Предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе рабочей зоны. Организация контроля выбросов в атмосферу на тепловых электростанциях и в котельных

Под воздействием применяемого оборудования и технологических процессов в рабочей зоне создается определенная внешняя среда. Ее характеризуют: микроклимат; содержание вредных веществ; уровни шума, вибраций, излучений; освещенность рабочего места. Содержание вредных веществ в воздухе рабочей зоны не должно превышать предельно допустимых концентраций (ПДК).

ПДК - это государственный гигиенический норматив для использования при проектировании производственных зданий, технологических процессов, оборудования, вентиляции, для контроля за качеством производственной среды и профилактики неблагоприятного воздействия на здоровье работающих. ПДК - это концентрации, которые, воздействуя на людей при их ежедневной, кроме выходных дней, работе продолжительностью 8 ч (или другой продолжительностью, но не более 41 ч в неделю) в течение всего рабочего стажа, не могут вызвать обнаруживаемые современными методами исследований заболевания или отклонения в состоянии здоровья как у самих работников в процессе трудовой деятельности и в дальнейший период жизни, так и у последующих поколений.

В соответствии с СН 245-71 и ГОСТ 12.1.007-76 все вредные вещества по степени воздействия на организм человека подразделяют на четыре класса опасности: первый - чрезвычайно опасные - ПДК менее 0,1 мг/м3 (свинец, ртуть - 0,001 мг/м3); второй - высокоопасные - ПДК от 0,1 до 1 мг/м3 (хлор - 0,1 мг/м3; серная кислота - 1 мг/м3); третий - умеренно опасные - ПДК от 1,1 до 10 мг/м3 (спирт метиловый - 5 мг/м3; дихлорэтан - 10 мг/м3); четвертый - малоопасные - ПДК более 10 мг/м3 (аммиак - 20 мг/м3; ацетон - 200 мг/м3; бензин, керосин - 300 мг/м3; спирт этиловый - 1000 мг/м3).

По характеру воздействия на организм человека вредные вещества можно разделить: на раздражающие (хлор, аммиак, хлористый водород и др.); удушающие (оксид углерода, сероводород и др.); наркотические (азот под давлением, ацетилен, ацетон, четыреххлористый углерод и др.); соматические, вызывающие нарушения деятельности организма (свинец, бензол, метиловый спирт, мышьяк).

Согласно требованиям санитарных норм и стандартов ССБТ на предприятиях должен осуществляться контроль за содержанием вредных веществ в воздухе рабочей зоны. Там, где применяются высокоопасные вредные вещества первого класса, - непрерывный контроль с помощью автоматических самопишущих приборов, выдающих сигнал при превышении ПДК, а там, где применяются вредные вещества второго, третьего и четвертого классов, - периодический контроль путем отбора и анализа проб воздуха. Отбор проб производят в зоне дыхания в радиусе до 0,5 м от лица работающего; берутся не менее пяти проб в течение смены.

К вредным веществам однонаправленного действия относят вредные вещества, близкие по химическому строению и характеру биологического воздействия на организм человека. Примерами сочетаний веществ однонаправленного действия являются: фтористый водород и соли фтористоводородной кислоты; сернистый и серный ангидриды; формальдегид и соляная кислота; различные хлорированные углеводороды (предельные и непредельные); различные бромированные углеводороды (предельные и непредельные); различные спирты; различные кислоты; различные щелочи; различные ароматические углеводороды (толуол и ксилол, бензол и толуол); различные аминосоединения; различные нитросоединения; амино- и нитросоединения; тиофос и карбофос; сероводород и сероуглерод; окись углерода и аминосоединения; окись углерода и нитросоединения; бромистый метил и сероуглерод.

При одновременном содержании в воздухе рабочей зоны нескольких вредных веществ однонаправленного действия сумма отношений фактических концентраций каждого из них в воздухе (К1, К2, ..., Кn) к их ПДК (ПДК1, ПДК2, ..., ПДКn) не должна превышать единицы:

В списке ПДК используют следующие обозначения: п - пары и (или) газы; а - аэрозоль, п + а - смесь паров и аэрозоля; + - требуется специальная защита кожи и глаз; О - вещества с остронаправленным механизмом действия, требующие автоматического контроля за их содержанием в воздухе; А - вещества, способные вызвать аллергические заболевания в производственных условиях; К - канцерогены; Ф - аэрозоли преимущественно фиброгенного действия.

При одновременном выделении в воздух рабочей зоны помещений нескольких вредных веществ, не обладающих однонаправленным характером действия, количество воздуха при расчете общеобменной вентиляции следует принимать по тому вредному веществу, для которого требуется подача наибольшего объема чистого воздуха.

В нашей стране ПДК устанавливают санитарные органы Минздрава России. Периодически, в соответствии с уровнем развития медицинских знаний, предельно допустимые концентрации пересматривают, как правило, в сторону ужесточения. Например, до 1968 г. действовали нормы, предусматривающие ПДК бензола 20 мг/м3. Клинико-гигиенические исследования выявили случаи неблагоприятного воздействия таких его концентраций на организм человека. Это послужило основанием к снижению ПДК бензола до 5 мг/м3.

Все предельно допустимые концентрации стремятся к некоторым пределам, называемым обычно предельно допустимыми экологическими концентрациями (ПДЭК), под которыми имеются в виду концентрации вредных веществ, не оказывающие вредного влияния (ближайшего или отдаленного) на экологические системы, т. е. на совокупность живых организмов, среду обитания и их взаимосвязь.

В настоящее время установлены предельно допустимые концентрации в воздухе рабочей зоны более чем для 850 веществ.

Другим важнейшим показателем, характеризующим уровень загрязнения атмосферного воздуха, является предельно допустимый выброс (ПДВ). В отличие от ПДК, ПДВ является научно-техническим нормативом. Его измеряют во времени и устанавливают для каждого источника организованного выброса исходя из условия, что выброс вредных веществ данным источником и совокупностью источников района (с учетом перспективы развития промышленных предприятий и рассеивания вредных веществ в атмосфере) не создает приземной концентрации, превышающей ПДК для атмосферного воздуха. Предельно допустимые концентрации можно получать за счет разбавления отходящих газов путем увеличения мощности вентиляционных систем или строительства более высоких труб.

На предприятиях, где применяют вредные вещества, должны разрабатываться и внедряться мероприятия по улучшению санитарно-технического состояния, новые прогрессивные технологии, исключающие контакт человека с вредными веществами.

ПРАВИЛА ОРГАНИЗАЦИИ КОНТРОЛЯ ВЫБРОСОВ В АТМОСФЕРУ НА ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯХ И В КОТЕЛЬНЫХ РД 153-34.0-02.306-98

Настоящие Правила предусматривают организацию на тепловых электростанциях и в котельных любой мощности (далее по тексту — ТЭС) электроэнергетической отрасли КОНТРОЛЯ выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. Контроль должен обеспечивать: систематические данные о выбросах; исходные данные к отчетности ТЭС по форме № 2-тп (воздух); информацию к оценке соблюдения установленных норм выбросов и к анализу причин, вызывающих превышение норм. Контроль подразделяется на производственный и технологический (внутрипроизводственный). Производственный Контроль (разд. 1-3 и приложения 1-4) должен обеспечивать: оценку соблюдения установленных норм валовых выбросов; систематические данные о валовых выбросах; исходные данные к отчетности ТЭС по форме № 2-тп (воздух). Производственному контролю подлежат в обязательном порядке источники выбросов (дымовые трубы, угольные штабеля при перевалке топлива, золоотвалы при выемке золы) и ТЭС в целом. Этот контроль включает определение валовых выбросов (г/с и т/год), их учет и отчетность по ним. Технологический контроль (приложение 5) должен обеспечивать: систематические данные об удельных выбросах; информацию к оценке соблюдения норм удельных выбросов; информацию для воздействия на технологические процессы в котлах, пыле- и газоочистном оборудовании, влияющие на выбросы в атмосферу. Технологический контроль осуществляется в объеме, устанавливаемом руководством ТЭС. Общие рекомендации по его осуществлению даны в приложении 5. Обе системы контроля могут реализовываться на общей приборной и расчетной базе. Настоящие Правила обязательны для всех ТЭС электроэнергетической отрасли независимо от формы собственности. Ответственность за выполнение требований настоящих Правил возлагается на главного инженера ТЭС. В должностных инструкциях для персонала, связанного с работой по контролю выбросов, следует учитывать требования настоящих Правил.

