Ядерная энергетика будущего

[crazy_terraformer]

Опреснение и орошение искусственных оазисов, или выращивание цианей( или иных архей —оксигенных фотосинтетиков) в морской воде, очищенной фильтрацией от других форм жизни.
Варианты выращивания:
1) не герметичная проточная система внутри многокилометровой арочной оранжереи, побочно используется для получения конденсата из паров воды и возможно выращивания орошаемых им растений;
2) герметичная.проточная система внутри многокилометрового стеклянного или стойкого к УФ полимерного трубопровода с подкачкой воздуха через ультратонкие воздушные фильтры, в случае попадания вредителя используются специфичные антибиотики или слив воды и прожарка УФ.

[mbrane]

А его ресурсы весьма ограничены. И из-за критической зависимости от редких элементов фотовольтику вообще нельзя считать в полном смысле возобновляемым источником энергии.

При высокой степени рецмклинге можно сократить потребность в благородных металлах...кроме того принципиально ведь есть и хотя и менее эффективные но другие полупроводники...например двуокись титана в форме нанотрубок... Причем они являются фотокатклизаторами

[mbrane]

Тут ограничений со стороны доступности редких элементов нет, т.е. ВЭС можно построить из бетона, стали и алюминия, и ничего из этого закончиться совсем на планете Земля не может.

С вэс тебе яйца вид в профиль...генераторы то на постоянных магнитах...шото я не видел отдельных крупных залежей неодима и/или Самария...зато все фапают на двигатели с постоянными магнитами - как альтернативу асинхронникам...мне шеф выносит мозга найти такой для горной машины - его вообще заносит ...пока отбиваюсь.

[mbrane]

абсорбцией этаноламином из воздуха CO2(реверанс зелёным), получаем из атмосферного азота аммиачную селитру.

Это будет нереально дорого углекислоты 0.04...сдедовательно нужны полные воздуходувки...вот обслуживание их и станет в копеечку даже при дармовой энергии

[Lieut]

С вэс тебе яйца вид в профиль...генераторы то на постоянных магнитах...шото я не видел отдельных крупных залежей неодима и/или Самария...

Качественный рециклинг пленочных сеток серебра сделать довольно проблематично. А вот рециклинг не менее 99% редкоземельных из промышленных постоянных магнитов, где он в большой концентрациии и в больших количествах в каждой единице - без проблем.
И да редкоземельные элементы названы так потому что очень плохо образуют собственные месторождения, их содержание в коре не так уже и низкое. Они всегда в некотором количестве будут получаться в качестве побочных продуктов.

[AlexAV]

например двуокись титана в форме нанотрубок... Причем они являются фотокатклизаторами

У TiO2 (в том числе в виде нанотрубок) очень широкая запрещённая зона. В результате сам по себе сколько-нибудь эффективно он использует только фотоны с энергией >3.1 эВ. А в солнечном свете, по крайней мере том, который доходит до поверхности Земли, их не слишком много.  Чтобы заставить его использовать фотоны из основной части солнечного спектра - нужен сенсибилизирующий краситель. И вот тут начинаются проблемы. Для большинства органических красителей очень сложно подобрать материал контактного слоя, так чтобы и краситель не деградировал, и контактный слой не разрушался. И обычно оказывается, что ничего кроме золота тут сколько-нибудь адекватно не работает.

С вэс тебе яйца вид в профиль...генераторы то на постоянных магнитах...шото я не видел отдельных крупных залежей неодима и/или Самария...зато все фапают на двигатели с постоянными магнитами - как альтернативу асинхронникам...мне шеф выносит мозга найти такой для горной машины - его вообще заносит ...пока отбиваюсь.

Тут представляется, что это проблема инженерного характера и в общем решаемая. Ценой некоторой потери эффективности и увеличения габаритов можно использовать бариевые ферриты вместо редкоземельных магнитов. Ну или использовать связку насос - гидравлический двигатель для мультипликации скорости вращения. В этом случае вообще от генератора на постоянных магнитах можно избавиться, поскольку в этом случае на валу генератора можно получить высокую скорость вращения даже при малой скорости ветра (рабочий объём насоса и двигателя и в 100 раз отличаться могут и более, соответственно и коэффициент мультипликации такой связки может быть очень высок при сохранение приемлемого КПД), что позволяет использовать генераторы с самоиндукцией.

