Ядерная энергетика будущего

[AlexAV]

А вот возможна ли "планетарная энергетика" на основе ЗЯТЦ - это немножко другой вопрос. Мнения разные бывают :
http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=8146

В статье явно содержится несколько неточностей.

На рисунке 9 и в тексте под ним даётся утверждение, что при КВ 1,2 и и выгорание 10% масса выгруженного плутония будет 1,02 от массы загружаемого, но это не так. Выгорание 10% относится не только к плутонию, но ко всему тяжёлому металлу в топливе. Поэтому если в топливе содержится около 10% плутония, топливо выгорело на 10%, а КВ = 1,2, то мы выгрузим не 1,02 исходной массы плутония, а 1,2. Это сразу уменьшает оценку времени удвоения в 10 раз.

Также утверждается:

Так как нейтронно-физические и химические свойства у этих элементов различны, то для запуска замкнутого ядерного топливного цикла невозможно реакторы БН впоследствии перепрофилировать на работу на плутонии-239.

Что, вообще говоря, тоже действительности соответствует не вполне. Тут ситуация на самом деле несимметричная. В ряде аспектов уран-235 имеет лучшие ядерно-физические свойства, чем плутоний (прежде всего в аспектах связанных с безопасностью, т.е. количество запаздывающих нейтронов и величине доплеровских коэффициентов реактивности у уранового топлива по сравнению с МОХ). Поэтому любой реактор, который может работать на уран-плутониевом МОХ может работать и на урановом топливе, но не наоборот.

Текущие проекты быстрых реакторов (БН-800 и БН-1200, СВБР, БРЕСТ) исходно рассчитывались на работу с уран-плутониевым топливом, однако все они естественно могут вполне успешно работать и на обогащённом уране. То что БН-800 сейчас работает на урановом топливе связано исключительно с тем, что реактор пустили раньше, чем мощности способные производить достаточное количество МОХ топлива, перевести его полностью на уран-плутониевое топливо не является значительно проблемой.

Что касается величины КВ, то с учётом, что в природном уране содержится делящийся уран-235, необходимость его особо больших значений не столь очевидна. Нам ведь нужно сжечь весь природный уран, а не накапливать горы радиотоксичного плутония, а для этого вполне достаточно КВ слегка выше единицы, на уровне 1,05 - 1,1 (с учётом неизбежных технологических потерь и распада Pu-241). Расширение же энергетики можно осуществлять используя природный уран-235. Т.е. первую загрузку осуществлять обогащённым ураном, а затем  плавно переводить реактор на уран-плутонеевый МОХ собственного производства.

Обсчёт такого режима на примере реактора СВБР можно найти скажем в этой работе: https://www.researchgate.net/publication/265103618_Fuel_Cycle_of_Reactor_SVBR-100

[AlexAV]

Под "плутониевым реактором" видимо понимается реактор на плутонии, а не на МОКС - топливе.

Реактор на чистом плутонии (а не на смешанном уран-плутониевым МОX топливе) вообще сделать очень сложно, особенно быстрый. По той причине, что этой конструкцией вообще непонятно как управлять. У плутония мало запаздывающих нейтронов и у чистого плутония неблагоприятные значения доплеровских коэффициентов реактивности, в это ситуации практически не остаётся механизмов позволяющих удерживать реактор в стационарном состояние.

Вообще с помощью реактора который мог бы работать на смеси трансурановых элементов без добавления урана-238 можно было бы радикально решить проблему малых актиноидов.  Один небольшой такой реактор, работающий на смеси нептуния, америция и реакторного плутония, мог бы утилизировать малые актиноиды от десятков реакторов (их не так уж и много образуется). При этом наработки бы новых трансурановых элементов в нём не происходило бы. Однако пока не очень понятно как сделать такой реактор сколько-нибудь управляемым (если не рассматривать различные электроядерные и гибридные варианты, это как раз та область где термоядерный источник нейтронов может быть очень к месту).

[sharp]

На рисунке 9 и в тексте под ним даётся утверждение, что при КВ 1,2 и и выгорание 10% масса выгруженного плутония будет 1,02 от массы загружаемого, но это не так. Выгорание 10% относится не только к плутонию, но ко всему тяжёлому металлу в топливе. Поэтому если в топливе содержится около 10% плутония, топливо выгорело на 10%, а КВ = 1,2, то мы выгрузим не 1,02 исходной массы плутония, а 1,2. Это сразу уменьшает оценку времени удвоения в 10 раз.

Вот это очень важное уточнение, автор получается действительно ошибся в "таблице умножения".
Остается только догадываться, действительно ошибся, или совершил подлог, чтобы запутать широкий круг читателей.

[DimVad]

Нет, доля электроэнергетики занимает больше трети.