30.ОргКонтроль выбросов должен обеспечивать: - систематические данные о выбросах; - исходные данные к отчетности ТЭС по форме № 2-тп (воздух); - информацию к оценке соблюдения установленных норм выбросов и к анализу причин, вызывающих превышение норм. Контроль подразделяют на производственный и технологический (внутрипроизводственный).

Производственный контроль должен обеспечивать: - оценку соблюдения установленных норм валовых выбросов; ■ систематические данные о валовых выбросах; • исходные данные к отчетности ТЭС по форме № 2-тп (воздух). Производственный контроль осуществляют в обязательном порядке для источников выбросов (дымовых труб, угольных штабелей при перевалке топлива, золоотвалов при выемке золы) и ТЭС в целом. Он включает определение валовых выбросов в граммах в секунду (г/с) и тоннах в год (т/год), их учет и отчет­ ность по ним. Технологический контроль должен обеспечивать: -систематические данные об удельных выбросах; - информацию к оценке соблюдения норм удельных выбросов; - информацию для воздействия на технологические процессы в котлах и пыле-газоочистном оборудовании, влияющие на выбросы в атмосферу. Технологический контроль осуществляется в объеме, устанавливаемом руководством ТЭС.

Разработка план-графика контроля выбросов на ТЭС должен быть разработан план-график контроля за соблюдением установленных нормативов выбросов. План-график должен включать: ■ перечень источников выбросов и выбрасываемых в атмо­ сферу загрязняющих веществ, подлежащих контролю; ■- величины валовых выбросов из источников выбросов; -- наименование методов, частоту и сроки осуществления контроля выбросов; А перечень подразделений или (персонала), ответственных за ведение контроля. .. ,г' План-график должен быть согласован с местным органом Госкомэкологии и утвержден главным инженером ТЭС. Если разработанный на ТЭС и согласованный с местным органом Госкомэкологии РФ проект норм выбросов включает раз­ дел о контроле выбросов, содержащий указанные выше сведения, то разработка отдельного плана-графика не требуется. Администрация ТЭС утверждает перечень подразделений и лиц, ответственных за проведение инструментальных измерений выбросов, проверку эффективности газоочистных установок, проведение расчетов выбросов, учет и отчетность по контролю за выбросами, информацию о соблюдении норм выбросов. К контролю выбросов могут на договорных условиях привлекаться сторонние организации, имеющие соответствующую лицензию Госкомэкологии РФ или его регионального органа. Но ответственность за осуществление контроля несет ТЭС. Контролю подлежат выбросы нормируемых загрязняющих веществ. К нормируемым веществам, выбрасываемым с дымовыми газами, относят: пыль (зола твердого топлива); оксиды серы (в пересчете на диоксид серы); диоксид азота; оксид азота; оксид углерода; мазутную золу (в пересчете на ванадий); сажу и бенз(а)пирен (оба только для котлов производитель­ ностью менее 30 т/ч). На угольных складах нормированию подлежат выбросы уголь­ ной пыли при перевалке топлива, на золоотвалах — выбросы золошлаковой пыли при выемке сухой золы.

При контроле определяют выбросы: максимальные (средние за 20 мин) в граммах в секунду (г/с) и суммарные (за длительный период — месяц, квартал, полугодие, год) в тоннах. Контроль максимальных выбросов осуществляют только для веществ, на которые установлен норматив выбросов в граммах в секунду (г/с). Категорирование источников по инструментальному контролю выбросов устанавливают из зависимостей: Ф =M/(H*ПДК)*(100/100-n) Q=q-100/100-n , где М — максимальный выброс вещества из источника, г/с; Н — высота источника, м; ПДК — предельно-допустимая концентрация, мг/м3; n — эффективность газоочистки,%; q — приземная концентрация вещества на границе СЗЗ или ближайшей жилой застройки, ед. ПДК.

 

31. Биоэнергетика +биотопливо 34

Биоэнергетика — производство энергии из биотоплива различных видов. Название данной отрасли произошло от английского слова bioenergy, которое давно используется как энергетический термин. Биоэнергетикой считается производство энергии как из твердых видов биотоплива (щепа, гранулы (пеллеты) из древесины, лузги, соломы и т. п., брикеты), так и биогаза, и жидкого биотоплива различного происхождения.

Основные направления биоэнергетики – получение тепловой энергии, - получение электрической (1-прямое сжигание биомассы и ее производство, 2-производство высокоэнергетического газа, преимущественно метан за счет термического пиролиза, т.е. разложение при недостатке кислорода и за счет анаэробного брожения, 3-получение синтезированного газа (СМЕСЬ МЕТАНА + со и другие при неполном сжигании),4- получение вородода из синтез-газа, 5-получение бензина (каталитический процесс), 6-получение дизельного топлива (биодизель – применяется рапс, подсолнечный лен), 7-получение биоэтанола (можно из сахара-крахмалосодержащих растений – брожение перегонка или из клетчатки с предварительным осахариванием).

Понятие «биоэнергетика» применяется как в электроэнергетике, так и в теплоэнергетике и совместном производстве тепла и электричества.

В России понятие «биоэнергетика» в энергетическом смысле стали использовать с появлением первых биотопливных предприятий, ориентированных на экспорт биотоплива в Европейский Союз. Именно там биотопливо используется на теплоэлектростанциях для получения тепла и электричества. В России существует несколько проектов производства тепла и электричества из биотоплива (ТЭС), однако мощности этих энергоустановок невелики и не сравнимы с мощностями атомной индустрии.

В теплоэнергетике биотопливо получает все большее и большее развитие. Ряд областей наращивают объемы производства биотоплива и переводят котельные на биотопливо.

Растительный покров Земли составляет более 1800 млрд. т сухого вещества, что энергетически эквивалентно известным запасам энергии полезных ископаемых. Леса составляют около 68% биомассы суши, травяные экосистемы - примерно 16%, а возделываемые земли - только 8%. Для сухого вещества простейший способ превращения биомассы в энергию заключается в сгорании - оно обеспечивает тепло, которое в свою очередь превращается в механическую или электрическую энергию. Что же касается сырого вещества, то в этом случае древнейшим и наиболее эффективным методом превращения биомассы в энергию является получение биогаза (метана).

