deutschsprechige Text        hier

                                                                                          english text                         here

Тепловой генератор Росси. Rossi's power-cell. (RPC  ТГР)   

    К началу 2012 года структура  ТГР постепенно приняла свой функционально законченный  вид,  как некая  единица, пригодная для широкого использования во многих областях  хозяйственной деятельности. Росси доказал реальность получения LENR - энергии в промышленных масштабах и теперь пришло время подключить  интеллектуальные, производственные и финансовые ресурсы общества для широкого использования открывшихся возможностей. Образовался широкий фронт работ в четырех направлениях активности:  академическая наука, экспериментальная физика, технические приложения, коммерчески-спекулятивное направление.

Устройство.

На рисунке  дана обобщенная схема теплового генератора Росси, как конфигурация, содержащая набор необходимых и достаточных компонентов для функционирования устройства.

В прочном корпусе реактора 1 размещен нано-порошок никеля 2, возможно, с добавкой некого катализатора. Электронагреватель 3  служит для первоначального разогрева порошка при пуске устройства, он расположен внутри корпуса или снаружи реактора при условии надежного теплового контакта с корпусом. После запуска выделяемое реактором тепло воспринимается теплоносителем 5, в качестве которого  используется минеральное масло для низкотемпературных версий, расплав соли или металлический сплав для высокотемпературных исполнений аппарата. Для функционирования устройства необходим водород, который получается в регенераторе водорода 6. При работе реактора расходуется очень небольшое количество водорода, буквально микрограммы в час, но от его давления зависит интенсивность тепловыделения реактора. Поэтому главным требованием к регенератору водорода является обратимость процесса газовыделения  и зависимость давления в системе от температуры собственного нагревателя регенератора водорода  7.

Рис. 1.

Таким условиям отвечают гидриды некоторых металлов, например, гидрид магния. Один кубический сантиметр этого порошка вмещает водорода по весу в полтора раза больше, чем его содержится в таком же объеме сжиженного водорода, а гидрид железо-титанового сплава, например,  диссоциирует при температурах всего 320 – 370 К с низкой теплотой образования. Трубка 8 соединяет регенератор водорода с  закрытым теплоизоляцией 9 реактором. Отбор тепла осуществляется  через теплообменник 10, по которому пропускается  теплоноситель в виде воды или перегретого пара. Устройство контроля и управления, получая информацию от датчиков температуры и давления 11 -13 поддерживает  тепловыделение реактора на нужном уровне путем регулирования температуры регенератора водорода.

Принцип действия.

Ученые, занимающиеся химическим катализом, много и подробно изучали систему никель – водород, им хорошо известны такие процессы, протекающие на границе  раздела твердой и газообразной фаз, как:

    - диссоциативная хемосорбция молекул водорода на поверхности металла,

   - диссоциация абсорбированных атомов водорода на протоны и электроны,

   - протонное растворение атомарного  водорода в кристаллической решетке никеля с переходом единственного электрона водорода в зону проводимости металла.

На эту тему написано много работ, например, здесь или здесь .

Возникает вопрос, почему исследователи не заметили аномального тепловыделения в своих рабочих образцах? Возможно, потому, что они занимались двухмерными структурами, развитыми, но поверхностями и никто до Пиантелли и Росси не калориметрировал разогретый до высокой температуры нанопорошок никеля в среде водорода под значительным давлением.  Здесь именно нанопорошок, повидимому, является ключевым условием. Огромная поверхность раздела двух фаз привела к переходу  количества  в качество - тепло начало выделяться в промышленных масштабах. Оказалось, что диффундирующий через решетку никеля и лишенный своего электрона атом водорода имеет ненулевую вероятность проникнуть в ядро атома никеля. При реализации этой вероятности происходит  LENR – реакция, сопровождающаяся выделением значительной энергии. Современная наука, до недавнего времени вообще отрицавшая возможность LENR-процессов, сопровождающихся трансмутацией и энерговыделением, не в состоянии однозначно объяснить физическую сущность явления  здесь .  Но этот факт не должен мешать внедрению нового эффективного источника тепла также, как непонятность процесса горения не мешала человеку тысячи лет пользоваться огнем костра.

