Доктора физико-математических наук Виктор ПЕТРЕНКО, Павел АЛЕКСЕЕВ, Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт"

Ускорители электронов - линейные, бетатроны, микротроны, синхротроны и др. - в обыденном сознании ассоциируются с физическими экспериментами, раскрывающими загадки микромира, тайны элементарных частиц. Но эти установки уже успешно используются в практических целях, вполне оправдывая себя экономически, скажем, для повышения термостойкости кабелей, полимерных труб или стерилизации одноразовых медицинских шприцов. Правда, их широкое применение в промышленности, например, в производстве цемента, кажется сегодня экзотикой. А если попытаться заглянуть в завтра?

ОСОБЕННОСТИ ТРАДИЦИОННЫХ ПОДХОДОВ

Материально-технической базой развития общества, несмотря на бурный прогресс информатики, микро- и наноэлектроники, других новых отраслей, еще надолго останется получение строительных материалов, энергоносителей, металлов и удобрений из природного сырья. Из различных технологий с использованием традиционных носителей энергии на основе природного топлива наибольшее значение имеют те, что связаны с дегидрированием углеводородов, выщелачиванием элементов из руд, разложением воды, карбонатов, сульфидов, глинозема и др. Для получения конечного продукта необходимо прибегать к теплотехническим, металлургическим, химическим процессам. Без них не обойтись при производстве цемента, удобрений, алюминия, соды и др. А переработку исходного сырья ведут в термических печах.

Эти технологические подходы сложились еще в XIX-XX столетиях и в базовых принципах остаются неизменными до сегодняшнего дня. Дальнейшее повышение их эффективности и, соответственно, качества конечных продуктов тормозит ряд присущих традиционным методам принципиальных особенностей. Прежде всего это сжигание в огромных количествах невозобновляемого природного топлива, достигающее 40% и более от перерабатываемой массы сырья. Во-вторых, низкий КПД термического процесса (в среднем 25%). В-третьих, серьезное экологическое давление на окружающую среду, несмотря на принимаемые меры по его уменьшению (в числе таких выбросов зола, тяжелые металлы, угарный газ, окислы углерода и азота, сульфиды; в перечне негативных факторов и рассеяние теплоты в пространство вокруг предприятий). Для примера: в России только при производстве цемента (ежегодный объем - до 50 млн. т) сжигается примерно 20 млн. т природного топлива. При этом отходящие топочные газы (общий их объем достигает 20 млн. т) смешиваются с конверсионным углекислым газом (еще около 20 млн. т) и в основном выбрасываются в атмосферу.

Следующая проблема - заметное количество посторонних примесей в получаемой продукции вследствие смешивания обжигаемого сырья с топливом и его контактов с материалом конструкции печей. Это существенно снижает качество конечного продукта. Нельзя не отметить и высокую металлоемкость самих печей.

Наконец, упомянем обширную и затратную инфраструктуру, включающую обеспечение запасами топлива, большие территории под застройку заводских помещений (только для одной вращающейся печи с годовым выпуском извести 60 тыс. т требуется площадь в 6000 м²), содержание вспомогательных установок по утилизации отходов, значительную долю неквалифицированного труда и т.п.

Впрочем, дело не только в неперспективности таких химических производств, но и в их крайней изношенности в нашей стране. Так, поданным ОАО "Искитим-цемент" (Новосибирская область), износ активной части основных фондов на подавляющем большинстве предприятий в известково-цементной промышленности превысил 70%, причем в эксплуатации находится 93,5% печей со сроком службы свыше 30 лет.

Приведенные аргументы позволяют утверждать: возможности повышения эффективности выпуска продукции в рамках традиционных технологий уже в

значительной мере исчерпаны. И для России актуальна срочная модернизация этих отраслей, основанная на новых научных и инженерных подходах и, в частности, на замене природного топлива более эффективными носителями энергии. По нашему мнению, речь, как это ни экзотично звучит, должна идти о пучке заряженных частиц - ускоренных электронов.

ЭКСКУРС В РАДИОХИМИЮ

В соответствии с современными представлениями радиационной химии и химии высоких энергий различают несколько последовательных стадий взаимодействия излучения с веществом: физическую с временным интервалом от 10^-18 до 10^-15 с, физико-химическую (процесс завершается спустя 10 с после прохождения частицы через вещество) и, собственно, химическую, длительностью более 10^-11 с. При этом электроны теряют свою энергию, во-первых, на образование атомных и молекулярных ионов; во-вторых, на выбивание вторичных электронов с энергиями, достаточными для ионизации еще нескольких атомов и молекул; в-третьих, на образование возбужденных состояний* атомов и молекул; наконец, на тормозное излучение. Опуская некоторые подробности, отметим: в конденсированных средах (речь идет о таких, где каждая частица соседствует со многими другими, зависит от них и взаимодействует с ними) образуются плазмоны - коллективные возбуждения, за время существования которых (10^-16 - 10^-15 с) их энергия от 15 до 25 эВ "локализуется" на отдельных молекулах, в результате же происходит ионизация последних или они переходят в высоковозбужденные состояния.

