли в середине XX
века, практически одновременно с первым испытанием советского ядерного оружия.
Хотя в то время приставка «нано» еще не использовалась, уже в ходе начатых в
1950 г. работ были получены ультрадисперсные порошки, используемые в
промышленных технологиях разделения изотопов урана; в 1965 г. коллективу
разработчиков была присуждена Ленинская премия. В 1962 г. академику А.А.
Бочвару было поручено создание технологий получения сверхпроводников, и в
1970–1980-х годах многие сотрудники отрасли были удостоены государственных
наград, премий и почетных званий за соответствующие работы.
Перспективы
развития атомной энергетики связаны со снижением удельного потребления
природного урана, в основном за счет увеличения глубины выгорания ядерного
топлива. Для этого необходимо создание крупнокристаллических структур ядерных
материалов с контролируемой пористостью, удерживающих продукты деления и
препятствующих транспорту осколков деления к оболочке тепловыделяющего элемента
и ее внутреннего повреждения. Активация процесса спекания за счет добавок
нанометрического размера – одно из направлений создания новых видов
уран-плутониевых оксидов и нитридов для ядерной энергетики.
При
достижении выгорания ~18–20 % т.а. возникает проблема обеспечения радиационной
стойкости материала оболочки при повышенных характеристиках жаропрочности.
Решение состоит в использовании нового класса конструкционных материалов для
элементов активных зон перспективных ядерных реакторов – феррито-мартенситных
радиационно-стойких сталей, упрочненных частицами оксидов нанометрового размера
(ДУО-сталь). Разработанная технология производства ДУО-стали включает: получение
гомогенных быстрозакаленных порошков со сферической и чешуйчатой формой методом
центробежного распыления расплава; твердофазное легирование матричного
материала нанодисперсными оксидами иттрия в высокоэнергетическом аттриторе;
компактирование порошков и термомеханическая обработка изделия для создания в
матрице стали выделений оксидов иттрия нанометрового размера.
Наноструктурированная ДУО-сталь сохраняет достаточно высокое остаточное
удлинение после обработки со степенями деформации до 60 %. Начато опробование
технологии в заводских условиях. Дореакторные испытания в опытно-промышленных
условиях показали многократное, до 8 раз, увеличение параметров жаропрочности
по сравнению со штатной сталью.
В
целом ряде современных исследовательских проектов используются импульсные
магнитные поля предельно высокой интенсивности, с индукцией более 50 Тл. Это
потребовало создания нового класса обмоточных материалов с уникальным
сочетанием высоких прочностных и электропроводящих свойств. Разработаны
технологии производства высокопрочных Cu-Nb обмоточных проводов прямоугольного
сечения (предел прочности – 1100–1250 MПa; электропроводность – 70–80 % от
проводимости чистой меди), технические высокопрочные Cu-Nb тонкие провода
диаметром от 0,4 мм до 0,05 мм с пределом прочности 1300–1600 MПa, показана
принципиальная возможность создания контактных проводов нового поколения с
существенно более высоким комплексом свойств за счет использования
наноструктурных компонентов.
Наиболее
эффективный способ обеспечения радиационной стойкости – образование в твердом
растворе наноструктурной подрешетки кластеров ближнего упорядочения – ловушек
вакансий и интерстиций с периодом 5–10 нм, соизмеримым с длиной свободного
пробега радиационных точечных дефектов. В отличие от обычной деградации реакторных
материалов, связанной с появлением хрупкости при радиационном воздействии,
высокодозное облучение подобных сплавов приводит к повышению их прочности при
сохранении вязкости. Они уже используются для особо ответственных элементов:
систем управления реакторов АЭС, конструкционных материалов активных зон
транспортных реакторов нового поколения. Сейчас обнаруженный эффект исследуется
применительно к другим системам, и это может положить начало новому направлению
радиационного материаловедения – созданию конструкционных материалов,
«положительно» реагирующих на фактор радиации.
Создание
в объеме фильтрующей перегородки системы сообщающихся разветвленных каналов
нерегулярного сечения, от микро- до нанометрического размеров, открывает новые
возможности для ультрафильтрации. Металлические объемные нанофильтры
перспективны для применения в системах водоподготовки и очистки теплоносителя
реакторов АЭС.
