Geum.ru

Академии наук

Вид материалаРеферат

Содержание


6. Нейтринная физика
7. Фундаментальные проблемы энергетики
7.2. Биотопливо и энергоносители из возобновляемого сырья
Подобный материал:
1   ...   35   36   37   38   39   40   41   42   ...   53

6. НЕЙТРИННАЯ ФИЗИКА



В конце декабря 2008 г. на Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН введена в строй новая подземная лаборатория, расположенная на рекордной глубине около 5 км ниже уровня моря внутри горы Андырчи на Северном Кавказе. Толща скальной породы, в миллиарды раз ослабляющая фон проникающего излучения космических лучей, и использованные при сооружении материалы с низким уровнем естественной радиоактивности: особый вид бетона на основе дунита, около 200 тонн чистого свинца, кадмий, борированный парафин, бескислородная медь и др., позволяют обеспечить уникальные условия сверхнизкого радиационного фона для фундаментальных и прикладных исследований в области ядерной физики, радиационной биологии и метрологии.

Единственным в мире телескопом, обеспечивающим измерение полного потока нейтрино, приходящих на Землю из недр Солнца, является подземный Галлий-германиевый нейтринный телескоп Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН. С его помощью за последние 18 лет были проведены измерения и осуществлены эксперименты с искусственными источниками нейтрино. В 2008 г. был закончен объединенный анализ этих материалов, который показал, что полученная величина потока нейтрино хорошо согласуется с предсказанием Стандартной солнечной модели, основанной на представлении о термоядерном механизме горения Солнца, с учетом новых свойств нейтрино - нейтринных осцилляций и их проявлений в веществе Солнца.

Закончен анализ экспериментальных данных о потоках солнечных нейтрино различных энергий, полученных на крупномасштабных установках в России и за рубежом. В результате окончательно установлено наличие нового свойства нейтринных осцилляций в веществе – процесса адиабатической конверсии одного типа нейтрино в другой в веществе Солнца, предсказанного учеными ИЯИ РАН (эффект Михеева – Смирнова – Волфенштейна). В мировой литературе этот эффект получил название MSW-эффект. (ИЯИ РАН)

В ходе международного космического эксперимента ПАМЕЛА с участием сотрудников МИФИ, ФИАН и ФТИ РАН впервые измерено с высокой точностью отношение потока антипротонов к потоку протонов в широкой области энергий
(1 – 100) ГэВ. Показано, что антипротоны в галактике образуются в результате ядерных взаимодействий космических лучей с межзвездным веществом. Кроме этого, также впервые с высокой точностью измерено отношение потока позитронов к суммарному потоку электронов и позитронов в области энергий
(1 – 100) ГэВ. Обнаружен рост этого отношения для частиц с энергией более
20 ГэВ. Возможно, что наблюдаемый эффект связан с аннигиляцией частиц «темной материи» в нашей галактике. (МИФИ, ФИАН)

Детально разработана теория происхождения космических лучей сверхвысоких энергий. Наряду с обрезанием спектра при сверхвысоких энергиях (эффект Грейзена-Зацепина-Кузьмина) она предсказала новые особенности спектров: провал, вызванный взаимодействием первичных протонов с фотонами микроволнового фонового излучения, избыток частиц в спектре ниже энергии обрезания из-за накопления провзаимодействовавших частиц и др.

Разработанный метод калибровки детекторов по найденным особенностям спектра позволил согласовать разрозненные данные всех существующих экспериментов. В настоящее время он является единственным надежным методом калибровки таких детекторов. Наличие предсказанных особенностей спектра было с высокой точностью подтверждено в прецизионных измерениях спектра на всех существующих в России и за рубежом установках по регистрации космических лучей сверхвысоких энергий. Это не только свидетельствует о протонном составе первичных космических лучей, но позволяет также количественно определить соответствующую величину.