Ну, я имел в ввиду всю "органику" (т.е. нефть-газ-уголь) а не только уголь.
Но даже если бы была треть - проблема бы не исчезла.

[MenFrame]

Но даже если бы была треть - проблема бы не исчезла.

На данном этапе пока возможно замещение атомом только углеводородных электростанций. Замещение промышленного тепла электричеством от АЭС, будет возможно когда цены электроэнергию станут дешевле цен на газ, уголь. Что произойдет не скоро. Не раньше чем к концу века.

[MenFrame]

У плутония мало запаздывающих нейтронов

У плутония 239 количество запаздывающих нейтронов в три раза меньше чем у урана 235(0,21% против 0.64%), и почти столько же сколько у урана 233(0,26%)
Какой же будет процент запаздывающих нейтронов у реально работающих топлив?

[AlexAV]

Какой же будет процент запаздывающих нейтронов у реально работающих топлив?

В ВВЭР-1000 при работе на стандартном урановом топливе реальная эффективная доля запаздывающих нейтронов около 0,5%, значения ниже 0,4% считаются нежелательными с точки зрения безопасности.

В БН доля при работе на уран-плутониевом топливе доля запаздывающих нейтронов около 0,31 - 0,36, она несколько выше, чем для чистого плутония за счёт заметного вклада прямого деления урана-238 быстрыми нейтронами (который даёт достаточно много запаздывающих нейтронов).

Для быстрых реакторов важную роль в поддержание реактора в стационарном режиме играют не только запаздывающие нейтроны, но и температурный эффект реактивности за счёт эффекта Доплера (при повышение температуры топлива резонансные пики поглощения урана-238 уширяются, в результате чего поглощение нейтронов им в резонансной области усиливается, что снижает коэффициент размножения нейтронов, важно что этот эффект влияет на реактивность реактора практически мгновенно). Но для того чтобы доплеровский коэффициент реактивности был отрицательным в топливе должно быть достаточное количество плохо делящегося фертильного материала (урана-238 или тория-232), если взять чистый плутоний, то для него доплеровский эффект будет давать положительную добавку к коэффициенту реактивности, из-за чего управлять реактором станет практически невозможно.

[библиограф]

Реактор на чистом плутонии (а не на смешанном уран-плутониевым МОX топливе) вообще сделать очень сложно, особенно быстрый. По той причине, что этой конструкцией вообще непонятно как управлять. У плутония мало запаздывающих нейтронов и у чистого плутония неблагоприятные значения доплеровских коэффициентов реактивности, в это ситуации практически не остаётся механизмов позволяющих удерживать реактор в стационарном состояние.

Ну, не беда! Инженеры что-нибудь придумают!
Реактор Клементина - первый реактор на быстрых нейтронах, 1946 год, работал на плутонии
и охлаждался ртутью. Для регулировки использовался поднимающийся блок из U238.
Использовался для определения нейтронных сечений и успешно проработал четыре года.

[crazy_terraformer]

Это даже не говоря о том, что уголь просто лучше. Например, в Китае при производстве цемента используются определённые марки угля (в России - газ). Как этот уголь заменить плутонием ?  Теоретически выстроить схему на бумажке (не заботясь о себестоимости - можно).
Что-то типа :
1. БР (ну там БН или что-то типа БРЕСТ) вырабатывает электричество и нарабатывает плутоний в бланкетах (из которого фабрикуют МОКС)
2. С помощью электричества получается водород
3. С помощью водорода - метан
4. Метан используется для производства цемента

Примерно аналогично получаем металлы (которые используются, например, в современном строительстве как и цемент).

Метан или водород для производства цемента не нужны.

Портландцемент

Портландцемент (англ. Portland cement) — гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путём совместного помола цементного клинкера, гипса и добавок, в составе которого преобладают силикаты кальция (70-80 %). Это вид цемента, наиболее широко применяемый во всех странах.

Впервые получен англичанином Жозефом Аспдином в 1824 году. Название получил по имени острова Портленд в Англии, так как получаемый с его добавками искусственный камень (бетон) по цвету похож на добываемый там природный камень.

Основой портландцемента являются силикаты (алит и белит).
Процесс производства

Портландцемент получают тонким измельчением клинкера и гипса. Клинкер — продукт равномерного обжига до спекания однородной сырьевой смеси, состоящей из известняка и глины определённого состава, обеспечивающего преобладание силикатов кальция (3СаО∙SiO2 и 2СаО∙SiO2 70-80 %).

Самые распространённые методы производства портландцемента - так называемые «сухой» и «мокрый». Всё зависит от того, каким способом смешивается сырьевая смесь — в виде водных растворов или в виде сухих смесей.

