Долгосрочные перспективы ресурсного обеспечения технически развитой цивилизации

[pkl]

Современные невменяемые потери фосфора из почв - видимо следствие сильно избыточного внесения подвижных форм фосфорных удобрений, которые создают ситуацию, что растения оказываются по нему не лимитированы и не извлекают из почвенных растворов растворимый фосфор полностью (так как им столько не нужно). Для получения рекордных урожаев - это хорошо, но вот в части потерь биогенов уже не очень. Возврат же к ситуации СССР 60-х (внесение сильного избытка азотных удобрений при недостатке фосфорных) скорее всего радикально сократит необратимые потери фосфора, но... и урожайность сразу станет не как сейчас, а как в СССР 60-х (впрочем сельское хозяйство СССР 60-х - это далеко не самая плохая его форма в истории, т.е. если вышеописанная гипотеза верна, то наши перспективы не такие уж и печальные).

В общем, так и так приходим к уровню цивилизации середины прошлого века. Нормально. Так жить можно. В 60-е на Луну вовсю летали!

[pkl]

Надо найти простой и дешёвый способ предотвращения уноса фосфора с полей. Причём уже сейчас. Что это может быть? Выложенные глиной канавы?

Собственно если не возвращать канализационный сток, то цикл фосфора в любом случае получается столь разомкнутым, что тут ничего вообще не поможет. Растения выносят фосфор в свою биомассы, а оттуда большая часть фосфора оказывается в канализации. В принципе использовать канализационный сток как удобрение - не сложно, но тут есть серьёзная проблема. Загрязнение сточных вод тяжелыми металлами и хлорорганикой. Т.е. чтобы данная мера стала реальной нужно что-то сделать с попаданием подобных долгоживущих токсических веществ в канализацию.  Впрочем тяжелые металлы со временем оттуда сами исчезнут... по той причине что их месторождения будут полностью исчерпаны и в силу недоступности они выйдут из обращения.

Ага, это как снижение насилия связывают с отказом от триэтилсвинца.

А хлорорганика откуда берётся?

[pkl]

А между тем:
https://tass.ru/ekonomika/10759297
Может, они начали о чём-то догадываться?

[crazy_terraformer]

А хлорорганика откуда берётся?

Читаем.
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A5%D0%BB%D0%BE%D1%80%D0%BE%D1%80%D0%B3%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B5_%D1%81%D0%BE%D0%B5%D0%B4%D0%B8%D0%BD%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F
Хлорирование органических соединений — замещение атомов водорода хлором в органических соединениях. Существуют пестициды хлорорганические. Целлюлозу хлором отбеливают, устаревший метод. Если воду хлорировать загрязнённую органикой...

[AlexAV]

Речь о реакторе-размножителе или просто тепловом на природном уране, типа канадских CANDU?

Реактор-размрожитель, но не урановый, а ториевый (с КВ 1.01 - 1.03). Там с вопросами материаловедения сильно проще, чем в урановом размножителе. А по сути это и будет чуть модифицированный CANDU или ОК-180, тут нет противопоставления.

Тут какая ситуация. Сейчас основной материал таких реакторов - это сплавы системы цирконий-ниобий и цирконий-олово. Положим, что ни разумного источника ниобия, ни разумного источника олова у нас нет совсем (если будет торий, то цирконий тоже точно будет, во многих аспектах химических свойств торий и цирконий - элементы близнецы и практически любым возможным методом будут выделяться из породы совместно, причем практически во всех породах циркония на много больше, чем тория). Какие тут существуют альтернативы?

Довольно классический материал для ядерных реакторов - сплавы системы алюминий-магний. В энергетических реакторах их применяли редко, но вот в исследовательских и реакторах-наработчиках оружейного плутония довольно обычный материал. Он обладает низким сечением захвата тепловых нейтронов, удовлетворительными механическими свойствами и достаточно хорошей коррозионной стойкостью. У него только один недостаток, хотя и довольно большой (из-за чего в энергетических реакторах и отказались от дешевого и технологичного алюминия в пользу более дорогих циркониевых сплавов). Он стоек к воде только при температуре менее 215 градусов. При превышение этой температуры растёт скорость межкристаллитной коррозии и использовать становится практически невозможно. Т.е. при замене циркониевого сплава алюминиевым работоспособный реактор построить можно, но если в качестве теплоносителя используется вода (или тяжелая вода), то температура в первом контуре должна быть ограничена 200 градусами. Этого достаточно для отопления или производства технологического пара для промышленных нужд, но для эффективного производства электроэнергии как-то маловато. Т.е. можно, но КПД будет низким.