Разработан новый алгоритм восстановления параметров ливней заряженных частиц, генерируемых нейтрино высоких энергий в рабочем объеме Байкальского глубоководного нейтринного телескопа ИЯИ РАН, что позволило примерно в три раза понизить полученное ранее ограничение на интенсивность природного диффузного потока нейтрино в диапазоне энергий от 20 ТэВ до 20 ПэВ. Наряду с близким результатом эксперимента АМАНДА на Южном полюсе, этот результат представляет собой наиболее сильное экспериментальное ограничение из полученных в мире к настоящему времени. Исследование природного диффузного потока нейтрино позволяет прояснить фундаментальные механизмы эволюции различных объектов Вселенной. (ИЯИ РАН)

7. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ



7.1. Экологически чистая энергетика на основе альтернативных энергоносителей



Рассмотрены возможности магнитогидродинамического метода (МГД-метод) производства электроэнергии при использовании гидротермального окисления алюминия в водяном паре при их соотношениях, близких к стехиометрическому. Важнейшим результатом является то, что для полученной данным методом плазмы (состоящей из водорода с присадкой нескольких процентов калия и
К-фазы в виде расплавленного оксида алюминия) электропроводность и квадрат скорости потока в МГД-канале, значительно увеличиваются, что дает существенное повышение плотности снимаемой мощности и, тем самым, обеспечивает коэффициент преобразования на уровне 20-35%, при приемлемых габаритах канала и сравнительно малой индукции магнитного поля ~ 2-3 Т. Последнее обстоятельство позволяет отказаться от использования сверхпроводящих магнитных систем что, в свою очередь значительно упрощает и удешевляет конструкцию МГД-генератора.

Показано, что энергоустановки на базе МГД-генератора, работающие по алюмоводородным технологиям, являются перспективными аварийными (резервным) источниками электроэнергии при работе в составе энергосистем традиционного типа. При этом отсутствуют какие-либо вредные выбросы, что позволяет использовать такие установки в экологически нагруженных районах. (ОИВТ РАН)

Начата разработка среднесрочных и долгосрочных программ в области генерации и электрических сетей для Российской Федерации в целом, а также с детализацией для электроэнергетических компаний, работающих в Москве и Московской области. На этой основе ОАО «Мосэнерго» сейчас реализует крупномасштабную инвестиционную программу, успешное выполнение которой является главным условием надежного энергоснабжения потребителей всего региона в предстоящие годы.

Результаты выполненных прогнозно-аналитических исследований демонстрируют необходимость координации работ, проводимых энергетическими компаниями по всему спектру программных задач, обеспечивающих надежное прохождение зимних максимумов нагрузок. При этом, в сжатые сроки – 2009-
2010 гг. – необходимо выполнить целый комплекс работ по вводу как минимум
2 млн кВт на АЭС (Концерн «Росэнергоатом»), 0,8-1,0 млн кВт на Загорской ГАЭС-2 (ОАО «ГидроОГК»), а также по ликвидации узких мест и развитию электрических сетей 110, 220, 500 и 750 кВ (ОАО «ФСК ЕЭС»), по техническому перевооружению и развитию средств противоаварийного управления и совершен-ствованию системы диспетчерского управления (ОАО «СО-ЦДУ ЕЭС»), техниче-скому перевооружению и развитию системы газоснабжения (ОАО «Газпром»).

Для обеспечения надежного энергоснабжения московского региона особое значение имеют вопросы, связанные с созданием Петровской ГРЭС. Учитывая долгосрочный характер этой проблемы, выбор в качестве основного топлива природного газа должен быть подтвержден соответствующим постановлением Правительства РФ. Вместе с тем, по соображениям диверсификации топливного баланса и повышения надежности топливоснабжения электростанций Московской энергосистемы должен быть рассмотрен и угольный вариант Петровской ГРЭС.
В этом случае на Петровской ГРЭС могут быть применены угольные энергоблоки мощностью 500 мВт на суперсверхкритические параметры пара с эффектив-ностью использования энергии топлива не ниже 46-48%.

