Изготовление компактной водородной: комиксы, гиф анимация, видео, лучший интеллектуальный юмор.

«Абсолютное оружие»: как делали водородную бомбу

60 лет назад, 12 августа 1953 года, Советский Союз успешно испытал на полигоне под Семипалатинском первую в мире термоядерную (водородную) бомбу.

«Отцами» водородной бомбы считают Эдварда Теллера и Андрея Сахарова. Но были и другие, чей вклад оказался незаслуженно забыт.

В советском атомном проекте важнейшую роль играла разведка. В случае с водородной бомбой американцы и русские работали параллельно и доходили до всего в основном самостоятельно.

«Супербомба»

Взрыв прогремел в 07.30 утра по местному времени.

Главный куратор ядерного проекта Лаврентий Берия к тому времени сидел в бункере командования Московского округа ПВО, ожидая расстрела. Испытанием руководили академик Игорь Курчатов и первый заместитель министра среднего (атомного) машиностроения Авраамий Завенягин.

Бомба, как обычно делалось в подобных случаях, была установлена на верхушке стальной башни.

Кнопку на пульте нажал 32-летний физик Александр Захаренков, впоследствии доросший до заместителя главы минсредмаша.

Строго говоря, первый успешный термоядерный взрыв осуществили американцы 1 ноября 1952 года на тихоокеанском атолле Эниветок. Но устройство «Айви Майк» представляло собой конструкцию размером с трехэтажный дом и весом 62 тонны, а в СССР создали именно бомбу, пригодную для транспортировки тогдашним основным дальним бомбардировщиком советских ВВС «Ту-16».

Зато мощность советского заряда была сравнительно невелика: 400 килотонн против 10,4 мегатонны у американцев. Но и это равнялось 35 «хиросимам» или 40 тысячам наиболее тяжелых авиабомб Второй мировой войны.

Самый мощный термоядерный взрыв мощностью в 15 мегатонн, практически стерший с лица земли атолл Бикини, американцы произвели 28 февраля 1954 года, а на вооружении имели 24-мегатонные заряды.

Раз и, как выяснилось, навсегда обогнать конкурентов по мощности зарядов советские конструкторы смогли в 1961 году, испытав на Новой Земле 58-мегатонную «кузькину мать».

Последствия термоядерных взрывов поражали воображение. Воронка от «Айви Майка» была диаметром в две мили, а «гриб» поперечником в 13 километров поднялся в стратосферу. Поток нейтронов был настолько велик, что удалось открыть два новых трансурановых элемента — эйнштейний и фермий.

Взрыв в августе 1953 года был единственным термоядерным испытанием в атмосфере в истории Семипалатинского полигона, но на его долю пришлись 82% выброшенного в окружающую среду стронция-90 и 75% цезия-137. Из-за этого дальнейшие испытания пришлось перенести на Новую Землю.

С подачи англоязычных журналистов водородные бомбы в мире именовали также «супербомбами». Технически их мощность не ограничена ничем. «Кузькина мать» создавалась в расчете на 100 мегатонн, но силу заряда искусственно снизили почти вдвое, чтобы, как пошутил Хрущев, не перебить все стекла в Москве.

Рукотворное солнце

Реакция деления тяжелых ядер, лежащая в основе атомной бомбы, встречается в природе лишь в виде вялотекущего и незаметного без специальных приборов распада радиоактивных элементов. Термоядерный взрыв, напротив, является имитацией в земных условиях самого распространенного процесса во Вселенной — синтеза легких элементов в более тяжелые, миллиарды лет идущего в недрах звезд.

Конкретно, речь идет о возникновении одного атома гелия и одного нейтрона из двух атомов дейтерия — изотопа водорода. В другом варианте атом дейтерия сливается с атомом трития, порождая нейтрон и тяжелый изотоп гелия. В результате выделяется в 4,2 раза больше энергии, чем при делении ядер такой же массы урана-235. По эффективности этот процесс уступает лишь аннигиляции вещества и антивещества, которая в земных условиях наблюдалась лишь на уровне элементарных частиц.

Естественное состояние дейтерия — газ. Решить проблему удалось после того, как будущий академик и Нобелевский лауреат Виталий Гинзбург в ноябре 1948 года предложил начинить заряд дейтеридом лития-6 — твердым соединением дейтерия с изотопом лития.

В первых американских водородных бомбах применялся дейтерий, охлажденный до -250 градусов, что создавало огромные трудности. Узнав о находке Гинзбурга, физики в Лос-Аламосе заметили: «Вместо огромной коровы с ведром молока русские используют упаковку молока сухого».

Но главная сложность заключалась в том, что для начала термоядерной реакции дейтерий необходимо сжать до плотности и разогреть до температуры, существующей в недрах звезд.

Плутониевая бомба, сама по себе способная разрушить город, в водородной бомбе используется только в качестве детонатора.

Принцип ядерного деления был понятен ученым с начала XX века. При создании атомной бомбы главным камнем преткновения оказалось обогащение урана. Работа над водородной бомбой стала настоящей интеллектуальной гонкой, породив новые научные дисциплины: физику высокотемпературной плазмы, физику сверхвысоких энергий, физику аномальных давлений, теорию первичного нуклеосинтеза в космологии ранней вселенной.

Впервые пришлось прибегнуть к математическому моделированию. В распоряжении американцев с 1949 года имелись компьютеры. В СССР гигантское количество вычислений произвели сотни математиков с примитивными арифмометрами.

Приспособить атом для мирных целей удалось уже в 1954 году. «Термояд», который, как широко ожидалось в 1960-х и 1970-х годах, решит все энергетические проблемы человечества, не запускается до сих пор. «Рукотворное солнце» не удается удерживать в магнитной ловушке в течение длительного времени.

Полет фантазии

Впервые идея водородной бомбы в общих чертах пришла в голову британскому физику Фредерику Содди. Пообщавшись с ним, Герберт Уэллс в 1913 году издал роман «Освобожденный мир», в котором весьма достоверно описал ядерную бомбардировку Парижа немцами в середине ХХ века, впервые в истории использовал термин «атомная бомба» и присовокупил, что «это лишь предтеча более страшных устройств». Корифеи науки — Эрнест Резерфорд, Нильс Бор и Альберт Эйнштейн — посмеялись над фантазиями дилетанта.

В 1920 году англичанин Артур Эддингтон и француз Жан Перрен независимо друг от друга доказали, что горение звезд вызвано термоядерной реакцией, и вновь заявили о возможности ее военного использования.

В 1938 году в Германии к идее водородной бомбы приблизился Карл фон Вайцзекер, младший брат будущего президента ФРГ Рихарда фон Вайцзекера.

В 1942 году Энрике Ферми рассказал о водородной бомбе молодому венгерскому физику, в 1935 году эмигрировавшему в США, Эдварду Теллеру. Для Ферми это была лишь интеллектуальная головоломка, но Теллер увлекся настолько, что начал заниматься соответствующими изысканиями в ущерб основной работе, за что ему неоднократно пенял руководитель «манхэттенского проекта» Роберт Оппенгеймер.

Руководители обеих сверхдержав некоторое время не понимали, зачем им еще и водородная бомба, когда на подходе атомная.

После завершения «манхэттенского проекта» большинство его участников поспешили избавиться от надоевшей им секретности и разъехались по университетам. Научному центру в Лос-Аламосе грозило закрытие. Теллер, обладавший, помимо научного, незаурядным лоббистским даром и являвшийся, в отличие от большинства коллег, убежденным антикоммунистом и патриотом Америки, сумел заинтересовать администрацию Трумэна новой перспективой.

Первое время проект считался венчурным, больших средств на него не выделялось. Соответствующую директиву президент Трумэн подписал лишь 31 января 1950 года, а буквально через несколько недель выяснилось, что Теллер сильно ошибся в расчетах, недооценив степень необходимого сжатия дейтерия.

Плечо подставил молодой математик, поляк по национальности, Станислав Улам, предложивший технологию имплозионного (взрывом внутрь) сжатия дейтерия перед разогревом.

О том, что американцы работают над термоядерной бомбой, в Москве узнали из данных разведки летом 1946 года, но на первых порах идею не оценили, отчасти из-за общеизвестного скептического отношения к ней Нильса Бора, считавшегося непререкаемым авторитетом.

По имеющимся данным, в отличие от «атомного» проекта, советская разведка не имела информаторов непосредственно в группе Теллера.

Начало создания советской термоядерной бомбы относится к лету 1948 года.

«В последних числах июня Игорь Евгеньевич Тамм с таинственным видом попросил остаться после семинара меня и другого своего ученика, Семена Захаровича Беленького. Когда все вышли, он плотно закрыл дверь и сделал ошеломившее нас сообщение. В ФИАНе [Физическом институте Академии наук СССР] по постановлению Совета Министров и ЦК КПСС создается исследовательская группа. Он назначен руководителем группы, мы оба ее члены. Задача группы — теоретические и расчетные работы с целью выяснения возможности создания водородной бомбы», — писал в воспоминаниях Андрей Сахаров.

Прославленные и забытые

После испытания 12 августа 1953 года Курчатов низко поклонился 32-летнему Сахарову: «Тебе, спасителю России, спасибо!»

По оценкам специалистов, в США роль Улама как ученого и конструктора была не меньше, чем Теллера. В СССР огромный вклад внесли научный руководитель Сахарова Игорь Тамм, Лев Ландау, Яков Зельдович и Виталий Гинзбург.

Личной и безусловной заслугой Сахарова является выдвинутая им в 1949 году идея «слойки»: размещения плутониевого заряда не в одной точке, а слоями, перемежающимися с топливом синтеза. Таким образом, он задумался о проблеме сжатия дейтерия и нашел ее оригинальное решение на год раньше американцев.

Находка Сахарова помогла создать боевую бомбу за год до назначенного правительством срока. В этом смысле он действительно оказался «спасителем» — не столько России, сколько Курчатова и других руководителей проекта от начальственного гнева. Однако «слойка» резко ограничивала мощность заряда.

«Все, что мы делали до сих пор, никому не нужно. Но я уверен, что через несколько месяцев мы достигнем цели», — заявил коллегам после американского испытания на Бикини Игорь Тамм.

Еще в конце 1953 года физик Виктор Давиденко предложил располагать плутониевую бомбу и термоядерный заряд в отдельных объемах, самостоятельно придя к тем же выводам, что и Улам.

