Реферат по курсу                                      «Экономика отрасли (энергетика)» на тему

Нанотехнологии  в ядерной отрасли: области и  эффект применения. 

Москва   2010 г. 

Оглавление 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

     Сегодня мир переживает нано-бум. Самыми цитируемыми терминами  стали нанотехнологии и нанонаука. Правильнее было бы говорить о молекулярной инженерии (с точки зрения построения процессов) и наноинженерии поверхностей (нанесении всевозможных покрытий и напылений). Считать, что сегодняшний нано-бум связан с современным развитием техники, неправильно. Исследованиями подтверждено, что нанотехнологиями пользовались ещё за 300 лет до н.э. древние индийские мастера, изготавливавшие из булатной стали с большими присадками углерода дамасские клинки, поверхность которых, как выяснили с помощью электронного микроскопа немецкие кристаллографы, содержит углеродные нанотрубки и нановолокна из карбида железа.

     Легендарные клинки использовались ещё в период с 1095 по 1270 гг. для того, чтобы защитить «священную землю» исламской цивилизации от европейских «крестоносцев». Древние металлурги знали, какие свойства придаются металлу такие покрытия и успешно реализовывали подобные технологии.

     Почти все витражи старинных храмов имеют в своем составе добавки дисперсных микроструктур (особенно золота и серебра), придающие стеклу способность очищать воздух помещения, создавая в нем озонную среду.

     У истоков молекулярной инженерии  стояли алхимики, ставившие перед  собой задачи создания эликсира жизни, восстановления и получения золота из «ничего».

     Можно ли получить золото из другого материала? Сегодня эта задача реализуется  достаточно тривиально. Подобный эксперимент  может осуществить в лабораторных условиях любой аспирант. Путем облучения  железной мишени высокоскоростными нейтронами можно получить золото высокой чистоты.

     В тоже время, слушая некоторых сторонников  нанотехнологий, кажется, что возвращаешься  в XVII век. Тогда находились смельчаки, заявлявшие, что и человека, и  вообще природу можно будет конструировать. И сегодня в рассуждениях о феноменальных возможностях нано в сфере биологии есть большое упрощение и непонимание самой сути биологических процессов.

     Вообще  нанотехнологии (НТ) имеют древнейшую историю. Они связаны с открытием  броуновского движения, в минералогии -  с именами академика Е.С.Федорова и др.  К.Э.Циолковский в 1895 г. предложил создать космический лифт на основе стального троса. Но при протяженности 50 км не выдерживает ни одна даже самая прочная сталь. В 2003 г. в Санта-Фе на 2-й Ежегодной Конференции по подъемным устройствам в космосе эксперты серьёзно обсудили детали проекта лифта для вывода грузов на околоземную орбиту на основе сверхпрочного троса из цилиндрических молекул углерода, созданного с применением нанотехнологий. Запуск космического лифта намечен на 12 апреля 2018г. 
 Нанотехнологии разделили мир на две группы, отстаивающие противоположные точки зрения. Одни считают, что продвижение НТ преследует цель выколачивания денег. Другие связывают с нанотехнологиями буквально всё. Обе экстремальные позиции грешат серьезными недостатками, поэтому не корректны. Ошибка заключается в том, что выстраивание любых систем в наномире начинается не с макроструктур, а идет снизу вверх. Связывать НТ с обычными конструктивными решениями неправильно.

1. Нанотехнологии в области энергетики и машиностроения

В этой области  развитие НТ идет по двум направлениям: 
1) создание конструкционных материалов; 
2) наноинженерия поверхности;

     3) изменение эксплуатационных свойств топлив.

1. Создание  конструкционных материалов

     Для создания принципиально новых конструкционных  материалов с включением ультрадисперсных (или нанодисперсных) элементов пошли  по следующему пути. Первое это добавление ультрадисперсных элементов в качестве легирующих добавок. Для конструкционных материалов в машиностроении и энергетике фуллерены это экзотика, очень дорогое удовольствие.

