способ опреснения морской воды путем дистилляции и опреснительная установка

Формула изобретения

1. Способ опреснения морской воды путем дистилляции с использованием дешевой энергии низкотемпературного ядерного синтеза, заключающийся в заборе и испарении морской воды с последующей конденсацией пара и получении воды за счет использования дешевой энергии низкотемпературного ядерного синтеза, отличающийся тем, что дешевая энергия для дистилляции морской воды производится автономным блоком низкотемпературного ядерного синтеза, входящим в состав опреснительной установки, в котором в качестве исходного реагента используют стабильные атомные ядра магния-24, облучаемые медленными нейтронами, для производства которых используют водород путем ядерной реакции (типа р, n), которую осуществляют в генераторе нейтронов, низкотемпературный ядерный синтез осуществляют путем радиационного захвата реагентом медленных нейтронов, в результате чего в ядрах реагента происходит ядерный синтез, атомные ядра магния-24 преобразуются в ядра кремния-28 и выделяется ядерная энергия, соответствующая образовавшейся разности между энергией связи прореагировавших ядер и энергией связи этих ядер в исходном состоянии, выделенную энергию преобразуют в пар, которым производят испарение морской воды по двухконтурной схеме, греющий пар проходит через испарительные камеры четырех ступеней дистилляционного опреснителя с трубчатыми нагревательными элементами при температуре пара на входе дистиллятора 105°С, способ включает следующие операции: в ядерный реактор, предназначенный для низкотемпературного ядерного синтеза, загружают реагент (магний-24), подготавливают к работе ядерный реактор, подготавливают к работе дистиллятор, включают в работу ядерный реактор и дистиллятор, в рабочем режиме контролируют температуру, давление и расход воды.

2. Опреснительная установка, предназначенная для опреснения морской воды путем дистилляции с использованием дешевой энергии низкотемпературного ядерного синтеза, представляет собой многоступенчатый дистиллятор морской воды, отличающаяся тем, что установка обеспечена собственным независимым источником ядерной энергии и не требует расхода энергии извне, для чего содержит в своем составе блок низкотемпературного ядерного синтеза, который представляет собой ядерный реактор, предназначенный для выполнения реакций низкотемпературного ядерного синтеза, содержит ядерный реактор, работающий на тепловых нейтронах с графитовым замедлителем, ядерным горючим (реагентом) служит стабильный широкораспространенный в природе изотоп магний-24, облучаемый медленными нейтронами, производимыми генератором нейтронов, входящим в состав блока низкотемпературного ядерного синтеза.

Описание изобретения к патенту

На земном шаре общие запасы воды достигают 1,5 млн км ³. Около 2% этого объема составляет пресная вода, а количество доступной для использования воды не превышает 0,003%. Доступные ресурсы пресной воды (реки, озера, искусственные водохранилища) распределены весьма неравномерно. Поэтому уже в настоящее время до 60% площади материков планеты испытывает дефицит пресной воды. Недостаток воды ощущается в 43 странах мира. В условиях растущего загрязнения воды продуктами жизнедеятельности человека и быстрого роста водопотребления "водный голод" приобретает все большую остроту. Непрерывно увеличивающийся объем промышленных, бытовых и дренажных стоков, сбрасываемых в естественные водоемы, привели в непригодность многие источники природной пресной воды. В результате развития промышленности в ближайшие годы следует ожидать образования 6000 км³ сточных вод, для разбавления которых (с учетом повышения качества очистки примерно в 2 раза) потребуется израсходовать весь мировой речной сток. Согласно прогнозам гидрологов в ближайшее десятилетие в северном полушарии будет происходить уменьшение стона рек и влажности почвы. В свою очередь это потребует увеличения норм полива сельскохозяйственных угодий. Наиболее радикальным способом ликвидации дефицита пресной воды является опреснение соленых и солоноватых вод.