К 1955 году технология была доработана Сахаровым, Зельдовичем, Трутневым и Франк-Каменецким. С тех пор советские и американские водородные бомбы создавались по одному принципу.

Ученый и гуманист

Судьба Андрея Сахарова была исключительной: он вошел в историю дважды, как великий ученый и не менее великий политик.

Обычная двухкомнатная квартира в Нижнем Новгороде, где жил в ссылке опальный академик, превращена в музей. По словам его сотрудников, посетителей много, но гостей, особенно молодых, больше интересует создание водородной бомбы, чем Сахаров-правозащитник.

Советская пропаганда любила обвинять диссидентов, помимо прочего, и в том, что они-де ничтожества и неудачники, ищущие дешевой популярности. Про светило мировой физики, трижды Героя Социалистического Труда, осыпанного всеми мыслимыми благами, этого нельзя было сказать даже при сильном желании.

По словам самого Сахарова, в молодости он был бесконечно далек от политики и думал только о воплощении научных идей.

Его диссидентство началось с банкета по поводу очередного испытания в Семипалатинске. Сахаров предложил тост «за то, чтобы наши «изделия» всегда успешно взрывались над полигонами и никогда над городами». Повисло неловкое молчание, словно он сморозил непристойность. Потом старший по званию из военных маршал артиллерии Митрофан Неделин рассказал анекдот: «Лежит старуха на печи, а дед молится перед образами: «Господи, укрепи и направь!» Бабка подает голос: «Ты, старый, молись только об укреплении, а направить я и сама сумею!»

Тогда, вспоминал Сахаров, он и ужаснулся тому, с кем имеет дело.

Последней каплей для властей стала критика Сахаровым советского вторжения в Афганистан. Из всех регалий у него осталось только звание академика.

По уставу, исключить человека из Академии могло только общее собрание, причем тайным голосованием. Даже несколько «белых шаров» выглядели бы как оппозиция советской власти, и политбюро предпочло не связываться.

Когда во время обсуждения кто-то сказал, что в России подобных случаев не было, Сергей Капица заметил, что в мире один прецедент имеется: Гитлер исключил из академии наук Эйнштейна.

Всемирно известного астрофизика Иосифа Шкловского за дружбу с Сахаровым лишили научной командировки в Париж, объявив принимающей стороне, что он заболел. Примерно через полгода французский коллега приехал в Москву и при встрече со Шкловским спросил, как тот себя чувствует.

«У меня диабет — слишком много Сахарова!» — ответил он.

Абсолютное оружие

Сталин не дожил до испытания термоядерной бомбы пяти месяцев и недели.

Историки усматривают явную связь между первым советским атомным взрывом и началом войны в Корее. Можно лишь гадать, что последовало бы за приобретением СССР водородной бомбы, оставайся старый диктатор у власти.

Возможность применения атомных бомб и американские, и советские стратеги рассматривали хотя бы теоретически. Водородная бомба, способная убивать людей уже не сотнями тысяч, а десятками миллионов, изначально рассматривалась как «оружие Судного дня», предназначенное не для использования, а для взаимного сдерживания. Международные отношения и военное искусство изменились кардинально и навсегда.

В соответствии с гегелевской диалектикой, самое могучее оружие в истории оказалось бесполезным. Тенденция достигла предела и превратилась в свою противоположность.

Супербомбу называли символом людского могущества и безумия. Мысль о том, что человечество впервые оказалось способно нажатием кнопки совершить самоубийство или вовсе уничтожить планету, вселяла ужас вкупе с извращенной гордостью.

До сих пор ходят упорные, хотя и не подтвержденные документально слухи, будто во время испытания «кузькиной матери» рукотворное солнце полыхало значительно дольше, чем предусматривалось расчетами, и советские физики, равно как и американцы, наблюдавшие за испытанием с разведывательных самолетов, натерпелись страху, вспомнив теоретические выкладки Нильса Бора.

Великий физик предсказывал, что при определенной мощности термоядерная реакция может приобрести положительную динамику, то есть начать всасывать и перерабатывать в гелий водород из атмосферы и Мирового океана, пока вся Земля на окажется покрыта спекшейся каменной коркой.

Так это было или нет, но менее чем через два года Вашингтон и Москва подписали первое соглашение по контролю над вооружениями — Московский договор 1963 года о запрещении атмосферных, подводных и космических ядерных испытаний.

По мере роста числа и повышения эффективности носителей ядерного оружия увлечение единичными зарядами с поражающей воображение мощностью утратило актуальность. Аналогов «кузькиной матери» больше не выпускали. По мере истечения срока годности и США, и СССР отказались от гигантских термоядерных бомб как оружия варварского и непрактичного. В ходе переговоров учитывались количество боеголовок и носителей, их точность и степень уязвимости, но не мегатоннаж.

Современная стратегия делает ставку на высокоточные неядерные боеприпасы. Максимальная мощность находящихся на вооружении термоядерных зарядов составляет одну мегатонну. По мнению большинства военных специалистов, и это чрезмерно.

Артем Кречетников
Би-би-си, Москва 

Водородная бомба — современное оружие массового поражения

В мире существует немалое количество различных политических клубов. Большая, теперь уже, семерка, Большая двадцатка, БРИКС, ШОС, НАТО, Евросоюз, в какой-то степени. Однако ни один из этих клубов не может похвастаться уникальной функцией – способностью уничтожить мир таким, каким мы его знаем. Подобными возможностями обладает «ядерный клуб».

Ядерный клуб

На сегодняшний день существует 9 стран, обладающих ядерным оружием:

• США;
• Россия;
• Великобритания;
• Франция;
• КНР;
• Индия
• Пакистан;
• Израиль;
• КНДР.

Страны выстроены по мере появления у них в арсенал ядерного оружия. Если бы список был выстроен по количеству боеголовок, то Россия оказалась бы на первом месте с ее 8000 единицами, 1600 из которых можно запускать хоть сейчас. Штаты отстают всего на 700 единиц, но «под рукой» у них на 320 зарядов больше.«Ядерный клуб» — понятие сугубо условное, никакого клуба на самом деле нет. Между странами есть ряд соглашений по нераспространению и сокращению запасов ядерного оружия.

Ядерный клуб

Ядерное оружие

Первые испытания атомной бомбы, как известно, произвела США еще в 1945. Это оружие было испытано в «полевых» условиях Второй Мировой на жителях японских городов Хиросима и Нагасаки. Они действуют по принципу деления. Во время взрыва запускается цепная реакция, которая провоцирует деления ядер на два, с сопутствующим высвобождением энергии. Для этой реакции в основном используют уран и плутоний. С этими элементами и связаны наши представления о том, из чего делаются ядерные бомбы. Так как в природе уран встречается лишь в виде смеси трех изотопов, из которых только один способен поддерживать подобную реакцию, необходимо производить обогащение урана. Альтернативой является плутоний-239, который не встречается в природе, и его нужно производить из урана.

Если в урановой бомбе идет реакция деления, то в водородной реакция слияния — в этом суть того, чем отличается водородная бомба от атомной. Все мы знаем, что солнце дает нам свет, тепло, и можно сказать жизнь. Те же самые процессы, что происходят на солнце, могут с легкостью уничтожать города и страны. Взрыв водородной бомбы рожден реакцией синтеза легких ядер, так называемого термоядерного синтеза. Это «чудо» возможно благодаря изотопам водорода – дейтерию и тритию. Собственно поэтому бомба и называется водородной. Также можно увидеть название «термоядерная бомба», по реакции, которая лежит в основе этого оружия.

Ядерное оружие

Немного истории

После того, как мир увидел разрушительную силу ядерного оружия, в августе 1945 года, СССР начало гонку, которая продолжалась до момента его распада. США первыми создали, испытали и применили ядерное оружие, первыми произвели подрыв водородной бомбы, но на счет СССР можно записать первое изготовление компактной водородной бомбы, которую можно доставить противнику на обычном Ту-16. Первая бомба США была размером с трехэтажный дом, от водородной бомбы такого размер мало толку. Советы получили такое оружие уже в 1952, в то время как первая «адекватная» бомба Штатов была принята на вооружение лишь в 1954. Если оглянуться назад и проанализировать взрывы в Нагасаки и Хиросиме, то можно прийти к выводу, что они не были такими уж мощными. Две бомбы в сумме разрушили оба города и убили по разным данным до 220 000 человек. Ковровые бомбардировки Токио в день могли уносить жизни 150-200 000 человек и без всякого ядерного оружия. Это связано с малой мощностью первых бомб — всего несколько десятков килотонн в тротиловом эквиваленте. Водородные же бомбы испытывали с прицелом на преодоление 1 мегатонны и более.

Первая Советская бомба была испытана с заявкой на 3 Мт, но в итоге испытывали 1.6 Мт.

Немного истории

Царь-бомба

Мощнейшая водородная бомба была испытана Советами в 1961 году. Ее мощность достигла 58-75 Мт, при заявленных 51 Мт. «Царь» поверг мир в легкий шок, в прямом смысле. Ударная волна обошла планету три раза. На полигоне (Новая Земля) не осталось ни одной возвышенности, взрыв было слышно на расстоянии 800км. Огненный шар достиг диаметра почти 5км, «гриб» вырос на 67км, а диаметр его шапки составил почти 100км. Последствия такого взрыва в крупном городе тяжело представить. По мнению многих экспертов, именно испытание водородной бомбы такой мощности (Штаты располагали на тот момент бомбами вчетверо меньше по силе) стало первым шагом к подписанию различных договоров по запрету ядерного оружия, его испытания и сокращению производства. Мир впервые задумался о собственной безопасности, которая действительно стояла под угрозой.

Царь-бомба

Водородная бомба

Как было сказано ранее, принцип действия водородной бомбы основан на реакции синтеза. Термоядерный синтез  — это процесс слияния двух ядер в одно, с образованием третьего элемента, выделением четвертого и энергии. Силы, отталкивающие ядра, колоссальны, поэтому для того, чтобы атомы сблизилась достаточно близко для слияния, температура должна быть просто огромной. Ученые уже который век ломают голову над холодным термоядерным синтезом, так сказать пытаются сбросить температуру синтеза до комнатной, в идеале. В этом случае человечеству откроется доступ к энергии будущего. Что же до термоядерной реакции в настоящее время, то для ее запуска по-прежнему нужно зажигать миниатюрное солнце здесь на Земле — обычно в бомбах используют урановый или плутониевый заряд для старта синтеза.

