XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

ПРИМЕНЕНИЕ ЭНЕРГИИ ХОЛОДНОГО ЯДЕРНОГО СИНТЕЗА НА ТРАНСПОРТЕ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Шутова П.А. 1

---

1МБОУ Средняя общеобразовательная школа N 11

Шутов А.Д. 1

---

1Центральный банк Российской Федерации Сибирское Главное управление Отделение по Забайкальскому краю

Работа в формате PDF

757.3 KB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

За период с 2000 по 2021 годы Бюро Организации Объединенный наций (ООН) зарегистрировало во всем мире 7348 крупных природных катастроф. Это почти вдвое больше, чем за 1980-1999 годы [2].

Актуальность работы состоит в том, что в проекте представлена эффективная, недорогая, почти бесплатная в эксплуатации, не производящая каких-либо выбросов в окружающую среду, силовая энергетическая установка. Эта силовая установка будет обеспечивать электроэнергией жилые дома и промышленные предприятия. В дальнейшем такие установки могут использоваться на всех видах транспорта: наземных, водных, воздушных, а так же в космических кораблях.

Целью данного проекта является использование электроэнергии на всех видах транспорта, полученной с помощью силы пара, нагрев которого осуществляется с помощью технологии холодного ядерного синтеза.

Задачи, которые были поставлены для выполнения данного проекта:

1. Изучить литературу и интернет-ресурсы по указанной теме;

2. Сделать анализ теоретических источников по изучаемой теме;

3. Проанализировать экологически чистые виды энергии;

4. Обобщить подобранный материал;

5. Разработать схему энергетической установки.

Немецкий научно-исследовательский Институт Прикладной Экологии впервые в 1980 году применил термин «Energiewende», который переводится как «энергетический переход». В 2020 году термин «энергетический переход» стал употребляться довольно часто [13].

7 июля 2021г. в нашей стране был опубликован Федеральный закон N 296-ФЗ «Об ограничении выбросов парниковых газов». Основной темой данного закона является создание условий для устойчивого и сбалансированного развития экономики Российской Федерации при снижении уровня выбросов парниковых газов.

26 октября 2023 года Президент Российской Федерации В.В.Путин подписал указ об утверждении климатической доктрины России, цель которой – достижение углеродной нейтральности России до 2060 года, что предполагает снижение выбросов углекислого газа и его аналогов в процессе производственной деятельности до нулевых значений [11].

«Изменение климата является одним из наиболее серьезных вызовов XXI века, который выходит за рамки научных дискуссий и представляет собой комплексную проблему, охватывающую экологические, экономические и социальные аспекты устойчивого развития России и мира в целом» - отметил советник Президента Российской Федерации А.Кобяков [16].

I. Основная часть

1.1. Этапы энергетических переходов

В истории человечества выделяют четыре этапа энергетического перехода с одного вида топлива, на другой. В настоящее время мир находится в начале четвертого этапа [4].

- Первый этап – от биотоплива к углю;

- Второй этап – увеличение доли нефти в первичной энергии;

- Третий этап – расширение использования газа;

- Четвертый этап – переход к возобновляемым источникам энергии (Приложение 1).

Тысячелетия человечество отапливало свои жилища и готовило пищу, используя биотопливо – древесину, самый распространенный вид топлива.

Гончарное дело было самым востребованным промыслом тех лет. Для изделий из глины был необходим обжиг с высокой температурой.

Следующим периодом развития человечества было производство металлов. С развитием горного производства люди начали использовать паровые машины. Очередная ступень развития связана с автомобильным транспортом, энергию которому обеспечивала переработка нефти.

Все вышеперечисленные энергоносители, сгорая, загрязняли и загрязняют атмосферу в наши дни. От угля много отходов в виде шлака и выбросов в атмосферу продуктов горения, в том числе и углекислого газа СО_2. Двигатели внутреннего сгорания выбрасывают в атмосферу парниковые газы и загрязняющие вещества, а огромное количество автомобилей наносят непоправимый урон экологии.