Недостаток пресной воды может быть ликвидирован и подачей ее по трубопроводам или каналам из районов, в которых она имеется в избытке. Однако при значительном удалении пресноводных источников опреснение соленой воды на месте стоит дешевле пресной воды поступающей по водоводам.

Люди повсеместно нуждаются в пресной воде. Однако пресная вода распределена на поверхности Земли неравномерно. Существуют районы, содержащие избыточное количество морской воды и дефицит пресной воды.

Наиболее простым и доступным способом опреснения является выпаривание и перегонка морской воды, при котором растворенные минеральные вещества содержащиеся в морской воде в избыточное количестве выпадают в осадок. Испарившаяся вода конденсируется, после чего становится пригодной для употребления в пищу, полива растений и другого применения, где требуется ограниченное содержание минеральных солей.

Состав морской воды

(Краткий справочник по химии. Гороновский И.Т., Назаренко Ю.П., Некряч Е.Ф. 1965 г., стр.513)

(средний состав в вес.%)
O 86,82	Са 0,041	F 0,0001	Zn 5×10 -6
H 10,72	К 0,038	Si 0,00005	Ba 5×10-6
Cl 1,89	Br 0,0065	Rb 0,00002	Fe 5×10-6
Na 1,06	С 0,002	Li 0,000015	Cu 2×10-6
Mg 0,14	Sr 0,0013	N 1×10-5	As 1,5×10 -6
S 0,088	В 0,00045	I 5×10-6	P 5×10-6
Al<1×10-3	Рв 5×10-7	V 5×10-8	Ga 5×10-8
Mn 4×10-7	Se 4×10-7	Th 4×10 -8	V 3×10-8
Ni 3×10-7	Sn 3×10-7	La 3×10-8	Ce 3×10-8
Cs 2×10-7	U 2×10 -7	Bi<2×10 -8	Sc 4×10-9
Co 1×10-7	Mo 1×10-7	Hg 3×10-9	Ag 4×10-9
Ti<1×10-7	Ge<1×10-7	Au 4×10-10	Ra 1×10-14

Природная вода содержащая до 0,1% растворенных веществ называется пресной, от 0,1 до 5% - минерализованной, свыше 5% - рассолом.

К числу главных компонентов состава природных вод относятся ионы Na⁺, K⁺, Ca ²⁺, Mg²⁺, H⁺ , Cl^-, HCO₃ ^-, Co₃ ^2-, SO₄ ^2- и газы O ₂, CO₂, H₂S.

В малых количествах содержатся ионы Fe²⁺ , Fe³⁺, Mn²⁺, Br ^-, I^-, F^-, BO₂ ^-, HPO ₄ ^2-, SO₃ ^2-, HSO₄ ^-, S₂O₃ ^2-, HS^-, HSiO₃ ^-, H₂SO ₃ и газы N₂, CH₄ , He.

Остальные вещества находятся в воде в крайне рассеянном состоянии.

Вода, предназначенная для питья и хозяйственно-бытовых нужд населения, а также для коммунальных предприятий и предприятий пищевой промышленности, должна удовлетворять требованиям, предъявляемым к воде, подаваемой потребителю (ГОСТ 2874-54).

Существенным недостатком опреснения воды способом перегонки является большой расход энергии, в результате чего стоимость опресненной воды становится непомерно высокой.

Удельная теплоемкость воды с=4,19×10³ Дж/(кг·К)

Удельная теплота парообразования воды =2,26×10⁶ Дж/кг при температуре кипения =100°С

Отсюда =2,26×10⁶×2,39×10 ^-4=540 ккал/кг

1 кг бензина содержит 1,11×10 ⁴ ккал энергии.

11100/540=20,5 г бензина израсходовано на испарение 1 кг воды.

Особенно страдают от недостатка пресной воды жители засушливых стран Азии и Африки, в которых жаркое лето и мало выпадает осадков.

Неожиданно стихийное бедствие постигло жителей Приморского края в ноябре 2003 года в связи с нехваткой пресной воды. Таким образом, предложение автора о создании ряда опреснительных установок на базе низкотемпературного ядерного синтеза, позволяющего получить дешевую ядерную энергию, является весьма актуальным способом борьбы с засухой и дефицитом пресной воды в ряде стран.