Следует отметить, что прогнозные значения приростов электрических нагрузок на период до 2020 г. оказались ниже заявленных в последнее время правительством Московской области и подлежат корректировке. Необходимость разработки в 2009 г. новой редакции концепции развития энергетики Московского региона крайне необходима также ввиду существенного изменения процесса развития мировой и российской экономики. (ОИВТ РАН)

Разработаны фундаментальные основы, принципы построения и конструкция суперконденсатора нового поколения с экспериментально подтвержденным значением удельной запасенной энергией в девять раз превосходящим значение удельной запасенной энергии существующих наборных суперконденсаторов. Это достигается за счет использования нового нетоксичного органического электролита на основе ионной жидкости с напряжением декомпозиции более трех вольт и оптимизацией пористой структуры и химии поверхности нано-структурного углеродного материала. Такие суперконденсаторы являются основой для построения энергосберегающих гибридных энергетических установок транспортных средств, позволяющих в два раза снизить расход топлива за счет рекуперации энергии торможения, а также в 10 раз снизить количество вредных выбросов. (ОИВТ РАН)

Проведены работы по разработке и созданию основных элементов сверхпроводящей транспортной магистрали (СПТМ) для комплексной передачи электрической энергии и жидкого сжиженного газа на большие расстояния с мощностью до 5 ГВт. При этом, сжиженные газы используется в качестве экологически чистого энергоносителя и, одновременно, для термостатирования ВТСП силового кабеля, а электрическая энергия – для обеспечения работы технологических систем транспортировки сжиженного газа и непосредственного потребления предприятиями и коммунальными службами.

В ходе выполненных работ впервые в мире разработан и изготовлен криогенный насос с высокотемпературным сверхпроводящим (ВТСП) электроприводом мощностью 5.6 кВт с числом оборотов 12 тыс. об/мин. Для испытаний разработанного уникального устройства была создана методика экспериментального исследования процессов захолаживания и запуска крионасоса с электроприводом и экспериментальная установка для проведения комплексных испытаний крионасоса с электроприводом. Время захолаживания крионасоса составляло 1 час. Получены обобщающие зависимости для расчета захолаживания крионасоса, а результаты испытаний подтвердили заявленные напорные и расходные характеристики крионасоса. (ГТУ «МАИ», ОИВТ РАН)

7.2. Биотопливо и энергоносители из возобновляемого сырья



Разработан мембранный биореактор нового типа, содержащий мембранное устройство для отвода водорода in situ. Изготовлены композиционные мембраны на основе поли(1-триметилсилил-1-пропина) (ПТМСП) с содержанием трансструктур 20%. Для дальнейшего использования предложены мембраны с проницаемостью по водороду в диапазоне от 1200 до 2500 л/м2часатм. Испытанная мембрана не подвержена отрицательному действию биологических сред и микроорганизмов и не забивается илом в условиях эксплуатации при повышенных температурах (70°С) в течение месяца в анаэробных условиях.

Найдены ключевые подходы для создания эффективных мембранных контакторов рециркуляционного типа, работающих в режиме абсорбция-десорбция. В соответствии с этим синтезированы укрупненные лабораторные партии образцов ПТМСП с содержанием цис-звеньев 80%, обладающих высокой химической устойчивостью по отношению к различным реагентам щелочного типа, и получены лабораторные образцы высокопроницаемых композиционных мембран на их основе. Разработаны новые модификации мембранных контакторных элементов с варьированием толщины слоя подвижного жидкого носителя в диапазоне 100-
350 микрон, обеспечивающих оптимизацию эффектив-ности разделения компонентов биогаза в рециркуляционном режиме. (ИНХС РАН)

Получены экологически безвредные и биологически разлагаемые микробиологические ферменты для прямого термического гидролиза и деполимеризации основных компонентов растительных биомасс, в первую очередь, гемицеллюлозы. На примере гидролиза пшеничной и рисовой соломы обнаружен новый неизвестный ранее эффект влияния силовых полей давления и сдвига на частичное осахаривание продуктов в процессе механического диспергирования. (ИБХФ РАН)