[crazy_terraformer]

например двуокись титана в форме нанотрубок... Причем они являются фотокатклизаторами

У TiO2 (в том числе в виде нанотрубок) очень широкая запрещённая зона. В результате сам по себе сколько-нибудь эффективно он использует только фотоны с энергией >3.1 эВ. А в солнечном свете, по крайней мере том, который доходит до поверхности Земли, их не слишком много.  Чтобы заставить его использовать фотоны из основной части солнечного спектра - нужен сенсибилизирующий краситель. И вот тут начинаются проблемы. Для большинства органических красителей очень сложно подобрать материал контактного слоя, так чтобы и краситель не деградировал, и контактный слой не разрушался. И обычно оказывается, что ничего кроме золота тут сколько-нибудь адекватно не работает.

Похоже без цирка с ручными жывотнымя мелкого калибру некими штаммами архей или бактерий не обойтись. Потребуются эдакие микрокиборги, использующие диоксид титана или редкоземельные оксиды, металлы платиновой группы в виде наночастиц ионов в металлоферментах в составе фотосистем, для кардинального улучшения фотосинтеза, продукция - биомасса и побочкой в ея составе аккумулированные редкоземы с платиноидами.

абсорбцией этаноламином из воздуха CO2(реверанс зелёным), получаем из атмосферного азота аммиачную селитру.

Это будет нереально дорого углекислоты 0.04...сдедовательно нужны полные воздуходувки...вот обслуживание их и станет в копеечку даже при дармовой энергии

Хорошо делаем аммиачную селитру основным продуктом и выращиваем в мелких прудах с морской водой цианобактериальные маты на ней. Мелкие пруды, так как в интенсивной культуре фотосинтетики будут быстро выедать углекислый газ из воды.Бактерии и археи растут быстро, а с азотными удобрениями ещё быстрее, калий отлично заменяется аммонием, одна проблема для интенсификации роста биомассы — фосфаты,  возможно рециклинг при переработке сушённых цианей и их симбионтов будет достаточно эффективен, после однократного крупного вклада. После фосфора роль лимитирующего рост фактора станут играть микроэлементы.
Система проточная непрывного или периодического типа, т.к. необходимо сливать, накапливающуюся в результате испарения воды соль и возможно осуществляя таким образом карбоксигенацию цианобактериальных матов.

[Rattus]

металлы платиновой группы в виде наночастиц в составе фотосистем

ЩИТО?
Металлы ферментами используются только в форме ионов. Чего стоит получить растворимую соль платиноидов или золота надо ли напоминать?

[mbrane]

Качественный рециклинг пленочных сеток серебра сделать довольно проблематично.

Рециклинг серебра уже давно известен...маринование любую пленку серебра растворить можно...

[crazy_terraformer]

металлы платиновой группы в виде наночастиц в составе фотосистем

ЩИТО?
Металлы ферментами используются только в форме ионов. Чего стоит получить растворимую соль платиноидов или золота надо ли напоминать?

А они наночастицы будут использовать  будут использовать в качестве  наноантенн. Дарю идею, обращайтесь в Роснано, может Нанотолий сотоварищи соизволит выделить грант под генетическу модификацию Ваших маленьких друзей .

[Rattus]

Наночастицы сами размером больше крупных многосубъединичных белковых глобулярных комплексов типа протеасом и рибосом.
Вы когда-нибудь видели резец размером больше станка?

[crazy_terraformer]

Бивни слонов,  саблевидные клыки саблезубых кошек, смилодона, горгонопсов. Станок— челюсть.

Окей! Не буду вводить людей в заблуждение, щас поправлю. Наночастицы зачеркну, а вместо них ионы будут. А жаль — микрокиборги с наночастицами накрылись медным тазом.