Драгоценность в море

"По условиям Версальского мира Германия, проигравшая первую мировую войну, должна была выплатить державам-победительницам репарации за причиненный ущерб - астрономические суммы золотом, но где его взять? И тогда немецкий химик Гарбер предложил: "Давайте выделять его из морской воды, ведь в Мировом океане, по самым скромным подсчетам, содержится около 10.000.000.000 т благородного металла!". Однако, как ни заманчива была идея, от этого проекта пришлось отказаться, поскольку для извлечения одного килограмма золота пришлось бы затратить энергии, химикатов и т.д. на сумму, соответствующую стоимости двух килограммов ценного металла. Тем не менее идею не похоронили окончательно. Ученые продолжают изыскания и эксперименты, стараясь отыскать более дешевые способы добычи золота из Мирового океана (поиски способов ведут Япония, Франция, Китай, США). (Институт энергетических исследований ИНЭИ РАН)". (Ж. "Энергия", 2.98, с.52).

При использовании энергетической установи низкотемпературного ядерного синтеза реализация этого проекта становится осуществимой. Ориентировочные подсчеты показывают, что в этом случае стоимость производимой энергии становится примерно в 500 раз дешевле энергии, производимой современными атомными электростанциями. Следовательно, затраты на добычу золота из морской воды составят сотую долю его стоимости.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Во всем мире в 1974 г. находилось в эксплуатации порядка 800 крупных стационарных опреснительных установок суммарной производительностью около 1,3 млн м³/сут пресной воды.

В настоящее время, в соответствии с соглашением, подписанным между Марокко и Китаем, африканская страна получит от Китая ядерный реактор мощностью 10 МВт, предназначенный для работы на станции опреснения воды. Станция, которую предполагается построить на юге Марокко, будет снабжать питьевой водой примерно 70000 человек. Ныне в мире существует лишь единственная станция опреснения мореной воды с ядерным реактором в качестве источника энергии - в г.Форт - Шевченко (Казахстан). Для Шевченковской АЭС разработан энергетический реактор на быстрых нейтронах БН-350 с электрической мощностью 350 МВт. Этот реактор был введен в эксплуатацию в 1977 году и используется для получения пресной воды из Каспийского моря.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Предложенный способ опреснения морской воды путем дистилляции с использованием дешевой энергии низкотемпературного ядерного синтеза. По стоимости опресненной воды наиболее пригоден по сравнению с другими способами для опреснения больших количеств морской воды. Широкому использованию опресненной воды будет способствовать также снижение стоимости процесса от применения дешевой энергии низкотемпературного ядерного синтеза. Использование соленых и солоноватых вод имеет важное значение для России. Территория России составляет порядка 10% суши, а возобновляемых водных ресурсов (устойчивого стока рек) на эту территорию приходится всего лишь порядка 5%. Таким образом, наша страна обеспечена пресной водой примерно в два раза меньше, чем остальная часть планеты. Водные ресурсы нашей страны распределены неравномерно - в зоне, где проживает 80% населения, сосредоточено всего лишь 40% возобновляемых водных ресурсов. Прогнозы показывают, что в результате роста водопотребления различными отраслями народного хозяйства почти все речные бассейны южных районов нашей страны уже в ближайшее время будут испытывать дефицит пресной воды, который составит для Дона - 13 км³/год, для бассейна Кубани - 10 км³/год. Общий объем межбассейновых перебросок должен составить около 200 км ³.

Даже при условии строительства крупных районных водоводов для сельскохозяйственного водоснабжения понадобится 28 тыс. стационарных опреснительных установок производительностью 10-40 м³/сут.