Таким образом, чем больше атомов водорода попадает в решетку никеля, тем чаще реализуется вероятность поглощения  протона ядром атома никеля. Концентрация водородных протонов в кристаллической решетке тем больше, чем выше температура в реакторе, чем больше давление водорода и чем более развита граница раздела между газом и кристаллами металла. Для управления процессом проще всего изменять давление газа в реакторе, что и было реализовано введением в устройство узла регенератора водорода. Нужно подчеркнуть, что аварийной ситуации, связанной с «разгоном» процесса тепловыделения в реакторе возникнуть не может: при перегреве препарата произойдет спекание или расплавление нанопорошка, приводящее к уменьшению концентрации протонов в кристаллах.

    Генератор Росси предназначен для выработки тепловой энергии, он работает под управлением контроллера и позволяет реализовывать задаваемый пользователем график тепловыделения. Аппарат подключен к сети, в рабочем режиме небольшое количество электроэнергии постоянно используется для питания контроллера и нагревателя регенератора 7. Более значительный расход электроэнергии требуется при начальном пуске аппарата после его останова. При этом дополнительно работает довольно мощный нагреватель реактора 3, предназначенный для разогрева всего объема реактора до рабочей температуры и выдержки его до тех пор, пока водород, диффундируя в кристаллы никеля, не создаст концентрации протонов, необходимой для начала экзотермической реакции. Примечательно, что для двухконтурной схемы отбора тепла, как это изображено на схеме, расход энергии на стадии пуска существенно ниже, чем для одноконтурной схемы, поскольку она не уносится теплоносителем, пока идет разогрев реактора.

     Таким образом, к специфическим особенностям источника тепла на генераторе Росси относится медленный пуск после останова, относительно неглубокий уровень регулирования мощности и медленное изменение текущей величины выделяемой тепловой мощности. Однако эти недостатки несущественны по сравнению с таким достоинством, как чрезвычайно низкая стоимость вырабатываемой энергии.

Место  ТГР среди источников энергии.

     Генератор Росси, конечно, можно использовать, как локальный источник тепла для обогрева помещений, но гораздо целесообразнее рассматривать его, как средство для совместной выработки электрической и тепловой энергии (принцип когенерации). В этом плане интересно сравнить его с другими тепловыми источниками, использующимися для производства электроэнергии. В настоящее время основным техническим средством для преобразования тепловой энергии в электрическую является турбогенератор, а КПД турбогенератора или другой паровой машины зависит, прежде всего, от параметров пара, подаваемого на вход турбины. 

Рис. 2.

По приведенной таблице можно сравнить, в каких диапазонах лежат эти параметры при использовании тепловой энергии различными техническими устройствами, эти же данные отражены на графике фазовой диаграммы воды.Некоторые пояснения по пунктам таблицы.  Значительную долю электроэнергии в мире вырабатывают тепловые электростанции. Несмотря на то, что параметры пара заходят далеко в сверхкритическую область фазовой диаграммы воды и формула Карно обещает неплохой КПД (пункт 3 -**), средний КПД для Российских ГРЭС получается около 36%. Это связано с тем, что всю теплоту парообразования (2260 кДж/кг), которая выделяется в конденсаторе, приходится рассеивать в градирнях или бассейнах охлаждения. Только в  России сложилась практика строительства ТЭЦ (пункт 2 -**), на которых за счет некоторого уменьшения КПД по электроэнергии добиваются увеличения температуры воды внешнего контура до уровня (120 – 140 градусов), делающего возможным передачу ее на значительные расстояния для теплоснабжения близлежащих жилых районов (принцип когенерации в действии, так сказать).