При помощи методов высокоэффективной белковой хроматографии выделены индивидуальные (гомогенные) целлобиазы (β-глюкозидазы), изучены их биохимические и каталитические свойства. При гидролизе целлюлозо-содержащего сырья в присутствии целлюлазного препарата целловиридин Г20Х (на основе штамма T.reesei) и целлобиазы полученного штамма-продуцента P.canescens выход глюкозы повышается в 2,5-3 раза по сравнения с реакционной системой, в которой целлобиаза отсутствовала. (ИНБИ РАН)

Разработан оптимизированный режим электронно-лучевой перегонки биомассы, и на его основе впервые показана возможность 60-80-процентной конверсии растительного сырья в безводное жидкое топливо с выходом более
15 кг/кВтч. (ИФХЭ РАН)

Установлено, что использование комбинаций ферментативных катализаторов (целлюлаз и -глюкозидазы) является наиболее эффективным подходом к организации одновременного осахаривания и ферментации (ООФ) целлюлозо-содержащих субстратов (ЦСС) по сравнению с использованием индивидуальных ферментов, в частности, целлобиогидролаз.

При получении биоэтанола из кукурузных стеблей ООФ максимальная концентрация спирта (38 г/л) была получена при использовании иммобили-зованных клеток дрожжей в комбинации c иммобилизованной -глюкозидазой и дополнительно внесенными целлюлазами в концентрации 15 мг общего белка/г сухих веществ исходного субстрата. Выход этанола при этом составил 90% от теоретически возможного. Показан высокий уровень жизнеспособности иммобилизованных клеток, подтверждающий теоретическую возможность многократного использования таких биокатализаторов для получения биоэтанола, и возможность организации непрерывного процесса с их участием. Полученные результаты могут быть использованы для разработки основ инновационной технологии получения топливного биоэтанола из ЦСС. (ИБХФ РАН)

Впервые обнаружено, что превращение диэтилового эфира (ДЭЭ) на алюмоплатиновом катализаторе приводит к образованию нормальных и разветвленных алканов, содержащих более четырех атомов углерода. Найдены оптимальные параметры процесса и его режимы. В присутствии алюмоплатинового катализатора при 350°C конверсия ДЭЭ достигает ~95%, выход алканов С3–С12 составляет около 40%.

Найдена каталитическая система (смесь WxRe1-XO3/-Al2O3 и Pt/Al2O3), обеспечивающая эффективную кросс-конденсацию этанола и глицерина в алкен-алкановую фракцию с выходом, превышающим 40% масс. Установлены оптимальные температурный интервал проведения реакции и соотношение сореагентов, обеспечивающие эффективное вовлечение глицерина в реакцию кросс-конденсации с этанолом.

На основе моно- и биметаллических ацетатных, хелатных и алкоксидных предшественников разработаны моно- и биметаллические мембранно-катали-тические системы, проявляющие высокую активность в углекислотном
риформинге метана в синтез-газ при умеренных температурах. Найдено, что оптимальным составом обладает палладий-марганцевая система, в присут-
ствие которой достигается высокая селективность в образовании синтез-газа Н2 / СО  0,9 – 1 при производительности 7000 л/дм3ч. (ИНХС РАН, ИОНХ РАН)

Синтезирован и оптимизирован новый анодный катализатор RuV, отличающийся высокой удельной активностью, стабильностью и обеспечивающий фарадеевский коэффициент окисления спирта 75-80%. Разработан улучшенный катодный катализатор CoFe/C, толерантный к этанолу. На основе синтезированных катализаторов, не содержащих платину и специализированной мембраны (сепаратора) разработан и испытан топливный элемент этанол-воздух с электродами размером 25 см2. При температуре 60°С величина максимальной удельной мощности составляет 90-100 мВт/см2, что по крайней мере в два раза превышают зарубежные характеристики, полученные при использовании платиновых катализаторов.