Предложенный способ опреснения морской воды путем дистилляции с использованием дешевой энергии низкотемпературного ядерного синтеза представляет собой забор, испарение морской воды с последующей конденсацией пара и получения пресной воды за счет использования дешевой энергии низкотемпературного ядерного синтеза, отличается тем, что дешевая энергия для дистилляции морской воды производится автономным блоком низкотемпературного ядерного синтеза, входящим в состав опреснительной установки, в котором в качестве исходного реагента используют стабильные ядра (например, магний-24), облучаемые медленными нейтронами. Для производства нейтронов используют водород путем ядерной реакции (типа p, n), которая осуществляется в генераторе нейтронов.

Низкотемпературный ядерный синтез осуществляют путем радиационного захвата реагентом медленных нейтронов. Выделенную энергию преобразуют в пар, которым производят испарение морской воды по двухконтурной схеме. Греющий пар проходит через испарительные камеры четырех ступеней дистилляционного опреснителя с трубчатыми нагревательными элементами при температуре пара 105°С. Отработавший конденсат возвращается в теплообменник 2 для повторного использования.

Соленая морская вода поступает в конденсатор 3 при температуре порядка 20°С, охлаждает выходящий пар и превращает его в пресную воду, которая затем насосом 5 подается в выходной коллектор. Соленая вода поступает во входной коллектор испарительной камеры 1 ступени. В испарительной камере вода испаряется, образовавшийся пар при температуре 100°С проходит через брызгоуловитель 4 и поступает во вторую испарительную камеру при температуре 95°С, затем поступает в третью и четвертую испарительную камеру. Образовавшаяся пресная вода поступает в выходной коллектор.

Предлагаемый способ включает следующие операции:

1) В ядерный реактор, предназначенный для низкотемпературного ядерного синтеза, загружают реагент (магний-24),

2) подготавливают к работе ядерный реактор,

3) подготавливают к работе дистилляторы,

4) включают в работу ядерный реактор и дистилляторы.

В процессе работы ядерного реактора происходит облучение реагента нейтронами, производимыми генератором нейтронов, при этом осуществляется следующая цепочка ядерных реакций:

Таким образом, изменение атомного ядра магний-24 в ядро кремний-28, те на величину, соответствующую образованию альфа-частицы, выделит энергию порядка 40 МэВ, тогда как образование альфа-частицы путем слияния трития с дейтерием в термоядерном синтезе выделит энергию всего лишь 17,8 МэВ.

В этой цепочке ядерных реакций для производства ядерной энергии использованы 4 реакции радиационного захвата медленных нейтронов и 2 реакции преобразования нейтронов в протоны. Все реакции экзотермические (с выделением ядерной энергии). Следует обратить внимание, что электрический заряд ядра увеличился на 2 единицы, хотя в атомное ядро положительные заряды не вводились, а облучение производили только нейтральными нейтронами. Такая цепочка ядерных реакций и получила название "низкотемпературный ядерный синтез".

В 1 кг реагента ₁₂Mg ²⁴ содержится 6·10²⁶/24=2,5·10 ²⁵ атомных ядер. Если в сутки реактор расходует 1 кг реагента, то каждое прореагировавшее ядро выделяет 40,1 МэВ энергии. 1 кг прореагировавшего реагента выделит 2,5·10 ²⁵·40,1=10·10²⁶ МэВ энергии или 10·10²⁶·3,83·10 ^-17=3,83·10¹⁰ ккал, что соответствует сжиганию 3,48 тыс. тонн бензина.

Для сравнения, 1 кг урана-235 в процессе деления выделяет энергию (6·10 ²⁶/235)194=4,95·10²⁶ МэВ, что эквивалентно сжиганию 1800 тонн бензина.