Метановое «брожение», или биометаногенез, - давно известный процесс превращения биомассы в энергию. Он был открыт в 1776 г. Вольтой, который установил наличие метана в болотном газе. Биогаз, получающийся в ходе этого процесса, представляет собой смесь из 65% метана, 30% углекислого газа, 1% сероводорода (Н2S) и незначительных количеств азота, кислорода, водорода и закиси углерода. Болотный газ дает пламя синего цвета и не имеет запаха. Его бездымное горение причиняет гораздо меньше неудобств людям по сравнению со сгоранием дров, навоза жвачных животных или кухонных отбросов. Энергия, заключенная в 28 м3 биогаза, эквивалентна энергии 16,8 м3 природного газа, 20,8 л нефти или 18,4 л дизельного топлива. Для всех метанобактерий характерна способность к росту в присутствии водорода и углекислого газа, а также высокая чувствительность к кислороду и ингибиторам производства метана. В природных условиях метанобактерии тесно связаны с водородобразующими бактериями: эта трофическая ассоциация выгодна для обоих типов бактерий. Первые используют газообразный водород, продуцируемый последними; в результате его концентрация снижается и становится безопасной для водородобразующих бактерий. Метановое «брожение» происходит в водонепроницаемых цилиндрических цистернах (дайджестерах) с боковым отверстием, через которое вводится ферментируемый материал. Над дайджестером находится стальной цилиндрический контейнер, который используется для сбора газа; нависая над бродящей смесью в виде купола, контейнер препятствует проникновению внутрь воздуха, так как весь процесс должен происходить в строго анаэробных условиях. Как правило, в газовом куполе имеется трубка для отвода биогаза. Дайджестеры изготовляют из глиняных кирпичей, бетона или стали. Купол для сбора газа может быть изготовлен из нейлона; в этом случае его легко прикреплять к дайджестеру, изготовленному из твердого пластического материала. Газ надувает нейлоновый мешок, который обычно соединен с компрессором для повышения давления газа.

В тех случаях, когда используются отходы домашнего хозяйства или жидкий навоз, соотношение между твердыми компонентами и водой должно составлять 1:1 (100 кг отходов на 100 кг воды), что соответствует общей концентрации твердых веществ, составляющей 8—11% по весу. Смесь сбраживаемых материалов обычно засевают ацетогенными и метаногенными бактериями или отстоем из другого дайджестера. Низкий рН подавляет рост метаногенных бактерий и снижает выход биогаза; такой же эффект вызывает перегрузка дайджестера. Против закисления используют известь. Оптимальное «переваривание» происходит в условиях, близких к нейтральным (рН 6,0—8,0). Максимальная температура процесса зависит от мезофильности или термофильности микроорганизмов (30—40° С или 50—60° С); резкие изменения температуры нежелательны. Обычно дайджестеры загружают в землю, чтобы использовать изоляционные свойства почвы. В странах с холодным климатом их нагревают при помощи устройств, которые применяют при компостировании сельскохозяйственных отходов. С точки зрения питательных потребностей бактерий избыток азота (например в случае жидкого навоза) способствует накоплению аммиака, который подавляет рост бактерий. Для оптимальной переработки соотношение C/N должно быть порядка 30:1 (по весу). Это соотношение можно изменять, смешивая субстраты, богатые азотом, с субстратами, богатыми углеродом. Так, C/N навоза можно изменить добавлением соломы или жома сахарного тростника. Отходы пищевой промышленности и сельскохозяйственного производства характеризуются высоким содержанием углерода (в случае перегонки свеклы на 1 литр отходов приходится до 50 граммов углерода), поэтому они лучше всего подходят для метанового «брожения», тем более, что некоторые из них получаются при температуре, наиболее благоприятной для этого процесса. Желательно перемешивать суспензию сбраживаемых веществ, чтобы воспрепятствовать расслаиванию, которое подавляет брожение. Твердый материал необходимо раздробить, так как наличие крупных комков препятствует образованию метана. Обычно длительность переработки навоза крупного рогатого скота составляет две—четыре недели.

В России сейчас производством и внедрением установок для получения биогаза занимается НТЦ «Агроферммашпроект», который предлагает запатентованные в России современные энергосберегающие технологии и оборудование для переработки органических отходов животноводства, полеводства в эффективное экологически чистое удобрение и энергию .

Биотехнология в состоянии внести крупный вклад в решение проблем энергетики посредством производства достаточно дешевого биосинтетического этанола, который кроме того является и важным сырьем для микробиологической промышленности при получении пищевых и кормовых белков, а также белково-липидных кормовых препаратов. Крупнейшие мировые производители спирта (по данным на 2000г.): Бразилия – 10,6 млрд.л; США – 6,5 млрд.л; Китай – 3 млрд.л; Индия – 1,7 млрд.л; Россия – 1,3 млрд.л. Стратегическую роль в бразильской экономике спирт приобрел в середине 70-ых годов с введением программы Proalcool, запущенной в 1975 году после мирового нефтяного кризиса в начале 70-ых. В Бразилии производится два вида этилового спирта: негидрированный – используется в качестве добавки к бензину в пропорции 20-24% и не требует изменений в двигателе; гидрированный – используется в качестве топлива и требует специального двигателя, работающего на спирте. Бразилия является первой страной, начавшей использовать негидрированный спирт в качестве добавки к топливу.

32. Газогенераторы — устройство для преобразования твёрдого или жидкого топлива в газообразную форму. Наиболее распространены газогенераторы, работающие на дровах, древесном угле, каменном угле, буром угле, коксе и топливных пеллетах. Газогенераторы, использующие в качестве топлива мазут и другие виды жидкого топлива, применяются значительно реже.

Относительно новая разновидность котлов на твердом топливе — газогенераторные котлы. Если в обычных твердотопливных котлах управлять процессом горения практически невозможно, то в газогенераторах производительность регулируется от 30 до 100%. В качестве топлива используются сухие дрова (влажность не более 20%).

Идея газогенератора известна давно: во время Второй мировой войны в нашей стране широко использовались газогенераторные автомобили, двигатели которых работали на генераторном газе, получаемом при сжигании древесных чурок. По принципу газогенератора на жидком топливе работали популярные у нас в середине XX века бытовые приборы типа «керогаз».

В отличие от традиционного твердотопливного котла газогенератор нуждается в электроэнергии. Зато он свободен от многих недостатков традиционных твердотопливных котлов: у него высокий КПД, он экологичен (угарный газ не поступает в дымоход, как при обычном сгорании дров, а служит сырьем для образования горючего газа). Дрова в газогенераторе медленно тлеют, а этот процесс, как и процесс горения инертного газа, легко регулируется за счет количества подаваемого воздуха.

Процесс газогенерации: Бункер для топлива устроен так, что к находящимся в нем дровам подается недостаточное количество кислорода. Поэтому вместо обычного горения здесь происходит тление в большом объеме. Из-за недостатка кислорода в результате горения древесина разлагается на углерод, водяной пар, смолы и масла. Далее углерод соединяется с кислородом, но образуется не СО , а СО — главный компонент горючего газа; смолы и масла, содержащиеся в древесине, разлагаются, выделяя водород и метан. Все это образует генераторный газ с высокой теплотворной способностью. Этот газ проходит через огнеупорную керамическую форсунку в камеру сгорания, где обеспечивается возможность его горения благодаря наддуву дополнительного воздуха. Смесь воздуха с газом воспламеняется в присутствии катализатора, причем кроме горения самого газа происходит дожигание тяжелых соединений и сажи.

-при обычном сжигании дров имеет место поверхностное горение, при котором в дымоход улетает много тяжелых соединений и угарного газа — то есть веществ, с одной стороны, токсичных, с другой — способных гореть и уносящих в трубу неиспользованные калории; – при объемном тлении в условиях нехватки кислорода практически все способное гореть в виде генераторного газа и увлекаемых им частиц поступает в верхнюю камеру, где отдает практически все калории, так что в трубу уходит нетоксичный и негорючий дым. В отличие от упоминавшихся специализгфованных дровяных котлов, для которых влажность дров не играет роли, газогенераторы требуют сухого топлива. Зато кроме дров годятся опилки, щепа, стружка, обрезки, а также сухие брикеты, смесь дров и древесных отходов, торф (не все виды), смесь торфа и древесных отходов (опилок и т. д.), а также целлюлозосодержащие отходы пищевой и легкой промышленности.