[Rattus]

Станок— челюсть.

1. Хрена там челюсть - как минимум голова, а скорее - вся тушка. И где эта вся мегафауна теперь? Слоны тож в красной книге.
2. А по объёму? Кто-то уже делает серийно наночастицы металлов и оксидов с поперечным размером в разы меньше продольного и менее 10 нм?

а вместо них ионы будут

ионы золота и платиноидов, извлекаемые живыми клетками - это мощно... 

[crazy_terraformer]

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D1%82%D0%BE#%D0%91%D0%B8%D0%BE%D0%B3%D0%B5%D0%BE%D1%85%D0%B8%D0%BC%D0%B8%D1%8F

https://www.nature.com/articles/ismej200775

Некоторые микроорганизмы, такие, как Cupriavidus metallidurans, способны осаждать металлическое золото из растворов его солей. Некоторые же другие микроорганизмы, напротив, обладают способностью растворять металлическое золото, выделяя в окружающую среду соединения с сильной окислительной активностью, способные к окислению золота, такие, как перхлорат, селенат, или же соединения, способные к растворению золота за счёт образования стабильных комплексов с ионами золота, такие, как цианиды, тиоцианаты, некоторые органические кислоты и свободные аминокислоты[34]. Этот цикл растворения и осаждения золота при участии микроорганизмов играет важную роль в формировании вторичных месторождений золота. Нередко самородное золото, находимое в этих вторичных месторождениях, под электронным микроскопом оказывается имеющим бактериоформную структуру[34].

Кроме того, растворение некоторыми микроорганизмами золота делает его биодоступным для других живых организмов — почвенных беспозвоночных, растений, и, по восходящей пищевой цепочке, других животных, птиц и человека. Для некоторых микроорганизмов ионы золота могут играть биологическую роль. Так, Micrococcus luteus способен факультативно использовать ионы золота в качестве кофактора для одного из своих ферментов — метанмонооксигеназы. При этом данный фермент более эффективно окисляет метан, чем используя по умолчанию железо. Выдвинуто предположение, что ассоциация многих видов метанотрофных и метилотрофных бактерий с месторождениями золота, или даже непосредственно с поверхностью зёрен золота, возможно, не является случайной. Возможно, что и другие метанотрофные бактерии могут использовать золото таким же образом, как это делает M. luteus. Однако это предположение пока не подвергалось научной проверке, и другие ферменты или виды микроорганизмов, способные использовать золото в своём метаболизме, пока не обнаружены[34].

Используем нейтрализованные азоткой красные шламы или отвалы, содержащие сють-сють золота, в качестве подкормки наших цианобактериальных матов. Кстати вместо невозможных внутриклеточных наноантенн, колония гмо-микроорганизмов может коллективно откладывать внеклеточные наноантенны и приобщаться к результату общего труда.
Эдакий "коралл" или  "губка"....

[crazy_terraformer]

Факт: платину при н.у. растворяет только жидкий бром. Сомневаюсь,что элементарный бром образуется в живых организмах, а броморганика или соли брома не годятся.

[sharp]

Тут правда есть один момент. Сейчас оценены лишь запасы урана с себестоимостью менее 260$/кг. Однако, очевидно, что даже для реактора работающего в открытом цикле это значение критическим не является.

Тут еще другой интересный момент возникает: какова прогнозируемая себестоимость извлечения урана из морской воды? Если она сможет уложиться в $200-250 за кг, тогда можно ожидать открываются перспективы использования миллиардов тонн запасов из морской воды, в том числе для открытого цикла?

[ROVIAN]

https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,177724.msg4913411.html#msg4913411

[AlexAV]

Тут еще другой интересный момент возникает: какова прогнозируемая себестоимость извлечения урана из морской воды? Если она сможет уложиться в $200-250 за кг, тогда можно ожидать открываются перспективы использования миллиардов тонн запасов из морской воды, в том числе для открытого цикла?