Последние 50 лет всё большим спросом пользуется природный газ, который более экологичнее любого ископаемого топлива, но и его запасы не безграничны. Запасов природного газа хватит примерно на 50 лет [6].

В атомных электростанциях (АЭС) в ядерном реакторе происходит реакция деления ядер урана с выделением большого количества тепла. Тепло в парообразователе нагревает воду до состояния перегретого пара, при этом создается большое давление, сила которого вращает огромные электротурбины для получения электроэнергии.

Проблема атомной энергетики состоит в том, что для её получения используются радиоактивные вещества, например, Уран-235. Загрязнение окружающей среды начинается с момента добычи урановой руды, её обогащения, создания топлива для атомных реакторов, перевозки топлива, а затем утилизации ядерных отходов [1].

В настоящее время в мире увеличилось производство литий-ионных (Li-Ion) аккумуляторных батарей. Это рекордсмен по энергоёмкости и количеству циклов заряда и самый популярный тип энергонакопителей в таких устройствах, как сотовые телефоны, ноутбуки, цифровые фотоаппараты, скутеры и электромобили [9].

У литиевых батарей существует ряд следующих недостатков:

- Для их производства требуется литий высокой степени чистоты. Это производство очень сильно загрязняет окружающую среду, оставляя большой углеродный след, то есть выбросы большого количества парниковых газов;

- Количество электромобилей постоянно растет. Вместе с этим огромными темпами растет количество выпускаемых литий-ионных аккумуляторов (Приложение 2). Возникает большая проблема утилизации источников энергии, так как не существует способа повторного использования лития из этих батарей. Переработка осуществляется либо захоронением, либо сжиганием этих батарей, так как они являются токсичными отходами.

К «зеленой» энергетике относят возобновляемые источники энергии, такие как: солнечная энергия, сила прилива, сила ветра. Возводятся огромные ветрогенераторы, где сила ветра вращает турбины для производства электричества. Для получения большой мощности эти ветряки занимают огромные территории. Отрицательной стороной является не только шум и низкочастотная вибрация, но и дороговизна производимой электроэнергии. При отсутствии ветра электроэнергия не вырабатывается.

1.2. Источники чистой энергии

В связи с вышеизложенным ситуация складывается так, что настал тот переломный момент, когда стоит не только задуматься, но и искать, и внедрять новые источники экологически чистой энергии.

Майкл Фарадей, английский физик и химик, предположил, что не только магнитное поле может воздействовать на магнит, но и наоборот – двигающийся магнит будет оказывать воздействие на проводник. Он добился того, что подвижное магнитное поле создало в проводнике электрический ток. Позже это открытие послужило основой для создания трех главных устройств электротехники – электрического генератора, электрического трансформатора и электрического двигателя [7].

Изобретено огромное количество видов электрогенераторов: от миниатюрных до гигантских. Разного вида и предназначения, постоянного и переменного тока, однофазных и трехфазных, синхронных и асинхронных. В настоящее время создаются электрогенераторы с малым весом и с большой мощностью.

Электричество является экологически безопасным явлением, оно не загрязняет окружающую среду. Электроэнергия является той силой, которая обеспечивает питанием большинство приборов, используемых современным человеком.

Пар – это одно из трех агрегатных состояний воды. Пар, это серьезная сила. Как пример можно привести самую простую паровую машину - чайник со свистком, где давление пара превращается в звук. Сейчас есть тепловые электростанции (ТЭС) и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), на которых, для получения электроэнергии используется сила пара для вращения турбин электрогенераторов [12]. Именно этот способ производства электричества является самым загрязняющим окружающую среду, потому что сгорают в огромных количествах ископаемые энергоносители: торф, уголь, мазут.

В 1781 году Джеймс Уатт, шотландский изобретатель-механик, запатентовал изобретение, которое сделало его знаменитым – паровую машину, которая могла приводить в действие разнообразное оборудование и станки [15]. В начале XIX века двигатель системы Д. Уатта установили на первые паровоз и пароход.