При измельчении клинкера вводят добавки: 1,5…3,5 % гипса СaSO4∙2H2O (в перерасчёте на ангидрид серной кислоты SO3) для регулирования сроков схватывания, до 15 % активных минеральных добавок — для улучшения некоторых свойств и снижения стоимости цемента.

Сырьём для производства портландцемента служат смеси, состоящие из 75…78 % известняка (мела, ракушечника, известнякового туфа, мрамора) и 22…25 % глин (глинистых сланцев, суглинков) либо известняковые мергели, использование которых упрощает технологию. Для получения требуемого химического состава сырья используют корректирующие добавки: пиритные огарки, колошниковую пыль, бокситы, пески, опоки, трепелы.

При мокром способе производства уменьшается расход электроэнергии на измельчение сырьевых материалов, облегчается транспортирование и перемешивание сырьевой смеси, выше гомогенность шлама и качество цемента, однако расход топлива на обжиг и сушку на 30-40 % больше чем при сухом способе.

Обжиг сырьевой смеси проводится при температуре 1 470°C в течение 2…4 часов в длинных вращающихся печах (3,6х127 м, 4×150 м и 4,5х170 м) с внутренними теплообменными устройствами, для упрощения синтеза необходимых минералов цементного клинкера. В обжигаемом материале происходят сложные физико-химические процессы. Вращающуюся печь мокрого способа условно можно поделить на зоны:

    сушки (температура материала 100…200 °C — здесь происходит частичное испарение воды);
    подогрева (200…650 °C — выгорают органические примеси и начинаются процессы дегидратации и разложения глинистого компонента). Например, разложение каолинита происходит по следующей формуле: Al2O3∙2SiO2∙2H2O → Al2O3∙2SiO2 + 2H2O; далее при температурах 600…1 000 °C происходит распад алюмосиликатов на оксиды и метапродукты.
    декарбонизации (900…1 200 °C). В этой зоне происходит декарбонизация известнякового компонента: СаСО3 → СаО + СО2, одновременно продолжается распад глинистых минералов на оксиды. В результате взаимодействия основных (СаО, MgO) и кислотных оксидов (Al2O3, SiO2) в этой же зоне начинаются процессы твердофазового синтеза новых соединений (СаО∙ Al2O3 — сокращённая запись СА, который при более высоких температурах реагирует с СаО и в конце жидкофазового синтеза образуется С3А), протекающих ступенчато;
    экзотермических реакций (1 200…1 350 °C). В этой зоне завершается процесс твёрдофазового спекания материалов, здесь полностью завершается процесс образования таких минералов как С3А, С4АF (F — Fe2O3) и C2S (S — SiO2) — 3 из 4 основных минералов клинкера;
    спекания (1 300→1 470→1 300 °C). В этой зоне происходит частичное плавление материала, в расплав переходят клинкерные минералы кроме C2S, который взаимодействуя с оставшимся в расплаве СаО образует минерал АЛИТ (С3S);
    охлаждения (1 300…1 000 °C). Здесь температура медленно понижается. Часть жидкой фазы кристаллизуется с выделением кристаллов клинкерных минералов, а часть застывает в виде стекла.

Газоохлаждаемые реакторы способны выдавать теплоноситель с температурой от 400-850-950°C, таким образом можно отбирать горячий теплоноситель из вторичного или третичного контура одного из модулей реактора и либо прогревать им сырьевую смесь до данных температур сразу(тогда нагретая им смесь далее нагревается в электропечах), или перед подачей в камеру обжига подогревать этот теплоноситель до 1 500 °C  электронагревателями, питаемыми электричеством от других модулей.
Или можно не мучиться и использовать сразу электропечи.
Производство углеводородов из воды и углекислого газа, получаемого при обжиге известняка и при восстановлении железа метаном, совершенно естественный выход. С другой стороны из углекислоты можно производить угарный газ и восстанавливать им железо, далее превращая его в карбонил и очищая перегонкой.

[mbrane]

Метан или водород для производства цемента не нужны.

Впрямую не нужны...Но нужно тепло 1200 градусов цельсия дабы известняк разложить

[crazy_terraformer]

Какие такие сложности? Будем на электромобилях кататься.
 

sharp
Как бы кобальта всего 7 млн. тонн запасы... А литий-кобальт - лучшее сочетание для этого дела (ещё графит для анодов).Если начнём масштабную электромобилизацию , то эта кубышка сильно уменьшится ещё до того , как закончится нефтяная. Из никелевых латеритов в качестве побочного продукта кобальт брать , но объёмы добычи не столь большие будут. Литий только из морской соли останется - шибко дороговат будет , не так уж много его там , даже 1 ppm по-моему нет...

Это будут троллейбусные электромобили, где для накопления малого количества энергии для перехода от одной линии передач к другой будут использоваться ионисторы. Или это будут электромобили на топливных элементах с ферментным катализом.