На западе пошли другим путем. Парогазовая технология (пункт 5 -**), разделяет процесс утилизации выделенной топливом тепловой энергии на два этапа – газотурбинный и паросиловой. Произошедшее в результате феноменальное увеличение КПД агрегата почти в два раза (с 36 до 60%) объясняется тем, что расточительный процесс отбора тепла с помощью двухфазного теплоносителя (воды) используется только на заключительном этапе процесса, иными словами, количество испаренной воды на килограмм сожженного топлива в парогазовом процессе раза в три меньше.

Весьма бледно на этом фоне смотрятся параметры теплоносителя на атомных станциях (пункт 4 -**), рассматривается наиболее распространенный реактор типа РМБК-1000. Водо - водяная двухконтурная система, а также необходимость постоянной замены ТВС на работающем блоке, связанная с технологическим проникновением в объем первого контура, обусловили низкие рабочее давление (65 бар) и температуру (280 град.). Приводимый официально КПД  в 31.3% не всегда и не полностью учитывает электроэнергию, расходуемую на собственные нужды станции. Использование «бросового» тепла для АЭС невозможно, в виду ее удаленного расположения. Тепловой генератор Росси (пункт 6 -**),позволяет разогреть  теплоноситель до 650 град. С, при этом величина давления обуславливается только прочностью и жаростойкостью теплообменника. Вообще в энергетике, не смотря на то, что сгорающее в замкнутом объеме топливо способно разогревать конструкции котла до очень высокой температуры, далеко в сверхкритическую область фазовой диаграммы воды не заходят. Сверхкритический флюид приобретает новые свойства, в частности, он химически агрессивен, так в Исландии с целью извлечения геотермальной энергии на вулканическом поле пробурена скважина глубиной в две с лишнем мили.  Полученный флюид с температурой 1100 град.С разъедает трубы и теплообменники из нержавейки. В графе 6-5 таблицы для ТГР проставлен общий КПД в 100% потому, что подразумевается локальное устройство, работающее по принципу когенерации, т.е. тепло, которое не использовано для производства электроэнергии, тут же используется для нужд отопления или кондиционирования.

При всей выигрышности позиции теплового генератора Росси, пальма первенства среди источников энергии, по прежнему, принадлежит солнечной и ветровой энергии, - они не приводят к тепловому загрязнению окружающей среды.

Характер тепловыделение аппарата

     Если абстрагироваться от вспомогательных деталей, то тепловой генератор Росси (ТГР) можно рассматривать, как некий тепловыделяющий  элемент, характеризующийся вполне определенным объемным энерговыделением (вт/см куб.), геометрической формой, влияющей на транспорт тепла из рабочего объема и поверхностью, через которую это тепло отводится в холодильник.  Ближайшим аналогом этого физического устройства являются тепловыделяющий элемент ТВЭЛ, работающий на атомных реакторах всех типов. Полезно сравнить эти два устройства.

Объемное энерговыделение. ТВЭЛ в виде длинной трубки диаметром 9.1 -13.5 мм находится в потоке воды первого контура с параметрами 65 бар, 280 град.С  (для РМБК-1000). Данные по  его энерговыделению известны: объемное до 450 вт/см. куб., линейное 17 КВт на погонный метр трубки и удельный тепловой поток 0.6 МВт на квадратный метр поверхности теплообмена.

По ТГР подробных данных пока нет, но из заявления, что температура наружного теплоносителя (расплав соли) может превышать 650 град.С (здесь)

можно заключить, - уровень энерговыделения ТГР имеет тот же порядок, что и ТЭВЛа.

«…PDGT has successfully completed its scientific, technological and engineering steps necessary to sustain such a reaction with results exceeding a COP of 20 and with temperatures capable to exceed 650 degrees Celsius…»

Источник энергии. В ТВЭЛ происходит вынужденная реакция деления урана 235 в поле тепловых нейтронов. Процесс носит статистический и каскадный характер, средняя энергия 202.5 МэВ на распад одного ядра. В ТГР предполагается реакция холодного синтеза  протона водорода с ядром атома никеля (LENR-процесс), сопровождающаяся выделением энергии так же в ядерных масштабах, - одна грамм-молекума никеля дает около 23 000 МВтч тепловой энергии.