     Второе  направление это создание ультрадисперсных систем (УДС) неметаллических включений  в сталях и сплавах, осуществляемых за счет термопластического, термического или пластического деформирования. Оказалось, что управлять эксплуатационными свойствами конструкционных материалов можно не только введением легирующих компонентов, которые, по мнению металлургов, практически уже исчерпаны, но и с помощью деформирования любого характера. При таком воздействии происходит дробление неметаллических включений. Традиционные отжиги, отпуски представляют собой не что иное, как нанотехнологии в металлургии.

2. Наноинженерия поверхности

     Лидером наноинженерии поверхности является Европа. Наибольшее число патентов относится к проблемам изменения поверхности или структурной приспособляемости поверхностного слоя,  то есть наноинженерии поверхности. Если по условиям эксплуатации не требуется получать нанохарактеристики материала по всему объему/толщине,  достаточно получить их в поверхностном слое, сформировав его с помощью нанесения соответствующего покрытия. Для этого применяются все существующие на сегодняшний день нанотехнологии: нанесение, напыление, наплавка и т.д. Наиболее развитых технологий нанесения покрытий насчитывается более 200. Можно получить покрытия с самой разной толщиной и адгезией.

     Особое  положение в наноинженерии поверхностей занимают активные минералы. В результате технологических воздействий они формируют на поверхности вторичные структуры, в узлах трения – вторичные трибоструктуры. Наиболее изученными минералами, формирующими подобные структуры, являются: серпентиниты, шунгиты, хлоридтрималиты и др. Нанесение этих минералов на поверхности, в теоретическом плане, позволяет добиться эффекта безызносности.

     Активные  минералы обладают памятью формы  и памятью действия. Они стараются  восстановить форму, которую имели  до начала внешнего воздействия. Вопрос ресурсов этих покрытий, совместимости их с материалами на сегодняшний день ещё до конца не изучен. На уровне гипотезы считается, что если состав легирующих элементов металла близок к составу активных минералов (АМ), то это идеальный вариант для формирования покрытия. АМ включают медь, титан, цинк, олово ит.д. АМ часто используется в качестве покрытия в машиностроении, энергетике и т.д. Они обладают высокой стойкостью к коррозионному, абразивному, механическому изнашиванию, фреттинг-коррозии и водородному охрупчиванию-изнашиванию. 

3. Изменение эксплутационных  свойств топлив

     Третьим направлением развития нанотехнологий в машиностроении и энергетике является изменение эксплуатационных свойств топлив. Американцы для этих целей первоначально использовали фуллерены, позднее они перешли на УДС окиси алюминия. В топливо ракетных двигателей  в настоящее время добавляются другие компоненты, потому что фуллерены достаточно дорогие. Получение фуллеренов энергетически очень емкий процесс, и до недавнего времени они стоили сотни долл. за 1 грамм. Об использовании водотопливных эмульсий (ВТЭ) с целью экономии топлива (особенно на режимах, близких к полным) энергетикам известно давно. Допустимая концентрация воды в ВТЭ, при которой сохраняется устойчивая работа энергоагрегата, зависит от размерности частиц. Для агрегатов топочной системы достаточно ограничиться дроблением частиц воды до 15 мкм. По мере дальнейшего дробления появляется возможность использования ВТЭ уже в двигателях внутреннего сгорания. Если размер частиц не превышает 1 мкм, то устойчивая работа теплового двигателя практически на любых режимах обеспечивается на ВТЭ с содержанием воды до 80%. УДС становятся тем концентратором,  вокруг которого происходит процесс горения. Во всём мире сейчас работают над повышением низшей теплотворной способности малоэффективных топлив. Для этого применяются искусственные и природные УДС. 
 Проведенные совместно с ГИПХом исследования показали: добавление активных минералов до 1,5-2% от  массы топлива позволяет устойчиво повысить его низшую теплотворную способность примерно на 10% . С повышением концентрации активных минералов в топливе на поверхности камеры горения формируется пленка, которая начинает играть роль катализатора. При введении ультрадисперсных порошков из активных минералов процесс горения становится менее динамичным, кроме того, образующийся налет изменяет процесс теплопередачи-теплоотдачи, что приводит к негативным последствиям.  Для равномерного распределения АМ можно вносить в смазку. Начиная с  размера 1000 нм и меньше, частицы в осадок уже не выпадают. Введение фуллеренов в топливо или смазку идеального эффекта не дает. Износостойкость поверхности повышается, но адгезия нанесенного слоя оставляет желать лучшего. 
Важным фактором при введении в топливо АМ или любых УДС является то, что принципиально меняет состав эмиссии отработавших газов (по содержанию окиси азота). Это свойство проявляется в максимальной степени при пониженных температурах горения.