Водородная бомба

Последствия использования

Помимо описанных выше последствий от использования бомбы в десятки мегатонн, водородная бомба, как и любое ядерное оружие, имеет ряд последствий от применения. Некоторые люди склонны считать, что водородная бомба — «более чистое оружие», чем обычная бомба. Возможно, это связано с названием. Люди слышат слово «водо» и думают, что это как-то связано с водой и водородом, а следовательно последствия не такие плачевные. На самом деле это конечно не так, ведь действие водородной бомбы основано на крайне радиоактивных веществах. Теоретически возможно сделать бомбу без уранового заряда, но это нецелесообразно ввиду сложности процесса, поэтому чистую реакцию синтеза «разбавляют» ураном, для увеличения мощности. При этом количество радиоактивных осадков вырастает до 1000%. Все, что попадает в огненный шар, будет уничтожено, зона в радиусе поражения станет необитаемой для людей на десятилетия. Радиоактивные осадки могут нанести вред здоровью людей в сотнях и тысячах километров. Конкретные цифры, площадь заражения можно рассчитать, зная силу заряда.

Последствия использования

Ядерная зима

Однако разрушение городов — не самое страшное, что может случиться «благодаря» оружию массового поражения. После ядерной войны мир не будет полностью уничтожен. На планете останутся тысячи крупных городов, миллиарды людей и лишь небольшой процент территорий потеряет свой статус «пригодная для жизни». В долгосрочной перспективе весь мир окажется под угрозой из-за так называемой «ядерной зимы». Подрыв ядерного арсенала «клуба» может спровоцировать выброс в атмосферу достаточного количества вещества (пыли, сажи, дыма), чтобы «убавить» яркость солнца. Пелена, которая может разнестись по всей планете, уничтожит урожаи на несколько лет вперед, провоцируя голод и неизбежное сокращение населения. В истории уже был «год без лета», после крупного извержения вулкана в 1816, поэтому ядерная зима выглядит более чем реально. Опять же в зависимости от того, как будет протекать война, мы можем получить следующие виды глобального изменения климата:

• похолодание на 1 градус, пройдет незаметно;
• ядерная осень – похолодание на 2-4 градуса, возможны неурожаи и усиление образования ураганов;
• аналог «года без лета» — когда температура упала значительно, на несколько градусов на год;
• малый ледниковый период – температура может упасть на 30 – 40 градусов на значительное время, будет сопровождаться депопуляцией ряда северных зон и неурожаями;
• ледниковый период – развитие малого ледникового периода, когда отражение солнечных лучей от поверхности может достичь некой критической отметки и температура продолжит падать, отличие лишь в температуре;
• необратимое похолодание – это совсем печальный вариант ледникового периода, который под влиянием множества факторов превратит Землю в новую планету.

Теория ядерной зимы постоянно подвергается критике, ее последствия выглядят немного раздутыми. Однако не стоит сомневаться в ее неминуемом наступлении при каком-либо глобальном конфликте с применением водородных бомб.

Современные опасности

Холодная война давно позади, и поэтому ядерную истерию можно увидеть разве что в старых голливудских фильмах и на обложках раритетных журналов и комиксов. Несмотря на это, мы можем находиться на пороге, пусть и не большого, но серьезного ядерного конфликта. Все это благодаря любителю ракет и герою борьбы с империалистическими замашками США – Ким Чен Ыну. Водородная бомба КНДР  — объект пока что гипотетический, о ее существовании говорят лишь косвенные улики. Конечно, правительство Северной Кореи постоянно сообщает о том, что им удалось изготовить новые бомбы, пока что в живую их никто не видел. Естественно Штаты и их союзники – Япония и Южная Корея, немного более обеспокоены наличием, пусть даже и гипотетическим, подобного оружия у КНДР. Реалии таковы, что на данный момент у КНДР не достаточно технологий для успешной атаки на США, о которой они каждый год заявляют на весь мир. Даже атака на соседние Японию или Юг могут быть не очень успешными, если вообще состоятся, но с каждым годом опасность возникновения нового конфликта на корейском полуострова растет.

Современные опасности

Рукотворная звезда: Термоядерная бомба | Журнал Популярная Механика

У многих наших читателей водородная бомба ассоциируется с атомной, только гораздо более мощной. На самом деле это принципиально новое оружие, потребовавшее для своего создания несоизмеримо больших интеллектуальных усилий и работающее на принципиально других физических принципах.

«Майк»

«Слойка»

Современная бомба

Единственно, что роднит атомную и водородную бомбу, так это то, что обе высвобождают колоссальную энергию, скрытую в атомном ядре. Сделать это можно двумя путями: разделить тяжелые ядра, например, урана или плутония, на более легкие (реакция деления) или заставить слиться легчайшие изотопы водорода (реакция синтеза). В результате обеих реакций масса получившегося материала всегда меньше массы исходных атомов. Но масса не может исчезнуть бесследно — она переходит в энергию по знаменитой формуле Эйнштейна E=mc2.

A-bomb

Для создания атомной бомбы необходимым и достаточным условием является получение делящегося материала в достаточном количестве. Работа довольно трудоемкая, но малоинтеллектуальная, лежащая ближе к горнорудной промышленности, чем к высокой науке. Основные ресурсы при создании такого оружия уходят на строительство гигантских урановых рудников и обогатительных комбинатов. Свидетельством простоты устройства является тот факт, что между получением необходимого для первой бомбы плутония и первым советским ядерным взрывом не прошло и месяца.

Напомним вкратце принцип работы такой бомбы, известный из курса школьной физики. В ее основе лежит свойство урана и некоторых трансурановых элементов, например, плутония, при распаде выделять более одного нейтрона. Эти элементы могут распадаться как самопроизвольно, так и под воздействием других нейтронов.

Высвободившийся нейтрон может покинуть радиоактивный материал, а может и столкнуться с другим атомом, вызвав очередную реакцию деления. При превышении определенной концентрации вещества (критической массе) количество новорожденных нейтронов, вызывающих дальнейшее деление атомного ядра, начинает превышать количество распадающихся ядер. Количество распадающихся атомов начинает расти лавинообразно, рождая новые нейтроны, то есть происходит цепная реакция. Для урана-235 критическая масса составляет около 50 кг, для плутония-239 — 5,6 кг. То есть шарик плутония массой чуть меньше 5,6 кг представляет собой просто теплый кусок металла, а массой чуть больше существует всего несколько наносекунд.

Собственно схема работы бомбы простая: берем две полусферы урана или плутония, каждая чуть меньше критической массы, располагаем их на расстоянии 45 см, обкладываем взрывчаткой и взрываем. Уран или плутоний спекается в кусок надкритической массы, и начинается ядерная реакция. Все. Существует другой способ запустить ядерную реакцию — обжать мощным взрывом кусок плутония: расстояние между атомами уменьшится, и реакция начнется при меньшей критической массе. На этом принципе работают все современные атомные детонаторы.

Проблемы атомной бомбы начинаются с того момента, когда мы хотим нарастить мощность взрыва. Простым увеличением делящегося материала не обойтись — как только его масса достигает критической, он детонирует. Придумывались разные хитроумные схемы, например, делать бомбу не из двух частей, а из множества, отчего бомба начинала напоминать распотрошенный апельсин, а потом одним взрывом собирать ее в один кусок, но все равно при мощности свыше 100 килотонн проблемы становились непреодолимыми.

H-bomb

А вот горючее для термоядерного синтеза критической массы не имеет. Вот Солнце, наполненное термоядерным топливом, висит над головой, внутри его уже миллиарды лет идет термоядерная реакция, — и ничего, не взрывается. К тому же при реакции синтеза, например, дейтерия и трития (тяжелого и сверхтяжелого изотопа водорода) энергии выделяется в 4,2 раза больше, чем при сгорании такой же массы урана-235.

Изготовление атомной бомбы было скорее экспериментальным, чем теоретическим процессом. Создание же водородной бомбы потребовало появления совершенно новых физических дисциплин: физики высокотемпературной плазмы и сверхвысоких давлений. Прежде чем начинать конструировать бомбу, надо было досконально разобраться в природе явлений, происходящих только в ядре звезд. Никакие эксперименты тут помочь не могли — инструментами исследователей были только теоретическая физика и высшая математика. Не случайно гигантская роль в разработке термоядерного оружия принадлежит именно математикам: Уламу, Тихонову, Самарскому и т. д.

Классический супер

К концу 1945 года Эдвард Теллер предложил первую конструкцию водородной бомбы, получившую название «классический супер». Для создания чудовищного давления и температуры, необходимых для начала реакции синтеза, предполагалось использовать обычную атомную бомбу. Сам «классический супер» представлял собой длинный цилиндр, наполненный дейтерием. Предусматривалась также промежуточная «запальная» камера с дейтериевотритиевой смесью — реакция синтеза дейтерия и трития начинается при более низком давлении. По аналогии с костром, дейтерий должен был играть роль дров, смесь дейтерия с тритием — стакана бензина, а атомная бомба — спички. Такая схема получила название «труба» — своеобразная сигара с атомной зажигалкой с одного конца. По такой же схеме начали разрабатывать водородную бомбу и советские физики.

Однако математик Станислав Улам на обыкновенной логарифмической линейке доказал Теллеру, что возникновение реакции синтеза чистого дейтерия в «супере» вряд ли возможно, а для смеси потребовалось бы такое количество трития, что для его наработки нужно было бы практически заморозить производство оружейного плутония в США.

Слойка с сахаром

В середине 1946 года Теллер предложил очередную схему водородной бомбы — «будильник». Она состояла из чередующихся сферических слоев урана, дейтерия и трития. При ядерном взрыве центрального заряда плутония создавалось необходимое давление и температура для начала термоядерной реакции в других слоях бомбы. Однако для «будильника» требовался атомный инициатор большой мощности, а США (как, впрочем, и СССР) испытывали проблемы с наработкой оружейного урана и плутония.

Осенью 1948 года к аналогичной схеме пришел и Андрей Сахаров. В Советском Союзе конструкция получила название «слойка». Для СССР, который не успевал в достаточном количестве нарабатывать оружейный уран-235 и плутоний-239, сахаровская слойка была панацеей. И вот почему.