Распределение температуры в конструкции. ТВЭЛ работает в очень напряженном режиме. Таблетки двуокиси урана имеют низкую теплопроводность, возникает значительный градиент температуры в радиальном направлении: 1600 – 1900 град.С на оси трубки, на поверхности таблетки соответственно 470 -900 градусов, далее перепад между таблетками и оболочкой 100 град.,  падение на оболочке 20 град. и, наконец, 350 град. на поверхности элемента. Для увеличения теплопроводности внутрь ТВЭЛа закачивается гелий, давление которого в рабочем режиме достигает 80 -100 бар, в процессе эксплуатации давление возрастает еще больше, в следствие накопления  газообразных продуктов распада. Твердые продукты ядерной реакции (тяжелый атом урана распадается на два более легких) распирают трубку ТВЭЛа, делая его непригодным для дальнейшей эксплуатации задолго до полного выгорания топлива. Для ТГР таких проблем нет. Так Defkalion GT представил на сайте http://defkalion-energy.com

 21-страничную спецификацию своих разработок Hyperion,

http://www.defkalion-energy.com/files/HyperionSpecsSheetNovember2011.pdf

Активная зона реактора - цилиндр диаметром 4 см и длиной 10 см, с объемом около 125 куб.см.  Рыхлый порошок никеля находится в атмосфере водорода при значительном давлении. Обладая высокой текучестью и теплопроводностью, водород успешно переносит тепло на внутреннюю поверхность конструкции, не создавая зон местного перегрева.

Форма энерговыделения. При захвате ядром урана 235 нейтрона происходит распад ядра на две неравные части. Процесс носит вероятностный характер, - в продуктах деления находят до 300 чаще нестабильных изотопов различных веществ, от Z=30 (цинк) до Z=64 (гадолиний), которые порождают целый каскад дальнейших ядерных реакций, «хвост» этих распадов растягивается на годы. Сотни типов ядерных реакций сопровождаются любыми типами излучений самых разных энергий. В ТГР процессы более односложны,- образуется два, три стабильных изотопа, энергия выделяется в виде мягкого рентгена (максимальная энергия гамма-излучения меньше 150 кэВ), а также передается непосредственно решетке никеля.

Управление процессом. Уран 235, в числе немногих элементов, способен поддерживать цепную ядерную реакцию деления.

ТВЭЛ может работать только в среде ядерного реактора. Ему нужно поле тепловых нейтронов, которое создается коллективно всеми сборками, регулирующими и компенсирующими стержнями и другими элементами конструкции реактора. Уран 235 реагирует на превышение порога критичности за 10^-3 сек (постоянная времени) и для стабильной работы реактора необходимо, чтобы все коэффициенты реактивности были отрицательны. Для ТГР удельное тепловыделение определяется концентрацией протонов водорода в решетке никеля, а постоянная времени процесса – скоростью диффузии водорода в твердую фазу, т.е. не миллисекундами, как для ТВЭЛ, а минутами и десятками минут. Отсюда простота управления и надежность устройства Росси.

Масштабируемость и применимость. ТВЭЛ предназначен для работы  в конструкции ядерного реактора, об изолированной работе этого девайса вопрос не ставится. Для ТГР теперешняя стержневая конструкция не предел, по-видимому, возможны и пленочные структуры, и массивный объем с каналами для теплоносителя, соответственно широки и области применения от мобильников до крупных энергетических объектов.

Экология. Использованные ТЭВЛы из-за остаточных процессов распада долгоживущих радиоактивных изотопов необходимо на годы изолировать в бассейнах выдержки  и даже при последующем сухом хранении активно вентилировать. Дешевле захоронить это добро в конусе выноса породы в Ледовитый океан, в устье реки Макензи.

ТГР при самой минимальной защите  не излучает, не накапливает нестабильных изотопов, полностью перерабатывается и регенерируется  в обыкновенном химическом процессе.

