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.