В обычной атомной бомбе природный уран-238 не только бесполезен (энергии нейтронов при распаде не хватает для инициации деления), но и вреден, поскольку жадно поглощает вторичные нейтроны, замедляя цепную реакцию. Поэтому оружейный уран на 90% состоит из изотопа уран-235. Однако нейтроны, появляющиеся в результате термоядерного синтеза, в 10 раз более энергетичные, чем нейтроны деления, и облученный такими нейтронами природный уран-238 начинает превосходно делиться. Новая бомба позволяла использовать в качестве взрывчатки уран-238, который прежде рассматривался как отходы производства.

Изюминкой сахаровской «слойки» было также применение вместо остродефицитного трития белого легкого кристаллического вещества — дейтрида лития 6LiD.

Как упоминалось выше, смесь дейтерия и трития поджигается гораздо легче, чем чистый дейтерий. Однако на этом достоинства трития заканчиваются, а остаются одни недостатки: в нормальном состоянии тритий — газ, из-за чего возникают трудности с хранением; тритий радиоактивен и, распадаясь, превращается в стабильный гелий-3, активно пожирающий столь необходимые быстрые нейтроны, что ограничивает срок годности бомбы несколькими месяцами.

Нерадиоактивный дейтрид лития же при облучении его медленными нейтронами деления — последствиями взрыва атомного запала — превращается в тритий. Таким образом, излучение первичного атомного взрыва за мгновение вырабатывает достаточное для дальнейшей термоядерной реакции количество трития, а дейтерий в дейтриде лития присутствует изначально.

Именно такая бомба, РДС-6с, и была успешно испытана 12 августа 1953 на башне Семипалатинского полигона. Мощность взрыва составила 400 килотонн, и до сих пор не прекратились споры, был ли это настоящий термоядерный взрыв или сверхмощный атомный. Ведь на реакцию термоядерного синтеза в сахаровской слойке пришлось не более 20% суммарной мощности заряда. Основной вклад во взрыв внесла реакция распада облученного быстрыми нейтронами урана-238, благодаря которому РДС-6с и открыла эру так называемых «грязных» бомб.

Дело в том, что основное радиоактивное загрязнение дают как раз продукты распада (в частности, стронций-90 и цезий-137). По существу, сахаровская «слойка» была гигантской атомной бомбой, лишь незначительно усиленной термоядерной реакцией. Не случайно всего один взрыв «слойки» дал 82% стронция-90 и 75% цезия-137, которые попали в атмосферу за всю историю существования Семипалатинского полигона.

Американ бомб

Тем не менее, первыми водородную бомбу взорвали именно американцы. 1 ноября 1952 года на атолле Элугелаб в Тихом океане было успешно испытано термоядерное устройство «Майк» мощностью 10 мегатонн. Назвать бомбой 74-тонное американское устройство можно с большим трудом. «Майк» представлял собой громоздкое устройство размером с двухэтажный дом, заполненное жидким дейтерием при температуре, близкой к абсолютному нулю (сахаровская «слойка» была вполне транспортабельным изделием). Однако изюминкой «Майка» были не размеры, а гениальный принцип обжатия термоядерной взрывчатки.

Напомним, что основная идея водородной бомбы состоит в создании условий для синтеза (сверхвысокого давления и температуры) посредством ядерного взрыва. В схеме «слойка» ядерный заряд расположен в центре, и поэтому он не столько сжимает дейтерий, сколько разбрасывает его наружу — увеличение количества термоядерной взрывчатки не приводит к увеличению мощности — она просто не успевает детонировать. Именно этим и ограничена предельная мощность данной схемы — самая мощная в мире «слойка» Orange Herald, взорванная англичанами 31 мая 1957 года, дала только 720 килотонн.

Идеально было бы, если бы заставить взрываться атомный запал внутрь, сжимая термоядерную взрывчатку. Но как это сделать? Эдвард Теллер выдвинул гениальную идею: сжимать термоядерное горючее не механической энергией и нейтронным потоком, а излучением первичного атомного запала.

В новой конструкции Теллера инициирующий атомный узел был разнесен с термоядерным блоком. Рентгеновское излучение при срабатывании атомного заряда опережало ударную волну и распространялось вдоль стенок цилиндрического корпуса, испаряя и превращая в плазму полиэтиленовую внутреннюю облицовку корпуса бомбы. Плазма, в свою очередь, переизлучала более мягкое рентгеновское излучение, которое поглощалось внешними слоями внутреннего цилиндра из урана-238 — «пушера». Слои начинали взрывообразно испаряться (это явление называют абляция). Раскаленную урановую плазму можно сравнить со струями сверхмощного ракетного двигателя, тяга которого направлена внутрь цилиндра с дейтерием. Урановый цилиндр схлопывался, давление и температура дейтерия достигала критического уровня. Это же давление обжимало центральную плутониевую трубку до критической массы, и она детонировала. Взрыв плутониевого запала давил на дейтерий изнутри, дополнительно сжимая и нагревая термоядерную взрывчатку, которая детонировала. Интенсивный поток нейтронов расщепляет ядра урана-238 в «пушере», вызывая вторичную реакцию распада. Все это успевало произойти до того момента, когда взрывная волна от первичного ядерного взрыва достигала термоядерного блока. Расчет всех этих событий, происходящих за миллиардные доли секунды, и потребовал напряжения ума сильнейших математиков планеты. Создатели «Майка» испытывали от 10-мегатонного взрыва не ужас, а неописуемый восторг — им удалось не только разобраться в процессах, которые в реальном мире идут только в ядрах звезд, но и экспериментально проверить свои теории, устроив свою небольшую звезду на Земле.

Браво

Обойдя русских по красоте конструкции, американцы не смогли сделать свое устройство компактным: они использовали жидкий переохлажденный дейтерий вместо порошкообразного дейтрида лития у Сахарова. В Лос-Аламосе на сахаровскую «слойку» реагировали с долей зависти: «вместо огромной коровы с ведром сырого молока русские используют пакет молока сухого». Однако утаить секреты друг от друга обеим сторонам не удалось. Первого марта 1954 года у атолла Бикини американцы испытали 15-мегатонную бомбу «Браво» на дейтриде лития, а 22 ноября 1955 года над семипалатинским полигоном рванула первая советская двухступенчатая термоядерная бомба РДС-37 мощностью 1,7 мегатонн, снеся чуть ли не полполигона. С тех пор конструкция термоядерной бомбы претерпела незначительные изменения (например, появился урановый экран между инициирующей бомбой и основным зарядом) и стала канонической. А в мире не осталось больше столь масштабных загадок природы, разгадать которые можно было бы столь эффектным экспериментом. Разве что рождение сверхновой звезды.

секреты появления в СССР водородной бомбы

В начале 1949 года Сталину доложили: «Американцы готовят к испытанию новое невиданное ранее по силе супероружие — водородную бомбу, которая в тысячу раз превосходит по мощности атомное оружие». Атомный заряд служит запалом для водородной бомбы, а дальше происходит термоядерная реакция. Слияние атомов водорода инициирует огненный шторм, который может обратить в пар все живое, стереть с лица земли города и даже целые страны. Берия уверен, что у Советского Союза такая бомба может появиться через год-два. У СССР была агентура внутри «Манхэттенского проекта», в рамках которого сотни ученых и инженеров в секретных лабораториях Лос-Аламоса трудились над созданием и совершенствованием ядерного оружия.

«У нас была агентура внутри «Манхэттенского проекта», я упомяну немецкого физика Клауса Фукса, который оказал огромнейшую помощь Советскому Союзу», — говорит сотрудник пресс-бюро СВР России Евгений Долгушин.

© ТРК «Звезда»

«Он считал, что не должно быть страны, имеющей монополию на атомные бомбы. Поэтому никто его не вербовал. Это человек, который из идейных соображений эту информацию поставлял, причем из первых рук», — объясняет Владимир Визгин, зав. сектором истории физики и механики института истории естествознания и техники имени Вавилова РАН, доктор физико-математических наук.

С середины 1944-го и до начала 1945 года Фукс работал в секретном атомном центре в Лос-Аламосе. Он знал, в каком направлении движутся американцы в создании супербомбы. После победы союзников ученый вернулся в Англию и возглавил отдел теоретической физики в центре ядерных исследований в Харуэлле.

© ТРК «Звезда»

В сентябре 1947 года в Лондон прибыл советский резидент — специалист по научно-технической разведке — Александр Феклисов. Именно с ним и будет сотрудничать Фукс. Ученый встречается с Феклисовым в Лондоне раз в 3-4 месяца. Каждый такой контакт тщательно готовится и продолжается не более 20 минут.

Пожалуй, самая главная встреча Клауса Фукса с советским резидентом состоялась 13 марта 1948 года в Лондоне в кинотеатре «Одеон». Ученый передал для СССР информацию и документы о создании в США термоядерного оружия. Более того, Фукс рассказал о ходе работ и назвал имена тех, кто работает над созданием водородной бомбы. Он описал некоторые конструктивные особенности и передал схему с данными о термоядерном зажигании и топливе, которое используется в заряде водородной бомбы.

Материалы, полученные от агента «Чарльза» — а именно под таким псевдонимом Фукс войдет в историю атомного шпионажа — спустя уже несколько дней окажутся на столе у Берии.

© ТРК «Звезда»

После того, как с полученными документами ознакомился Курчатов, для наших ученых-ядерщиков создание водородной бомбы вышло на первый план. Они работали в Сарове, где еще в 1946 году здесь возвели объект, который вошел в историю как «Конструкторское бюро-11» — КБ-11, а сам городок превратился в закрытый Арзамас-16. Он был окружен колючей проволокой в несколько рядов, его охраняли военные, а режимность соблюдалась буквально во всем.

«Первое время, насколько я помню, вообще даже в отпуск нельзя было ездить. Мне говорили, если тебя спрашивают, где ты живешь, то живешь в почтовом ящике», — вспоминает дочь физика Виктора Адамского Елена Адамская.

Привлечь к работам по водородной бомбе физиков, занимавшихся проблемами термоядерной реакции, предложил Игорь Курчатов — научный руководитель Атомного проекта СССР.  Вопрос решался на самом высоком уровне.

«Обратились в ФИАН, которым руководил тогда Сергей Иванович Вавилов, который был одновременно и президентом Академии наук. Вавилов выбрал некоторое количество людей, во главе с выдающимся физиком Игорем Таммом. Тамм подобрал небольшую группу, Сахаров, кстати, входил в эту группу», — рассказывает Владимир Визгин.

