Спосіб виробництва високопотенційної теплової енергії

Спосіб виробництва високопотенційної теплової енергії. Винахід відноситься до способу виробництва високопотенційної теплової енергії (ВТЕ), яка може використовува тися, переважно, в теплотехніці і теплоенергетиці. Запропонований спосіб дозволяє досягнути температури від 2500К і вище, які також можна використовувати в різних високотемпературних те хнологічних процесах плавлення, кипіння та випаровування тугоплавких матеріалів, наприклад скла, цементу, базальту та ін. Відомо багато традиційних способів виробництва теплової енергії за рахунок горіння органічних видів палива. Але, усі відомі процеси горіння базуються тільки на хімічних реакціях окислення, які завершуються перебудовою зовнішніх електронних оболонок, які приймають участь в горінні хімічних елементів. Таким чином, теплота виробляється в наслідок виділення енергії в процесах, які зачипають тільки атомно-молекулярний рівень. Недоліками цих способів є необхідність використання висококалорійного дорогого органічного палива, неможливість досягнення відносно високих температур і наявність газоподібних викидів, які забруднюють навколишнє середовище диоксидом вуглецю (парниковим газом, який жорстко контролюється міжнародними угодами), отруйним чадним газом (СО), окислами NOx, SOx та ін. Найбільш близьким до винаходу, що заявляється, є спосіб виробництва високопотенційного тепла в електричних плазмо гронах (див. Карпенко Е.И., Мессерле В.Е. Введение в плазменно-энергетические технологии использования твердых топлив. - Новосибирск: Сиб. отделение изд-ва "Наука", 1997. - с. 119). Даний спосіб передбачає утворення плазми в плазмотроні в середовищі водяної пари. Цей спосіб дозволяє використовува ти, окрім реакцій на атомно-молекулярному рівні, також реакції за участю радикалів, продуктів дисоціації молекул, іонів й електронів. Це дає можливість проводити фізико-хімічні реакції компонентів органічного палива з окислювачами в низькотемпературній плазмі. Даний спосіб обрано прототипом. Прототип і винахід співпадають у тому, що вони передбачають утворення плазми в середовищі водяної пари. Але спосіб по прототипу має суттєвий недолік, який полягає в обов'язковому використанні будь-якого органічного палива, що обумовлює високу вартість отриманої теплоти. Крім того, плазмотрони поки що енергетичне і термодинамічне недосконалі. Зокрема, для виробництва 1кВт.год високопотенційної теплоти сумарно необхідно витратити більше 2кВт.год, з урахуванням теплоти згоряння органічного палива й електроенергії. В основу винаходу поставлено задачу створити спосіб виробництва високопотенційної теплової енергії, в якому шляхом попередньої активації водяної пари, створення потоку протонів, які прискорюються катодом і наступної аннігіляції пари електрон-позитрон, забезпечити підвищення ефективності, економічності та екологічної небезпеки одержання енергії. Поставлена задача вирішена у способі виробництва високопотенційної теплової енергії, що передбачає утворення плазми в середовищі водяної пари, тим. що водяну пару попередньо активують, після чого здійснюють окислення на аноді іонів кисню і гидроксилів та відводять молекулярний кисень і воду, які утворилися, відтак створюють потік протонів, які прискорюються катодом і генерують пари електрон-позитрон шляхом взаємодії протонів з каталізатором, що містить, як мінімум, два ізотопа хімічних елементів з нейтроноперенасиченими і протоноперенасиченими ядрами з наступною анігіляцією одержаних пар. Новизна винаходу полягає в послідовності заявлених операцій, а також генеруванні пар електрон-позитрон шляхом взаємодії прогонів з каталізатором, що містить, як мінімум, два ізотопа хімічних елементів з нейтроноперенасиченими і протоноперенасиченими ядрами з наступною анігіляцісю одержаних таким чином пар електрон-позитрон. Для ілюстрації здійснення заявленого способа на кресленні наведений, як приклад, генератор високопотенційної теплової енергії, де: фіг.1 - принципова схема генератора; фіг.2 - переріз А-А генератор; фіг.3 - переріз Б-Б генератора. Генератор високопотенційної теплової енергії включає активатор пари 1, електроізолятори 2, електроди 3, анод 4, відвідні труби 5, труба 6, обтічник 7, шар каталізатора 8, вихідний канал 9, парогенератор 10, кінцевий патрубок 11, вентилі 12, 13, 15, 17, паровий котел 14 і насос 16. Спосіб здійснюється таким чином. Після подачі води насосом 16 в паровому котлі 14 за рахунок підігріву утворюється водяна насичена пара з температурою до 423 К та відповідноважним тиском. Пара з такими параметрами виробляється у паровому котлі 14 тільки для пуску генератора. Після пуску вентилі 13 і 15 закриваються, а вентилі 12117 відкриваються для подання перегрітої до 1000К пари, на отримання якої в парогенераторі 10 витрачається незначна частина високопотенційної теплової енергії. Перегріта пара при роботі генератора в стаціонарному режимі надходить в активатор пари 1, в якому забезпечується початкова електропроводність пари внаслідок взаємодії її з гідрохлоридами лужних металлів - ефективними донорами електронів, наприклад, з гідрохлоридом рубідію (RbClHCl). Із гідрохлорида рубідію спіканням з карбідами тугоплавких металів, наприклад, вольфрамом виготовлені гранули, з котрих вироблена насадка активатора пари 1. Вона має малий опір водяній пари. Потім, після