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.
Наноматериалы, которые способны физически связывать водород, это углеродные и другие виды нанотрубок, каркасные 3D-структуры на основе композитов цеолит/углеродные материалы.