1.3. Паровой двигатель

Изобретено большое количество паровых двигателей [10]. В данном случае нас заинтересовал двигатель «Паровая звезда» (Приложение 3). В этом двигателе одновременно все предельно просто и эффективно. Он достойный конкурент двигателю внутреннего сгорания.

В 1936 году в Союзе Советских Социалистических Республик (СССР) был построен прототип 6-циллиндрового звездообразного двигателя мощностью 100 лошадиных сил (л.с.) при 1800 оборотов в минуту. Диаметр всего двигателя 600 мм. Он рассчитан на давление пара 60 атмосфер при температуре перегрева 380 градусов. Общий вес двигателя – 90 кг [5].

Мы предполагаем, что при использовании в этой конструкции современных технологий и материалов, применяемых в машиностроении, на сегодняшний день этот двигатель можно сделать в 2 раза меньше по габаритам и в 3 раза мощнее.

Это говорит о том, что паровые машины не только не уступают двигателю внутреннего сгорания, а по многим параметрам превосходят их более простой конструкцией, меньшим количеством деталей, а главное, они меньше загрязняют окружающую среду.

Коэффициент полезного действия (КПД) паровых двигателей в энергоустановках с замкнутой циркуляцией рабочего тела, при наличии конденсатора и расширении проточной части, может быть 25-50 %. Именно такой паровой двигатель мы собираемся использовать в данной работе.

Самой загрязняющей окружающую среду частью парового двигателя является камера внешнего сгорания. Топка вместе с котлом занимает большую часть паровой машины, поэтому нами предлагается заменить камеру внешнего сгорания парового двигателя на теплогенератор холодного ядерного синтеза.

Ядерный синтез – реакция слияния более легких атомных ядер, в более тяжелые, то есть получение ядра более тяжелого элемента. Подобные реакции происходят на солнце. При огромном давлении и температуре более десяти миллионов градусов Цельсия ядра двух атомов водорода сливаются и образуют ядро атома гелия, а также выделяется очень большое количество тепловой энергии.

Холодный ядерный синтез – это протекание реакции слияния ядер при низких температурах от 100⁰С до 2000⁰С. Энергия холодного ядерного синтеза принципиально отличается от атомной энергии. Если в реакции холодного ядерного синтеза происходит слияние ядер, то в атомной реакции происходит деление тяжелых атомных ядер на более легкие с выделением большого количества тепла.

В 1950-е годы в нашей стране в одной из лабораторий появилась гидролизная энергетическая установка Ивана Степановича Филимоненко, советского инженера-конструктора. Это установка получала энергию от термоядерного реактора, работающего при температуре 1150⁰С, что считалось невозможным [3].

Топливом установки была «тяжелая» вода, включающая дейтерий. Реактор холодного ядерного синтеза разлагал эту воду методом электролиза, в результате образовывались кислород и дейтерий. Последний вступал в химическую реакцию с палладиевым катодом на уровне ядерного синтеза, в результате получался гелий.

В 1989г. Мартин Флейшман и Стенли Понс (США) заявили на пресс-конференции об открытии холодного ядерного синтеза на дейтерии, с использованием палладия в качестве катализатора, с тепловыделением большого количества тепла [14].

1.4. Холодный ядерный синтез (ХЯС) и низкоэнергетические ядерные реакции (LENR - LowEnergyNuclearReactions)

Все экспериментаторы утверждают, что при работе систем низкоэнергетических ядерных реакций (LENR) и холодного ядерного синтеза, в ходе реакции выделяется избыточное тепло в больших количествах, которому по всем известным законам физики неоткуда взяться, кроме как из внутриатомных связей.

