Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Физика arrow Физическое материаловедение. Ч. 3. Материалы энергетики и энергосбережения

ВВЕДЕНИЕ

В ч. 1 данного учебного пособия указывалось, что обеспечение роста экономического благосостояния любого современного государства до сих пор вызывало непрерывное наращивание потребления энергии. Такой сценарий развития энергетики привел к ряду отрицательных последствий. В результате специалисты осознали наличие глобальной энергетической проблемы, что заставило их пересмотреть экстенсивный путь развития энергетики как единственный способ улучшения жизни человечества. По этой причине в XXI в. глобальная стратегия развития энергетики, а следовательно, и всей цивилизованной жизни на Земле строится, исходя из признания существования так называемой ЗЭ-трилеммы (рис. В.1), которая устанавливает взаимосвязь между развитием экономики, энергетики и экологии. При развитии цивилизации по стандартному капиталистическому пути для активизирования экономического развития (Э: Экономика) необходимо увеличивать расход (значит и производство) энергии (Э: Энергетика), что создает серьезные экологические проблемы (Э: Экология) вследствие увеличения выбросов вредных веществ в окружающую среду. И, наоборот, если политический выбор государств и мирового сообщества в целом на-

В.1. Диаграмма взаимосвязи между развитием экономики, энергетики

Рис. В.1. Диаграмма взаимосвязи между развитием экономики, энергетики

и экологии правляется на снижение вредных выбросов, развитие экономики тормозится. В этом и состоит суть ЗЭ-трилеммы!

Естественным способом разрешения данной трилеммы, который снижает нагрузку на экосистему Земли и не приводит к ухудшению уровня жизни людей, является повышение эффективности использования энергии, в том числе за счет усовершенствования энергетических технологий, включая развитие экологически чистых технологий производства, передачи, трансформации, хранения и применения энергии, а также энергосбережения. В результате такого подхода, начиная с 70-х гг. XX в. в развитых странах мира (в США, Канаде, Германии, Франции, Голландии и др.) отношение валового национального продукта (ВНП) в сопоставимых ценах к уровню потребления энергии стало непрерывно возрастать (тогда как в первой половине XX в. оно оставалось примерно постоянным).

Одна из причин, приведших к такой тенденции, состоит в перераспределении роли разных видов производства и услуг в экономике современных государств. К примеру, возникшие новые виды техники и технологий характеризуются сравнительно низкими уровнями потребления энергии. Это в первую очередь касается высокоинтеллектуальных информационнокоммуникационных технологий, таких как вычислительная техника, телекоммуникационное оборудование, мобильная телефония и многих других. В то же время именно доля данных продуктов выросла наиболее существенно на рынке продуктов и услуг. Сфера обслуживания как важный и быстро растущий сектор экономики также не является такой энергоемкой, как, например, обрабатывающая промышленность, транспорт, строительство, коммунальное или сельское хозяйство.

Другой очевидной причиной является то, что решению сформулированной ЗЭ-трилеммы способствует разработка новых или значительное улучшение потребительских свойств уже существующих материалов, без чего невозможно как создание современных энергоэффективных технологий, так и энергосбережение. Материалы могут влиять не только на стоимость производства, передачи и трансформации энергии, но и па эффективность (рациональность) ее потребления. Во многих секторах экономики эта эффективность все еще низка. Для жилищного и торгового секторов большинства государств характерна эффективность в 65-70%, которая следует из простого отношения тепла, испускаемого отопительными системами, к содержанию энергии в используемом топливе. Однако общая термодинамическая эффективность отопления или кондиционирования зданий на самом деле оказывается еще ниже - 10-20%. В транспортном секторе этот показатель также равен 10-15%. Промышленный сектор является наиболее экономным потребителем энергии, поскольку здесь эффективность колеблется от 10 до 35%. В целом во всей экономике реальная эффективность потребления энергии во многих странах не превышает 20%.

Такая относительно низкая эффективность использования энергии при создании продукции и услуг объясняется как невысокими коэффициентами полезного действия (КПД) самих технологий (по-крайней мере, большинства из них), так и потерями на пути применения произведенной энергии. Рассмотрим различные стадии процесса, при котором химическая энергия нефти преобразуется в механическую работу движения автомобиля. Стадии добычи сырой нефти и ее переработки для получения бензина и его последующей транспортировки относительно эффективны, поскольку в целом поглощают не более 20% всей энергии, содержащейся в нефти. В результате остаток равен 80%. Общая эффективность на стадии сжигании бензина в двигателе внутреннего сгорания автомобиля оставляет от 80% энергии не более 25-30%, так как КПД двигателя не превышает 30-35%. Возникающие при передаче вращения от двигателя на колеса и при взаимодействии колес с дорожным покрытием дополнительные механические потери приводят к тому, что в конечном счете лишь около 10% всей энергии, заключенной в сырой нефти, расходуется на перемещение автомобиля.

