2. Общие применения наноматериалов

Общим для всей энергетики направлением применения наноматериалов можно считать строительство зданий и сооружений, использование новых строительных материалов. В строительстве объектов энергетики ожидается эффективное применение прочных клееных сооружений с использованием упрочненной наночастицами эпоксидной смолы, а также разнообразных антикоррозионных покрытий из нанокомпозитов. Лаки и краски, содержащие наночастицы, продлевают срок службы металлических конструкций. Покрытие стали наночастицами меди уменьшает неоднородность поверхности и снижает концентрацию точек, накапливающих напряжения. Добавки наночастиц в некоторые строительные материалы ведут к снижению потребления материалов.

Конструкционные и функциональные материалы. Предполагается создание новых электропроводных материалов, в частности – нанокомпозитов с повышенной долговечностью и сниженной массой для щеток и статоров электромоторов, наноструктурированных магнитных материалов для сверхскоростных малогабаритных электромоторов и генераторов, наноматериалов для разнообразных сенсоров, жаропрочных материалов для тепловой энергетики.

Направления энергосбережения – переход на экономичные источники света, снижение потерь тепла (в быту – за счёт применения окон со стёклами переменной прозрачности и теплоотражающими свойствами). Существенное значение имеет также повышение срока службы электрических батарей и аккумуляторов.

Нанодисперсные наполнители материалов будут широко использоваться для защиты от электромагнитного излучения.

Перспективны антифрикционные и вибрационностойкие нанокомпозиты, присадки из наночастиц для повышения кпд использования топлива в энергоустановках, в частности – металлоплакирующие присадки. ^7-2

Разрабатываются новые виды эффективной теплоизоляции зданий, сооружений и тепловых сетей (например, из микропористых аэрогелей). Применяются стёкла с теплоотражающими покрытиями. Проектируются новые средства утилизации низкопотенциального тепла. Большое внимание уделяется повышению кпд электромоторов (в частности, за счет снижения потерь из-за трения при использовании наномодифицированных смазочных материалов) и светильников. ^7-3

Снижение потребления энергии будет достигаться за счёт применения новых сверхпроводников в двигателях и генераторах.

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

3. Генерирование энергии. Атомная энергетика

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

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

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

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

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

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

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

Рис. 194.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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