Место среди LENR-процессов

    Среди LENR - явлений вперед неожиданно вышли не такие эффектные, сопровождавшиеся тансмутацией элементов и участием зарядовых кластеров явления как феномены  Шоулдерса, Вачаева, Адаменко, Уширенко, а процесс резонансного ядерного взаимодействия водородного протона в кристаллической решетке никеля.

Да, установка, построенная Andrea Rossi на эффекте Fleischmann-Pons’а , оказалась более технологичной для получения тепла в промышленных масштабах. Но, несомненно, что после снятия негласного табу на LENR по всему миру откроется финансирование и широким фронтом развернутся работы.  И тогда наработки KEN’а SHOULDERS’а с его зарядовыми кластерами выведут исследователей на  возможность непосредственного преобразования ядерной энергии в электрическую (здесь). Вачаев на своей «Энергониве», по всей вероятности, и электроэнергию получал киловаттами, и радионуклиды успешно деактивировал (здесь), а наработки Адаменко в его лаборатории Протон 21 обещают промышленное получение сверхтяжелых стабильных элементов (здесь).  Вообще, любая трансмутация вещества предполагает преобразование ядер одних элементов в другие, с иным составом нуклонов, а возникающий при этом дефицит  или избыток зарядов, естественно, может быть переведен в электрический ток, нужно только найти подходящий способ.

Способностью к  диссоциации абсорбированных атомов водорода на протоны и электроны с дальнейшим протонным растворением атомарного  водорода в кристаллической решетке обладают в природе всего четыре металла: железо, никель, палладий и платина. Эффект Fleischmann-Pons’а, открытый на палладии и в промышленном масштабе реализованный на никеле не исключает из перспективного рассмотрения в качестве безграничного источника энергии также и железа.

Конкретные реализации аппарата.

      Первые поделки, которые демонстрировались изобретателем А. Росси на проведенных показах можно оценить, как действующие лабораторные макеты, - установки физиков экспериментаторов всегда угловаты, конструктивно избыточны, и зависимы от сиюминутных возможностей и местных исполнителей. Тем не менее на них проведены демонстрации, убедившие инвесторов вложить серьезные средства в конструкторскую разработку изделия. (в частности,  Defkalion Green Technologies выпустил линейку аппаратов «Gyperion» ( здесь. )

В соответствии с принципом Карно коэффициент полезного действия (КПД) такого преобразования тем больше, чем выше разность температур рабочего тела в начале и в конце процесса. По первому пункту эта разность может быть наибольшей, пример реализации такого принципа с помощью двигателя Стирлинга показан на рисунке  3.

Второй пункт проиллюстрирован на рисунке  4. Принцип прямоточного и турбореактивного двигателя вполне может быть распространен на тепловой генератор Росси. Воздух, перемещаясь вдоль разогретых поверхностей, нагревается, расширяется, увеличивается давление и осевая составляющая скорости. Как это происходит, поясняет схемка справа. При разогревании газа линейные скорости молекул растут пропорционально во всех направлениях (векторные  диаграммы а,в,с ). Молекулы, движущиеся влево, попадают в более холодные слои газа, увязают в них, отдавая свою энергию на разогрев этих порций газа, вертикальные векторы компенсируются, а правое направление является предпочтительным.

Самому простому варианту получения рабочего тела отвечает третий пункт списка. Перегретый пар можно использовать и в турбине, и в поршневой паровой машине, и в двигателе Стирлинга. Отработанный в механическом устройстве пар необходимо конденсировать в специальном теплообменнике  – конденсаторе, и это является главным недостатком, присущим процессам, использующим двухфазный теплоноситель. В механическую работу и соответственно в электричество переходит тепловая энергия, запасенная в перегретом паре, а  немалую теплоту парообразования приходится полностью передавать  в холодильник. В случае использования воды, ее температура на выходе контура охлаждения конденсатора составит не более 50 – 60 градусов, а на вход конденсатора нужно подавать воду не горячее 20 – 30 градусов. Такое соотношение делает малоинтересным использование вторичного тепла для целей отопления и почти невозможным  для кондиционирования помещений. Этому можно помочь, переходя на жидкости с более высокой температурой кипения, но при этом уменьшается КПД на этапе  выработки электроэнергии.