В связи с этим в мире постоянно идет борьба за увеличение эффективности производства и потребления энергии путем оптимизации конструкций энергетических установок и их частей, создания более энергоэффективных технологий использования энергии, в том числе за счет улучшения функциональных свойств специальных материалов. Например, для увеличения эффективности тепловых турбин необходимо повышать температуру пара. С этой целью следует использовать либо керамические лопатки на основе нитрида или карбида кремния, либо специальные композиционные материалы, которые могут выдерживать температуры свыше 1473 К.

Другая принципиальная возможность повышения КПД энергетических установок, например электрических систем, заключается в понижении рабочих температур (при замене обычных электрических проводов из алюминия и меди на сверхпроводниковые, последние при низких температурах будут терять свойство электрического сопротивления). Сверхпроводящие кабели, в которых токонесущие сверхпроводящие жилы охлаждаются ниже критической температуры (при этом данный материал и становится сверхпроводником), могут заменить воздушные линии электропередач с громоздкими мачтами и передавать энергию с меньшими потерями. Дополнительные затраты на их охлаждение окупаются на территории больших городов (на относительно небольших расстояниях) или там, где устройство воздушных линий электропередач запрещено.

Влияние материалов на использование энергии проявляется еще и в том, что они могут повышать надежность и безопасность производства и преобразования энергии. Надежность является результатом хорошего проектирования, тщательного анализа и предварительных испытаний и основывается на понимании того, как ведут себя применяемые материалы при рабочих условиях (температурах, давлении, радиации, механических и химических воздействиях и т.д.). Значение фактора безопасности в энергетике неуклонно возрастает, и в будущем она должна стать в полном смысле слова безаварийной.

Безопасная технология необходима для организации длительного хранения радиоактивных отходов. Общепринятая стратегия в данной области предусматривает три последовательные стадии. Сначала удаляемый материал инкорпорируется в относительно нерастворимое твердое вещество, которое затем заключается в герметичный высокопрочный контейнер, и лишь потом производится захоронение контейнеров в местах, где существует сухая и стабильная геологическая структура. Для первых двух стадий требуется разработка специальных материалов, которые не допускают утечек радиоактивных веществ, в том числе под влиянием влажности и механических воздействий.

Показано, что боросиликатное стекло прекрасно капсули- рует радиоактивные отходы, т.е. может служить подходящим материалом для первой из описанных выше стадий. Идут поиски стабильных керамических материалов в качестве ловушек для радиоактивных атомов (например, в виде смеси минералов, включающих оксиды титана и циркония). Природные виды этих минералов абсолютно нерастворимы и, как установлено, могут удерживать атомы радиоактивных элементов.

включая уран и торий, в течение сотен миллионов лет. Однако проблема состоит в том, чтобы разработать материалы, пригодные для стабилизации смесей не только радиоактивных элементов, но и их соединений с другими химически активными элементами, входящими в различные виды отходов.

На второй стадии захоронения радиоактивных отходов нужно обеспечить непроницаемую преграду между отходами и окружающей геологической средой хранилища. В настоящее время в качестве материала для оболочек используют специальный титановый сплав, на поверхности которого в воздушной атмосфере образуется оксидная пленка, защищающая его от коррозии.

В данной части учебного пособия рассматриваются материалы, которые не только применяются собственно в энергетике (включая ядерную), но и способствуют повышению энергоэффективности используемых технологий и энергосбережению (в том числе применяемые в датчиках и сенсорах систем контроля). Настоящее издание состоит из четырех разделов - материалы ядериой энергетики; металлические материалы теплоэнергетики и энергосбережения; неметаллические материалы теплоэнергетики и энергосбережения; специальные материалы энергетики и энергосбережения. Такая структура обусловлена тем, что при реализации ядерно-энергетических технологий для обеспечения повышения энергоэффективности в тепло- и электроэнергетике и тепловых контурах ядер- ных станций, а также при разработке новых энергосберегающих технологий необходимо использовать материалы, которые должны обладать набором особых (часто взаимоисключающих друг друга) функциональных свойств.

Вклад материаловедения в повышение эффективности извлечения, преобразования, передачи, храпения и использования энергии является решающим для экономики. Можно надеяться, что дальнейшие достижения материаловедения обеспечат получение и потребление энергии в количествах, необходимых для непрерывного роста экономического благосостояния во всем мире (иа фоне возрастания народонаселения Земли) и одновременно снижения экологической нагрузки на окружающую среду. Однако для этого нужно точно понимать, какие виды материалов требуются и какими свойствами они должны обладать. Следует отметить, что различные области энергетики предъявляют разные требования к новым материалам. В табл. В. 1 они сгруппированы по классам (см. верхний ряд в таблице) в зависимости от областей энергетических технологий, которые представлены в левой колонке. Эти требования определяются такими факторами, как возникающие в процессе работы механические напряжения, температура, давление, химический состав рабочей среды, радиация и другие, которые воздействуют на работу частей ЯЭУ, а также тепловых и электрических агрегатов АЭС и теплоэлектростанций.

Накапливаемые в процессе работы деталей и узлов механические напряжения могут приводить к их деформации, вызывая появление микротрещин в материале и выводя изделия из строя (в том числе вследствие коробления, разрушения и т.п.).