     Время монометаллов закончилось. Получить требуемые  характеристики в традиционных материалах уже нельзя. Расширить параметрический ряд возможно только применением композиционных структур: полимерных, металлополимерных, металлокерамических, использованием рабочих поверхностей, полученных в результате инженерного воздействия. Износ, как правило, происходит до 1-2 мм. Поэтому модифицировать нужно не весь объем металла, а только рабочую поверхность. Нанесение покрытий механическими способами, вдавливанием, с применением ультразвука и даже наноинженерия поверхностей это реалии сегодняшнего дня.[1]

     Дальнейший  прогресс в энергетике связан с преодолением ограничительных характеристик  конструкционных материалов. В 2012 г. прочность и термостойкость используемых в машиностроении материалов повысится в 4 раза. Верхние температуры будут ограничиваться 3000ОС. Необходимые материалы получат не легированием, а термопластическим или пластическим деформированием. Японские специалисты считают, что будущее за угловым деформированием (угловое перемещение с большим давлением). Таким способом из чугуна можно в принципе получить высокопрочную сталь. Настолько меняются характеристики в результате подобных преобразований. 
Главное в нанотехнологиях это получение материалов с принципиально новыми характеристиками. Говорить, что их уникальность связана только с размерностью, не правильно. Чем выше внутренняя энергоплотность материла, которая определяется кристаллической структурой, тем большим размером частиц можно ограничиться. Целый класс материалов обладает уникальными свойствами уже в микронном размерении. Определяющими является структура и внутренняя энергоплотность. Размер не первичен. 
Считается, что наноструктурированные стали прочнее обычных в десятки раз.

2. Нанотехнологии в атомной энергетике

     По  мнению специалистов современные нанотехнологии в атомной отрасли направлены, прежде всего, на создание и внедрение:

• специальной наносистемной техники для обеспечения гарантированной безопасности использования атомной энергии, повышения уровня экологической безопасности и комфортности среды обитания;
• интеллектуальных наноматериалов и нанотехнологий для повышения эффективности физической защиты радиационно-опасных объектов;
• принципиально новых радиационно-стойких конструкционных материалов и высокоэффективного ядерного топлива для атомной энергетики;
• электротехнических, магнитных и сверхпроводящих материалов и изделий для широкого внедрения в энергетику, прежде всего, атомную;
• средств и методов медицинской диагностики, лекарственных средств нового поколения и лечебной аппаратуры.

      В атомной отрасли технологии, основанные на качественном изменении свойств  материалов при переходе к нанометровому размеру, стали активно разрабатываться в середине XX века, практически одновременно с первым испытанием советского ядерного оружия. Начало нанотехнологиям в атомной отрасли положили ультрадисперсные порошки, используемые в промышленных технологиях разделения изотопов урана. В 1965 г. коллективу разработчиков ультрадисперсных порошков была присуждена Ленинская премия. Еще раньше, в 1962 г. академику А.А. Бочвару было поручено создание технологий получения сверхпроводников, в которых были широко использованы ультрадисперсные структуры, а в 1970–1980-х гг. многие сотрудники отрасли были удостоены государственных наград, премий и почетных званий за исключительно перспективные технологии получения сверхпроводников. С тех пор исследования ультрадисперсных и нанодисперсных структур в интересах атомной отрасли практически не прекращались.

     В настоящее время усилиями сотрудников ФГУП ВНИИ Неорганических Материалов им. академика А.А. Бочвара успешно разрабатываются опытно-промышленные технологии получения функциональных веществ и изделий с использованием нанотехнологий и наноматериалов для ядерной, термоядерной, водородной и традиционной энергетики, медицины, а также для других отраслей экономики.