© ТРК «Звезда»

В феврале 1950 года Совет Министров СССР по инициативе Лаврентия Берии принял секретную директиву — Постановление «О работах по созданию РДС-6». В документе упоминалось два варианта. Одна из бомб должна быть создана, по сути, по американским лекалам. Это изделие проходит под кодовым названием РДС-6Т. «Т» означает «Труба». В ней предполагалось цилиндрическое расположение заряда. Второе изделие РДС-6С. «С» — это  «Слойка». Ее конструкция представляла собой «слоеный пирог» из урана и термоядерного горючего, окруженных взрывчатым веществом. Эту альтернативную схему водородной бомбы предложил Андрей Сахаров. В итоге успешной будет именно «сахаровская слойка», а американская идея окажется тупиковой.

© ТРК «Звезда»

Уже через несколько дней после принятия секретной правительственной директивы многие талантливые физики и математики окажутся в Арзамасе-16. Среди них будет выпускник физического факультета Ленинградского университета Юрий Трутнев.

«Меня вызывали, сидели три офицера, я тоже сел за стол. Они говорят: «Мы хотим вас отправить в очень интересное место, и очень интересная работа. Как вы?» Я говорю: «А куда?» — «Ну, средняя полоса». Мне объяснили: «Вам нужно пройти на бульвар. Напротив ресторана «Узбекистан» пройдете, двор 13, в дворницкую, там вам объяснят». Пошел, прихожу туда. Открыл дверь, смотрю — газовые горелки, кирпичи на них греются, и бабка какая-то сидит. Я говорю: «Сюда я попал?» — «Сюда-сюда». Пришел парень и говорит мне: «Вам нужно завтра с утра ехать во Внуково, встать около статуи Сталина. Там к вам подойдут, и вы дальше полетите туда, куда нужно»», — делится воспоминаниями Юрий Трутнев, первый зам. научного руководителя Российского федерального ядерного центра — Всероссийского НИИ экспериментальной физики по перспективным разработкам, академик.

Для разработчиков супероружия были созданы самые комфортные условия. За этим лично следил Лаврентий Берия. Сахарову выделили отдельный коттедж с обстановкой, кухарку и экономку.

«Государство на атомный проект выделило и большие средства и сделало много шагов для того, чтобы работающие над атомным проектом, скажем так, не были особенно озабочены бытовыми проблемами», — говорит Константин Крупников, сын участника разработки первой советской атомной бомбы Константина Крупникова.

Создатели водородной бомбы могли позволить себе все, чего лишены были обычные граждане. Но быт их заботил мало. Все внимание уделялось работе.

В августе 1953 года на Семипалатинском полигоне в центре опытного поля была построена 37-метровая испытательная вышка. На удалении были возведены гражданские и промышленные здания и сооружения, выставлены разные образцы военной техники.

© ТРК «Звезда»

В ночь перед испытаниями собранное изделие подняли на вышку. А на рассвете произвели взрыв. Многоэтажные дома на испытательном поле разлетелись как карточные домики. Грибообразное облако было видно за 170 километров. Мощность бомбы составила около 400 тысяч тонн в тротиловом эквиваленте. Радиоактивное облако поднялось на высоту 16 километров и достигло практически Китая.

С Семипалатинского полигона в ЦК Партии по спецсвязи было передано срочное сообщение: 12 августа в 4 часа 30 минут по московскому времени взорвано изделие РДС-6С. Впервые в СССР осуществлена термоядерная реакция. 20 августа газета «Правда» выйдет с правительственным сообщением: «Советский Союз овладел секретом создания водородной бомбы».

Как на это отреагировали за океаном? Какие разработки последовали за взрывом РДС-6С? И что напугало ученых-ядерщиков перед испытаниями «Царь-бомбы»? Смотрите полный выпуск программы «Секретные материалы» на телеканале «Звезда».

Промышленная установка производства водорода до 400 м3/час

Модуль для производства водорода.

Выходная производительность по водороду: 0-400 м3/ч

Система серии M имеет модульный дизайн, который позволяет легко конфигурировать платформу из электролитических модулей мощностью 250 кВт и производительностью 50 м3/ч. Эти модули могут быть добавлены к уже установленной базовой конфигурации для увеличения максимальной производительности системы по водороду в случае роста потребности с течением времени. Выходная производительность, независимо от максимальной производительности полной конфигурации, может регулироваться напрямую в соответствии с требованиями процесса в диапазоне 0-100% от номинальной мощности. Установки серии М могут быть сконфигурированы для работы в режиме следования за командой, позволяя пользователю эксплуатировать систему с учетом доступного источника энергии. Помимо этого, система может быть сконфигурирована для производства водорода партиями (например, для заполнения резервуара) или в режиме подачи непрерывного потока (следование за нагрузкой). Контроль за производством водорода можно осуществлять посредством дистанционного управления с очень быстрым временем отклика. Время отклика на внешние нагрузки проиллюстрировано на диаграмме, представленной ниже, которая демонстрирует превосходные показатели электролиза с ПОМ в приложениях возобновляемой энергии. Компания Proton OnSite — единственный изготовитель газогенераторных систем, обладающий техническими знаниями и опытом разработки конструкций ПОМ-модулей с высоким избыточным давлением, что практически исключает риск попадания кислорода в поток водорода. Таким образом, понятие опасности, обусловленной наличием кислорода, фактически устаревает, свидетельствуя, что разработанный компанией Proton метод с использованием ПОМ является безопасным, современным методом газового производства.

Чистота водорода: 99.9998%

Реализация технологии на основе ПОМ компании Proton, а именно, работа батареи электролитических элементов при высоком избыточном давлении газа устраняет необходимость в использовании улавливающего кислород катализатора благодаря крайне низкому содержанию кислорода (2 или углеводороды также не превышает 1 ppm. Единственным загрязнителем водорода на выходе из электролизного модуля является водяной пар, который удаляется встроенными автоматически регенерируемыми осушителями, что позволяет получать на выходе водород чистотой 99,9998% и с точкой росы – 70 °С.

Сертифицировано по ISO22734-1:2008

Система производства водорода серии M прошла независимую сертификацию (TUV Rhineland) на соответствие техническим требованиям, изложенным в стандарте ISO 22734-1:2008. Стандарт ISO 22734-1:2008 определяет требования к конструкции, безопасности и производительности полностью укомплектованных устройств и установок, изготавливаемых для нужд предприятий, производящих водород посредством электрохимических реакций, а именно, электролизом воды с образованием газообразных водорода и кислорода.

Современные операционная система и система безопасности

В генераторе водорода серии M для безопасного контроля за ходом электролиза используется комбинация инструментов, мониторинг которых производится ПЛК аварийной защиты (SIL3/Cat.3/PLe) и ПЛК операционной системы. ПЛК аварийной защиты отслеживает состояние таких устройств, как вентиляция и кнопка аварийного отключения, детекторы дыма, горючего газа и огня, а также некоторых датчиков давления и температуры. ПЛК операционной системы отвечает за выполнение последовательности автоматического запуска системы и отслеживает примерно 130 параметров, отклонения которых могут привести к возникновению в системе аварийной ситуации или ее отключению. В техническом решении системы реализована концепция аварийной безопасности, которая гарантирует, что система находится в нейтральных и безопасных условиях после отключения по какой бы то ни было причине не прибегая к использованию блока бесперебойного питания (UPS).

Сигнал удаленного доступа для контроля выходных параметров водорода.

Система производства водорода серии M принимает сигнал, подаваемый конечным пользователем для запроса выработки водорода исходя из желаемой электрической нагрузки. Этот сигнал подобен сигналу датчика давления продукта, который используется в режиме «следования за нагрузкой», за исключением того, что, чем выше сигнал команды, тем большая производительность по водороду требуется. Схема регулировки режима следования за командой подобна режиму «полного заполнения резервуара», который предполагает следующий механизм действий: когда давление продукта достигает заданного значения, система постепенно снижает количество производимого продукта и переходит в состояние Подготовка / Готов к запуску.

Модульный дизайн и комплектация позволяют легко интегрировать установку на предприятии заказчика.
Система производства водорода серии М спроектирована таким образом, что ее основные функции разделены на соответствующие модули, которые изготавливаются и тестируются независимо, но в то же время могут быть быстро соединены при подключении по месту на предприятии заказчика. Главный модуль системы – электролитический, состоит из восьми батарей электролитических элементов, резервуара для воды, сепаратора газообразного кислорода, теплообменника основного процесса и водяного циркуляционного насоса. Каждый из 250-киловаттных электролитических модулей оснащен соответствующим выпрямителем и блоком распределения электропитания, которые регулируют уровень тока, подаваемого к каждой из батарей. Пара 250-киловаттный электролитический модулей / выпрямитель дает возможность в определенной мере снизить степень операционного риска для мегаваттной и мультимегаваттной платформ серии М, а также обеспечить существенный уровень дублирования. Водород отводится из электролитического модуля в систему контроля и обработки газообразного водорода, где производится его отделение и сжатие. По требованию пользователя газообразный водород подается на осушитель для дальнейшей очистки. Система поставляется со всей сопутствующей трубной развязкой и электропроводкой, необходимой для подключения главных электролитических модулей во время инсталляции у конечного пользователя.

Комплект для установки в помещении включает следующее оборудование:

• Трансформатор среднего напряжения поставляется для перехода от напряжения, обеспечиваемого пользователем (обычно 10 кВ или 20 кВ, трехфазное, 50/60 Гц с допустимым колебанием входного напряжения ±10% от номинального) к низкому напряжению, от которого питается распределительное устройство (поставляемое компанией Proton), подающее электричество к выпрямителям батареи электролитических элементов.
• Модули водородного и кислородного процессов
• Функции системы контроля и обработки воды и кислорода:
• Прокачивает воду через батарею электролитических элементов
• Подает воду для электролиза к батарее элементов
• Отводит тепло от батареи элементов для поддержания в них стабильной температуры
• Регулирует давление кислорода
• Отделяет жидкую водную фазу от газообразного кислорода, образующегося в процессе электролиза
• Отслеживает чистоту воды, минимальный расход воды в батарее, количество/уровень воды, температуру воды/кислорода на выходе из батареи, давление в модулях, содержание горючего газа в производимом газообразном кислороде и давление воды во входном трубопроводе каждой батареи элементов.
• Обеспечивает выбор и подачу газов из отдельных камер вручную для периодического проведения техобслуживания
• Обеспечивает водоподготовку с целью удаления из нее следовых количеств ионов.
• Реле расхода гарантируют надлежащую подачу потоков к батарее электролитических элементов.