К концу физической стадии в веществе присутствуют молекулярные ионы, электроны, "обычные" молекулы, молекулы и ионы в сверхвозбужденных состояниях. Облученное вещество в этот момент термически неравновесно и пространственно неоднородно, ибо образовавшиеся частицы формируют вдоль трека ионизирующей частицы микрообласти диаметром в несколько нанометров с высокой их локальной концентрацией. Затем, на этапе физико-химической стадии, происходит диссоциация "обычных" молекул и автоионизация сверхвозбужденных. К ее завершению вещество уже находится в состоянии теплового равновесия. А на последней (химической) стадии наблюдается окисление металлов и образование стабильных продуктов как итог соответствующих реакций.

Итак, воздействие электронного пучка на вещество приводит к тому же результату, что и нагрев, но при этом энергия "вкладывается" непосредственно и практически полностью в процессы диссоциации молекул. Именно это - основа для эффекта смещения равновесия химических реакций в сторону более низких температур. Проще говоря, преобразуемое вещество при облучении электронами не требует нагрева столь высокой степени, как в термических печах при использовании традиционных технологий.

КАКИЕ НУЖНЫ ЭЛЕКТРОНЫ?

Эффективность взаимодействия электронов с веществом зависит от их энергии и мощности пучка. Описанные выше процессы диссоциации и ионизации эффективны уже при энергии 100 кэВ. Граничным верхним значением в радиационных технологиях принято считать энергию в 10 МэВ, так как при дальнейшем ее росте в облученных веществах будет образовываться наведенная радиоактивность вследствие фотоядерных реакций. Заметим, что с ростом энергии ускоренных электронов растет и толщина облучаемого слоя вещества, однако вместе с тем увеличиваются и потери энергии первых на тормозное излучение и, как следствие, усложняется радиационная защита. Таким образом, выбор указанной верхней границы - это компромисс между толщиной облучаемого слоя вещества, потерями энергии электронов на тормозное излучение и возможностями ускорительной техники.

Для прикладного применения в качестве источника электронов наиболее приемлемы ускорители электронов, созданные в Институте ядерной физи-

* Согласно принципам квантовой механики, атомы и молекулы устойчивы лишь в некоторых стационарных состояниях, которым отвечают определенные значения энергии. Состояние с наинизшей энергией называется основным, остальные - возбужденными. При переходе атома из одного стационарного состояния в другое изменяется строение его электронной оболочки (прим. ред.).

ки им. Г. И. Будкера СО РАН (Новосибирск)* под руководством докторов технических наук Вадима Ауслендера (серия ИЛУ) и Рустама Салимова (серия ЭЛВ). Их разрабатывают, производят и поставляют заказчикам разных стран вот уже на протяжении четырех десятилетий, предлагая различные конструктивные варианты в зависимости от решаемых задач. В установках серии ИЛУ для ускорения электронов используют переменное высокочастотное электрическое поле, они предназначены для работы в диапазоне энергий 0,7÷5 МэВ при мощности пучка частиц до 50 кВт. Устройства серии ЭЛВ - постоянного тока, перекрывают диапазон энергий ускоренных электронов от 0,2 до 2,5 МэВ при мощности пучка до 400 кВт. И те, и другие просты по конструкции, предусматривают длительную эксплуатацию в промышленных условиях, полностью автоматизированы, радиационно безопасны и обладают высоким КПД (до 90%!). Возможна компоновка нескольких ускорительных модулей, что позволяет существенно увеличить объем производства и обеспечить его гибкость включением или выключением отдельных составляющих.

В упомянутом институте постоянно совершенствуют свою продукцию, одновременно наращивая мощность ускоренных пучков. Эти установки используют для различных технологических целей: очистки промышленных отходящих газов, обеззараживания сточных вод, изменения свойств веществ, в лакокрасочной промышленности и т.д.

К сожалению, хотя наша страна является пионером в разработке этих устройств, их широкое применение в основном осуществляется за рубежом: к примеру, Китай закупил в Новосибирске около 50 таких установок. А ведь их внедрение важно и для нас, особенно в гидрометаллургической промышленности**, нефтепереработке, производстве извести, цемента, алюминия, химических удобрений, соды и многих других важных продуктов.