Если ТГР используется без электрогенератора, чисто как  источник тепла, то неплохо было бы обеспечить аппарат если не пусковым, то хотя бы эксплуатационным источником питания. Такие возможности есть, например, выпускаемый в настоящее время  висмут – теллуровый термоэлектрический модуль  (HZ-20 Thermoelectric Module http://www.hi-z.com/hz20.php ) при габаритах 75х75х5 мм на перепаде температур в 200 градусов вырабатывает 20 ватт электроэнергии с КПД в 4.5%.

Отопление и кондиционирование.

   Вряд ли прав А. Паршев, утверждая в своей работе «Почему Россия не Америка», что наша страна не конкурентоспособна по причине сурового климата на ее территории, что слишком много ресурсов уходит на капитальное строительство и обогрев зданий, на выработку тепла. Гораздо больше людей на земле страдает от жары, - потребность в холоде шире, производство холода затратнее. Даже в наших северных краях три – четыре месяца в году не мешало бы включать air-conditioner, а продуктовый холодильник в российских семьях «кушает» от трети до половины электричества. Три миллиарда «южан» могли бы очень существенно увеличить расход энергии, потребуй они «человеческих» в отношении температуры и влажности воздуха  условий в быту и на производстве.

Имея в достатке электроэнергию, нет проблем с  обогревом помещения, кондиционировать его также несложно: на получение 1000 кВт холода с помощью современных  парокомпрессионных машин (холодильный коэффициент  I= 3,0) нужно затратить около 300 кВт электроэнергии. Между тем можно получить холод,  располагая источником тепла, - для этого широко используются абсорбционные холодильные машины. У них не так велик холодильный коэффициент (I= 1.35), и температура холодной воды  на выходе всего 2 -5 град. С, зато они экологичны, не шумят, надежны и почти не потребляют дефицитное электричество. Массовый индивидуальный пользователь, на которого  рассчитан ТГР, как правило, одновременно нуждается и в тепле, и в холоде, и в электроэнергии. Соотношение между этими носителями энергии может изменяться в течение суток и в зависимости от времени года. Производить комплексно тепло, холод и электричество – это в современных терминах заниматься тригенерацией (trigeneration).

Главное достоинство новой технологии, это производство энергии на месте ее потребления, - ни одна калория не пропадет даром, не будет рассеяна в окружающее пространство. Исчезнет такое понятие, как «тепловые отходы», «некондиционное тепло», которое сейчас электростанции и атомные блоки вынуждены рассеивать в градирнях, или сбрасывать в природные бассейны потому, что это тепло нельзя продать потребителю. Так Балаковская АЭС имеющая  6 блоков по 950  мегаватт, производит 3 000 х 6 = 18 000 мегаватт тепла, большая часть которого сбрасывается в водоем. Площадь этого никогда не замерзающего рукотворного моря равнее 24 квадратным километрам (см. Википедию).

Возможны и другие варианты использования  ТГР, например, обратимость Стирлинга и включение в схему массового накопителя (1 -2 кубометра) для холодного теплоносителя позволяют исключить из схемы отдельную холодильную машину.  Между тем все эти схемы трудно будет реализовать, пока двигатели Стирлинга дороги и крупносерийно не освоены, малые турбины надо учиться делать с нуля, тоже с поршневыми паровыми машинами. А при благоприятном  развитии ситуации к концу года Росси построит завод на  1 млн. блоков, а по лицензиям Defkalion фирмы - исполнители освоят мощности еще на 0.3 млн.*N аппаратов в год.

...  11.04.12

Область применения.

Хроника событий.

Ссылки.

 [Home]     [ Glav]