Функции системы контроля и обработки газообразного водорода:

• Отделяет жидкую «протонированную воду» (прошедшую через мембраны батареи элементов вместе с газообразным водородом, полученным во время электролиза) от водорода
• Охлаждает газ и конденсирует водяной пар из потока газообразного водорода, возвращая его в систему обработки газа для повторного использования
• Осушает водород до требуемого значения точки росы при помощи опционального осушителя, работающего по принципу короткоцикловой адсорбции
• Создает и регулирует противодавление в системе с водородной стороны батареи элементов
• Возвращает протонированную и конденсированную воду в систему обработки воды и кислорода для повторного использования в процессе
• Следит за давлением водорода в системе, температурой и содержанием протонированной воды
• Предотвращает противоток выходящего водорода обратно в систему
• Опционально возможен мониторинг расхода водорода и точки росы водорода
• При необходимости выбрасывает часть водорода в систему вентиляции в условиях низкого уровня тока

Батареи элементов и выпрямители

Батареи образованы элементами, состоящими из слоев протонообменных мембран (ПОМ), имеющих последовательное электрическое соединение и внутреннюю трубную обвязку с параллельным подключением для подачи жидкости к каждому элементу. Батарея элементов имеет вход для воды, выход воды/водорода, контакт положительной шины, контакт отрицательной шины, монтажные крепежи. Поток деионизированной дистиллированной воды попадает в батарею через входной порт для воды и далее разделяется внутри батареи, поступая по входной трубной обвязке к каждому из электролитических элементов. Небольшая порция воды, протекающей через каждый элемент, попадает на анод (+) и расщепляется на ион кислорода и протоны при пропускании постоянного тока через контакты шин батареи; пузырьки кислорода, формирующиеся на аноде, вовлекаются в основной поток. Основная часть воды, протекающей через каждый элемент, уносит кислород и отводит от элементов тепло, вытекая через выходную трубную обвязку батареи.

Водород образуется внутри камеры с катодом каждого ПОМ-элемента при поступлении на анод элемента воды и подаче тока на шину батареи. Когда постоянный ток подается к батарее элементов, идет производство водорода. Притяжение молекул воды к положительному заряду протонов, прошедших через протонообменную мембрану, приводит к формированию потока жидкой воды, также транспортируемой через мембрану. Она носит название «протонированная вода». Водород и вода от каждого действующего элемента собираются во внутренней трубной обвязке катода батареи элементов и выходят из нее за счет давления в системе.
Выпрямители тока (AC/DC) превращают входной переменный ток в постоянный, необходимый для питания батарей электролитических элементов. Постоянный выходной ток выпрямителя регулируется системным ПЛК с целью контроля объема производимого газообразного водорода. Существует три основных режима работы:
Режим следования за командой: Если необходим локальный контроль, пользователь вводит желаемое значение выработки продукта в процентах от производительности системы. В режиме следования за командой для представления требуемого процента производительности также можно использовать внешний сигнал 4 — 20 мА, подаваемый пользователем. При этом источнику питания батареи электролитических элементов дается команда вырабатывать ток пропорционально команде. При достижении максимального давления продукта установка перейдет в режим остановки работы.
Режим заполнения резервуара: Источнику питания батареи электролитических элементов дается команда обеспечить подачу максимально возможного тока. При достижении установленного максимального значения давления продукта (т.е. соответствующего полностью заполненному резервуару) установка переходит в холостой режим. Когда давление продукта упадет ниже заданного порогового значения давления для наполнения резервуара, снова будет подан максимальный ток.
Режим следования за нагрузкой: Выходной ток варьируется на основе обратной связи от датчика, детектирующего рабочее давление. Ток снижается, когда датчик показывает, что давление приближается к заданной величине. Ток увеличивается при уменьшении давления.

Режим сниженной производительности:

Цель режима сниженной производительности заключается в том, чтобы поддержать функционирование системы в случае отказа некоторых компонентов системы. В случае сбоя в работе системы электроснабжения батареи элементов, переключателя потока воды либо в условиях высокой температуры воды система продолжит работать таким образом, чтобы поддержать работоспособность оборудования системы безопасности, уменьшив в то же время объем производимого водорода.

Система управления на базе ПЛК

В водородных установках серии М управление работой системы и контроль безопасности осуществляются при помощи ПЛК.

начало большого пути / Блог компании Toshiba / Хабр

Ранее мы рассказывали про то, каким экологичным видом транспорта являются электробусы. Однако не упомянули один важный момент: c ростом числа электротранспорта городам потребуется больше электричества, которое зачастую получают экологически небезопасными способами. К счастью, сегодня мир научился получать энергию при помощи ветра, солнца и даже водорода. Новый материал мы решили посвятить последнему из источников и рассказать об особенностях водородной энергетики.

На первый взгляд, водород — идеальное топливо. Во-первых, он является самым распространенным элементом во Вселенной, во-вторых, при его сгорании высвобождается большое количество энергии и образуется вода без выделения каких-либо вредных газов. Преимущества водородной энергетики человечество осознало уже давно, однако применять ее в больших промышленных масштабах пока не спешит.

Водородные топливные элементы

Первый водородный топливный элемент был сконструирован английским ученым Уильямом Гроувом в 30-х годах XIX века. Гроув пытался осадить медь из водного раствора сульфата меди на железную поверхность и заметил, что под действием электрического тока вода распадается на водород и кислород. После этого открытия Гроув и работавший параллельно с ним Кристиан Шенбейн продемонстрировали возможность производства энергии в водородно-кислородном топливном элементе с использованием кислотного электролита.

Позже, в 1959 году, Фрэнсис Т. Бэкон из Кембриджа добавил в водородный топливный элемент ионообменную мембрану для облегчения транспорта гидроксид-ионов. Изобретением Бэкона сразу заинтересовалось правительство США и NASA, обновленный топливный элемент стал использоваться на космических аппаратах «Аполлон» в качестве главного источника энергии во время их полетов.

Водородный топливный элемент из сервисного модуля «Аполлонов», вырабатывающий электричество, тепло и воду для астронавтов. Источник: James Humphreys / Wikimedia Commons

Сейчас топливный элемент на водороде напоминает традиционный гальванический элемент с одной лишь разницей: вещество для реакции не хранится в элементе, а постоянно поставляется извне. Просачиваясь через пористый анод, водород теряет электроны, которые уходят в электрическую цепь, а сквозь мембрану проходят катионы водорода. Далее на катоде кислород ловит протон и внешний электрон, в результате чего образуется вода.

Принцип работы водородного топливного элемента. Источник: Geek.com

С одной топливной ячейки снимается напряжение порядка 0,7 В, поэтому ячейки объединяют в массивные топливные элементы с приемлемым выходным напряжением и током. Теоретическое напряжение с водородного элемента может достигать 1,23 В, но часть энергии уходит в тепло.

С точки зрения «зеленой» энергетики у водородных топливных элементов крайне высокий КПД — 60%. Для сравнения: КПД лучших двигателей внутреннего сгорания составляет 35-40%. Для солнечных электростанций коэффициент составляет всего 15-20%, но сильно зависит от погодных условий. КПД лучших крыльчатых ветряных электростанций доходит до 40%, что сравнимо с парогенераторами, но ветряки также требуют подходящих погодных условий и дорогого обслуживания.

Как мы видим, по этому параметру водородная энергетика является наиболее привлекательным источником энергии, но все же существует ряд проблем, мешающих ее массовому применению. Самая главная из них — процесс добычи водорода.

Проблемы добычи

Водородная энергетика экологична, но не автономна. Для работы топливному элементу нужен водород, который не встречается на Земле в чистом виде. Водород нужно получать, но все существующие сейчас способы либо очень затратны, либо малоэффективны.

Самым эффективным с точки зрения объёма полученного водорода на единицу затраченной энергии считается метод паровой конверсии природного газа. Метан соединяют с водяным паром при давлении 2 МПа (около 19 атмосфер, т. е. давление на глубине около 190 м) и температуре около 800 градусов, в результате чего получается конвертированный газ с содержанием водорода 55-75%. Для паровой конверсии необходимы огромные установки, которые могут быть применимы лишь на производстве.

Трубчатая печь для паровой конверсии метана — не самый эргономичный способ добычи водорода. Источник: ЦТК-Евро

Более удобный и простой метод — электролиз воды. При прохождении электрического тока через обрабатываемую воду происходит серия электрохимических реакций, в результате которых образуется водород. Существенный недостаток этого способа — большие энергозатраты, необходимые для проведения реакции. То есть получается несколько странная ситуация: для получения водородной энергии нужна… энергия. Во избежание возникновения при электролизе ненужных затрат и сохранения ценных ресурсов некоторые компании стремятся разработать системы полного цикла «электричество — водород— электричество», в которых получение энергии становится возможным без внешней подпитки. Примером такой системы является разработка Toshiba h3One.   

Мобильная электростанция Toshiba h3One

Мы разработали мобильную мини-электростанцию h3One, преобразующую воду в водород, а водород в энергию. Для поддержания электролиза в ней используются солнечные батареи, а излишки энергии накапливаются в аккумуляторах и обеспечивают работу системы в отсутствие солнечного света. Полученный водород либо напрямую подается на топливные ячейки, либо отправляется на хранение во встроенный бак. За час электролизер h3One генерирует до 2 м³ водорода, а на выходе обеспечивает мощность до 55 кВт. Для производства 1 м³ водорода станции требуется до 2,5 м³ воды.

Пока станция h3One не способна обеспечить электричеством крупное предприятие или целый город, но для функционирования небольших районов или организаций ее энергии будет вполне достаточно. Благодаря своей мобильности она может использоваться также как и временное решение в условиях стихийных бедствий или экстренного отключения электричества. К тому же, в отличие от дизельного генератора, которому для нормального функционирования необходимо топливо, водородной электростанции достаточно лишь воды.   

Сейчас Toshiba h3One используется лишь в нескольких городах в Японии — к примеру, она снабжает электричеством и горячей водой железнодорожную станцию в городе Кавасаки.

Монтаж системы h3One в городе Кавасаки

Водородное будущее

Сейчас водородные топливные элементы обеспечивают энергией и портативные пауэр-банки, и городские автобусы с автомобилями, и железнодорожный транспорт (более подробно об использовании водорода в автоиндустрии мы расскажем в нашем следующем посте). Водородные топливные элементы неожиданно оказались отличным решением для квадрокоптеров — при аналогичной с аккумулятором массе запас водорода обеспечивает до пяти раз большее время полета. При этом мороз никак не влияет на эффективность. Экспериментальные дроны на топливных элементах производства российской компании AT Energy применялись для съемок на Олимпиаде в Сочи.