Генераторный газ горит бесцветным (белым) пламенем, если расход первичного и вторичного воздуха правильно отрегулирован и если топливо сухое. При повышении влажности дров увеличивается количество копоти, дегтя и конденсата, снижается теплотворная способность газа.

Газогенераторные котлы являются одноконтурными, они предназначены для систем отопления с принудительной циркуляцией и не производят горячей бытовой воды. Обеспечивая более полное сгорание отходов деревообработки и сельскохозяйственной продукции (опилки, лузга семечек и т. д.), использование газогенератора позволяет сократить выбросы в атмосферу. Газогенератор позволяет газифицировать твёрдое топливо что делает его использование более удобным и эффективным, будь-то отопительный котёл, двигатель внутреннего сгорания, газовая турбина или химическая промышленность. Активная часть газогенератора состоит из трёх перетекающих участков: термического разложения топлива, окисления, восстановления. Кроме устройств с внешним подводом тепла, где зоны окисления нет.

Существуют три основных типа газогенераторного процесса: прямого, обращённого и горизонтального. Также известны и газогенераторы двухзонного процесса, которые представляют собой комбинацию прямого и обратного процессов.

33. Водоугольное топливо , Водоуголь - жидкое топливо, которое получают путем смешивания измельченного угля, воды и пластификатора. Используется на теплогенерирующих объектах, в основном как альтернатива природному газу и мазуту. Позволяет существенно сократить затраты при производстве тепловой и электрической энергии. ВОДОУГОЛЬ имеет заданные реологические (вязкость, напряжение смещения), седиментационные (сохранение однородности в статических и динамических условиях) и топливные (энергетический потенциал, полнота выгорания органических соединений) характеристики. Параметры водоугля четко регламентированы национальными стандартами Китая, которые могут применяться в качестве эталона. Также, для водоугольного топлива характерны следующие свойства: температура воспламенения - 800-850 ° С, температура горения - 950-1150 ° С, теплотворная способность - 3700 ... 4700 ккал. Степень сгорания углерода более 99%. Водоуголь пожаро- и взрывобезопаснен.

Основной принцип в приготовлении водоугольного топлива заключается в обеспечении стабильности измельчения угля с заданными параметрами и четкого соблюдения концентраций вспомогательных веществ, что приводит к улучшению реологических свойствах и стабильности процесса горения.

На сегодняшний день существуют различные способы помола угля, но наиболее отработанный и изученный способ заключается в использовании шаровых мельниц непрерывного мокрого размола.

Уголь газовых марок доставляется на открытую площадку завода. Фронтальный погрузчик подает уголь в приемный бункер двухвалковый дробилки, откуда размолотый до фракции 3-6 мм уголь направляется для дальнейшего помола в шаровую мельницу, в которую с помощью дозаторов подается техническая вода и присадка. Происходит мокрый помол угля с присадкой до фракции 0-300 мкм. Водоугольное топливо через фильтр загружается в накопительные емкости с перемешивающим устройством. Топливо фракции 71-300 мкм возвращается в мельницу для дальнейшего помола. Готовое топливо из накопительной емкости загружается в цистерны для транспортировки.

Уголь для топлива - для приготовления должны применятся только высококачественные энергетические угли с низким содержанием серы и золы. В процессе приготовления топлива значительное внимание уделяется контролю элементарного состава. Это обусловлено необходимостью соблюдения экологических норм, а также позволяет продлить срок эксплуатации оборудования. Поэтому, для приготовления топлива используют только предварительно подготовленную, очищенную воду. Использование пластификаторов в водоугольном топливе обусловлено необходимостью обеспечения особых характеристик: низкой вязкости, хорошей текучести, длительной стабильности взвешенных частиц угля. Наиболее часто применяются примеси на основе технических лигносульфонатов, гуминовые реагенты (натриевые соли гуминовых кислот различных фракций), полифосфаты, которые эффективно действуют в щелочной среде (при рН = 9 ÷ 13 при 40% воды в топливе).

Водоугольное топливо является пожаро- и взрывобезопасным на всех стадиях его производства, транспортировки и использования. Процессы изготовления и сжигания разграничены, что позволяет не загрязнять городскую окружающую среду при транспортировке угля. Доставка топлива осуществляется в цистернах автомобильным или железнодорожным транспортом.

Водоугольное топливо доставляется на котельную в готовом виде. Хранение топлива происходит в закрытых емкостях (необходимый объем определяется согласно «СНиП II-35-76» из расчета 5-суточного объема потребления). Для защиты от замерзания топлива емкости покрываются теплоизоляционным слоем 50 мм и слоем из легкого металла для защиты от внешнего воздействия. Подача водоугля на сжигание осуществляется насосами из емкостей хранения через перемешивающие устройства. Для качественного распыления к узлу перемешивания горелки компрессор подает сжатый воздух. Предварительный подогрев камеры сжигания происходит дизельным топливом или природным газом. При достижении заданной температуры, открывается запорная арматура для подачи водоугля на основную форсунку. Водоуголь сжигается путем распыления в факеле. Горелка устроена таким образом, чтобы при распылении получать тонкодисперсные частицы для обеспечения быстрого испарения влаги и стабилизации циркуляции горючих газов в зоне воспламенения. Сам процесс горения проходит в пределах 950 - 1150 ° С. Сгорание водоугольного топлива можно разделить на две фазы: - Испарение влаги, сгорание высвобожденных летучих компонентов угля; - Фаза сгорания твердых частиц. Важным аспектом такого процесса горения является влияние на высвобождение соединений NOx. За счет низкотемпературного горения и избытка воздуха в камере в пределах до 1,25 обеспечивается минимизация образования этих соединений.