В предложенном способе низкотемпературного ядерного синтеза кулоновский барьер атомного ядра не подвергается никаким силовым воздействиям, характерным для класса "Б" термоядерного синтеза, а также атомные ядра не изменяют своего энергетического состояния, характерного для класса "А". Механизм преодоления кулоновского барьера заключается в том, что один из реагентов (₁₂ Mg²⁴) выполнен в виде мишени и помещен в активную зону реактора. Второй реагент представлен в качестве нейтронов, излучаемых специальным генератором нейтронов. Нейтроны замедляются, облучают реагент, и происходит радиационный захват нейтронов ядрами реагента. Медленные нейтроны беспрепятственно проходят через кулоновский барьер, не требуя изменения энергетического состояния или силового воздействия на кулоновский барьер. Затем избыточная энергия захваченных ядром нейтронов превращается в протоны. Захваченные нейтроны и образовавшиеся протоны группируются, образуя спаренные частицы (p-n) и четверки нуклонов (два протона + два нейтрона), затем эти вновь образованные промежуточные ядра сливаются с исходным ядром реагента (осуществляется синтез). Результатом этих реакций является образование новых ядер в соответствии с существующим определением ядерного синтеза (см. Физическая энциклопедия. Т.5, изд. 1998 г., с.104).

Проверим справедливость полученных результатов.

В соответствии с законом сохранения энергии выделенная энергия должна соответствовать изменению (увеличению) энергии связи ядра в процессе ядерных реакций.

Известно, что энергия связи магния-24 равна 199,3 МэВ, энергия связи кремния-28 равна 273,8 МэВ. Отсюда энергия связи в процессе реакций изменилась на 273,8-199,3=38,5 МэВ + преобразование 2 нейтронов в протоны (0,8·2=1,6 МэВ). Итого имеем 38,5+1,6=40,1 МэВ; что соответствует расчетам.

Достоинствами этого способа производства ядерной энергии являются

1) Калорийность ядерного горючего в миллион раз превышает калорийность бензина.

2) Запасы предлагаемого ядерного горючего беспредельны и распределены в земной коре равномерно повсеместно, могут обеспечить любой неблагополучный регион собственной ядерной энергией на многие века.

3) Ядерное горючее не радиоактивно и не производит радиоактивные продукты.

4) Стоимость производимой энергии в сотни раз дешевле стоимости энергии, производимой современными электростанциями (ориентировочно в 500 раз).

5) Ядерные реакции успешно протекают при естественных температурных условиях и не требуют высокого нагрева.

6) Ядерные установки обладают высокой надежностью, взрывобезопасностью, безопасностью в отношении радиоактивного загрязнения окружающей среды отходами ядерной промышленности.

И др.

2. ОПРЕСНИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА предназначена для опреснения морской воды путем дистилляции с использованием дешевой энергии низкотемпературного ядерного синтеза. Такая установка обеспечена собственным независимым источником ядерной энергии и не требует расхода энергии извне.

В состав опреснительной установки входят:

1) блок низкотемпературного ядерного синтеза с генератором нейтронов,

2) многоступенчатый дистиллятор морской воды.

Блок низкотемпературного ядерного синтеза представляет собой ядерный реактор, предназначенный для выполнения реакций низкотемпературного ядерного синтеза. Он работает на тепловых нейтронах с графитовым замедлителем. Ядерным горючим (реагентом) служит стабильный широко распространенный в природе изотоп магний-24. Активная зона реактора представляет графитовую емкость, в которой расположены следующие элементы (см. фиг.3)

пластины исходного реагента (магний-24)	(1)
замедлитель нейтронов (графит)	(2)
трубки, по которым циркулирует теплоноситель	(3)
выход генератора нейтронов	(4)

Функционально работа реактора заключается в том, что пластины исходного реагента облучаются потоком медленных нейтронов излучаемых генератором нейтронов. Образованные генератором нейтроны, прежде чем прореагировать, проходят через замедлитель, где замедляется скорость потока нейтронов до требуемой энергии, соответствующей максимальному сечению радиационного захвата нейтронов в ядерном реакторе, ядром исходного реагента. Под действием радиационного захвата нейтронов в ядерном реакторе происходит низкотемпературный ядерный синтез, состоящий в том, что избыточная часть накопившихся нейтронов превращается в протоны и объединяется с остальными захваченными нейтронами, образуя ядра дейтерия и гелия, которые затем сливаются с исходным ядром реагента. Происходит выделение энергии за счет увеличения энергии связи между нуклонами. В процессе реакции низкотемпературного ядерного синтеза расходуются только нейтроны, служащие строительным материалом для увеличения состава ядра, но новые поколения нейтронов не рождаются, как это происходит при делении тяжелых атомных ядер в реакторах современных атомных электростанций. Поставлять нейтроны вынуждены с помощью специального генератора нейтронов.