Бористые
нержавеющие стали могут использоваться в системах управления реакторов, в
ядерно-безопасном оборудовании переработки отработанного ядерного топлива. Для
равномерного распределения боридов в стали применяется метод сверхбыстрого
охлаждения частиц расплава с получением рентгеноаморфной структуры; при
последующих переделах образуются выделения боридов нанометрового уровня (от 5
до 100 нм), что позволяет увеличить содержание бора в 3–4 раза при сохранении
пластичности и свариваемости нержавеющих сталей. Толщина стенки трубы из
бористых нержавеющих сталей – несколько десятых долей миллиметра.
Переход
к нанометрическим структурам позволил увеличить токонесущую способность
сверхпроводников сразу в несколько раз. По промышленным технологиям в России
уже изготовлено более 100 тонн многокилометровых сверхпроводящих
нанокомпозитов с размером структурных составляющих 1–50 нм.[19]
3.2
Нанотрубки в водородной энергетике
В
последнее время в связи с проблемами сокращения не восполняемых энергоресурсов
и загрязнениями окружающей среды продуктами их разработки все больше актуальной
становится водородная энергетика. В России уже давно существует и достаточно
развита данная отрасль, целью которой при ее создании была в основном
космическая отрасль. Технологии производства водорода к настоящему времени
достаточно хорошо освоены. Основной проблемой водородной энергетики, которая и
сдерживает развитие отрасли, остается его безопасная транспортировка и
хранение. Достижения нанотехнологий могут помочь сделать это производство более
дешевым, качественным и экологически чистым.
Реакция
окисления водорода происходит с выделением большого количества тепла. Кроме
того, в процессе не образуются экологически вредные оксиды азота, углерода и
серы. Реакцию можно проводить двумя путями: обычным горением и окислением при
использовании электрохимических ячеек, в которых может быть реализован КПД вплоть
до 95-97%.
Одним
из основных методов производства атомарного водорода является преобразование
солнечного излучения в энергию связи Н-Н. Был предложен комплекс на основе
кластера рутения в качестве катализатора, который преобразует солнечный свет и
воду в энергию, заключённую в отдельных молекулах кислорода и водорода. Но
существует несколько проблем: образование агрессивных продуктов при окислении
воды, которые разрушают катализатор и образование смеси кислорода и водорода -
"гремучего" газа. В других способах получения водорода используются
полупроводниковые наноструктуры. При попадании на них квантов солнечного
излучения образуются электронно-дырочные пары, затем происходит разделение
зарядов и фотолиз воды (энергия передается молекулам воды и расщепляет их).
Образуются кислород и водород. Проблемы этого метода сходны с предыдущими. Еще
существуют методы, связанные с применением бактерий и водорослей. Например, в
некоторых бактериях содержатся специальные ферменты (гидрогеназы), которые
позволяют преобразовать формиаты - соли муравьиной кислоты - в диоксид углерода
и водород. Здесь тоже существую свои проблемы - протекание побочных реакций с
непредельными органическими соединениями, но эти проблемы достаточно успешно
решаются.
В
области хранения и транспортировки водорода дело обстоит сложнее. Ведь водород
обладает самым маленьким диаметром атома и свободно проникает через обычные
материалы, а при его утечке может быть взрывоопасен.
Существует
несколько методов хранения водородного топлива. Физические методы используют
обычно компрессование или ожижение для приведения водорода в компактное
состояние. Сжатый водород хранят в газовых баллонах, подземных резервуарах
трубопроводах и т.д. Химические методы хранения водорода основаны на процессах
его взаимодействия с отдельными материалами, водород в этих случаях
взаимодействует с материалом среды хранения. В способах хранения посредством
адсорбции используют такие вещества как цеолиты, активированный уголь,
углеродные наноматериалы. Можно применять также абсорбцию в объеме материала.
Для хранения посредством химического взаимодействия подходят алонаты,
фуллерены, органические гидриды, аммиак и др.
Использование
нанотехнологий позволяет ученым решать проблемы, связанные с хранением и
транспортировкой водорода. К наноматериалам, которые химически связывают
водород, относятся различные комплексы переходных металлов с ненасыщенными
углеводородными лигандами, способными запасать водород по средством реакции
гидрирования двойных и тройных связей C-C, или другие более сложные реакции с
участием органических и элемент-органических соединений, а так же гидриды и
сплавы металлов. На рисунке 7 представлено строение органических молекул,
используемых для хранения водорода с помощью химического связывания.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6 |