проходження пари через активатор пари 1, з частково електропроводної пари шляхом подання на електроди 3 електричного струму в декілька десятків кЕ від джерела постійного струму, утворюються у великій кількості іони водню (протони 1H ), іони кисню О2-, гідроксили ОН- та вільні електрони -0 e . Для електроізоляції 1 1 введення електроенергії та відділення окремих частин генератора, які знаходяться під різними потенціалами, використовуються електроізолятори 2. З метою одержання для подальшого використання переважно потоку протонів 1H на анод 4 подається напруга постійного струму. На аноді 4, за рахунок окислення іонів кисню і 1 гідроксилів, утворюється потік молекул кисню і води. Круглий по переферії анод 4 має багато отворів, в які вставлені відвідні труби 5 (фіг.2). Крізь відвідні труби 5 відводиться потік молекулярного кисню і вода, а електрони 0 e -1 , взаємодіючі з анодом 4, повертають частину електроенергії в мережу живлення анода 4, знижуючи таким чином витрати електроенергії. Взаємодія зазначеного потоку з анодом 4 дозволяє відсепарирувати з потоку протони. Таким чином в напрямку руху за анодом 4 удається утворити завершальний потік переважно протонів 1 H, 1 в якому можуть частково бути нейтральні молекули водню, кисню, води й атоми водню. Потік протонів 1H , 1 огинаючи анод 4, надходить в кільцевий канал, утворений трубою 6 з жароміцного матеріалу, наприклад карбіду цирконію, і обтічник 7. На всій внутрішній поверхні труби 6 знаходиться шар електропроводного каталізатора 8, який нанесено термічним напилюванням або впіканням. До шара каталізатора 8 підведений негативний потенціал від спільного з анодом 4 джерела постійного струму. Це суттєво підвищує енергію протонів 1 H, 1 а також 1 інтенсифікує ланцюгові нерозгалужені ядерні взаємодії протонів 1H і нейтронів 0 n з каталізатором 8. При 1 взаємодії протонів і нейтронів з ядрами хімічних елементів, які входять до складу каталізатора 8, утворюються електрони -0 e і позитрони +0 e , тобто здійснюється b - - і b + - розпад. Наступна аннігіляція пар електрон1 1 позитрон супроводжується видділенням великої кількості високопотенційної теплової енергії у кільцевому каналі над шаром каталізатора 8 і кінцево у вихідному каналі 9 (фіг.3). До цієї теплоти додається теплота синтезу молекул води через те, цю стабільні молекули водню, які знаходяться в потоці і атоми водню в кінцевому патрубку 11 остаточно згоряють в потоку кисню, який надходить по трубам 5. Таким чином запропонований спосіб дає можливість виробляти велику кількість високопотенційної екологічно чистої теплової енергії. Ефективність даного способа залежить від вибору компонентів, які входять до складу каталізатора. Він є джерелом пар аннігіляції при взаємодії його з прогонами і нейтронами. Ядра хімічного елемента X які входять. наприклад, до двокомпонентного каталізатора X+Y повинні при взаємодії з протонами 1H забезпечувати b + 1 розпад, тобто реагувати з ними за такою схемою: 1H® 1n+ 0 e . (1) 1 0 +1 де 1 n 0 - нейтрон, 0 e +1 - позитрон. 1 Для здійснення ядерної реакції (1) ядро елемента Х повинно бути протоннопересиченим. Нейтрон 0 n , який утворився в реакції (1), практично спонтанно вступає в наступну реакцію Р' - розпаду з ядром елемента Y: 1 n®1 H+ -0 e , 0 1 1 0 де -1 e - електрон. (2) Для здійснення реакції (2) необхідно, щоб ядро елемента Y було нейтроннопересиченим, а сам хімічний елемент мав велике значення перерізу захвату нейтронів. Це дозволяє, по-перше, зробити реакції (1) і (2) ланцюговими і, по-друге, генерувати велику кількість пар аннігіляції, які будуть сприяти виділенню високопотенційної теплової енергії з появою g -квантів. Каталізатор для реалізації запропонованого способа з урахуванням сформованих вимог повинен мати такі ознаки: До його складу необхідно включати хімічні елементи, які схильні до b - - і b + - розпаду. Хоча 6 один з хімічних елементів X, які входять до каталізатора, для здійснення реакції (1) повинен мати протонноперенасичене ядро. Це може бути, наприклад, стабільний ізотоп самарію 150 Sm . 62 Хоча б один з хімічних елементів Y, які входять до каталізатора, для здійснення реакції (2) повинен мати нейтронноперенасичене ядро, наприклад, (лабільний ізотоп диспрозію 150 Sm . Даний ізотоп навіть при низькій 62 енергії нейтронів (усього 0,025еВ) має одне з самих високих серед лантаноїдів переріз захвату нейтронів (порядку 105 барн). З наведеними речовинами реакції (1) і (2) будуть протікати таким чином: 150 1 Sm+ 1H®150 Eu+ 0 n , 62 1 63 150 Eu®150 Sm+ +0 e + n ; 63 62 1 162 1 Dy+ 0 n®162 Tb+ 1H , 66 65 1 162 162 0 Tb ® 66 Dy+ -1e + ~ n 65 (1') (2') де n і ~ - нейтрино й антинейтрино. n Дані реакції підтверджують каталітичну поведінку 150 Sm і 162 Dy в ядерних ланцюгових реакціях, які 62 66 реалізуються в генераторі для виробництва високопотенційної теплової енергії. Дослідження показали, що генератор може працювати на водяній парі з невеликими (2,4кВт.год) затратами електроенергії. При такому витрачанні електроенергії теплопродуктивність генератора високопотенційної теплової енергії складає 24кВт.год при температурі 3100К. На виході даного генератора є тільки пари води. Для захисту від гамма-квантів зовнішня частина зони генератора, де виробляється тепло за рахунок аннігіляції пар електрон-позитрон, покрита ефективним поглиначем електромагнітного випромінювання.