Затраты на извлечение урана из морской воды довольно плохо определены, но есть подозрения, что они достаточно велики. Скажем в этом обзоре: https://www.stormsmith.nl/Resources/m28U-sea20190925F.pdf даётся оценка, что прямые затраты энергии на извлечения урана из морской воды более 100 ТДж/т (но, видимо, менее 250  ТДж/т). Если эта оценка верна - это будет очень дорогой уран. 100ТДж электроэнергии = 27778 МВт/ч при цене электроэнергии, скажем 5 ц/кВтч,   даст стоимость урана никак не меньше 1400 $/кг, скорее значительно выше. Это для реактора работающего в открытом цикле слишком дорого. Кроме того, попросту EROEI тут начинает плохо сходиться.  Если эти оценки справедливы - то уран из морской воды для реакторов работающих в открытом цикле скорее всего не годится. Вот для ЗЯТЦ - нормально, там эти значения стоимости и энергозатрат более чем приемлемы.

В общем тут я склонен к консервативной позиции. Уран из морской воды не поможет реакторам работающим в открытом цикле, но будет, начиная с определённого этапа, важным ресурсом для реакторов с высоким КВ, работающих в замкнутом.

[AlexAV]

Три работы по ториевому циклу, которые в общем дают хорошее представление о том, что он может и не может. Нужно отметить в целом умеренно оптимистического содержания.

Собственно ссылки на них:
https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/18811248.2007.9711334
https://www.researchgate.net/publication/267330364_Actinide_closed_water_cooled_thorium_breeder_reactor
https://www.researchgate.net/publication/267330415_All_Heavy_Metals_Closed-Cycle_Analysis_on_Water-Cooled_Reactors_of_Uranium_and_Thorium_Fuel_Cycle_Systems

Собственно перед тем как перейти к выводам, которые там сделана тут нужно сделать одно пояснение. При облучение тория в нём в результате последовательного захвата нейтронов образуется не только U-233, но и тяжёлые изотопы урана (U-234, U-235 и U-236), нептуний, плутоний и малые актиноиды. И далее замкнутый цикл с торием может быть теоретически организован несколькими способами.

Первый способ — можно предположить, что мы отделяем из ОЯТ только торий и U-233, а все тяжёлые изотопы урана, нептуний, плутоний и малые актиноиды отправляем в отходы.



Он скорее представляет чисто теоретический интерес. Отделять U-233 из смеси изотопов урана — дорого и сложно. Никто этим на практике заниматься никогда не будет.

Второй способ — самый интересный. В цикл возвращается весь тяжёлый металл, т. е. торий, все изотопы урана, нептуний, плутоний и малые актиноиды. В таком варианте весь тяжёлый металл в конце-концов превращается в осколки деления. И в отходы уходят только они.



Можно представить ещё третий вариант. Все изотопы урана возвращаются в цикле, а нептуний, плутоний и малые актиноиды отправляются в отходы. В отличие от первого он с технической точки зрения вполне жизнеспособен, т. к. уран от трансурановых элементов может быть отделён химически. Этот вариант в этих работах не рассматривается. По своим характеристикам он будет занимать промежуточное положение между первым и вторым, ближе к второму.

Нужно заметить, что выводы относительно теоретической возможности ЗЯТЦ и требованиям к реакторам, где он возможен, весьма сильно отличаются.

И так. В реакторе с охлаждением лёгкой водой замкнутый ториевый цикл возможен только в первом варианте. Водотопливное отношение — КВ — обогащение в этом случае для разных значений конечного выгорания топлива выглядят следующим образом:

 



В общем в этом случае замыкание возможно, но только при использование реактора с очень плотной решёткой. Тут нужно отметить, что водотопливное соотношение менее 0.5 технически практически нереализумо из теплофизических соображений. В этом случае в реакторе остаётся слишком мало воды для охлаждения ТВЭЛов. Учитывая это, предел выгорания при котором в первом варианте цикла в легководном реакторе можно обеспечить КВ>1 не превышает 25 МВт сут/кг. Тут правда нужно отметить, что этот первый вариант замыкания носит исключительно теоретический характер. Никто такв реальности делвть не будет.