Одним из возможных способов получения достаточно мощного потока нейтронов необходимой интенсивности, не прибегая к использованию расщепляющихся материалов с тяжелыми ядрами, является применение преобразования протонов в нейтроны, на что требуется затрата энергии в пределах 2 МэВ на производство каждого нейтрона. Для этого используют ускоритель протонов с применением циклотронов. Для реализации ускорителя протонов, получают множество протонов, нагревая газообразный водорода температуры при которой ядра водорода, т.е. отдельные протоны освобождаются от их электронной оболочки. Поскольку все протоны заряжены положительно, электрическое поле будет разгонять их по прямой линии в то время, как магнитное поле изгибает пути протонов, превращая их в окружности. Комбинируя электрическое и магнитное поля, можно ускорять протоны, движущиеся по окружности, до необходимых энергий и направлять их в нужную сторону (например, с выхода блока преобразования протонов в нейтроны непрореагировавшие протоны можно вернуть на вход ускорителя протонов, ускорить их и повторить выполнение реакций, увеличивая выход нейтронов). Когда протоны приобретут достаточную энергию (2,5 МэВ), их направляют на мишень, роль которой может играть пластина из лития-7, бора-11, меди-63 и др. Реакция (p, n) состоит в том, что протоны и нейтроны меняются местами. Примеры реакций:

₃Li ⁷(p,n)₄Be⁷; ₅B"(p,n)₆C";

₂₉Cu⁶³(p,n) ₃₀Zn⁶³; и др.

Для увеличения выхода реакции используют цепь обратной связи. Протоны, непрореагировавшие в первом цикле и потерявшие часть кинетической энергии на возбуждение электронной оболочки ядер, выделяют из блока преобразования протонов в нейтроны под действием электрического и магнитного полей и направляют их повторно на вход ускорителя, где производят их ускорение до необходимой энергии и повторно направляют в блок преобразования протонов в нейтроны. Так повторяется многократно, что увеличивает выход реакции (см. фиг.4).

С выхода блока преобразования протонов в нейтроны, нейтроны через тонкую мембрану, отделяющую их от протонов, поступают в область реактора, в которой находится реагент и где происходит низкотемпературный ядерный синтез.

Для уменьшения непроизводительных расходов нейтронов активная зона реактора ограничена отражателями 8 (фиг.3) нейтронов, в качестве отражателей нейтронов используют графитовые пластины и графитовую обмазку. Энергия, производимая блоком низкотемпературного ядерного синтеза, дешевле энергии, производимой современными АЭС, в 400-700 раз.

Блок дистилляции морской воды многоступенчатый с трубчатыми нагревательными элементами (фиг.6) содержит следующие элементы:

испарительные камеры	1
трубчатые нагревательные элементы	2
концевой конденсатор	3
брызгоулавливатель	4
насос	5

Многоступенчатый испаритель состоит из ряда последовательно работающих испарительных камер с трубчатыми нагревательными элементами. Нагреваемая соленая вода движется внутри трубок нагревательного элемента, греющий пар конденсируется на внешней их поверхности.