В 2011 году Андреа Росси (Италия) заявил о создании никель-водородного LENR теплогенератора Е-Cat, который является устройством, принцип действия которого не совсем укладывается в представление классической науки. Работа теплогенератора Е-Саt происходит на принципе LENR и холодного ядерного синтеза. Образец теплогенератора внешне представляет собой небольшую плоскую квадратную ячейку размером 20см x 20см x 4см. В свою очередь реактор в теплогенераторе Е-Cat, представляет собой три вложенных цилиндра: наружный керамический (защитный), внутренний керамический с электронагревателем и небольшой цилиндр с топливом. Реакция синтеза (превращения никеля в медь) запускается нагревом. Реактор помещен в стальной корпус и имеет элементы охлаждения в виде лопастей (рёбер). Элементы охлаждения реактора играют важную роль – они отводят тепло реактора в воду теплообменника. Осуществляется подача холодной воды на вход и отбор нагретой воды на выходе. Так, холодная вода обтекает реактор с охлаждающими элементами и нагревается от них, а расход, скорость потока воды, определит разницу температур между входящей и выходящей водой. Таким образом, можно получить горячую воду или пар.

Для осуществления парообразования размер ячейки теплогенератора необходимо увеличить до 20см х 20см х 30см.

При проведении экспериментов учеными было отмечено, что холодный ядерный синтез протекает без выделения радиации. Это дает возможность использовать энергию холодного ядерного синтеза без сложных средств защиты на небольших установках.

Теплогенератор холодного ядерного синтеза не может преобразовывать энергию слияния атомных ядер в механическую работу, но он способен выделять колоссальные объемы тепла. Полученное тепло может быть использовано на нагрев воды до состояния перегретого пара с температурой 300-600 градусов Цельсия и создавать давление более 100 атмосфер, чтобы быть использованным в паровом двигателе. При этом теплогенератор холодного ядерного синтеза заменяет паровому двигателю камеру внешнего сгорания. Отработанный пар через систему коллекторов и трубок попадает в конденсатор (холодильник), где конденсируется на его внутренних конструкциях возвращаясь в жидкое состояние воды, после чего снова попадает в нагревающий ее теплогенератор. Таким образом, у нас получается полностью замкнутая система с наличием конденсатора, поэтому возрастает коэффициент полезного действия (КПД) паровой машины. Вода циркулирует, и пар под большим давлением совершает работу. Он поочередно толкает поршни паровой машины, которые вращают кривошип (коленчатый вал) и передают на него вращательное движение. Так тепловая энергия теплогенератора холодного ядерного синтеза превращается в механическую энергию паровой машины. Вал паровой машины соединен через муфту или редуктор с электрогенератором соответствующей мощности, в котором при вращении ротора, основываясь на электромагнитной индукции, индуцируется электродвижущая сила, таким образом, генератор превращает механическую энергию паровой машины в электроэнергию, что и отражено в блок-схеме преобразования энергии (Приложение 4).

1.5. Использование результатов

Использование трех видов экологически чистой энергии: холодного ядерного синтеза, силы пара и электричества, позволяет создать силовую энергетическую установку, полностью лишенную вредных выбросов в атмосферу.

Силовую электроустановку с теплогенератором холодного ядерного синтеза и паровой машиной можно использовать как небольшую электростанцию. Известно, что для одного частного дома, при малоэтажной застройке, необходимо 7-20 кВт/ч (киловатт часов) электроэнергии, в зависимости от времени года. Для обеспечения электроэнергией от одного до нескольких частных домов потребуется электрогенератор мощностью от 15 до 500 кВт/ч. Для обеспечения электроэнергией многоквартирного дома или нескольких домов потребуется электрогенератор мощностью от 200 до 1000 кВт/ч. Жилые и производственные помещения будут получать электроэнергию от близко расположенной электростанции.

У нашей установки есть большое преимущество – нет необходимости вырабатывать электроэнергию высокого напряжения для перемещения ее на большие расстояния, прокладывать длинные линии электропередач, в которых имеются потери электроэнергии.

Электростанции с нашими силовыми установками будут находиться близко к потребителям электроэнергии.

Современные транспортные средства работают на различных видах топлива, а это бензин, дизельное топливо, природный газ, а также электромобили на литий-ионных аккумуляторах.