Стало известно, что на грядущих Олимпийских играх в Токио водород будет использоваться в автомобилях, при производстве электричества и тепла, а также станет главным источником энергии для олимпийской деревни. Для этого по заказу Toshiba Energy Systems & Solutions Corp. в японском городе Намиэ строится одна из крупнейших в мире станций по производству водорода. Станция будет потреблять до 10 МВт энергии, полученной из «зеленых» источников, генерируя электролизом до 900 тонн водорода в год.

Водородная энергетика — это наш «запас на будущее», когда от ископаемого топлива придется окончательно отказаться, а возобновляемые источники энергии не смогут покрывать нужды человечества. Согласно прогнозу Markets&Markets объем мирового производства водорода, который сейчас составляет $115 млрд, к 2022 году вырастет до $154 млрд. Но в ближайшем будущем массовое внедрение технологии вряд ли произойдет, необходимо еще решить ряд проблем, связанных с производством и эксплуатацией специальных энергоустановок, снизить их стоимость. Когда технологические барьеры будут преодолены, водородная энергетика выйдет на новый уровень и, возможно, будет так же распространена, как сегодня традиционная или гидроэнергетика.

Ученые придумали новый способ получения водородного топлива

Исследовательская группа из США при участии учёных из МФТИ собрала нанобиоконструкцию, которая под действием света производит водород из воды. Специалисты синтезировали нанодиски — круглые кусочки мембраны, состоящие из двойного слоя липидов, — со встроенным светочувствительным белком и соединили их с частицами фотокатализатора оксида титана TiO2.

Профессор МФТИ, доктор химических наук и руководитель лаборатории химии и физики липидов Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ Владимир Чупин замечает: «Наши лаборатории, которые занимаются мембранными белками и, в частности, нанодисками, в основном ориентированы на биофизические, медицинские проблемы. Но вот недавняя работа с нашими американскими коллегами показывает, что если соединить биологические и технические материалы, нанодиски можно использовать и для выделения водородного топлива». Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Nano.

Водородное топливо

Водород — один из лучших альтернативных источников энергии. При его сгорании образуется водяной пар, так что он не вредит экологической обстановке. Кроме того, коэффициент полезного действия у водородного топлива (>45%) гораздо выше, чем у бензинового или дизельного (<35%). Крупные автомобильные компании, такие как, например, Toyota, Honda и BMW, уже производят автомобили на водородном топливе, однако в ограниченных масштабах. Производство водорода всё ещё является затратным, в том числе и по электроэнергии. Поэтому учёные ищут способ получения водорода с помощью другого энергетического источника.

Берём от природы

Водород можно получить из воды с помощью солнечной энергии. Для этого необходимо присутствие специального вещества — фотокатализатора. Наиболее распространённым фотокатализатором является TiO2. Сам по себе он недостаточно эффективен, поэтому учёные придумывают разные ухищрения: добавляют примеси, измельчают фотокатализатор до наночастиц и т. д. В Аргоннской национальной лаборатории (США) исследователи обратились к биологии и собрали наноконструкцию из TiO2 и белка бактериородопсина. Эти светочувствительные компоненты усиливают действие друг друга и образуют новую систему, функциональность которой намного превосходит набор свойств всех её частей.

Бактериородопсин — светочувствительный белок, находящийся в мембране некоторых бактерий. (Вообще таких белков достаточно много, в данном случае использовался белок бактерии Halobacterium salinarium). Одна часть белка выходит наружу клетки, а другая — внутрь клетки. Под действием солнечного света бактериородопсин начинает качать протоны из клетки в окружающую среду, что обеспечивает производство энергии в бактериальной клетке в виде АТФ. Заметим, что человек в сутки синтезирует около 70 кг АТФ.

Н+ — протон. АТФ — молекула энергии. АТФ-синтаза производит АТФ с помощью энергии протонов. Серым цветом обозначены липиды

Нанодиски

Современные технологии позволяют синтезировать жизнь «в пробирке», без участия живых клеток. Для создания мембранных белков в искусственных условиях используют различные мембрано-моделирующие среды, в частности, нанодиски. Нанодиск — это кусочек мембраны, собранный из фосфолипидов и опоясанный двумя молекулами специального белка. Размер диска зависит от длины этих белковых ремней. Мембранный белок, каковым является бактериородопсин, будет «чувствовать» себя в нанодиске как дома, в родной мембране, и сохранять свою естественную структуру. Эти чудо-конструкции используются для изучения структуры мембранных белков, для разработки лекарственных форм, и вот теперь их приспособили для фотокатализа. С помощью экспертов из МФТИ исследователи получили нанодиски диаметром 10 нанометров со встроенным бактериородопсином.

Получился водород

Нанодиски замешивали в водном растворе вместе с частицами TiO2 с платиновыми вкраплениями для большего эффекта (не для роскоши, а для фотокатализа). За ночь они сами прикрепились друг к другу. В данном случае бактериородопсин выполнял несколько функций. Во‑первых, он был антенной, которая собирает свет и передаёт энергию TiO2, усиливая его фоточувствительность. Во‑вторых, он переносил протоны, которые восстанавливались до водорода посредством платинового катализатора. Так как на восстановление затрачиваются электроны, учёные добавили в воду немного метилового спирта в качестве источника электронов. Смесь сначала поместили под зелёный свет, а потом — под белый. Во втором случае водорода получилось примерно в 74 раза больше. В среднем почти постоянное выделение водорода наблюдалось по меньшей мере 2−3 часа.

Раньше уже проводились опыты с подобной конструкцией, но там использовали натуральный бактериородопсин в натуральной мембране. Нанодиски попробовали впервые, и оказалось, что при их применении водорода выделяется столько же или даже больше, но при этом на такое же количество частиц TiO2 требуется меньше бактериородопсина. Учёные предположили, что это связано с тем, что нанодиски строго одинаковые по размеру и компактные, что позволяет им образовать больше связок. Хотя сейчас дешевле использовать натуральный бактериородопсин, возможно, развивающиеся методы синтеза жизни «в пробирке» вскоре сделают применение нанодисков более целесообразным.

Материалы предоставлены пресс-службой МФТИ.

водорода | Энергия

На водород приходится менее 1% нынешнего энергопотребления в Европе, и он в основном вырабатывается с помощью путей с высоким уровнем выбросов углерода, известных как «серый» водород, и используется в качестве сырья в таких секторах, как удобрения и нефтеперерабатывающие заводы.

Однако ожидается, что чистый водород будет играть ключевую роль в декарбонизации секторов, где другие альтернативы могут оказаться невозможными или более дорогими. Сюда входят перевозки тяжелых грузов и транспортных средств на большие расстояния, а также энергоемкие производственные процессы.

Возобновляемый водород и декарбонизация

Возобновляемый водород, производимый электролизом из воды с использованием возобновляемой электроэнергии, может обеспечить сектор мобильности и промышленность энергией и сырьем без выбросов.

Он также может обеспечить долгосрочное и крупномасштабное хранение и гибкость энергетической системы. Примечательно, что возобновляемый водород поддерживает интеграцию производства электроэнергии из возобновляемых источников, поскольку он отделяет производство энергии от использования как по месту, так и по времени и может уравновесить спрос и предложение электроэнергии.Это, в свою очередь, также важно для управления электросетью для изолированных или автономных регионов ЕС или для конкретных и местных целей, сосредоточенных в городе или ограниченной зоне.

Водородная стратегия ЕС

Стратегия ЕС по интеграции энергетической системы наметит видение создания более разумной, более интегрированной и оптимизированной энергетической системы, в которой все сектора могут в полной мере способствовать декарбонизации. Водород будет важным элементом этой стратегии, но его ключевая роль и более широкий охват требуют особого подхода.

В этом контексте Комиссия приняла новую специальную стратегию по водороду в Европе, параллельно со стратегией интеграции энергетической системы, 8 июля 2020 года. Она объединит различные направления деятельности, от исследований и инноваций в сфере производства и инфраструктуры до международное измерение

Новая водородная стратегия будет исследовать потенциал чистого водорода, чтобы помочь процессу декарбонизации экономики ЕС экономически эффективным способом, в соответствии с целью достижения климатической нейтральности к 2050 году, изложенной в Европейском зеленом соглашении.Это также должно способствовать избавлению от экономических последствий COVID-19.

В рамках стратегии будут изучены действия по поддержке производства и использования чистого водорода, с упором, в частности, на внедрение возобновляемых источников водорода. Более подробная информация в информационном бюллетене «Водородная стратегия для климатически нейтральной Европы».

До принятия стратегии ее идеи были представлены в Дорожной карте водородной стратегии ЕС, которая была запущена 26 мая и открыта для обратной связи от заинтересованных сторон и общественности до 8 июня 2020 года.

В поддержку водородной стратегии Комиссия провела исследование производства водорода в Европе. В исследовании собраны доказательства, основанные на последних общедоступных данных, для определения инвестиционных возможностей в цепочке создания стоимости водорода в период с 2020 по 2050 год и связанных с этим преимуществ с точки зрения рабочих мест.

Складской потенциал

Некоторые отрасли, вероятно, будут по-прежнему полагаться на горючее топливо для различных целей в будущем. Это означает, что стремление ЕС к достижению углеродно-нейтрального баланса вряд ли будет достигнуто в одиночку за счет более широкого использования электрификации.Одним из возможных решений является преобразование возобновляемых источников энергии в водород, поскольку обработанный водород обеспечивает высококачественное тепло, которое можно использовать на транспорте в качестве топлива, в промышленности в качестве материала и в сельском хозяйстве для удобрений.

Потенциал хранения водорода особенно полезен для электрических сетей, поскольку водород позволяет использовать возобновляемые источники энергии не только в больших количествах, но и в течение длительных периодов времени. Примечательно, что это означает, что водород может помочь повысить гибкость энергетических систем за счет уравновешивания спроса и предложения, когда вырабатывается слишком много или недостаточно энергии.Это также поможет повысить энергоэффективность по всей Европе.