Температурный диапазон работы современных материалов энергетики очень широк - от 4 до 2773 К. Для обеспечения работоспособности при высоких температурах от материала требуется жаропрочность, тогда как при работе в области низких температур он должен обладать хладостойкостыо. К примеру, оборудование, используемое при добыче топлива (бурильное, электроника), а также в геотермальных системах (трубопроводы для геотермальной жидкости), должно выдерживать высокие температуры в земной коре и агрессивность подземных вод.

Среда, в которой работает изделие, может быть жидкой, газообразной, ионизированной, химически агрессивной или нейтральной, радиоактивной и т.д. В связи с этим внешняя среда часто оказывает отрицательное влияние на механические и другие свойства материалов, снижая работоспособность изделий. В частности, рабочая среда может вызывать повреждение поверхности вследствие коррозионного растрескивания и окисления (образования окалины), приводить к изменению химического состава поверхностного слоя детали в результате насыщения нежелательными элементами (например, водородом, который приводит к повышению хрупкости многих материалов). Кроме того, в результате действия ядер- ных и других ионизирующих излучений возможно «распухание» и локальное разрушение материала.

Для того чтобы противостоять действию рабочей среды, материал должен обладать не только высокими механическими, но и другими важными физико-химическими свойствами, такими, как устойчивость к электрохимической и химической коррозии, жаростойкость, радиационная стойкость, влагостойкость, способность работать в условиях вакуума и др.

Процесс

Электрические

материалы

Керамика

Полимеры

Композиты

Металлы и сплавы с особыми свойствами

Добыча ископаемого топлива

Вы сокотемпературная электроника

Твердые буровые головки

Сальники и уплотнения

-

Коррозионно -стойкис металлы и сплавы

Обогащение топлива

-

Катализаторы

-

-

Ко ррозион но -стойки с металлы и сплавы

Обогащение и сжигание угля

-

Катализаторы; износостойкая керамика

-

Износостойкие

композиты

-

Ядерная энергетика

Радиационно стойкая электроника

Иммоби ли заторы радиоактивных отходов; изоляторы плазмы

Контейнеры для радиоактивных отходов; высокотемпературные радиационно стойкие сплавы

Производство и передача электроэнергии

Сверхпроводники

Детали турбин

Изоляторы

Лопатки турбин

Элементы парового контура

Солнечная энергетика

Дешевые солнечные элементы

Избирательные светофильтры

Оболочки солнечных элементов

-

-

Геотермальная

энергетика

Высокотемпературная электроника

-

-

-

Ко рроз ио н но -стой кие металлы и сплавы

Сохранение и накопление энергии

Эффективные магниты

Элементы теплообменников

Легкие элементы

транспортных

средств

Легкие элементы транс п орг- ных средств

Высокотемпературные

сплавы

Эиергоуправляю- щие системы

Переработка

Материалы, применяемые в электрических машинах, системах передачи электроэнергии, трансформаторах, должны характеризоваться особыми магнитными и электрическими свойствами. В ряде случаев, когда требуется высокая стабильность размеров узлов и механизмов (особенно высокоточных деталей и приборов контроля) в условиях эксплуатации, материал должен иметь тепловые свойства, очень слабо зависящие от температуры.

Значительная часть материалов энергетики и энергосбережения формируется на основе чистых металлов и металлических сплавов, используемых как в тепло- и электроэнергетике, так и в ЯЭУ. Многие из них применяются для обеспечения прочности различных силовых конструкций и агрегатов, в том числе при воздействии высоких или низких температур, химически агрессивных газовых или жидких сред, а также широкого спектра радиационных воздействий. Необходимы металлические материалы с особыми тепловыми свойствами - высо- котеплопроводящими (в теплообменниках) и низкотеплопро- водящими (в криогенных системах), низким или, наоборот, высоким коэффициентом теплового расширения и др. Для эффективной работы электрических агрегатов, управляющих датчиков (сенсоров) измерительных электроприборов в системах контроля и управления нужны металлы и сплавы с особыми электрическими, магнитными и диэлектрическими характеристиками (высоко- или низкоэлектропроводящими, слабо- или сильномагнитными, сверхпроводящими).

В то же время в ряде узлов АЭС и теплоэлектростанций (ТЭС) нельзя обойтись без неметаллических материалов. К ним относятся в первую очередь природные минералы (камень, песок, руды), а также дерево. Песок, камень и дерево часто используются при создании разного рода ограждающих конструкций (стен, крыш, полов, дверей и окон зданий). Керамики (кирпич, бетон), композиты (смеси разнородных веществ), стекла, а также полимеры получают искусственными способами и относят к материалам со специальными свойствами.

Для понимания того, для каких целей и каким образом можно использовать такой широкий круг современных материалов, необходимо глубокое понимание взаимосвязи между протекающими в материалах физическими явлениями, эффектами и процессами (основы которых изложены в ч. 1 и 2), характером сформированной при их получении фазовой структуры (ч. 2) и теми физико-химическими свойствами, которые данные материалы приобретают в процессе синтеза. Именно этому и посвящена завершающая часть учебного пособия.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >
 

Популярные страницы