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) загрязняют атмосферу вредными выбросами в самом процессе эксплуатации. Электромобили загрязняют окружающую среду в период производства аккумуляторов и их утилизации, а также прослеживается углеродный след при зарядке аккумуляторов электроэнергией, произведенной на не экологичных электростанциях. Данные приведены в таблице 1 [8] (Приложение 5).

В данной таблице рассмотрены выбросы загрязняющих веществ от разных видов двигателей. Таблица показывает, сколько загрязняющих веществ выбрасывается в атмосферу двигателями разного вида топлива.

Силовые агрегаты нашей конструкции при эксплуатации будут экологически чистыми. Конечно, будет прослеживаться небольшой углеродный след при производстве непосредственно транспортного средства и его утилизации, а также при производстве топлива, но это будет самый минимальный углеродный след среди других вариантов силовых установок на транспортных средствах.

Если наш силовой агрегат установить на шасси с электромоторами в ступицах колес (мотор-колесо), получится транспортное средство, использующее для передвижения электроэнергию, произведенную при помощи силы пара, нагрев которого осуществляется теплогенератором холодного ядерного синтеза, и эту конструкцию можно назвать электропаромобиль (Приложение 6).

Электропаромобили можно будет подразделять на транспортные средства: грузовые, пассажирские и специальные. К грузовым относятся электропаромобили, предназначенные для перевозки различных грузов. К пассажирским транспортным средствам относятся автобусы, маршрутные такси и легковой транспорт. К специальному транспорту относится строительная и дорожная техника, а также транспорт, выполняющий специальные задачи.

Основное преимущество электропаромобиля - это отсутствие любых выбросов в окружающую среду при его эксплуатации. Это практически бесплатная энергия. Одной заправки реактора холодного ядерного синтеза будет достаточно, чтобы использовать его целый год.

В наши дни многие ведущие производители автомобилей активно ведут практические испытания по беспилотному использованию транспортных средств. Для осуществления беспилотной работы на транспортных средствах с нашей силовой установкой, будут установлены мощные компьютеры, которые будут управлять электропаромобилями с помощью различного вида сонаров, лидаров, видеокамер, различных датчиков безопасности.

Силовыми установками с теплогенератором холодного ядерного синтеза будут оснащены речные и морские суда разных классов и видов, надводные и подводные.

Когда появится мощный, экономичный, компактный, экологически чистый силовой агрегат, он обязательно найдет себе применение в авиации. Электропаросамолеты будут намного легче современных самолетов, в них не будет топливных баков с тоннами авиационного керосина.

Так как система, состоящая из теплогенератора холодного ядерного синтеза и паровой машины, имеет замкнутую циркуляцию рабочего тела, то такие силовые установки можно будет приспособить для полетов космических кораблей. Такой агрегат обеспечит теплом помещение корабля и будет вырабатывать электроэнергию для всех его систем. Для защиты экипажа от космической радиации будет использовано электромагнитное силовое поле вокруг космического аппарата. Для увеличения скорости космических кораблей будет применяться ионный двигатель, для питания которого необходима электроэнергия.

Разработанная силовая установка, использующая холодный ядерный синтез, силу пара и электричество, может быть использована на всех видах транспортных средств, быть экологически чистой, экономически выгодной и практически не оставлять углеродного следа.

Заключение

При применении на транспортных средствах паровой машины с теплогенератором холодного ядерного синтеза и электрогенератором, будут осуществлены безуглеродные технологии, которые максимально понизят выбросы парниковых газов в атмосферу.

Во всем мире очень большое количество автомобилей с двигателями внутреннего сгорания. Если заменить их на паровые машины с теплогенераторами холодного ядерного синтеза, то это будет экономически выгодно и атмосфера на планете станет значительно чище.

Данный проект очень перспективный, экономически выгодный и практически бесплатный в эксплуатации. Если мы будем использовать на всех транспортных средствах в качестве энергоносителя теплогенератор холодного ядерного синтеза, то сможем совершить энергетический прорыв в энергетике будущего.

Список литературы

1. Бекман И.Н. Уран. // Издательство МГУ. – 2009. – 300 с.