Нагрев и испарение морской воды в первой ступени осуществляют паром, поступающим от блока низкотемпературного ядерного синтеза с температурой на входе 105°С. Греющим паром следующих ступеней служит вторичный пар предыдущей испарительной камеры. Соленая вода проходит последовательно, от последовательного к первому испарительному элементу, через конденсаторы, встроенные в испарительные камеры, нагреваясь за счет тепла конденсации, поступает в головной подогреватель, нагревается выше температуры кипения воды в первой испарительной камере, где вскипает. Затем пар конденсируется на поверхности трубок конденсатора, а конденсат стекает в поддон и насосом откачивается потребителю. Неиспарившаяся вода перетекает через гидрозатвор в следующую камеру с более низким давлением, где она снова вскипает, и т.д. Расход тепла на получение 1 кг пресной воды в одноступенчатом дистилляционном опреснителе составляет около 2400 кДж; рекуперация тепла фазового перехода в многоступенчатом опреснителе позволяет снизить расход тепла на 1 кг пресной воды до 250-300 кДж.

ПЕРЕЧЕНЬ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1. Состав опреснительной установки.

Фиг.2. Блок низкотемпературного ядерного синтеза. Структурная схема.

1) Ядерный реактор,

2) теплообменник,

3) насосы,

4) биологическая защита.

Фиг.3. Ядерный реактор.

1) Пластины исходного реагента (магний-24),

2) замедлитель нейтронов,

3) трубки, по которым циркулирует теплоноситель,

4) выход генераторов нейтронов,

5) управляющие стержни,

6) элементы генератора нейтронов,

7) корпус реактора,

8) отражатель нейтронов.

Фиг.4. Генератор нейтронов. Структурная схема.

1) Ускоритель протонов,

2) схема преобразователя протонов в нейтроны,

3) схема выделения протонов,

4) схема обратной связи.

Фиг.5. Схема ускорения и преобразования протонов на циклотроне.

1) Емкость с водородом,

2) подогреватель,

3) путь движения водорода низкой энергии,

4) схема отделения электронов от ядер водорода в электрическом поле,

5) циклотрон,

6) дуанты,

7) радиочастотный генератор,

8) мишень преобразователя протонов в нейтроны,

9) отражатель протонов.

Фиг.6. Схема блока дистилляции морской воды.

1) Испарительные камеры,

2) трубчатые нагревательные элементы,

3) концевой конденсатор,

4) брызгоулавливатель,

5) насосы.

СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА ОПРЕСНЕНИЯ МОРСКОЙ ВОДЫ ПУТЕМ ДИСТИЛЛЯЦИИ И ОПРЕСНИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ.

1. Способ опреснения морской воды путем дистилляции включает следующие операции.

1) Подготовка установки для проведения работ по опреснению морской воды.

Производят осмотр блоков, загружают исходный реагент в ядерный реактор, заправляют до нормы теплоноситель, производят опробование функционирования узлов ядерного реактора без подачи нейтронов, производят проверку готовности к работе дистиллятора, производят проверку работы системы управления, производят проверку системы защиты и других вспомогательных систем.

2) Включение установки.

Производят включение системы защиты, производят включение системы автоматического управления, производят включение теплоносителя, производят включение генератора нейтронов, после чего возбуждаются реакции низкотемпературного ядерного синтеза, и устанавливают режим работы ядерного реактора. Во время включения блока низкотемпературного ядерного синтеза в работу устанавливают такую подачу водорода, чтобы ядерный реактор при выходе в рабочий режим производил минимальную мощность вырабатываемой энергии при устойчивой работе без срывов. Затем плавно увеличивают мощность до заданного уровня, контролируя работу всех узлов блока. После выхода блока низкотемпературного ядерного синтеза на рабочий режим его нагружают дистиллятором.

3) Рабочий режим.

В рабочем режиме осуществляют опреснение морской воды способом дистилляции, используя дешевую энергию низкотемпературного ядерного синтеза. В этом режиме производят контроль за работой узлов и системе установки и выполнением технологических процессов дистилляции морской воды, контролируют температуру, давление воды и расход воды. При необходимости уменьшить мощность производимой энергии блоком низкотемпературного ядерного синтеза, уменьшают подачу водорода, снижения плотности его потока, а для ее увеличения увеличивают плотность потока водорода.

4) Режим останова.