     Перспективы развития атомной энергетики на базе идей науки наноразмерного состояния  связаны в первую очередь со снижением  удельного потребления природного урана, в основном за счет увеличения глубины выгорания ядерного топлива. Для этого исследуется создание крупнокристаллических структур ядерных материалов с контролируемой и строго определенной пористостью. Такие материалы будут способствовать эффективному удержанию продуктов деления и препятствовать транспорту осколков деления к оболочке тепловыделяющего элемента и ее внутреннему повреждению. Кроме этого активация процесса спекания за счет добавок нанометрического размера рассматривается специалистами как одно из перспективных направлений создания новых видов уран-плутониевых оксидов и нитридов для ядерной энергетики.

     С нанотехнологиями специалисты также  связывают решение проблемы обеспечения  радиационной стойкости материала  оболочки при повышенных характеристиках  жаропрочности. Например, решение данной проблемы может базироваться на использовании  нового класса конструкционных материалов для элементов активных зон перспективных ядерных реакторов – феррито-мартенситных радиационно-стойких сталей, упрочненных частицами оксидов нанометрового размера (так называемая ДУО-сталь). Исследования показали, что наноструктурированная ДУО-сталь сохраняет достаточно высокое остаточное удлинение после обработки со степенями деформации до 60 %. Кроме этого дореакторные испытания этих сталей в опытно-промышленных условиях показали многократное (до 8 раз) увеличение параметров жаропрочности по сравнению с традиционно применяемой сталью. [1]

     Особые  перспективы нанотехнологий можно  связывать и с созданием так  называемых бористых нержавеющих сталей. Например, выделения боридов нанометрового  уровня (от 5 до 100 нм), позволяют увеличить содержание бора в 3–4 раза при сохранении пластичности и свариваемости нержавеющих сталей. В целом, новые конструкционные материалы способны продлить срок службы атомных реакторов.

     В последнее время специалисты  атомной отрасли установили, что  наиболее эффективный способ обеспечения радиационной стойкости может быть связан с образованием 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, наоборот приводит к повышению их прочности при сохранении вязкости. Таким образом, нанотехнологии, по сути, дают жизнь новому направлению радиационного материаловедения – созданию конструкционных материалов, «положительно» реагирующих на фактор радиации.

     Не  менее перспективным для ядерной  энергетики является создание универсальной фильтрующей системы от микро- до нанометрического размеров. Такие металлические объемные нанофильтры весьма перспективны для применения в системах водоподготовки и очистки теплоносителя реакторов АЭС.

     Переход к нанометрическим структурам позволил увеличить токонесущую способность сверхпроводников, применяемых в атомной отрасли. При этом магнитные нанокомпозиты улучшают технические параметры магнитных систем при одновременном уменьшении их габаритов.

     Пористые  нанокаркасы из функциональных материалов (металлы, интерметаллиды и керамика) с размером ячейки микронного масштаба и толщиной стенки порядка 10-40 нм используются для получения сверхпрочных и сверхлегких конструкционных материалов и создания высокопрочных пористых емкостей для хранения высокоэнергетических веществ, включая водород. Такие материалы могут быть использованы для перспективной атомно-водородной энергетики.[1]

     В настоящее время в ФГУП ВНИИНМ им. академика А.А. Бочвара разрабатываются  опытно-промышленные технологии получения  функциональных веществ и изделий с использованием нанотехнологий и наноматериалов для ядерной, термоядерной, водородной и обычной энергетики, медицинских препаратов, материалов и изделий для народного хозяйства.

     Для объединения научного и производственного  потенциала организаций атомной отрасли Приказом руководителя Росатома в 2006 году создан Центр нанотехнологий и наноматериалов Росатома при консолидирующей роли «Бочваровского института». В настоящее время рассматриваются предложения по расширению состава участников Центра с привлечением НИИ смежных отраслей, организаций РАН и ВУЗов, а также коммерческих фирм.