Разработан способ циркуляционного облучения, обеспечивающий безотход-ную конверсию газов С1–С5 в высокоразветвленные жидкие алканы С6–С12. При этом производительность переработки углеводородных газов в равновесных условиях составляет не ниже 0.16 кг/кВтч. Моторное октановое число продукта превышает 95 и возрастает с ростом степени разветвления молекул сырья и мощности дозы электронного излучения. Получаемое топливо превосходит традиционные сорта бензинов по экологической чистоте, стабильности и детонационной стойкости. Повышенная детонационная стойкость продукта позволяет использовать его в основном в качестве высокооктановой добавки
(до 25%) к низкосортным бензинам. Теплота сгорания продукта составляет
47-49 МДж/кг.

Предложено формирование электрода для топливных элементов, утилизирующих биогаз, в виде цепочки «проводник электронов → катализатор → проводник протонов или гидроксил-ионов →» на одном тканевом или пленочном сорбенте, обеспечивающим поглощение «топлива» и его диффузию в единой системе к поверхности катализатора. Обоснована перспективность нанопленок этанолоцикламов как базы для получения компонентов цепочки электрода. На основе наносорбента ИФХЭ–ЭТЦ (хлопчатобумажная ткань с ПВХ-покрытием с сорбционно-активной нанопленкой этанолоцикламов) получены материалы с протонопроводящими сорбционно-активными нанопленками, материалы с гидроксилпроводящими сорбционно-активными нанопленками, материалы с каталитически- и сорбционно-активными нанопленками и материалы с электронопроводящими нанопленками, наполненными атомами никеля и меди. (ИФХЭ РАН)

Установлено, что полиморфизм диоксида кремния (матрицы) для размещения редкоземельных элементов (РЗЭ) играет ключевую роль в создании катализаторов окислительной конденсации метана с образованием этилена, этана, пропилена, пропана и бутенов. Селективность катализаторов в образовании продуктов превышает 50% в расчете на превращенный метан. Выход продуктов С2+ достигает 29%. Впервые созданы катализаторы методом твердофазного синтеза, без использования растворителей. (ИОНХ РАН)

Найдены оптимальные условия процесса получения бензина из биогаза и попутных нефтяных газов через синтез-газ (Н2:СО=1:1) и ДМЭ. Конверсия ДМЭ составляет 96-98%, селективность по углеводородам бензинового ряда до 75%. Полученный бензин характеризуется повышенным содержанием изо-парафинов и меньшим содержанием ароматических соединений.

Исследован процесс конверсии биогаза в синтез-газ на пилотной установке в проточном реакторе с быстрой сменой циклов реакция-обработка-регенерация-обработка-реакция с циркулирующим в системе эффективным микросферическим катализатором. В оптимальных условиях (время контакта 5 с, температура 800 °С, [О]/CH4=1 (мольн.)) NiCo-катализатор обеспечивал высокую конверсию CH4 (более 95%) и селективность образования Н2 и СО на уровне 90% (от теории). (ИНХС РАН)

Создана действующая демонстрационная математическая модель экзотермического реактора процесса синтеза Фишера-Тропша, которая обеспечивает решение не только прямой задачи – моделирования процесса синтеза углеводородов в зависимости от технологических параметров, но и обратной задачи – определения и оптимизации технологических параметров в зависимости от требуемого целевого продукта (состава и структуры синтезируемых углеводородов). Это позволяет осуществлять целенаправленный ФТ-синтез из ненефтяного сырья. (ОИВТ РАН)

Изучена совместная гидроконверсия тяжелого нефтяного сырья (гудрона) и древесины с высокоароматизированной добавкой (газойлем крекинга). Показано, что при совместной переработке гудрона и древесной массы условная конверсия сырья возрастает на 12,6% с соответствующим ростом выхода газа на 7% и некоторым снижением выхода дистиллятных фракций.

Установлено, что при сравнительно мягких условиях органическая масса древесины почти полностью превращается с получением газа и жидких углеводородов. (ИНХС РАН)