Идея использования водно-угольных суспензий в качестве топлива зародилась еще в 1950-х годах в Институте горючих ископаемых АН СССР. Поиски технологии их приготовления и использования диктовались необходимостью утилизации тонких угольных шламов, появившихся в больших количествах при интенсивном развитии гидродобычи и гидротранспорта угля, а также при обогащении углей мокрым способом. К решению проблемы были подключены ведущие научно-исследовательские угольные институты страны. Для исследования процессов приготовления и горения суспензий было построено несколько экспериментальных установок. Аналогичные работы проводились тогда в США, ФРГ и других странах. В связи с открытием крупных месторождений нефти и газа во всем мире и увеличением поступления этих энергоресурсов на мировые рынки по доступным ценам, работы по внедрению водоугольных суспензий замедлились. Интерес к ВУТ возобновился только к середине 70-х годов в связи с мировым нефтяным кризисом. Наибольшее количество научных организаций, производственных фирм и корпораций было привлечено к проблеме в период 1979-1984 гг. Более 100 организаций в США, Швеции, Великобритании, Китае, Японии, Канаде, Италии и других странах занимались изучением и внедрением ВУТ. На базе их были созданы крупные международные корпорации Carbogel, Fluidgarbon (Швеция), Co-Al (США), Densecoal (ФРГ) и другие, разработавшие многочисленные составы и технологии приготовления и использования водоугольных суспензий. Наиболее распространенной на сегодняшний день считается технология когда ВУТ получают сухим измельчением предварительно дробленного до менее 3 мм исходного угля в роторно-вихревой мельнице до частиц размером менее 20 мкм. В процессе измельчения одновременно производится сепарация угля от минеральных компонентов и гидрофобизация частиц угля. Последующее смешивание частиц угля с водой производится в гидравлическом диспергаторе с получением коллоидной гидросмеси, содержащей 70-80 мас. % и более твердой фазы с частицами менее 5 мкм. В результате получается водоугольное топливо с улучшенными физико-механическими, структурно-реологическими, теплофизическими и экологическими свойствами для его длительного хранения, транспортировки и сжигания в различных энергетических установках, включая дизельные и газотурбинные. Использование ВУТ позволяет в 1.5 - 3.5 раза снизить вредные выбросы в атмосферу, а также повысить эффективность использования топлива до 98%, при традиционном сжигании угля эффективность составляет не более 60%. Самое главное достоинство данного топлива — его дешевизна и экологичность. Стоимость готового ВУТ дешевле мазута в 2-4 раза и не превышает 15-20% цены исходного угля на месте его добычи. К тому же ВУТ пожаро– и взрывобезопасно. Технологии его хранения и транспортировки просты и могут быть полностью автоматизированы, перекачку можно осуществлять по трубопроводам аналогично нефти. В отличие от мазутных цистерн, емкости, в которых зимой транспортируется ВУТ, легко очищаются от остатков топлива. Кроме того, перевод котельных на ВУТ обычно занимает не более 7 мес., а при серийном изготовлении необходимого для этого оборудования срок сократится вдвое. Экономия на выработке тепловой и электрической энергии поможет окупить затраты на реконструкцию котельной из трех-четырех котлов за 2.5 - 3 года. ВУТ может быть использовано практически на любых теплоэнергетических объектах. Из недостатков ВУТ следует отметить высокое содержание воды в суспензии, на испарение не менее 40% которой требуется затратить энергию. Еще больших затрат требует непосредственно процесс измельчения угля для получения самой суспензии: чтобы перемолоть 1 т угля необходимо затратить 15 - 20 кВт электроэнергии. Наконец, при измельчении жидких смесей износ оборудования и, следовательно, затраты на его амортизацию в разы выше, чем при сухом помоле. Но, несмотря на недостатки, вопрос об использовании ВУТ в мировой практике не теряет своей актуальности. Работы по совершенствованию и внедрению инноваций не прекращаются в Японии, Италии, США, Канаде и других странах. В США реализуется программа использования угля в промышленной и бытовой энергетике ("Чистый уголь") с общим объемом финансирования $6 млрд на ближайшие 6-10 лет. Около 20% этой суммы направляется на решение проблем, связанных с транспортировкой водоугольного топлива. Повышенный интерес к использованию ВУТ проявляет Япония, в частности, финансируя разработку месторождений бурого угля и строительства заводов по его переработке во Вьетнаме и Индонезии. Китай в связи с быстроразвивающейся экономикой ощущает дефицит нефтепродуктов, и чтобы не быть зависимым от импорта нефти, активно внедряет технологии по эффективной переработке угля в жидкое топливо. В настоящее время на разных стадиях строительства и эксплуатации находится более сотни углеперерабатывающих заводов. Потребителями ВУТ стали ТЭЦ, ранее работавшие на мазуте, а также предприятия химической, металлургической, целлюлозно-бумажной и других отраслей промышленности. Лидером по переработке угля в жидкое топливо является ЮАР, где в жидкое топливо перерабатывают около 40 млн т угля в год.

35. Космическая энергетика— вид альтернативной энергетики, подразумевающий использование энергии солнца для выработки электроэнергии, с расположением энергетической станции на Луне или земной орбите. 1968 : Питер Глейзер представил идею больших солнечных спутниковых систем с солнечным коллектором размером в квадратную милю на высоте геостационарной орбиты (ГСО 36000 км над экватором), для сбора и преобразования энергии солнца в электромагнитный пучок СВЧ для передачи полезной энергии на большие антенны на Земле. Правительство США в 70-х годах выделило 20 миллионов долларов космическому агентству NASA и компании Boeing для расчёта целесообразности проекта гигантского спутника SPS (Solar Power Satellite). После всех расчётов оказалось, что такой спутник вырабатывал бы 5000 мегаватт энергии, после передачи на землю оставалось бы 2000 мегаватт. Чтобы понять много это или нет, стоит сравнить эту мощность с Красноярской ГЭС, мощность которой составляет 6000 мегаватт. Но примерная стоимость такого проекта 1 триллион долларов, что и послужило причиной закрытия программы.

Актуальность космической энергетики в наши дни - Так как за 40 лет со времени появления идеи солнечные батареи сильно упали в цене и увеличились в производительности, а грузы на орбиту стало доставлять дешевле, в 2007 году «Национальное космическое общество» США представило доклад в котором говорит о перспективах развития космической энергетики в наши дни.

Преимущества системы - Высокая эффективность из-за того, что нет атмосферы, выработка энергии не зависит от погоды и времени года. Практически полное отсутствие перерывов так как на геостационарной орбите спутник будет освещен солнцем 24 часа в сутки.

Технологии, применяющиеся в космической энергетике 1. Беспроводная передача энергии на Землю- Беспроводная передача электроэнергии была предложена на ранней стадии в качестве средства для передачи энергии от космической или Лунной станции к Земле. Энергия может быть передана с помощью лазерного излучения или СВЧ на различных частотах в зависимости от конструкции системы. Какой выбор был сделан, чтобы передача излучения была не ионизирующей, во избежание возможных нарушений экологии или биологической системы региона получения энергии? Верхний предел для частоты излучения установлен таким, чтобы энергия на один фотон не вызывала ионизацию организмов при прохождении через них. Ионизация биологических материалов начинается только с ультрафиолетового излучения и, как следствие, проявляется при более высоких частотах, поэтому большое количество радиочастот будет доступно для передачи энергии. 2. Лазеры-Исследователи НАСА работали в 1980-х годах с возможностью использования лазеров для излучения энергии между двумя точками в пространстве. В перспективе эта технология станет альтернативным способом передачи энергии в космической энергетике. В 1991 году начался проект SELENE, который предполагал создание лазеров для космической энергетики, в том числе и для изучение энергии лазерером на лунные базы. В 1988 Грант Логан предложили использовать лазер размещенный на Земле, чтобы обеспечить энергией космические станции, предположительно это можно было осуществить в 1989. Предлагалось использование солнечных элементов из алмаза при температуре 300 °C для преобразования ультрафиолетового лазерного излучения. Проект SELENE продолжал работать над этой концепцией, пока не был официально закрыт в 1993 после двух лет исследований, так и не осуществив тестирования технологии на большие расстояния. Причина закрытия: высокая стоимость осуществления. 3. Преобразование солнечной энергии в электрическую-В космической энергетике (в существующих станциях и при разработках космических электростанций) единственный способ эффективного получения энергии это использование фотоэлементов. Фотоэлемент — электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию. Первый фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте, создал Александр Столетов в конце XIX века. Наиболее эффективными, с энергетической точки зрения, устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), поскольку это прямой, одноступенчатый переход энергии. КПД производимых в промышленных масштабах фотоэлементов в среднем составляет 16 %, у лучших образцов до 25 %. В лабораторных условиях уже достигнут КПД 43 %. 4. Получение энергии от СВЧ волн испускаемых спутником. Так же важно почерпнуть способы получения энергии. Один из них это получение энергии с помощью ректенн. Ректенна (выпрямляющая антенна) — устройство, представляющее собой нелинейную антенну, предназначенную для преобразования энергии поля падающей на неё волны в энергию постоянного тока. Простейшим вариантом конструкции может быть полуволновый вибратор, между плечами которого устанавливается устройство с односторонней проводимостью (например диод). В таком варианте конструкции антенна совмещается с детектором, на выходе которого, при наличии падающей волны, появляется ЭДС. Для повышения усиления такие устройства могут быть объединены в многоэлементные решётки.

34. Биотопливо — топливо из растительного или животного сырья, из продуктов жизнедеятельности организмов или органических промышленных отходов. Различается жидкое биотопливо (для двигателей внутреннего сгорания, например, этанол, метанол, биодизель, биомазут), твёрдое биотопливо (дрова, брикеты, топливные гранулы, щепа, солома, лузга) и газообразное. К газообразному биотопливу относят различные газовые смеси с угарным газом, метаном, водородом, получаемые при термическом разложении сырья в присутствии кислорода (газификация), без кислорода (пиролиз) или при сбраживании под воздействием бактерий: синтез-газ, биогаз).

Растительное сырье разделяют на поколения. Первыми начали использовать традиционные сельскохозяйственные культуры с высоким содержанием жиров, крахмала, сахаров. Растительные жиры хорошо перерабатываются в биодизель. Растительные крахмалы и сахара перерабатываются на этанол. Однако такое сырье оказалось крайне неудобным: помимо затратного землепользования с истощением почв и высокими потребностями в обработке почв, удобрениях и пестицидах его изъятие с рынка прямо влияет на цену пищевых продуктов. Такое сырье относят к первому поколению. Непищевые остатки культивируемых растений, травы и древесина стали вторым поколением сырья. Его получение гораздо менее затратно, чем у культур первого поколения. Такое сырье содержит целлюлозу и лигнин. Его можно прямо сжигать (как это традиционно делали с дровами), газифицировать (получая горючие газы), осуществлять пиролиз. Основные недостатки второго поколения сырья — занимаемые земельные ресурсы и относительно невысокая отдача с единицы площади. Третье поколение сырья — водоросли. Не требуют земельных ресурсов, могут иметь большую концентрацию биомассы и высокую скорость воспроизводства.

Твердое биотопливо - В настоящее время в мире для производства дров или биомассы выращивают энергетические леса, состоящие из быстрорастущих пород (тополь, эвкалипт и др.). В России на дрова и биомассу в основном идет балансовая древесина, не подходящая по качеству для производства пиломатериалов. Энергоносители биологического происхождения (главным образом навоз и т. п.) брикетируются, сушатся и сжигаются в каминах жилых домов и топках тепловых электростанций, вырабатывая дешёвое электричество.

Способы сжигания твердого топлива: 1)Пылевидное: случай совместного сжигания древесных отходов и жидкого топлива – используется редко. 2)Слоевое: сжигание на подвижных и неподвижных решетках 3)Сжигание в низко- или высокотемпературном кипящем слое (в пузырьковом или циркулирующем) 4)Газификация топлива: превращение тв топлив в горючий газ (CO2 и H2) при высокой t в присутствии газифицирующего агента – окислителя.

Жидкое биотопливо . Биоэтанол. Мировое производство биоэтанола в 2005 составило 36,3 млрд литров, из которых 45 % пришлось на Бразилию и 44,7 % — на США. Этанол в Бразилии производится преимущественно из сахарного тростника, а в США из кукурузы. Этанол является менее «энергоплотным» источником энергии чем бензин; пробег машин, работающих на Е85 (смесь 85 % этанола и 15 % бензина), на единицу объёма топлива составляет примерно 75 % от пробега стандартных машин. Обычные машины не могут работать на Е85, хотя двигатели внутреннего сгорания прекрасно работают на Е10 (некоторые источники утверждают, что можно использовать даже Е15). На «настоящем» этаноле могут работать только т. н. «Flex-Fuel» машины («гибкотопливные» машины). Эти автомобили также могут работать на обычном бензине (небольшая добавка этанола всё же требуется) или на произвольной смеси того и другого. Бразилия является лидером в производстве и использовании биоэтанола из сахарного тростника в качестве топлива. Автозаправки в Бразилии предлагают на выбор Е20 (или Е25) под видом обычного бензина, или «acool», азеотроп этанола (96 % С2Н5ОН и 4 % воды; выше концентрацию этанола невозможно получить путём обычной дистилляции). Переделать обычную машину в «flex-fuel» можно, но экономически нецелесообразно. Более серьёзным является то, что при сгорании этанола в выхлопных газах двигателей появляются альдегиды (формальдегид и ацетальдегид), наносящие живым организмам не меньший ущерб, чем ароматические углеводороды.

Биометанол - Промышленное культивирование и биотехнологическая конверсия морского фитопланктона рассматривается как одно из наиболее перспективных направлений в области получения биотоплива. Основными доводами в пользу использования микроскопических водорослей являются следующие: высокая продуктивность фитопланктона (до 100 т/га в год);в производстве не используются ни плодородные почвы, ни пресная вода; процесс не конкурирует с сельскохозяйственным производством; энергоотдача процесса достигает 14 на стадии получения метана и 7 на стадии получения метанола; С точки зрения получения энергии данная биосистема имеет существенные экономические преимущества по сравнению с другими способами преобразования солнечной энергии.

Биобутанол C4H10O — бутиловый спирт. Энергия бутанола близка к энергии бензина. Бутанол может использоваться в топливных элементах, и как сырьё для производства водорода. Сырьём для производства биобутанола могут быть сахарный тростник, свекла, кукуруза, пшеница, маниока, а в будущем и целлюлоза. В Великобритании существует завод по производству биобутанола мощностью 20 млн литров в год из различного сырья.

Диметиловый эфир (C2H6O) может производиться как из угля, природного газа, так и из биомассы. Большое количество диметилового эфира производится из отходов целлюлозо-бумажного производства. Сжижается при небольшом давлении. Это экологически чистое топливо без содержания серы, содержание оксидов азота в выхлопных газах на 90 % меньше, чем у бензина. Применение диметилового эфира не требует специальных фильтров, но необходима переделка систем питания и зажигания двигателя. Автомобили с двигателями, работающими на диметиловом эфире разрабатывают KAMAZ, Volvo, Nissan и китайская компания SAIC Motor.

Биодизель — топливо на основе жиров животного, растительного и микробного происхождения, а также продуктов их этерификации. Разрабатываются технологии производства биодизеля из водорослей.

Биотопливо второго поколения — различное топливо, полученное различными методами пиролиза биомассы, или прочие виды топлива, помимо метанола, этанола, биодизеля произведенное из источников сырья «второго поколения». Источниками сырья для биотоплива второго поколения являются лигно-целлюлозные соединения, остающиеся после того, как пригодные для использования в пищевой промышленности части биологического сырья удаляются. Использование биомассы для производства Биотоплива второго поколения направленно на сокращение количества использованной земли, пригодной для ведения сельского хозяйства. К растениям — источникам сырья второго поколения относятся: Водоросли — являющиеся простыми организмами, приспособленными к росту в загрязненной или соленой воде (содержат до двухсот раз больше масла, чем источники первого поколения, таких как соевые бобы); Рыжик (растение) — растущий в ротации с пшеницей и другими зерновыми культурами. Ятрофа — растущее в засушливых почвах, с содержанием масла от 27 до 40 % в зависимости от вида.

Быстрый пиролиз позволяет превратить биомассу в жидкость, которую легче и дешевле транспортировать, хранить и использовать. Из жидкости можно произвести автомобильное топливо, или топливо для электростанций. Весьма перспективно также использование жидких продуктов пиролиза древесины хвойных пород. Например, смесь 70 % живичного скипидара, 25 % метанола и 5 % ацетона, то есть фракций сухой перегонки смолистой древесины сосны, с успехом может применяться в качестве замены бензина марки А-80. Причем для перегонки применяются отходы дереводобычи: сучья, пень, кора. Выход топливных фракций — до 100 килограммов с тонны отходов.

Газообразное топливо . Биогаз — продукт сбраживания органических отходов (биомассы), представляющий смесь метана и углекислого газа. Разложение биомассы происходит под воздействием бактерий класса метаногенов.

Биоводород — водород, полученный из биомассы термохимическим, биохимическим или другим способом, например водорослями. В мире уже имеется несколько введенных в эксплуатацию установок получения метана из древесных отходов.

Биотопливо третьего поколения — топлива, полученные из водорослей.