Значительно лучше стойкость алюминия к углекислому газу. Там алюминий высокой чистоты сохраняет удовлетворительную коррозионную стойкость до 500 градусов. Механические свойства алюминия при таких высоких температурах, прямо скажем, так себе. Но в качестве защитного слоя на более прочном, но недостаточно коррозиестойким  материале использовать можно. И тут можно обратить внимание на ещё одно интересное свойство тория. Металлический торий (в отличии от урана) довольно слабо подвержен газовому распуханию под облучением. Это позволяет изготавливать ториевые ТВЭЛы не из оксида тория, а из металлического сплава торий-уран. И такие ТВЭЛы могут работать до выгорания ~20 МВт сутки/кг (а больше в ториевом размножителе и не надо). А легированные ураном торий  - это не хрупкая керамика, а пластичный и довольно прочный металл. Это открывает довольно широкие возможности для инженерной мысли. Скажем становятся возможны кольцевые газоохлаждаемые ТВЭЛЫ непосредственно несущие давление теплоносителя (проще говоря  ТВЭЛ в виде трубы из торий-уранового сплава с противокорозионным покрытием из того же алюминия внутри которой течет газ-теплоноситель под давлением, т.е. такая конструкция где торий выполняет функцию и топлива и материала удерживающего давление теплоносителя одновременно), а такая или какая-то подобная конструкция позволяет сделать газоохлаждаемый реактор с рабочей температурой теплоносителя до 500 градусов имея только торий и алюминий (используя торий и как топливо и как материал несущий механическую нагрузку в горячей части АЗ одновременно, вне АЗ для труб с горячим углекислотным теплоносителем можно использовать углеродистую сталь, возможно с защитным слоем алюминия).

В общем даже при наличие такого "богатого" набора материалов как торий, алюминий, магний и железо тут можно предложить какие-то жизнеспособные варианты. С цирконий-ниобиевым сплавом удобнее, но можно и без него.

Помимо алюминий-магниевого сплава тут есть ещё один потенциально перспективный материал. Сплавы системы титан-алюминий. Имеют прекрасную коррозионную стойкость в воде (по крайней мере до 300 градусов) и углекислом газе, а  также сравнительно высокую жаростойкость. Тут правда есть один нюанс. Природная смесь изотопов титана имеет высокое сечение захвата нейтронов (6.1 барн) из-за чего титан в его природном виде в активной зоне реактора использовать практически невозможно. Но у титана есть относительно редкий изотоп Ti-50 (его доля в природной смеси 5.2%), который имеет низкое сечение захвата нейтронов (0.179 барн), сравнимое с сечением захвата алюминием и цирконием. Если из природного титана выделить этот изотоп, то такой изотоп-обогащенный титан также мог бы использоваться как конструкционный материал реактора.

В общем ториевым реактор размножитель без использования чего-то редкого (кроме самого тория) вполне представим. Можно даже ограничиться магнием и алюминием, ну а при наличие ещё титана - так совсем неплохо.

С урановым размножителем сложнее. Все же жидкие металлы - большая гадость в плане коррозии. Как тут можно обойтись без сложно легированных сталей (для которых нужен как минимум хром и никель) - не очень понятно. Разве что что-то газоохлаждаемое делать. Там в части материалов выбор больше, возможно удастся ограничиться тем же сплавом титан (изотоп-обогащенный по Ti-50)-алюминий.       

[crazy_terraformer]

Цена на электромагнитно-сепарированный Ti-50(в виде сухой окиси TiO2) с содержанием искомого изотопа в титане 83,1000% равна 27,80€ за миллиграмм диоксида. https://ru.institut-seltene-erden.de/unser-service-2/metall-preise/preise-fuer-stabile-isotope/
Можно ли предварительно использовать для сокращения затрат различную скорость сублимации тетрахлоридов разных изотопов? Использовать термодиффузию, газовые центрифуги?

[AlexAV]

Цена на электромагнитно-сепарированный Ti-50(в виде сухой окиси TiO2) с содержанием искомого изотопа в титане 83,1000% равна 27,80€ за миллиграмм диоксида

Такая цена просто следствие отсутствия его промышленного производства. Сейчас его производят только в лабораторных масштабах в количестве единиц грамм. Отсюда и такая цена. При переходе к промышленному производству в объеме десятков тонн цена сильно упадет.

В принципе у титана есть летучие соединения, что делает его обогащение задачей по сложности соизмеримой с обогащением урана.  В части коррозионной активности и токсичности хлорид титана - на много менее неприятное соединение, чем фторид урана. Т.е. никаких препятствий для обогащения титана с использованием таких же центрифуг, которые используются для обогащения урана, не видно. При крупномасштабном производстве стоимость Ti-50 тут не должна быть существенно выше стоимости высокообогащенного урана.

Тут впрочем есть один момент. Весь природный фтор содержит только один изотоп ¹⁹F, а хлор два изотопа ³⁵Cl и ³⁷Cl. Из-за этого если сделать хлорид титана используя природный хлор  его обогащение в центрифуге будет не очень эффективным, так как будут мешать молекулы хлорида титана содержащие несколько атомов разных изотопов хлора одновременно. Например молекулы ⁴⁸Ti³⁷Cl₄ и ⁵⁰Ti³⁵Cl³⁷Cl₃ будут иметь почти одинаковую молекулярную массу и разделяться не будут. Чтобы процесс разделения был эффективным потребуется моноизотопный хлор. Т.е. к производству титана-50 с использованием центрифуг ещё потребуется производство чистого, скажем,  хлор-37. Впрочем это можно делать с помощью тех же центрифуг прокручивая в них, скажем, хлороводород. Т.е. этот вопрос тоже может быть решён. 

[crazy_terraformer]

диметилтитаноцен t°плавления>90°С
Хим. формула   C₁₂H₁₆Ti
(Н₃С)₂Ti(C₅H₅)₂
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%B5%D0%B0%D0%B3%D0%B5%D0%BD%D1%82_%D0%9F%D0%B5%D1%82%D0%B0%D1%81%D0%B8%D1%81%D0%B0

Реагент Петасиса растворим в большинстве апротонных органических растворителей, например, в диэтиловом эфире, тетрагидрофуране, хлористом метилене, толуоле, петролейном эфире[1].

Эту штуку можно как-нибудь использовать?

[Lieut]

Тут какая ситуация. Сейчас основной материал таких реакторов - это сплавы системы цирконий-ниобий и цирконий-олово. Положим, что ни разумного источника ниобия, ни разумного источника олова у нас нет совсем

Если у нас газоохлаждаемая АЗ (углекислым газом или гелием) то для оболочки можно использовать и нелегированный цирконий.

[crazy_terraformer]

https://atomicexpert.com/isotopes_nowhere_without_them

Мы совместно с коллегами из Института аналитического приборостроения РАН и Физико-­технического института им. А. Ф. Иоффе в Санкт-­Петербурге пришли к выводу: способ электромагнитного разделения можно существенно переработать, избавив его от привычных недостатков. Причем для этого достаточно использовать те приемы, которые уже давно успешно применяются в аналитике, при разработке масс-спектрометров. Электромагниты вполне можно заменить высокостабильными постоянными магнитами, не «съедающими» электроэнергию; для улучшения разделения изотопов существуют системы с двой­ной фокусировкой; а повысить производительность можно с помощью плазменных источников ионов, обладающих очень большой интенсивностью.

Эти и другие технические решения позволят вывести процесс электромагнитного разделения на экономически оправданный уровень. Процесс разделения изотопов станет настолько экономичным, что затраты электроэнергии будут в первую очередь определяться работой управляющего компьютера и освещением рабочих мест. Естественно, таким способом можно получать не только гадолиний, но и изотопы химических элементов всей таблицы Д. И. Менделеева. Однако для гадолиния и тяжелых элементов вообще этот процесс будет гораздо более производителен, чем для легких, — из-за большой массы ядер

Не утрирует, плазменные источники ионов с большой интенсивностью сами много энергии не потребляют?