ОТ НЕФТЕХИМИИ ДО ПЕРЕРАБОТКИ КАРБОНАТОВ

Рассмотрим некоторые из перечисленных направлений, начав с радиационно-термического крекинга тяжелых видов нефти.

В настоящее время на нефтеперерабатывающих заводах после извлечения легких фракций (бензина, керосина и т.п.) оставшиеся тяжелые (до 30%) нередко рассматриваются как отходы, поскольку существующие методы крекинга не справляются с ними. Но проблема эта решаема. Недавние эксперименты (результаты получены в 2009 г.) на мощных пучках электронов (20 кВт, 2,5 МэВ), проведенные учеными СО РАН - сотрудниками Института химии твердого тела и механохимии (Новосибирск), Института ядерной физики им. Г. И. Будкера, Института химии нефти (Томск), Новосибирского института органической химии им. Н. Н. Ворожцова, подтвердили возможность создания технологии радиационно-термического крекинга различных углеводородов с высокой скоростью процесса при пониженной температуре. И высказано предположение: для мощных ускорителей электронов (800 кВт, 5 МэВ) может быть создана рентабельная технология крекинга, эффективная при более низкой температуре, чем при традиционном способе.

Примечательно, что к новым методам стали проявлять интерес и другие отечественные научные учреждения. Например, московский Научно-исследовательский институт технической физики и автоматизации (госкорпорация "Росатом") планирует в ближайшее время развивать именно эти подходы.

Другое направление - гидрометаллургические технологии переработки трудновскрываемых урановых, золотоносных, платиновых и иных руд***. Для выще-

* См.: А. Скринский. Познание материи. - Наука в России, 2007, N 6 (прим. ред.).

** Гидрометаллургия - извлечение металлов из рудных концентратов и отходов различных производств при помощи водных растворов химических реагентов (выщелачивание) с последующим выделением металлов из растворов (например, электролизом) (прим. ред.).

*** См.: Н. Лаверов и др. Платина и самородные металлы месторождения Сухой Лог. - Наука в России, 2001, N 1 (прим. ред.).

лачивания содержащихся в них компонентов применяют растворы кислот, щелочей и солей с окислителями и восстановителями. Известны также способы интенсификации этого процесса с помощью каталитических и специальных добавок, продувки кислородом и острым паром. Однако все они связаны с дополнительными большими энергетическими и материальными затратами.

В 2003 г. мы предложили использовать пучки ускоренных электронов для изменения механических свойств рудных компонентов и инициирования химических реакций в выщелачивающих растворах. Идея была поддержана Минатомом (ныне госкорпорация "Росатом") и к выполнению работ подключили Всероссийский научно-исследовательский институт химической технологии (Москва). Вначале их проводили в нашем центре "Курчатовский институт" на сильноточном ускорителе "Факел", а в 2006 г. перенесли в московский Институт ядерных исследований РАН на ускоритель с мощностью пучка 5 кВт и энергией электронов 7 МэВ. По предложению коллег из ВНИИ химической технологии мы сосредоточили эксперименты в основном на интенсификации химических реакций наработки трехвалентного железа - самого эффективного окислителя урана.

Физико-химические основы взаимодействия электронов с водными растворами такие же, как для газов и твердых тел. Однако в первом случае интенсификация реакций существенно выше, ибо при радиолизе* водных растворов в них образуются не только выщелачивающие ионы и ионные комплексы, но и свободные кислород, перекись водорода, щелочи, другие добавки. Кроме того, в них могут протекать цепные разветвленные химические реакции. Кстати, в опытах мы наблюдали ситуации, когда жидкость мгновенно выплескивалась из сосуда, где ее облучали, что объясняется именно данными процессами. Эти особенности необходимо учитывать в исследованиях и разработке технологий электронного инициирования реакций при выщелачивании.

Нами в ходе работ была предложена принципиальная схема устройства для извлечения металлов из руд по схожей технологии. В его составе - система формирования потока раствора или пульпы, включающая емкость и установленный ниже лоток для их транспортировки в зону облучения ускорителя электронов. Скорость подачи раствора или пульпы регулируется изменением высоты расположения емкости над лотком, а толщина их слоя не должна превышать радиуса пробега электронов в данной среде (при их энергиях в 1 МэВ в водных средах она составляет около 5 мм).