2. Кокорин А. Подготовка к саммиту в Глазго. Интервью с руководителем Климатической программы Всемирного фонда дикой природы (WWF) в России. Новости ООН. 9 февраля 2021 г. [Электронный ресурс]: Режим доступа: https://news.un.org/ru/audio/2021/02/1396192 (дата обращения 28.12.2023 г.)

3. Кузьмин Р.Н., Швилкин Б.Н. Холодный ядерный синтез. – 2-е изд. – М.: Знание, 1989. - 64 с.

4. Макаров А.А., Митрова Т.А., Кулагин В.А. Прогноз развития энергетики мира и России 2019 / Макаров А.А., Митрова Т.А., Кулагин В.А. – ИНЭИ РАН–Московская школа управления СКОЛКОВО – Москва, 2019. – 209с.

5. Паровые двигатели. Паровой двигатель – изобретение прошлого с перспективным будущим. [Электронный ресурс]: Режим доступа: https://carscomfort.ru/dvigatel/parovye-dvigateli.html (дата обращения 06.02.2024 г.)

6. Рахманкулов Д.Л., Николаева С.В., Латыпова Ф.Н., Вильданов Ф.Ш. О проблеме истощения мировых запасов нефти и газа // Башкирский химический журнал. – 2008. – 31с.

7. Семенов О.Ю. Великие опыты Майкла Фарадея / Молодой ученый. – 2016 г. - № 10 (114) – 373 с.

8. Синяк Ю.В., Петров В.Ю. Экономические условия появления водорода как энергоносителя на энергетическом рынке России. Открытый семинар "Экономические проблемы энергетического комплекса", 101 заседание, 27 мая 2009 г., ИНП РАН, Москва, 2009.

9. Современные Li-ion аккумуляторы. Типы и конструкция. // Журнал «Компоненты и технологии». – 2013 г. – №11. –с.67-74.

10. Титов Д.П., Дубинин В.С., Лаврухин К.М. Паровым машинам быть! // Промышленная энергетика. – 2006. - №1 – 53 с.

11. Указ Президента РФ от 26 октября 2023 г. N 812 «Об утверждении Климатической доктрины Российской Федерации» [Электронный ресурс]: Режим доступа: https://www.garant.ru/products/ipo/prime/doc/407782529/ (дата обращения 01.12.2023 г.)

12. Элементарный учебник физики: Учебное пособие. В 3-х томах / под ред. Г.С. Ландсберга. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1985.

13. Энергетический переход как новый вызов мировой нефтегазовой отрасли. Общественно-деловойнаучныйжурнал «Энергетическаяполитика» 31.10.2019 г.

14. Fleischmann M., Pons S.,Hawkins M. Electrochemically induced nuclear fusion of deuterium // Journal of Electroanalytical chemistry, 1989, v.261, № 2A, p.301 308

15. RG.RU. Статья «Семь фактов о создателе универсальной паровой машины Джеймсе Уатте» [Электронный ресурс]: Режим доступа: https://rg.ru/2014/01/19/yatt-site.html (дата обращения 29.01.2024 г.)

16. Vedomosti.ru. Специальный проект. Итоги 2023. Статья «В России принята новая климатическая доктрина до 2060 года» 27 октября 2023г. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.vedomosti.ru/press_releases/2023/10/27/v-rossii-prinyata-novaya-klimaticheskaya-doktrina-do-2060-goda (дата обращения 01.12.2023 г.)

Приложение 1

Этапы энергетических переходов

Приложение 2

Литий-ионные аккумуляторы

Приложение 3

Двигатель «Паровая звезда»

Приложение 4

Блок-схема преобразования энергии

Преобразование энергии холодного ядерного синтеза в тепловую энергию пара

в теплогенераторе

Преобразование

тепловой энергии пара в механическую энергию в паровой машине

Преобразование механической энергии в электрическую энергию

в электрогенераторе

Использование электроэнергии

Приложение 5

Таблица 1. Оценка полных выбросов загрязняющих веществ от различных типов двигателей автомобилей г/км.

Приложение 6

Схема паровой машины