Кроме выращивания водорослей в открытых прудах существуют технологии выращивания водорослей в малых биореакторах, расположенных вблизи электростанций. Сбросное тепло ТЭЦ способно покрыть до 77 % потребностей в тепле, необходимом для выращивания водорослей. Эта технология не требует жаркого пустынного климата. Ряд микроорганизмов способны накапливать углеводородов до 40 % общего сухого веса.

(+Биоэнергетика 31: Критики развития биотопливной индустрии заявляют, что растущий спрос на биотопливо вынуждает сельхозпроизводителей сокращать посевные площади под продовольственными культурами и перераспределять их в пользу топливных. Эксперты считают, благодаря этому в мире может разразиться продовольственный кризис Однако, преимущества такого вида топлива очевидны: технология применима при любом климате, относительно дешевое топливо, его производство не является трудоемким, а также машины, использующие биотопливо, меньше загрязняют окружающую среду.

 

 

36. Управляемый термоядерный синтез (УТС) — синтез более тяжёлых атомных ядер из более лёгких с целью получения энергии, который, в отличие от взрывного термоядерного синтеза (используемого в термоядерных взрывных устройствах), носит управляемый характер. Управляемый термоядерный синтез отличается от традиционной ядерной энергетики тем, что в последней используется реакция распада, в ходе которой из тяжёлых ядер получаются более лёгкие ядра. В основных ядерных реакциях, которые планируется использовать в целях осуществления управляемого термоядерного синтеза, будут применяться дейтерий(2H) и тритий (3H), а в более отдалённой перспективе гелий-3 (3He) и бор-11 (11B).

Впервые задачу по управляемому термоядерному синтезу в Советском Союзе сформулировал и предложил для неё некоторое конструктивное решение советский физик Лаврентьев О. А.Кроме него важный вклад в решение проблемы внесли такие выдающиеся физики, как А. Д. Сахаров и И. Е. Тамм,а также Л. А. Арцимович, возглавлявший советскую программу по управляемому термоядерному синтезу с 1951 года.

Исторически вопрос управляемого термоядерного синтеза на мировом уровне возник в середине XX века. Известно, что И. В. Курчатов в 1956 году высказал предложение о сотрудничестве учёных-атомщиков разных стран в решении этой научной проблемы. Это произошло во время посещения Британского ядерного центра «Харуэлл» (англ). Типы реакций - Реакция синтеза заключается в следующем: два или больше атомных ядра в результате применения некоторой силы сближаются настолько, чтобы силы, действующие на таких расстояниях, преобладали над силами кулоновского отталкивания между одинаково заряженными ядрами, в результате чего формируется новое ядро. При создании нового ядра выделится большая энергия сильного взаимодействия. По известной формуле E=mc², высвободив энергию, система нуклонов потеряет часть своей массы. Атомные ядра, имеющие небольшой электрический заряд, проще свести на нужное расстояние, поэтому тяжелые изотопы водорода являются одними из лучших видов топлива для реакции синтеза. Установлено, что смесь двух изотопов, дейтерия и трития, требует менее всего энергии для реакции синтеза по сравнению с энергией, выделяемой во время реакции. Однако, хотя смесь дейтерия и трития (D-T) является предметом большинства исследований синтеза, она в любом случае не является единственным видом потенциального горючего. Другие смеси могут быть проще в производстве; их реакция может надежнее контролироваться, или, что более важно, производить меньше нейтронов. Особенный интерес вызывают так называемые «безнейтронные» реакции, поскольку успешное промышленное использование такого горючего будет означать отсутствие долговременного радиоактивного загрязнения материалов и конструкции реактора, что, в свою очередь, могло бы положительно повлиять на общественное мнение и на общую стоимость эксплуатации реактора, существенно уменьшив затраты на вывод из эксплуатации и утилизацию. Проблемой остается то, что реакцию синтеза с использованием альтернативных видов горючего намного сложнее поддерживать, потому D-T реакция считается только необходимым первым шагом. Схема реакции дейтерий-тритий

Управляемый термоядерный синтез может использовать различные виды термоядерных реакций в зависимости от вида применяемого топлива.

1.Реакция дейтерий + тритий (Топливо D-T )

Самая легко осуществимая реакция — дейтерий + тритий:

2H + 3H = 4He + n при энергетическом выходе 17,6 МэВ (мегаэлектронвольт).

Такая реакция наиболее легко осуществима с точки зрения современных технологий, даёт значительный выход энергии, топливные компоненты дешевы. Недостаток — выход нежелательной нейтронной радиации.

Два ядра: дейтерия и трития сливаются, с образованием ядра гелия (альфа-частица) и высокоэнергетического нейтрона:

2.Реакция дейтерий + гелий-3

Существенно сложнее, на пределе возможного, осуществить реакцию дейтерий + гелий-3

2H + 3He = 4He + p при энергетическом выходе 18,4 МэВ.

Условия её достижения значительно сложнее. Гелий-3, кроме того, является редким и чрезвычайно дорогим изотопом. В промышленных масштабах в настоящее время не производится. Однако может быть получен из трития, получаемого в свою очередь на атомных электростанциях; или добыт на Луне.

Сложность проведения термоядерной реакции можно характеризовать тройным произведением nTτ (плотность на температуру на время удержания). По этому параметру реакция D-3He примерно в 100 раз сложнее, чем D-T.

3.Реакция между ядрами дейтерия (D-D, монотопливо)

Также возможны реакции между ядрами дейтерия, они идут немного труднее реакции с участием гелия-3:

 

Возможны и некоторые другие типы реакций. Выбор топлива зависит от множества факторов — его доступности и дешевизны, энергетического выхода, лёгкости достижения требующихся для реакции термоядерного синтеза условий (в первую очередь, температуры), необходимых конструктивных характеристик реактора и т. д.

4.«Безнейтронные» реакции

Наиболее перспективны так называемые «безнейтронные» реакции, так как порождаемый термоядерным синтезом нейтронный поток (например, в реакции дейтерий-тритий) уносит значительную часть мощности и порождает наведенную радиоактивность в конструкции реактора. Реакция дейтерий + гелий-3 является перспективной в том числе и по причине отсутствия нейтронного выхода.

 

 

5.Реакции на лёгком водороде

Стоит отметить, что протон-протонные реакции синтеза, идущие в звёздах, не рассматриваются как перспективное термоядерное горючее. Протон-протонные реакции идут через слабое взаимодействие с излучением нейтрино, и по этой причине требуют астрономических размеров реактора для сколь-либо заметного энерговыделения.

p + p → ²D + e+ + νe + 0.4 Мэв

Управляемый термоядерный синтез возможен при одновременном выполнении двух условий:

Скорость соударения ядер соответствует температуре плазмы:

T > 108 K (для реакции D-T).

Соблюдение критерия Лоусона:

nτ > 1014 см−3•с (для реакции D-T),где n — плотность высокотемпературной плазмы, τ — время удержания плазмы в системе.

От значения этих двух критериев в основном зависит скорость протекания той или иной термоядерной реакции.

В настоящее время (2013) управляемый термоядерный синтез ещё не осуществлён в промышленных масштабах. Строительство международного экспериментального термоядерного реактора (ITER) находится в начальной стадии.

Термоядерная энергетика и гелий-3

Запасы гелия-3 на Земле составляют в атмосфере около 50 000 т и гораздо больше в литосфере, на Луне он находится в значительном количестве: до 10 млн тонн (по минимальным оценкам — 500 тысяч тонн). В то же время его можно легко получать и на Земле из широко распространённого в природе лития-6 на существующих ядерных реакторах деления.