Еще одно новое направление связано с разложением карбонатов (отметим, что интенсификация химических реакций в выщелачивающих растворах и разложение молекулярных компонентов твердого тела под воздействием электронного облучения - за небольшими нюансами - качественно один и тот же процесс). Этот класс веществ наиболее востребован в производстве извести, цемента, алюминия, химических удобрений, соды, других важных для народного хозяйства продуктов. В ряде опубликованных еще в 1980 - 1990-х годах трудов приведен анализ радиолиза

* Радиолиз - разложение вещества под действием ионизирующего излучения (прим. ред.).

Схема устройства для извлечения металлов из руд: 1 - ускоритель, 2 - емкость для приема исходного раствора, 3 - электронный пучок, 4 - лоток, 5 - емкость для облученного раствора.

некоторых твердых веществ, в частности, членом-корреспондентом РАН Алексеем Пикаевым (московский Институт физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина РАН) рассмотрены механизмы радиационно-химического разложения хлоратов и броматов. Эти соединения по своей структуре и энергии связи молекул наиболее близки к карбонатам. Вот почему, исходя из принципа подобия, можно утверждать: под воздействием электронов и последние будут разлагаться так же, как хлораты и броматы.

Устройство, реализующее радиационно-термический принцип разложения молекул карбонатов и спекания их с клинкерными добавками*, по нашему мнению, может быть аналогичным выше рассмотренному для жидкостных гетерогенных систем. Отличие лишь в том, что лоток заменяется на замкнутый пластинчатый транспортер с регулируемой скоростью подачи, а зону облучения необходимо заключить в колпак, соединенный со средствами откачки и направления на утилизацию конверсионных газов. Причем толщина слоя измельченного карбонатного сырья не должна превышать радиус пробега электронов с данной энергией (по нашим расчетам, при мощности пучка электронов 400 кВт мощность разложения карбоната составляет 17,6 т в сутки).

ЧТО ПОКАЗАЛИ ЭКСПЕРИМЕНТЫ?

Опытным путем подтверждена возможность радиационно-термического крекинга различных углеводородов (парафинов, высокопарафинистой нефти, гудрона) с высокой скоростью процесса при температуре около 350°C. Показано, что конверсия парафинистого сырья в легкие фракции с температурой кипения менее 200°C превышает 70%. Выход продуктов с температурой кипения ниже 300°C составляет: для предельных углеводородов - 57%, непредельных - 31, прочих углеводородов - 11%.

Экспериментально установлено: при облучении ускоренными электронами с мощностью поглощенной дозы** 2,3 кГр/с степень радиационного окисления двухвалентного железа сернокислотного раствора (концентрация железа 1 г/л, кислоты 5 г/л) достигает 95% в течение 30 с, т.е. при поглощенной дозе 69 кГр. Из этого следует: ускоритель с мощностью пучка 400 кВт и энергией 1 МэВ позволит получать 21 т/ч выщелачивающего раствора. Видимо, такой же порядок величины поглощенной дозы будет характерен и для производства других аналогичных растворов, поскольку химические процессы при их облучении подобны.

Пионером в разработке методов получения цементного клинкера в пучке ускоренных электронов из карбоната кальция стал коллектив ученых из Ленинграда (доктор технических наук Иосиф Абрамсон, кандидат технических наук Борис Волконский и др.) и Новосибирска (академик Владимир Болдырев, доктор технических наук Вадим Ауслендер и др.), которые еще в 1976 г. провели соответствующий эксперимент и получили положительные результаты. С помощью ускоренных электронов на модельных образцах они получили цемент и зафиксировали снижение температуры равновесия. К сожалению, это прорывное в области химических технологий предложение не получило тогда дальнейшего развития и поддержки со стороны государства, а в последние два десятилетия - и бизнеса.

По нашему мнению, начало работ по замене природного топлива на электронный носитель энергии даст дополнительный импульс развитию комплексных исследований в обозначенных направлениях и в перспективе приведет к полному исключению из этих и им подобных химических технологий сжигания огромного количества природного топлива и выбросов в атмосферу парникового газа. Тем самым в результате модернизации будут созданы чистые и экологически безопасные производства.

Авторы признательны сотрудникам НИЦ "Курчатовский институт" доктору физико-математических наук Николаю Знаменскому за поддержку работы и ведущему специалисту Александру Арефьеву за участие в экспериментах.

* Клинкер - промежуточный продукт при производстве цемента (прим. ред.).

** Мощность поглощенной дозы - отношение поглощенной веществом дозы излучения за данный промежуток времени к самому этому промежутку; измеряется в греях в секунду (Гр/с) (прим. ред.).

Publisher:

Permanent link for scientific papers (for citations):

Comments: