Долгосрочные перспективы ресурсного обеспечения технически развитой цивилизации

[AlexAV]

Свежие ТВЭЛы перерабатывать нельзя изза радиолиза, старые МОКС-ТВЕЛы очень тяжело перерабатывать изза америция

Америций переработке не мешает (точнее мешает ничуть не больше других радиоактивных изотопов).

С ним проблема скорее в том, что непонятно куда его дальше девать. Это по сути особо мерзкий радиоактивный отход, с который непонятно что делать. Если помещать в ТВЭЛы и дожигать вместе с оставшимся топливом - осложняется обращение с такими ТВЭЛами, ухудшается нейтронный баланс (хотя и не сильно), т.к. даже в спектре БН америций скорее поглотитель нейтронов, чем топливо. Если захоранивать вмести с осколками, то он оказывается одним из наиболее радиотоксичных материалов с большим периодом полураспада. Что ещё хуже - при распаде даёт тоже весьма радиотоксичный и, кроме того, подвижный в окружающей среде Np-237, у которого период полураспада уже 2,1 млн. лет, почти вечность. Т.е. вариант тоже не тот, который хотелось бы видеть.

Видимо сейчас самый разумный путь — выделять и класть на склад. Пусть лежит, пока не придумают как его нормально можно утилизировать или использовать. Ну или пока он не распадётся в нептуний (период полураспада америция — 432,6 лет).

Что касается возможного полезного использования америция, то скажем существуют предложения использовать его в качестве замены дефицитного Pu-238 в РИТЭГ космического назначения: https://elibrary.ru/item.asp?id=26245506

Для нептуния (а америий сегодня — это нептуний завтра ) тоже возможно можно найти полезное применение: http://www.atominfo.ru/newso/v0742.htm

[AlexAV]

о из за недостачи серебра которое активно используется в промышленности никто не делает трагедий

Только дураки не делают. Материалы с распространённостью индия или серебра - это абсолютно не возобновляемый ресурс. Точно такой же как нефть, закончатся месторождения, закончатся и они, причём закончатся совсем. Несколько тысяч тонн хрома или никеля ещё наковырять можно, а индий и серебро не извлекаемые вообще.

индий например месторождений не имеет

Это полуправда. Собственных - не имеет, но он концентрируется в сульфидных рудах. И только от туда может быть технически извлечён. Кончатся сульфидные руды, кончится и индий, причём кончится совсем.

но как то не учитываем например сколько надо ТОНН меди

В обмотках рано или поздно медь придётся заменять на алюминий, пусть даже и с ухудшением характеристик. Ну а алюминий на планете Земля закончиться не может.

от как то господа интересно - как для СЭС то есть проблема материалов и как для иных источников то ее как бы нет). Хитро что сказать).

Есть. Не для всех, но для многих. Вообще на счёт возможности решения этого вороха проблем я скорее пессимист.

С наибольшей вероятностью цивилизация в современном виде будущего не имеет.

PS Проблема тех или иных запасов материалов она ОДИНАКОВА для всех видов генерации.

Все же не у всех и точно не в равной степени.

Да СЭС надо кремний

Кремний - вообще не проблема (это породообразующий элемент). Проблема - это серебро (современные кремневые элементы его используют, вообще производство солнечных элементов один из главных потребителей серебра), олово, некоторые другие материалы электроники, для не кремневых элементов ещё индий, теллур, селен и т.д.

ГЭС у нее нет турбин

ГЭС и ВЭС(обычные, наземные) - один из немногих примеров станций, которые можно построить вообще без редких элементов. Турбины ГЭС чаще делают из углеродистой стали без легирования. Ну а генератор может быть с алюминиевыми обмотками.

В общем попытка доказать что вот там не хватит а тут все есть ...

Где?! Я скорее говорю, что везде не хватает.

А вот кремния или галиия с там индием что то маловато).

Про кремний никто не говорил. А с галлием все действительно не очень хорошо, а с индием - скорее уже совсем полная катастрофа.

13 т ванадия, 27 т молибдена, 7 тонн ниобия особенно этих материалов хоть пруд пруди.

Ванадий в небольших количествах кстати понятно откуда можно наковырять. Его накапливают некоторые морские организмы, даже существовали предложения о его добыче из асцидий (сотни тысяч тонн так не получищь, но несколько сотен или единиц тысяч - вполне). Молибден и ниобий - конечно проблема (правда ОЯТ сами по себе источник молибдена, среди осколков деления его достаточно много).

Здесь однако есть вариант использования стали попроще (10Х2М, которая использовалась в БН-600), правда корродирует она в натрии значительно сильнее 07Х12НМБФ, но БН-600 ведь тоже не разваливается (хотя проблемы с коррозией конечно видимо есть, иначе бы сталь не меня ли в новых проектах) с составом (http://www.splav-kharkov.com/mat_start.php?name_id=800):
C - 0.08 - 0.12%
Si - 0.17 - 0.37%
Mn - 0.4 - 0.7%
Ni - 0.3%
Cr - 2% - 2.5%
Mo - 0.6 - 0.8%

[AlexAV]

Именно нерадиоактивные изотопы?

Да, не радиоактивных (Mo-100 не считаем ). У молибдена вообще есть только один радиоактивный изотоп с временем жизни более 3 суток (опять же Mo-100 не рассматриваем) - Mo-93, но это нейтронодеффицитный изотоп, который при деление ядер вообще не образуется. Т.е. через несколько месяцев выдержки радиоактивность молибдена  выделенного из ОЯТ ничем не будет отличаться от молибдена из природных месторождений.

хотя бы частично на карбид кремния

Не знаю, но для быстрых реакторов это выглядит явно сомнительно. У кремния достаточно высокое сечение захвата нейтронов, а углерод сильно их замедляет. Уже поэтому это выглядит как далеко не лучший материал для внутренней части реактора. Ну и учитывая, что химическая реакция карбида кремния с натрием термодинамически выгодна, то его коррозионная стойкость в такой среде тоже отнюдь не очевидна. Да и материал это крайне неудобный и не технологичный в обработке.

[AlexAV]

Кстати небольшое интересное видео про тест 50Вт солнечных панелей моно и поли - кремния, а за одно сравнение одинаковых из одной партии панелей через три года эксплуатации и новой "из кладовки". http://www.youtube.com/watch?v=gM_5uWaq1Bg#t=694.204937

Экстраполяция здесь вещь не слишком надёжная. Первая причина - нужно сначала доказать, что процесс деградации вообще линейный, т.е. что нет какого-то ускоряющегося со временем эффекта. Второе - медленная деградация полупроводника - не единственная причина отказа в условиях реальной эксплуатации. Единственный способ проверки реальной долговечности - это реальная эксплуатация в реальных условиях в течение требуемого времени достаточно большой партии с подсчётом процента отказа, и никак иначе.

Доказать, что элемент может работать 25 или 35 лет можно только на большой партии за 25 или 35 лет и ни днём меньше.

[AlexAV]

Вопрос ключевой ибо если изменения начнутся в ближайшую сотню лет то не стоит уповать на прорывы в освоение космоса или иных технологиях..

Если вести речь о проблеме редких элементов - то смотря каких. По каждому ситуация разная. Для серебра, индий, теллура, селена, других попутных элементов сульфидных руд - проблемы начнутся буквально завтра, чуть ли не быстрее, чем нефтью и газом. С классическими промышленными металлами - никелем, медью, оловом, свинцом, цинком - чуть позже, но тоже ни о каких столетиях здесь речи не идёт. Проблемы с титаном, марганцем, хромом, цирконием, барием - уже не столь ближняя перспектива. Тут каждый элемент нужно рассматривать отдельно.

Наихудшая ситуация кстати именно по полупроводниковым материалам и материалам электронной техники.

[AlexAV]

Ну я сомневаюсь что 25 лет кто то на форуме будет ждать доказательств). В любом случае я привел конкретные измерения а  не сакральные знания из астрала  ).

Проблема в том, что эти измерения имеют очень отдалённое отношение к практическому сроку службы солнечных батарей. Приблизительно такие же как деградация светодиодов к сроку службы LED ламп (ну т.е. она ограничивает верхний лимит срока службы, но ни как не определяет реальный момент отказа, т.е. светодиод может жить и 10 лет, вот только редкая лампочка до этого срока доживает из-за отказов напрямую с медленной деградацией полупроводника и люминофора никак не связанной ).

Достаточный срок для анализа кстати уже прошёл, и необходимые выводы можно сделать просто по анализу статистики отказов. Соответствующие данные приведены в этой работе: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0301421516301379 (ссылку уже давал) и из них следует, что реальный срок службы около 10 лет.

PS Я например не знаю ни одного источника генерации с таким сроком службы и без всяких ТО и ремонтов.

Без ТО и ремонта СЭС тоже работать не будет. Скажем в этой работе: http://mpei.ru/Science/Dissertations/dissertations/Dissertations/ZezinDA_diss.pdf приводится следующая зависимость вероятности отказа СЭС от времени (не в смысле конечно, что её после этого нужно сносить, а в том что нужно будет ремонтировать):



Т.е. регулярный (и даже очень регулярный) ремонт с заменой вышедших из строя компонент очень даже требуется. Ничем здесь СЭС от других видов генерации не отличается.

Если Вы правы то выходит, что не мешало бы делать запасы лишней наличности в серебрянных слитках?

Для долгосрочных сбережений серебро действительно самый перспективный инструмент.

Но вот как то график биржевых цен на серебро за последние 10 лет показывает нечто иное..

Значительная часть серебра - побочный продукт переработки сульфидных руд, поэтому его предложение не эластично (т.е. попросту мало зависит от спроса), а цена очень волантильная. Вот только вся эта спекулятивная болтанка вообще ни о чём не говорит.

Вывод - "завтра" пока не наступило.

А вы изучайте не спекулятивную болтанку на бирже, а данные о месторождениях сульфидных руд, изменение содержание полезной компоненты в них, изменение в способах извлечения основной компоненты (при переходе к бедным рудам более широко начинают использоваться методы гидрометаллургии, при которых попутные компоненты часто не извлекаются). И оптимизма сразу поубавится. По попутным компонентам сульфидных руд будущее уже рядом. И оно совсем не коммунистическое и не светлое.

Скорее всего процесс будет постепенный.

Конечно не мгновенным, по наиболее редким элементам переходный процесс будет длиться несколько десятилетий. По более распространённым - дольше (чем элемент более распространён и более склонен образовывать собственные минералы - тем дольше). Но это в историческом масштабе всё равно будет не слишком большой срок.

Запасы редкозема это стратегические данные и никто не будет давать в открытый доступ достоверную информацию.

Чушь это. Никто ничего особо не секретит.

Кроме того обсуждая как то вопрос  запасов угля наткнулся на тему урана и тория в шлаке от улей ТЭС. По данным  российского геохимика Я.Э. Юдовича  среднее содержание урана в углях составляет -3,6 г/т, а тория для бурых углей – 6,3 г/т, каменных -3,5 г/т. Если там есть актиноиды то почему там не может быть редкозема? Ведь например в монацитовом песке они идут вместе -  А ведь эту тему никто не прорабатывал.

РЗЭ там конечно формально есть, но в количестве измеряемом граммами на тонну, т.е. приблизительно столько же, сколько в подмосковном суглинке. Это технологически практически не извлекаемо. Кстати не путайте понятие редких элементов и редкоземельных. Редкоземельные кстати далеко не самые редкие (особенно цериевая группа), хотя конечно всё равно очень проблемные в долгосрочной перспективе.

Скорее всего данные по запасам редкозема просто не верны,  иначе я ничем не могу объяснить спокойствие на биржах.

С чего это. Оценки запасов в основном открыты и их при желание можно найти. А вот какой-то логики, здравого смысла и дальновидности на бирже искать не стоит, это не то место, где эти качества обитают.


 

[AlexAV]

Да,и причем даже отстойники под обогащение начали строить,но все бросили.

Ну не добывать может быть и не добывают, но запасы соответствующих формаций значатся.

[AlexAV]

Кстати интересно внимательнее на использование серебра в солнечных элементах. На производство кремнеых солнечных эелементов его тратится приблизительно  80 т на ГВт установленной мощности (https://www.forbes.com/sites/greatspeculations/2014/10/21/trends-in-silver-demand-by-the-solar-photovoltaic-industry/#57fe46a52158). Учитывая, что КИУМ СЭС процентов 12, то получается для строительства станции, генерирующей 1ГВт в среднем за год нужно 667 тонн серебра.

Да... На этом фоне 110 тонн никеля на строительство реактора даже и не смотрятся... Сколько у нас запасов серебра в мире? 570 тыс. т. (https://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/silver/mcs-2016-silve.pdf)? Тут говорить, даже не о том, что солнце заменит что-то в энергетики, а хотя бы сколько-нибудь долго будет играть хоть какую-то роль - просто смешно.

Даже если предположим, что цифру удельного потребления серебра удастся уменьшить в 10 раз, то даже в это случае ничего не меняется, всё равно требуемое его количество остаётся совершенно безумным для такого редкого элемента.

[AlexAV]

возможно и об отложениях лёгкоплавких оксидов на стенах труб и пылеуловителях ТЭС и ТЭЦ?

Среди легкоплаких имеет смысл искать цинк, свинец, селен, германий (германий из такой пыли, накапливающейся в пылеуловителях, при сжигании некоторых сортов углей действительно добывают). А вот РЗЭ - нет. Оксиды РЗЭ чрезвычайно тугоплавки и малолетучи, они остаются в основной части шлака вместе с оксидами алюминия.

[AlexAV]

Работают, но с ухудшенными характеристиками.

Это да, но не только. Серебро - единственный металл (ну может золото ещё кроме него ) совместимый с кремнием и пригодный для нанесения дешёвыми методами трафаретной и струйной печати. Так что не просто с ухудшением характеристик и увеличением скорости деградации, но и ещё намного дороже. На порядки дороже. Т.е. современные методы массового производства сравнительно дешёвых кремневых солнечных батарей могут вообще работать только с серебром.

Фотолитографией можно наносить и использовать другие (так делают солнечные батареи для космоса, где нужны характеристики, которые дешёвыми методами нанесения металлизации не получаются, там скажем для металлизации используют трёхслойную структуру Pd/Ti/Ag). Но это, мягко говоря, даёт совсем другую себестоимость продукции.

[AlexAV]

А на чипах проводники из чего - из него же?

В современных микросхемах чаще всего алюминий или двухслойное нитрид тантала/медь.

Однако алюминий для металлизации внешней поверхности солнечной батареи не подходит в принципе (его используют на внутренней, где нужна высокая концентрация примеси p-типа, которой алюминий собственно и является, а вот на внешней, где такой примеси должно быть мало, он не годится). А медь может использоваться только с барьерным слоем, что исключает простую печать металлизации металлсодержащими чернилами (что возможно с серебром, и собственно так и делается) и требует куда более сложных методов вроде фотолитографии в несколько проходов. Медь же без барьерного слоя использовать нельзя (она сильно диффундирует в кремний, ухудшая его свойства). Плюс медь куда более подвержена коррозии. А для солнечных элементов это важно (для процессора это существенно куда в меньшей степени). Даже в тех случаях, когда её в пытаются использовать в солнечных элементах (понятно с нанесением барьерного слоя по сложной технологии) — её всё равно приходится покрывать слоем серебра.

[AlexAV]

Однако.
А без серебра оно вообще никак работать не будет?

Серебро обладает уникальным сочетанием свойств - слабо диффундирует в кремний не ухудшая его свойства,  имеет самую высокую электропроводность, устойчиво к окислению и вообще коррозии, имеет невысокую температуру плавления. В результате оно оказывается единственным металлом пригодным для изготовления металлических чернил для печати на полупроводнике металлизации. А возможность печати рисунка на большой площади c малыми издержками - здесь необходимое условие.

[AlexAV]

Собственно о процессе формирования металлизации у современных кремневых солнечных батарей.

[AlexAV]

Кстати считать КИУМ для ВИЭ это бред. А почему? вот газовая станция использует топливо и ее КИУМ имеет смысл.

Чушь. КИУМ как раз куда более важен для систем с высокими капитальными затратами и существенно менее важен для тех, где основную роль играют топливные. Когда газовая станция отключена - она топлива не потребляет вообще, а оборудование СЭС деградирует даже если её энергию вообще никто не берёт.

то сравнивать КИУМЫ источника с БЕСПЛАТНЫМ топливом и топливом за которое надо ПЛАТИТЬ... скажем по культурному - некорректно)).

Вы видимо плохо понимаете проблему.

Элементы СЭС деградируют вне зависимости берёте Вы энергию или нет, текущего обслуживания ( текущего ремонта, охрана  и т. д.) - тоже практически не зависит от того как её используют (кстати затраты не такие уж маленькие, около 20$ в расчёте на киловатт номинальной мощности для промышленных СЭС, эта составляющая намного меньше капитальной, но вовсе не пренебрежимо мала), проценты по кредиту на её постройку тоже капают вне зависимости как светит солнце. В итоге можете считать, что каждый час существования СЭС вы должны оплатить вне зависимости от того дала ли она что-то полезное или нет. Это определяет практически максимальную чувствительность экономики СЭС к КИУМ, которая вообще возможна для источника энергии.

В результате у СЭС себестоимость энергии растёт как 1/КИУМ, у газовых станций эта зависимость куда более медленная (т.к. при снижение КИУМ снижается и суммарный расход топлива). Т.е. для СЭС (и для АЭС кстати тоже) КИУМ куда важнее чем для газовой станции, или дизельгенератора.

[AlexAV]

Если бы удалось создать водородную энергетику, когда бы избыток энергии СЭС и ВГ разлагал бы воду на водород и кислород и этот водород бы потреблялся на газовых турбинах ---- ситуация была бы менее критическая....

Тут всё не так просто... Низкотемпературных электролиз (щелочной, с использованием твёрдополимерных мембран) требует платиноидов для изготовления электродов (у современных что-то около 0,3 мг/см2 на катоде и 1,5 мг/см2 на аноде при расчётной плотности тока 1 А/см2). Т.е. если половина мирового производства энергии будет идти на производство водорода (в качестве аккумуляции), т.е. в среднем 1,4 ТВт, то потребуется колличество электролизеров, содержащее почти 1500 тонн платиновых металлов (напряжение на электролизере 1,7 В). А для их поддержание ежегодно расходовать 1300 тонн. Т.е. цифра получается абсолютно нереальная, их даже сегодня столько не добывают, а по мере исчерпания месторождений станет вообще непонятно, где брать эту платину, палладий, рутений и иридий.

Альтернатива - высокотемпературный электролиз с твёрдым керамическим электролитом. Но там во первых сам электролит не очень простой (оксид циркония допированный иттрием, иттербием, селеном и ванадием), но гдавное он нормально может работать только в стационарном режиме, т.к. в циклах нагрева-охлаждения электролит быстро разрушается. Это типичное производство непрерывного цикла, т.е. такую установку скажем отключать на ночь нельзя, т.е. тот самый вид производственных процессов, который с ВИЭ совместим хуже всего.

Т.е. тут тоже всё упирается в проблему редких элементов.

[AlexAV]

т.е. когда генерация начинает превышать потребление, то с не такой уже и большой потерей кпд можно обойтись анодами и из простой нержавейки. А для катодов выбор материала вообще огромен.

Без них там КПД будет хорошо если процентов 25. Потом обратное преобразование водорода в электроэнергию с помощью ГТУ - КПД процентов 40. Итого в цикле вернётся всего около 10% энергии. И это будет иметь хоть какой-то смысл?

.е. когда генерация начинает превышать потребление

Вот только кажется, что такая аккумуляция, которая будет возвращать только 10% энергии не слишком улучшит экономику системы в целом.

[AlexAV]

А что в данном случае помешает рециклингу? Скорее всего, электролизеры будут только на крупных предприятиях, соответственно, обеспечить 100% возврат электролизеров будет несложно.

Незнаю... Из катализаторов нефтехимии, которые понятно, что применяются тоже только на крупных предприятиях, возврат большой, но совсем не 100%...

[AlexAV]

Это как разы Вы не в курсе проблемы), закройте панель светонепроницаемым матери алом и она не будет деградировать. Вот и все. Учитывая копеечную стоимость фотомодулей этим просто никто не занимается.

Ну где найти такое покрывало, которое диффузию останавливает и химические реакции прекращает. Не подскажете?   

Металл корродирует, изоляторы стареют, в полупроводнике диффузия идёт не только на свету  и т.д. Старение  и деградация идёт всегда.

Ага как газовую так за свой счет а как СЭС то в кредит)).

Тоже в кредит. Только там капитальная часть много меньше топливной, поэтому этот фактор менее значим.

То есть постоянной. Вот вычитали где то 12% и фсе).

Не постоянный, а гарантированно ниже этих 12% для большинства мест планеты. Вот больше он быть не может (в большинстве районов планеты). Ниже - пожалуйста. Поломки, отсутствие потребности сети в энергии и т.д. Причин почему ниже - может быть масса, а вот больше - нет.

КИУМ вообще считается просто. Отношение годовой выработки к номинальной мощности к количеству часов в году. И КИУМ СЭС c фиксированной ориентацией панелей в подмосковье уже в силу, что здесь ночь бывает и иногда облачно, принципиально, даже теоретически, больше 13,3% быть не может никогда. Реальный всегда чуть ниже, ну вот как раз эти самые 12%.

Не наращивать мощности генерации а повышать КИУМ существующих и в первую очередь ВИЭ. 

Как? Выучить заклинание разгона туч? Включить Солнце ночью? Удлиннить день в декабре? Вы знаете способ это сделать? 

А другого способа поднять КИУМ ВИЭ не существует. Так что не пишите чушь. 

[AlexAV]

Весьма странное предположение. Не думаю, что меньше 60%.

На стали перенапряжение по кислороду вообще дикое. 2В при 0,5 ампер/дм2. И какой выход по току кислорода в этом случае будет непонятно. КПД реальных электролизеров со стальным анодом я вообще не нашёл, просто по причине, что их кажется никогда не было. 25% - так оценка на глаз из перенапряжений.

Без платиноидов реально существовали электролизеры с никелевыми анодами. У них эффективность была около 5,4 кВтч на 1 м3 водорода, что действительно близко к обозначенным Вами 60%. Но ведь для них нужен никель. Причём в количестве куда больше 1,5 мг/см2, на порядки больше. И тут сразу проблема переходит из области "где брать платину" в область "где брать никель". Не сильно более приятную в общем проблему...

[AlexAV]

https://studfiles.net/preview/2543981/page:13/
При плотности тока 1 А/дм2 перенапряжение на железе 0,52 В. На 0,2 В выше, чем на никеле, но ни о каких 2В речи там нет. На то речь и про нержавейку, а не чистое железо, чтобы расход тока на растворение металла было минимальным.

Действительно был не прав. Поискал внимательнее - электролизеры со стальным анодом всё же использовались... правда достаточно давно, в начале 20-го века. Скажем электролизер Гаррути именно с такими электродами характеризовался следующими параметрами:  плотность тока - 200 А/м2, рабочее напряжение - 2,45 В на ячейку. С учётом, что электроды там всё же служили достаточно долго (несколько лет), т.е. потери тока на растворение анода там были не велики (а значит выход по току тоже не слишком отличался от единицы), то получается что расход энергии около 5,9 кВтч/м3. Производить так водород для промышленных целей в принципе можно (правда плотность тока низкая, для производства большого количества конструкция получится весьма металлоёмкой).

А вот для аккумуляции с целью балансировки сети - всё же нет. Теплота сгорания водорода 10,8 МДж/м3, при КПД ГТУ 40% мы вернём с 1 м3 водорода лишь 1,2 кВтч электроэнергии. Т.е. КПД такой аккумуляции лишь около 20%. Что явно никуда не годится.