1. Использование добавок нанометрического размера для изготовления ядерного топлива

     Одним из условий развития атомной энергетики является снижение удельного потребления природного урана при производстве энергии, что достигается в основном за счет увеличения глубины выгорания ядерного топлива.

     Опыт, показал, что для обеспечения  глубоких выгораний топлива 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 нанодобавок  может явиться одним из направлений создания технологий новых видов уран-плутониевых оксидов и нитридов для ядерного топлива быстрой энергетики (рис. 1 (a)(б) ). 

     Рис.1. Стандартная микроструктура (а) и  микроструктура ядерного топлива, полученная с использованием нанодобавок (б)

3. Как структуририруется  сегодня рынок  нанотехнологий?

     Его можно условно поделить на три  уровня.

     Первый  – готовые продукты. Это нанодисперсные материалы: покрытия,керамика, композиты, катализаторы, мембраны, светодиоды и  другие.

     Второй  – продукты, которые будут готовы к выходу на рынок через несколько лет, то есть в краткосрочной перспективе. К этой группе можно отнести наноэлектронные устройства, средства доставки лекарств2, изделия микросистемной техники, наноуглеродные материалы.

     Третий  – продукты, которые будут готовы в средне- или долгосрочной перспективе  через 8-10 и более лет. Эта группа продуктов, к которой можно отнести  нанобиотехнологии, гибридные приборы и системы и ряд других.

     Сегодня в России реализуется много инновационных  проектов, в том числе, в области  энергосбережения и энергоэффективности. Один из них направлен на перевод  освещения на светодиоды. В этой сфере уже сложился реальный рынок, на котором Россия пока еще недостаточно присутствует. Светодиоды решают вопрос генерации света большой яркости с очень малым потреблением энергии на его производство, что позволит существенным образом уменьшить энергопотребление. Для всех развитых стран это магистральный путь, который позволит уменьшить создание генерирующих мощностей, а, значит, колоссально сократит энергозатраты.[3]

4. Дальнейшее  развитие ядерной энергетики

     Дальнейшее  эффективное развитие ядерных технологий в силу их особой «чувствительности» невозможно без тесной международной кооперации. При этом очень важно корректно определить ту технологическую и «рыночную» нишу, где еще имеется приоритет отечественных разработок.

     На  мировом рынке традиционной ЯЭ в  ближайшем будущем будет происходить  дальнейшая экспансия Европейского энергетического реактора (EPR), выигравшего тендер в Финляндии, а также американского АР-1000 и азиатских (корейского и японского) реакторов.[4]

     Отсутствие  завершенного технического проекта  и неопределенность со сроками референтной демонстрации ВВЭР нового поколения (ВВЭР-1500), а также отсутствие «стандартного», полностью законченного проекта ВВЭР-1000, делает уязвимой позицию России на внешнем рынке традиционных энергетических блоков. Для выбора программы действий необходим, прежде всего, сопоставительный анализ основных показателей отечественных проектов ВВЭР-1000 и ВВЭР-1500 с их западными конкурентами на момент реализации.

     В этих условиях, учитывая контрактные  обязательства в Китае и Индии, необходима концентрация средств на завершении и демонстрации для внутреннего и внешнего рынков стандартного конкурентоспособного ВВЭР-1000 и выполнение технического проекта ВВЭР-1500, сравнимого по показателям с EPR.

     Потенциально  благоприятным для России может  быть рынок (внутренний и внешний) инновационных малых АЭС. Огромный отечественный опыт разработки и создания ЯЭУ для военно-морского и ледокольного флота (более 500 ЯР) и уникальность отечественных водо-водяных и жидкометаллических (Pb-Bi) ядерных энергетических установок ЯЭУ, наряду с потенциально огромным энергетическим рынком развивающихся стран, делает это направление приоритетным для внутреннего и внешнего рынков. Россия является идеальным полигоном для демонстрации гармоничного развития традиционной ЯЭ (с блоками ВВЭР-1000) и инновационных разработок малых ЯЭУ (электричество, обессоливание, теплофикация). При этом может быть продемонстрирована возможность лизинговой поставки «продукта» (ЯЭУ, топливо), а не технологии, что является одной из возможностей решения проблемы «нераспространения».