Наиболее простым способом осуществления термоядерной реакции является синтез дейтерия и трития с выделением гелия-4 и «быстрого» нейтрона:

D + T → 4He (3,5 МэВ) + n (14,1 МэВ). Однако при этом бо́льшая часть (более 80 %) выделяемой кинетической энергии приходится именно на нейтрон. В результате столкновений осколков с другими атомами эта энергия преобразуется в тепловую. Помимо этого, быстрые нейтроны создают значительное количество радиоактивных отходов. В отличие от этого, синтез дейтерия и гелия-3 почти не производит радиоактивных продуктов:

D + 3He → 4He (3,7 МэВ) + p (14,7 МэВ), где p — протон. Это позволяет использовать более простые и эффективные системы преобразования кинетической реакции синтеза, такие как магнитогидродинамический генератор.

Существуют две принципиальные схемы осуществления управляемого термоядерного синтеза, разработки которых продолжаются в настоящее время (2012): Квазистационарные системы (), в которых нагрев и удержание плазмы осуществляется магнитным полем при относительно низком давлении и высокой температуре. Для этого применяются реакторы в виде токамаков, стеллараторов (торсатронов) и зеркальных ловушек, которые отличаются конфигурацией магнитного поля. К квазистационарным реакторам относится реактор ITER, имеющий конфигурацию токамака. Импульсные системы (). В таких системах управляемый термоядерный синтез осуществляется путем кратковременного нагрева небольших мишеней, содержащих дейтерий и тритий, сверхмощными лазерными лучами или пучками высокоэнергичных частиц (ионов, электронов). Такое облучение вызывает последовательность термоядерных микровзрывов. Первый вид термоядерных реакторов намного лучше разработан и изучен, чем второй.

В ядерной физике, при исследованиях термоядерного синтеза, для удержания плазмы в некотором объёме используется магнитная ловушка — устройство, удерживающее плазму от контакта с элементами термоядерного реактора. Магнитная ловушка используется в первую очередь как теплоизолятор. Принцип удержания плазмы основан на взаимодействии заряженных частиц с магнитным полем, а именно на спиральном вращении заряженных частиц вдоль силовых линий магнитного поля. Однако, намагниченная плазма очень нестабильна. В результате столкновений заряженные частицы стремятся покинуть магнитное поле. Поэтому для создания эффективной магнитной ловушки используются мощные электромагниты, потребляющее огромное количество энергии или применяющие сверхпроводники

Радиационная безопасность . Термоядерный реактор намного безопаснее ядерного реактора в радиационном отношении. Прежде всего, количество находящихся в нем радиоактивных веществ сравнительно невелико. Энергия, которая может выделиться в результате какой-либо аварии, тоже мала и не может привести к разрушению реактора. При этом в конструкции реактора есть несколько естественных барьеров, препятствующих распространению радиоактивных веществ. Например, вакуумная камера и оболочка криостата должны быть герметичными, иначе реактор просто не сможет работать. Тем не менее, при проектирования ITER большое внимание уделялось радиационной безопасности как при нормальной эксплуатации, так и во время возможных аварий.

Есть несколько источников возможного радиоактивного загрязнения: радиоактивный изотоп водорода — тритий; наведённая радиоактивность в материалах установки в результате облучения нейтронами; радиоактивная пыль, образующаяся в результате воздействия плазмы на первую стенку; радиоактивные продукты коррозии, которые могут образовываться в системе охлаждения.

Для того, чтобы предотвратить распространение трития и пыли, если они выйдут за пределы вакуумной камеры и криостата, необходима специальная система вентиляции которая должна поддерживать в здании реактора пониженное давление. Поэтому из здания не будет утечек воздуха, кроме как через фильтры вентиляции.

При строительстве реактора, ITER например, где только возможно, будут применяться материалы, уже испытанные в ядерной энергетике. Благодаря этому, наведённая радиоактивность будет сравнительно небольшой. В частности, даже в случае отказа систем охлаждения, естественной конвекции будет достаточно для охлаждения вакуумной камеры и других элементов конструкции.

Оценки показывают, что даже в случае аварии радиоактивные выбросы не будут представлять опасности для населения и не вызовут необходимости эвакуации.

Существуют, в теории, альтернативные виды топлива, которые лишены указанных недостатков. Но их использованию препятствует фундаментальное физическое ограничение. Чтобы получить достаточное количество энергии из реакции синтеза, необходимо удерживать достаточно плотную плазму при температуре синтеза (108 K) на протяжении определенного времени. Этот фундаментальный аспект синтеза описывается произведением плотности плазмы n на время содержания нагретой плазмы τ, что требуется для достижения точки равновесия. Произведение nτ зависит от типа горючего и является функцией температуры плазмы. Из всех видов горючего дейтерий-тритиевая смесь требует самого низкого значения nτ, по меньшей мере на порядок, и самую низкую температуру реакции, по меньшей мере в 5 раз. Таким образом, D-T реакция является необходимым первым шагом, однако использование других видов горючего остается важной целью исследований

Реакция синтеза в качестве промышленного источника электроэнергии

Энергия синтеза рассматривается многими исследователями (в частности, Кристофером Ллуэллин-Смитом) в качестве «естественного» источника энергии в долгосрочной перспективе. Сторонники коммерческого использования термоядерных реакторов для производства электроэнергии приводят следующие аргументы в их пользу:

Практически неисчерпаемые запасы топлива (водород).

Топливо можно добывать из морской воды на любом побережье мира, что делает невозможным монополизацию топливных ресурсов одной или группой стран.

Минимальная вероятность аварийного взрывного увеличения мощности реакции в термоядерном реакторе.

Отсутствие продуктов сгорания.

Нет необходимости использовать материалы, которые могут быть использованы для производства ядерных взрывных устройств, таким образом исключается возможность саботажа и терроризма.

По сравнению с ядерными реакторами вырабатываются радиоактивные отходы с коротким периодом полураспада

С помощью вычислений можно провести оценку, что наперсток, наполненный дейтерием, производит энергию, эквивалентную 20 тоннам угля. Озеро среднего размера в состоянии обеспечить любую страну энергией на сотни лет. Однако следует заметить, что существующие исследовательские реакторы спроектированы для достижения прямой дейтериево-тритиевой (DT) реакции, цикл топлива которой требует использования лития для производства трития, тогда как заявления о неисчерпаемости энергии касаются использования дейтериево-дейтериевой (DD) реакции во втором поколении реакторов.

Так же, как и реакция распада, реакция синтеза не производит углекислотных выбросов в атмосферу, являющихся, по мнению многих специалистов, главным вкладом в глобальное потепление. Это является значительным преимуществом, поскольку использование ископаемых топлив для производства электроэнергии имеет своим следствием то, что, например, в США производится 29 кг CO2 (один из основных газов, которые могут считаться причиной глобального потепления) на жителя США в день.

В отличие от неядерных электростанций на возобновляемых источниках энергии, термоядерные реакторы можно устанавливать где угодно (в том числе на транспорте: суда, самолёты и даже автомобили), в каких угодно количествах и без серьёзного вреда для окружающей среды (затопления водохранилищ, поражение птиц лопастями ветровых электростанций…).

В космосе же они вовсе незаменимы, так как дальше пояса астероидов и, тем более, на ночных сторонах планет солнечные батареи неэффективны, химические топлива неприменимы вовсе, традиционное ядерное топливо есть далеко не везде, а вот водород — в изобилии.

 

Отдельно стоит вопрос стоимости исследований. Страны Евросоюза тратят около 200 млн евро ежегодно на исследования, и прогнозируется, что нужно еще несколько десятилетий, пока промышленное использование ядерного синтеза станет возможным. Сторонники альтернативных неядерных источников электроэнергии считают, что было бы целесообразнее направить эти средства на внедрение возобновляемых источников электроэнергии.