Для останова и включения установки снижают мощность производимой энергии до минимальной, отключают дистиллятор, выключают генератор нейтронов. После этого прекращаются реакции низкотемпературного ядерного синтеза.

2. Опреснительная установка для опреснения морской воды представляет собой многоступенчатый дистиллятор, питание которого тепловой энергией производят автономным блоком низкотемпературного ядерного синтеза.

В состав опреснительной установки входят:

1) блок низкотемпературного ядерного синтеза с генератором нейтронов,

2) многоступенчатый дистиллятор морской воды.

Блок низкотемпературного ядерного синтеза помещен в толстостенную бетонную конструкцию, служащую защитой обслуживающего персонала и окружающей среды от радиоактивных излучений, возникающих в активной зоне ядерного реактора. Он представляет собой ядерный реактор и состоит из следующих функциональных элементов (см. фиг.3)

- реагента 1, пластины которого равномерно распределены по рабочему объему активной зоны реактора;

- теплоносителя, циркулирующего по тонкостенным трубкам 3; трубки теплоносителя расположены в непосредственной близости от пластин реагента, по трубкам движется дистиллированная вода или жидкий металл, охлаждающие пластины реагента и отводящие тепловую энергию от реагента в теплообменник 2 (фиг.2);

- замедлителя нейтрона 2 (фиг.3);

- отражателя нейтронов 8 -"-"-;

- управляющих стержней 5 -"-"-.

Температура воды в первом контуре теплоносителя 280°С.

Давление в первом контуре 10 МПа, расходы воды через реактор 37500 т/ч.

КПД тепловой 95%.

Блок дистилляции морской воды (фиг.6) представляет собой типовой многоступенчатый дистиллятор морской воды.

Состоит из:

1) испарительных камер,

2) трубчатых нагревательных элементов,

3) концевого конденсатора,

4) брызгоулавливателя,

5) насосов.

Нагрев и испарение морской воды в первой испарительной камере осуществляют греющим паром, поступающим из теплообменника 2 (фиг.2) блока низкотемпературного ядерного синтеза с температурой на входе 105°С. Греющим паром следующих ступеней служит вторичный пар предыдущей испарительной камеры.

Соленая вода проходит последовательно от последнего к первому испарительному элементу через конденсаторы, встроенные в испарительные камеры, нагреваясь за счет тепла конденсации, поступает в головной подогреватель, нагревается выше температуры кипения воды в первой испарительной камере, где вскипает. Затем пар конденсируется на поверхности трубок конденсатора, а конденсат стекает в поддон и насосом откачивается потребителю. Неиспарившаяся вода перетекает через гидрозатвор в следующую камеру с более низким давлением, где она снова вскипает, и т.д. Расход тепла на получение 1 кг пресной воды в одноступенчатом дистилляционном опреснителе составляет около 2400 кДж; рекуперация тепла фазового перехода в многоступенчатых опреснителях позволяет снизить расход тепла на 1 кг пресной воды до 250-300 кДж.

Таким образом, опреснительная установка, расходуя в сутки 1 кг реагента может произвести 900 тыс. тонн пресной воды и обеспечить 6 миллионов человек из расчета 150 кг/чел.

ЛИТЕРАТУРА

1) Физическая энциклопедия. БРЭ, т.5, изд. 1995 г.

2) К.Н.Мухин. Экспериментальная ядерная физика. М., 1983 г.

3) И.Я.Емельянов и др. Конструирование ядерных реакторов. М., 1982 г.

4) Атомная энергия. Краткая энциклопедия. М., 1985 г.

5) Климов А.Н. Ядерная физика и ядерные реакторы. 1985 г.

6) Апельцин И.Э., Клячко В.А. Опреснение воды. М., 1986 г.

7) Павлов Ю.В. Опреснение воды. М., 1972 г.

8) Евсюков Г.А. Патент №2128374. Управляемый источник энергии на использовании низкотемпературного ядерного синтеза. Способ осуществления низкотемпературного ядерного синтеза (варианты). Бюл. №9, 27.03.1999 г.