     Решающим  здесь может оказаться создание малых транспортабельных АЭС (например, плавающих) со сроком непрерывной работы (без перегрузки в течение всего  срока работы) ~ 10–20 лет.

     Общепризнанной  является роль реакторов на быстрых  нейтронах для будущего развития ЯЭ как основы решения проблемы топливообеспечения с использованием как уран-плутониевого, так и торий-уранового замкнутых топливных циклов.

     Важна роль разработки и внедрения нового поколения реакторов-размножителей  ядерного топлива на быстрых нейтронах и новых методов переработки ядерного топлива для замыкания ядерного топливного цикла и решения проблемы практически неограниченного топливообеспечения ядерной энергетики. Признанный передовой уровень технологии быстрых реакторов в России – единственной стране, эксплуатирующей коммерческий реактор этого типа, в сочетании с опытом переработки ядерного топлива позволит России в долговременной перспективе претендовать на роль одного из лидеров мировой ЯЭ, снабжающего услугами по производству и переработке ядерного топлива многие страны мира при одновременном снижении опасности распространения ядерного оружия, в том числе путем энергетической утилизации «оружейного» плутония.[4]

Заключение

     Учитывая  специфические особенности ядерной  физики, квантовой механики и на основании эмпирического опыта, можно сказать, что зарождающаяся сегодня принципиально новая отрасль промышленного производства и всеобъемлющее, основанное на междисциплинарных знаниях научное направление, под названием «нанотехнология», требует особой заботы государства. К сожалению, нанотехнологии в России являются частной собственностью, так как финансировались, развивались и охранялись (как стратегический резерв России, для будущих поколений) частными лицами.

     В России уже имеется огромный арсенал практически готовых к широкомасштабному производству и внедрению нанотехнологических устройств, способных решать широкий круг важнейших задач, однако создание рынка нанотехнологий значительно отстает от потенциального развития производственного процесса и научно-технического прогресса. Как сказал один из предвестников нанотехнологической эры, «отец» водородной бомбы, лауриат Нобелевской премии Э. Теллер: «Тот, кто первым освоит нанотехнологии, тот захватит всю техносферу будущего». Вопрос только один: сможет ли Россия, овладев нанотехнологиями первой, обеспечить себе, быстрый технологический прорыв или флаг нанотехнологий поднимут другие государства?  В своем Послании Федеральному Собранию Президент России назвал создание эффективной системы исследований и разработок в области нанотехнологий приоритетным направлением в формировании отечественного научно-технического потенциала, тем более что в нашей стране есть крупнейшие научные центры, которым по силам такая работа, например, РНЦ «Курчатовский институт». В данный момент в области нанотехнологий и наноматериалов все развитые страны находятся примерно на одинаковом уровне. Но в некоторых сферах Россия является первооткрывателем. У нас сохранились научные центры, существуют наработки, подросли кадры. Мы должны использовать этот шанс и вывести Россию в лидеры новой научно-технической революции, которая изменит всю мировую экономику. Никогда еще за всю историю Россия не вкладывалась столь весомо в развитие научно-исследовательских и конструкторских разработок отдельной научной сферы. Это значит мы опять будем первыми, как когда-то почти полвека назад первыми проторили дорогу в космос. Время спекулятивно-барахолочной России осталось в прошлом. Будущее за страной высокотехнологичной, способной обеспечить достойную жизнь ее гражданам.       Развитие рынка, несмотря на все свои проблемы, «ядерная» Россия остается великой державой как с точки зрения военной мощи, так и в рамках экономического развития (ядерные технологии в экономике России). Именно президент России выступил в ООН на Саммите тысячелетия (сентябрь 2000 г.) с инициативой обеспечения энергетической стабильности развития на основе ядерных технологий. Эта инициатива оказалась исключительно своевременной и нашла поддержку мирового сообщества: в четырех резолюциях Генконференции МАГАТЭ и в двух резолюциях Генеральной Ассамблеи ООН приветствуется инициатива президента России как отвечающая чаяниям развивающихся стран и как путь гармонизации отношений индустриальных стран с развивающимися странами.