Европейская комиссия опубликовала в апреле 2020 года исследование о влиянии использования биометана и водородного потенциала на трансъевропейскую инфраструктуру, показывающее, что биометан и водород будут играть более важную роль в энергетической системе ЕС, учитывая продолжающуюся декарбонизацию. Специальная нормативно-правовая база, включая Трансъевропейские энергетические сети (TEN-E) и механизм подключения к Европе (CEF), будет стимулировать их развитие.

Сеть водородной энергетики

Комиссия создала неофициальную группу экспертов, состоящую из представителей министерств, отвечающих за энергетическую политику в государствах-членах ЕС, под названием Сеть водородной энергетики (HyENet). Эта группа экспертов направлена ​​на поддержку национальных властей, отвечающих за энергетическую политику, в развитии возможностей, предоставляемых водородом в качестве энергоносителя.

HyENet будет выступать в качестве неформальной платформы для обмена информацией, обмена передовым опытом, опытом и последними разработками, а также совместной работы по конкретным вопросам.

Протоколы собрания доступны для общественности.

Европейский альянс по чистому водороду

Европейский альянс по чистому водороду был объявлен как часть новой промышленной стратегии для Европы в марте 2020 года и был запущен 8 июля 2020 года одновременно с Водородной стратегией ЕС.

Альянс объединяет промышленность, национальные и местные органы государственной власти, гражданское общество и другие заинтересованные стороны. Он нацелен на амбициозное внедрение водородных технологий к 2030 году, объединив производство возобновляемого и низкоуглеродного водорода, спрос в промышленности, мобильности и других секторах, а также передачу и распределение водорода.

Исследовательские инициативы

ЕС продвигает несколько исследовательских и инновационных проектов по водороду в рамках Horizon 2020. Управление этими проектами осуществляется через совместное предприятие по топливным элементам и водороду (FCH JU) — совместное государственно-частное партнерство, поддерживаемое Европейской комиссией.

Европейская комиссия и FCH JU являются партнерами ассоциации Hydrogen Europe, Европейской ассоциации водорода и топливных элементов. Водород Европа продвигает водород как инструмент общества с нулевым уровнем выбросов.

Документы

Ссылки по теме

,

Компактный лабораторный водород с производством газа высокой чистоты h3 до 500 мл / мин

Компактный водородный газогенератор, 500 мл / мин — TN-QL-500

Внедрение газогенератора водорода

TN-QL-500 — это компактный легкий водородный генератор, который также является экономичным, энергосберегающим и экологически чистым. Он производит исключительно чистый газообразный водород путем электролиза чистой воды

без добавления щелочи.Он может непрерывно производить газ h3 высокой чистоты со скоростью до 500 мл / мин и поставляется по стандарту

с цифровым дисплеем расхода, регулировкой клапана и защитой от избыточного давления.

Этот генератор обеспечивает альтернативу для подачи газа h3 для обработки материалов, термообработки, газового хроматографического анализа

и т. Д. В исследовательских лабораториях вместо использования тяжелых, дорогих и небезопасных баллонов с водородом

.

Принцип работы генератора газообразного водорода

Электроды SPE составляют основную технологию генератора h3.Электролитический вода с удельным сопротивлением> 1Х Ом / см помещают в анодной камеру электролитической ячейки.

При включении питания вода в электролизере будет разлагаться на аноде: 2h3 O = 4H + + 2O-2. Разложившийся отрицательный ион кислорода (O-2) немедленно высвободит электрон с образованием кислорода (O2), который затем будет выпущен в воздушную атмосферу (с

анодная камера с водой, циркулирующей в резервуаре для воды) через небольшие отверстия на верхняя крышка резервуара для воды

.

Протон водорода в форме акваиона (H + · Xh3O) пройдет через ионную мембрану SPE под действием силы электрического поля и попадет на катод, чтобы поглотить электрон и образовать водород (h3). Затем водород

будет выгружен из катодной камеры в сепаратор очищающий газ / вода, где будет удаляться большая часть воды из электролитической ячейки. Выход осушенного газообразного водорода достигнет чистоты 99,999% за счет поглощения влаги

двухступенчатыми эксикаторами.

Технические параметры генератора газообразного водорода

,

Производство водорода: газификация биомассы | Министерство энергетики

Газификация биомассы — это отработанная технология, в которой используется контролируемый процесс, включающий тепло, пар и кислород, для преобразования биомассы в водород и другие продукты без сжигания. Поскольку при выращивании биомассы диоксид углерода удаляется из атмосферы, чистые выбросы углерода при использовании этого метода могут быть низкими, особенно в сочетании с улавливанием, использованием и хранением углерода в долгосрочной перспективе. Установки газификации биотоплива строятся и эксплуатируются, и они могут предоставить передовой опыт и извлеченные уроки для производства водорода.Министерство энергетики США ожидает, что газификация биомассы может быть развернута в ближайшем будущем.

Что такое биомасса?

Биомасса, возобновляемый органический ресурс, включает остатки сельскохозяйственных культур (например, кукурузную солому или пшеничную солому), лесные остатки, специальные культуры, выращиваемые специально для использования энергии (например, просо или ивы), органические твердые бытовые отходы и отходы животноводства. Этот возобновляемый ресурс можно использовать для производства водорода, наряду с другими побочными продуктами, путем газификации.

Как работает газификация биомассы?

Газификация — это процесс, при котором органические или ископаемые углеродистые материалы при высоких температурах (> 700 ° C) без сжигания с контролируемым количеством кислорода и / или пара преобразуются в моноксид углерода, водород и диоксид углерода. Затем монооксид углерода реагирует с водой с образованием диоксида углерода и большего количества водорода в результате реакции конверсии водяного газа. Адсорберы или специальные мембраны могут отделять водород от этого газового потока.

Упрощенный пример реакции
C ₆ H ₁₂ O ₆ + O ₂ + H ₂ O → CO + CO ₂ + H ₂ + другие виды

Примечание. В приведенной выше реакции вместо целлюлозы используется глюкоза.Фактическая биомасса имеет очень изменчивый состав и сложность, причем целлюлоза является одним из основных компонентов.

Реакция конверсии водяного газа
CO + H ₂ O → CO ₂ + H ₂ (+ небольшое количество тепла)

Пиролиз — это газификация биомассы в отсутствие кислорода. В общем, биомасса не газифицируется так же легко, как уголь, и она производит другие углеводородные соединения в газовой смеси, выходящей из газогенератора; это особенно верно, когда кислород не используется.В результате обычно требуется дополнительная стадия реформинга этих углеводородов с использованием катализатора для получения чистой смеси синтез-газа, состоящей из водорода, монооксида углерода и диоксида углерода. Затем, как и в процессе газификации для производства водорода, на стадии реакции сдвига (с паром) монооксид углерода преобразуется в диоксид углерода. Затем полученный водород отделяется и очищается.

Почему рассматривается этот путь?

Биомасса — это богатый внутренний ресурс.
В США доступно больше биомассы, чем требуется для производства продуктов питания и кормов для животных.В недавнем отчете прогнозируется, что с ожидаемыми улучшениями в методах ведения сельского хозяйства и селекции растений до 1 миллиарда сухих тонн биомассы может быть доступно для использования в год. Для получения дополнительной информации см. Обновление в США о миллиардных тоннах: поставка биомассы для биоэнергетики и индустрии биопродуктов.

Биомасса «перерабатывает» диоксид углерода.
Растения потребляют углекислый газ из атмосферы как часть своего естественного процесса роста, поскольку они производят биомассу, компенсируя углекислый газ, выделяемый при производстве водорода посредством газификации биомассы, что приводит к низким чистым выбросам парниковых газов.

Исследования направлены на преодоление проблем

Ключевые проблемы производства водорода с помощью газификации биомассы включают снижение затрат, связанных с капитальным оборудованием и сырьем для биомассы.

Исследования по снижению капитальных затрат:

• Замена криогенного процесса, используемого в настоящее время для отделения кислорода от воздуха, когда кислород используется в газификаторе, на новую мембранную технологию.
• Разработка новых мембранных технологий для лучшего отделения и очистки водорода от производимого газового потока (аналогично газификации угля).
• Интенсификация процесса (объединение шагов в меньшее количество операций).

Исследования по снижению затрат на сырье биомассы:

• Улучшение агротехники и селекционной деятельности должно привести к низким и стабильным затратам на сырье.

Поскольку газификация биомассы является зрелой технологией, затраты на сырье и уроки, извлеченные из коммерческих демонстраций, определят ее потенциал как жизнеспособный путь для конкурентоспособного по стоимости производства водорода.

,

Компактный легкий лабораторный генератор водорода с цифровым дисплеем расхода

Компактный водородный газогенератор, 500 мл / мин — TN-QL-500

Внедрение газогенератора водорода

TN-QL-500 представляет собой компактный легкий вес генератор водорода, который также экономически эффективный, энергосберегающий и экологически чистый. Он производит исключительно чистый газообразный водород путем электролиза чистой воды

без добавления щелочи.Он может непрерывно производить газ h3 высокой чистоты со скоростью до 500 мл / мин и поставляется по стандарту

с цифровым дисплеем расхода, регулировкой клапана и защитой от избыточного давления.

Этот генератор обеспечивает альтернативу для подачи газа h3 для обработки материалов, термообработки, газового хроматографического анализа

и т. Д. В исследовательских лабораториях вместо использования тяжелых, дорогих и небезопасных баллонов с водородом

.

Принцип работы генератора газообразного водорода

Электроды SPE составляют основную технологию генератора h3.Электролитический вода с удельным сопротивлением> 1Х Ом / см помещают в анодной камеру электролитической ячейки.

При включении питания вода в электролизере будет разлагаться на аноде: 2h3 O = 4H + + 2O-2. Разложившийся отрицательный ион кислорода (O-2) немедленно высвободит электрон с образованием кислорода (O2), который затем будет выпущен в воздушную атмосферу (с

анодная камера с водой, циркулирующей в резервуаре для воды) через небольшие отверстия на верхняя крышка резервуара для воды

.

Протон водорода в форме акваиона (H + · Xh3O) пройдет через ионную мембрану SPE под действием силы электрического поля и попадет на катод, чтобы поглотить электрон и образовать водород (h3). Затем водород

будет выгружен из катодной камеры в сепаратор очищающий газ / вода, где будет удаляться большая часть воды из электролитической ячейки. Выход осушенного газообразного водорода достигнет чистоты 99,999% за счет поглощения влаги

двухступенчатыми эксикаторами.

Технические параметры генератора газообразного водорода

,