Аналитика - Актуальный вопрос

Топливо с цирконием превращает химическую энергию в электрическую с КПД 50%

16.07.08 16:54

В последние годы резко возрос интерес к диоксиду циркония в связи с проблемами энергетической безопасности многих государств. Решение этих проблем требует поиска новых альтернативных источников энергии. Такими источниками энергии могут стать топливные элементы (ТЭ), активная разработка которых ведется сейчас во всех ведущих странах мира.

В начале июля 2008 г. в г. Глазов прошел всероссийский научно-практический семинар «Керамика на основе диоксида циркония: технологии синтеза, свойства и перспективные области применения», организаторами которого выступили российский производитель ядерного топлива – Корпорация «ТВЭЛ», и ее дочернее предприятие – ОАО «Чепецкий механический завод».

Целью семинара стал обмен информацией по последним достижениям в технологии синтеза порошков на основе диоксида циркония и производства изделий из них. 95 человек-участников из ключевых научных и индустриальных центров страны посетили действующее производство технической керамики ЧМЗ.

Корпорация «ТВЭЛ» уделяет большое внимание развитию наукоемких производств новых и перспективных керамических материалов и востребованных рынком изделий из них. В настоящее время в ОАО «ЧМЗ» существует единственный в России опытный участок по производству диоксида циркония, порошков для плазменного напыления, изделий из твердых электролитов. Существующие производственные мощности загружены полностью. Исследования рынка показали необходимость расширения производства диоксида циркония, в том числе и стабилизированного, а также изделий из него.

Одним из типов ТЭ являются ТОТЭ (твердооксидные топливные элементы) с керамическим оксидным электролитом из диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия. Такие топливные элементы позволяют непосредственно превращать химическую энергию топлива в электрическую с коэффициентом полезного действия свыше 50%. Главные проблемы, которые предстоит решить для развития этого вида энергетики – это повышение срока службы и эффективности работы, снижение рабочей температуры и стоимости энергетических устройств на основе топливных ячеек.

Проблема получения оксидных нанопорошков решается в мировой практике самыми разнообразными методами (раздельно и в комбинациях). Наиболее распространенными являются: метод осаждения из растворов солей, гидротермальный метод, распылительный пиролиз, золь-гель процесс, аэрозольный метод, плазмо-химический метод, лазерный синтез, механические методы, обработка исходных материалов в факеле пламени, химические газофазные методы конденсации и другие. Каждый из этих методов имеет свои преимущества и недостатки, выбор метода получения нанопорошков диктуется перечнем свойств, которые необходимо получить в итоговом материале.

Тенденция развития мирового рынка циркониевой керамики указывает на расширение спроса на нанопорошки из диоксида циркония. Нанопорошки из диоксида циркония, обладающие уникальным сочетанием свойств, находят все более широкое применение в энергетике, металлургии, угольной и химической промышленности, авиационно-космической технике, электронике и медицине.

Диоксид циркония обладает уникальным сочетанием разнородных свойств: высокой прочностью, трещиностойкостью и износостойкостью, термостойкостью, химической устойчивостью и стабильностью к излучениям, ионной проводимостью, биологической совместимостью и др. Это определяет его широкое применение в различных отраслях промышленности и позволяет ожидать необычных эффектов в свойствах материалов на его основе при переходе к наноструктурному состоянию. Так, в области оксидной керамики снижение размеров частиц исходного порошка от микро- до нанометров позволяет не только повысить плотность и улучшить механические характеристики керамических материалов, но и существенно изменить их физические свойства, при этом изменения затрагивают основные характеристики твердого тела.

Использование стабилизированных нанопорошков диоксида циркония в производстве ТОТЭ дает целый ряд преимуществ (что в итоге приводит к сокращению удельных затрат стоимости вырабатываемой энергии), а именно:

Повышение ионной проводимости электролита
Увеличение каталитической способности анода и катода
Снижение температуры спекания
Уменьшение поляризационных потерь на интерфейсе катод-электролит
Гомогенность распределения легирующих добавок
Возможность формировать очень тонкие пленки (10-15 мкм) и другие.

Комплексная программа развития корпорации «ТВЭЛ» до 2020 года предусматривает существенное увеличение производства и расширение номенклатуры выпускаемой продукции. Для решения этих задач в ОАО «ЧМЗ» имеются ресурсы, сырьевая база, квалифицированный научно-исследовательский и технологический персонал с достаточным опытом работы в данном направлении.

Выступая перед собравшимися учеными на семинаре в Глазове, Сергей Сухарев, генеральный директор ОАО «ЧМЗ», среди преимуществ завода выделил мощную производственную базу и высокий научный потенциал сотрудников: «Многие разработки применяются на заводе уже сегодня благодаря усилиям наших научных кадров. Общение в рамках нашего семинара крайне важно, и я полагаю, что высказываемые здесь идеи и предложения найдут практический результат».

Андрей Рождествин, исполнительный директор ОАО «ТВЭЛ», отметил, что «избранный Корпорацией «ТВЭЛ» инновационный пусть развития невозможен без тесного взаимодействия с научной элитой, с теми институтами, с которыми компания исторически тесно работала».

По мнению Эдхема Курумчина, заместителя директора по научной работе Института высокотемпературной электрохимии уральского отделения Российской академии наук (ИВТЭ УрО РАН), что « семинар позволит быстрее реализовать технические решения, которые есть у науки, на производстве».

По результатам семинара было принято решение провести исследования в направлении разработки технологии получения наноматериалов на основе диоксида циркония и изделий из них, а также продолжить проведение маркетинговых исследований по расширению сфер применения высокоэффективной отечественной керамической продукции.

В свою очередь, ОАО «ЧМЗ» совместно с ОАО «ТВЭЛ» продолжит практику организации проведения рабочих совещаний с представителями заинтересованных научных и производственных организаций для обсуждения предложений по совершенствованию технологии производства керамики на основе диоксида циркония и освоению производств новых видов изделий.

Научно-практические семинары Корпорации «ТВЭЛ», проводимые впервые в истории атомной отрасли современной России, уникальны как по своему масштабу, так и по значению для отечественной промышленности и науки. Это важный шаг к возрождению традиций легендарного советского Минсредмаша, передовые позиции которого ветераны отрасли объясняют смелым новаторским подходом: время «от идеи до машины» занимало всего один – два года (в отличие от других отраслей, в которых на это требовалось около семи – восьми лет).

Корпорация «ТВЭЛ» готова вкладывать значительные финансовые ресурсы в перспективные проекты, закупку оборудования, воспроизводство и наращивание кадрового потенциала отрасли, создание новых рабочих мест. Речь идет о финансировании не только научно-исследовательских и конструкторских разработок (НИОКР), но и опытно-конструкторских разработок (ОКР), а также научно-исследовательских разработок (НИР).