Метан или водород для производства цемента не нужны.

Впрямую не нужны...Но нужно тепло 1200 градусов цельсия дабы известняк разложить

Там ниже песня про отбор теплоносителя, его подогрев и электропечи.

[mbrane]

С другой стороны из углекислоты можно производить угарный газ и восстанавливать им железо, далее превращая его в карбонил и очищая перегонкой.

че вы носитесь с этим карбонилом - это путь в некуда - ядовитое,пожароопасное и  взрывопасное соедениеие - ка бы хоть что-то можно сделать никто бы с DRI не возился

[mbrane]

Там ниже песня про отбор теплоносителя, его подогрев и электропечи.

что в лоб что по лбу ... основные энергозатраты идут на разложение известняка, котрое протекает при температуре 900-1200 - выше температуры перспективных газовых реаторов, значит основные энергозатраты будут формироваться за счет электричества

[crazy_terraformer]

Ну это ясно, а значит никакого синтетического метана и электролизного водорода для синтеза цемента не надо, а надо только электричество для электропечей.

[DimVad]

Это будут троллейбусные электромобили, где для накопления малого количества энергии для перехода от одной линии передач к другой будут использоваться ионисторы. Или это будут электромобили на топливных элементах с ферментным катализом.

Есть более простой вариант. По городу идут обычные трамвайные линии - но минимум в два ряда. Чтобы можно было обгонять и объезжать препятствия, если они возникнут. Долговечность рельс и трамваев - зашкаливает. Хотя подходит для достаточно плотной застройки, конечно. В 30-х годах прошлого века США были "великой трамвайной державой". Даже заселение пригородов с них начиналось...
Тут основная проблема - нужна дешёвая сталь, а для неё нужен кокс. Без кокса сталь будет не дешёвой...
Ну, ещё можно заменить трамвай троллейбусом - тут сложности будут в основном с дорогами.

Ну это ясно, а значит никакого синтетического метана и электролизного водорода для синтеза цемента не надо, а надо только электричество для электропечей.

Это хорошо, спору нет. Хотя цена всё равно подскочит, хоть и не так, как с метаном. Ну а металл - арматура всякая ? Современное строительство - крупнейший потребитель металла. Похоже, это будет весьма узкое место.

Вообще, пик угля похоже гораздо страшнее пика нефти...

[-Asket-]

Металл в строительстве сейчас в основном захоранивается в растущей инфраструктуре, к тому же во многих случаях просто избыточной и бессмысленной. Для поддержания построенного при отсутствии роста такие объемы производства металла просто не нужны. В принципе же можно и вовсе без арматуры в каких-то случаях обойтись при желании. Пантеон без малого две тысячи лет стоит уже и ничего с бетонным куполом без арматуры не случилось. А арматура бы давно из-за коррозии разворотила все на куски сама.

[mbrane]

В принципе же можно и вовсе без арматуры в каких-то случаях обойтись при желании.

не ну если хибару одноэтажную строить без силовых воздействий то таки можно...

[библиограф]

 

Ну а металл - арматура всякая ? Современное строительство - крупнейший потребитель металла.

Есть стеклопластиковая и композитная арматура, только дорогая.
http://kerch-most.ru/primenenie-v-stroitelstve-stekloplastikovoj-armatury.html

[snickers]

Один небольшой такой реактор, работающий на смеси нептуния, америция и реакторного плутония, мог бы утилизировать малые актиноиды от десятков реакторов (их не так уж и много образуется). При этом наработки бы новых трансурановых элементов в нём не происходило бы. Однако пока не очень понятно как сделать такой реактор сколько-нибудь управляемым (если не рассматривать различные электроядерные и гибридные варианты, это как раз та область где термоядерный источник нейтронов может быть очень к месту).

Кто сделает его первым станет миллиардером, это ведь можно отходы перерабатывать... ну кроме получения энергии как побочный продукт.  но что такой реактор сам по себе выдаст на выходе?

[crazy_terraformer]

Это хорошо, спору нет. Хотя цена всё равно подскочит, хоть и не так, как с метаном. Ну а металл - арматура всякая ? Современное строительство - крупнейший потребитель металла. Похоже, это будет весьма узкое место.

Самое узкое место - никель и хром. Интересно, что будет выгодней электролиз воды для получения водорода или циклический процесс восстановления-окисления железа:
 Fe3O4->1538°C->3FeO+0,5O2
3FeO+H2O->t°C->Fe3O4+H2
3FeO+CO2->t°C->Fe3O4+CO
Как видим в последней реакции получается угарный газ им можно восстанавливать водород из воды или железо из руды(в обоих последних случаях можно рециклить углекислый газ), или получать из него и воды или водорода углеводороды и их производные методом Фишера-Тропша.