Со вторым вариантом тут хуже. Собственно в легководном реакторе получить с торием КВ>1  в этом случае вообще невозможно.




В общем легководный бридер на тории нужно считать с технической точки зрения совершенно нереалистичным.

(продолжение следует, там будет о тяжеловодных реакторах и будет всё несколько оптимистичнее)

[AlexAV]

И так, как видим. Замкнутый цикл с торием для легководного реактора малореалистичен. Однако, хорошо известно, что лёгкая вода — не самый лучший замедлитель, переход на тяжёлую воду может существенно сократить паразитные потери нейтронов и существенно улучшить картину. И действительно, в реакторе с тяжёловодным замедлителем всё выглядит куда интереснее.

 
В первом варианте цикла область где возможно воспроизводство делящихся изотопов выглядит приблизительно так:



Во всей рассмотренной области соотношений замедлитель — топливо имеется широкая область по выгоранию, где возможно воспроизводство делящихся изотопов. Причём в части области соответствующей реакторам с плотной (но разумно плотной, соотношение вода-топливо на уровне 1:1) можно и получать достаточно большие значения выгорания >50 МВт сут/кг при сохранение воспроизводства делящихся изотопов.

К сожалению, как только мы переходим ко второму, реалистичному, варианту цикла сразу всё портится. Теперь данная диаграмма выглядит уже так:



Единая область распадается на две изолированные, а глубина выгорания при которой возможен бриденг везде сильно падет по сравнению с предыдущим случаем.

Нужно отметить, что водотопливное соотношение в существующих водо-водяных реакторах (около 1.6) как раз практически попадает в дырку на этой диаграмме. Т.е. просто перезалить тяжёлую воду в ВВЭР/PWR и загрузить туда ториевое топливо не получится. По крайней мере после такой манипуляции такой реактор КВ>1 при разумном выгорание не даст. Т.е. под торий потребуются новые реакторы. Какие в общем понятно, но именно новые.

Первая область на диаграмме соответсвует очень большим водотопливным отношениям, оно тут должно быть более 10, а лучше более 20. Возможные значения выгорания здесь при условие сохранения воспроизводства делящихся изотопов здесь невелико, не более 13 МВт сутки/кг. Но вот кстати реактор может быть очень простым и дешёвым, особенно для теплофикационного реактора, предназначенного для выработки тепла для отопления (или низкопотенциального тепла для технических нужд), а не электроэнергии. Тут вообще может быть просто бассейн с тяжёлой водой и редкой решёткой ТВЭЛов в нём. Для получния выкокопотенциального тепла — какой-нибудь канальник с тяжёловодным замедлителем и газовым охлаждением вроде КС-150. Никаких серьёзных технических или материаловедческих проблем с таким реактором нет, можно строить хоть завтра, было бы желание. Вот только работать в ЗЯТЦ с выгоранием менее 13 МВТ сут/кг конечно идея так себе…

Вторая область — область плотных решёток выглядит в большем масштабе так:



Тут можно получить выгорание при сохранение воспроизводства делящихся на уровне до 36 МВт сутки/кг, уже лучше. При этом нужен реактор с достаточно плотной решёткой и водотопливным соотношением на уровне около 1.1. Такой реактор будет похож на современный ВВЭР, только с существенно более плотной решёткой и заполненный тяжёлой водой вместо лёгкой. Машина в общем получится довольно теплонапряжённая (воды в АЗ довольно мало), но ещё технически реальной.

В общем нужно признать, что полноценный ЗЯТЦ на тории с использованием реакторов с тяжёловодным замедлителем технически реален. Получаемые при этом уровни выгорания (а значит и вклад в себестоимость энергии топливного цикла) выше чем у уран-плутониевого реактора с жидкометаллическим теплоносителем (там при сохранение воспроизводства можно добиться и уровней в 100 МВт сут/кг), но на сколько это на самом деле критично — нужно смотреть внимательнее.

(продолжение следует, некоторые замечания и выводы)