[AlexAV]

то для оболочки можно использовать и нелегированный цирконий.

Чистый цирконий имеет малое сопротивление ползучести, поэтому его можно использовать только для элементов не испытывающих сколько-нибудь значительных механических нагрузок. Для оболочки ТВЭЛов  с металлическим топливом (когда механическую нагрузку несёт сам стержень из тория) скорее всего подойдет. Тут его высокая пластичность скорее всего будет даже плюсом, так как она будет уменьшать риск появления трещин на оболочке в случае деформации ТВЭЛа. А вот для ТВЭЛов с керамическим топливом - скорее всего уже не очень. Там само топливо - это просто стопка из керамических таблеток и оно вообще никакой внешней механической нагрузки нести не может, соответственно всё это должна делать оболочка ТВЭЛа, что накладывает довольно существенные требования на механические свойства её материала.

Тут, впрочем, очень хорошее поведение под облучением металлического тория и низкие требования к глубине выгорания (всё равно для обеспечения КВ>1 скорее всего придется работать с выгоранием 10 - 15 МВт сутки/кг) позволяют использовать металлическое топливо, где требования к механическим свойствам оболочки куда более низкие, чем при использование керамического (так как в этом случае оболочка практически не несёт механической нагрузки, её функция в этом случае только в изоляции топлива от среды).

углекислым газом

Ну углекислый газ при высокой температуре не так уж и безобиден. Вот таблица коррозии некоторых конструкционных материалов в нем:



Видно, что наименьшей коррозии в нем подвержен алюминий, не легированный цирконий подвержен коррозии в нем в заметно большей степени. В том случае, если у нас нет особых требований на механические свойства материала то алюминий выглядит более предпочтительным материалом для работы в углекислых средах, чем нелегированный цирконий.

или гелием

Ну с инертным газом (гелием или аргоном) вообще много возможностей открывается. Ведь в достаточно чистом благородном газе коррозии вообще нет, там это требование совсем снимается. И материал должен просто обладать достаточно хорошими механическими свойствами при рабочей температуре. И тут выбор сразу становится на много шире. Скажем алюминий - одна из лучших лигатур к цирконию, повышающая его механические свойства и жаростойкость.


По прочности сплавы цирконий-алюминий превосходят сплавы цирконий-ниобий, особенно при повышенных температурах. Но использовать их можно только в инертной атмосфере. Алюминий катастрофически снижает коррозионную стойкость циркония, так что ни в воде, ни в углекислом газе такие сплавы при повышенной температуре применять вообще невозможно. Но если у нас теплоноситель - гелий или аргон, то почему бы и нет.

С гелием только одна проблема - сам гелий. Гелий в больших количествах и разумной себестоимостью получается только из природного газа. Кончится природный газ - кончится и гелий. По крайней мере в таких количествах, в которых он нужен для работы реактора его точно не будет. Тоже не возобновляемый ресурс, поэтому ориентироваться на него в сколько-нибудь долгосрочной перспективе нет никакого смысла.

Аргон относительно дешев и неограниченно доступен, но с ним есть одна проблема. Он активируется. Газ в первом контуре будет накапливать довольно много радиоактивного Ar-41. Период его полураспада мал (109,61 минута) и распадается он в не радиоактивный изотоп калия. Т.е. какой-то глобальной экологической опасности он не представляет, но его угроза для персонала и близлежащих населенных пунктов при его использование в качестве теплоносителя первого контура будет вполне реальной. В современные требования безопасности при использование аргонового теплоносителя уложиться будет очень тяжело.

[Lieut]

С гелием только одна проблема - сам гелий. Гелий в больших количествах и разумной себестоимостью получается только из природного газа. Кончится природный газ - кончится и гелий. По крайней мере в таких количествах, в которых он нужен для работы реактора его точно не будет. Тоже не возобновляемый ресурс, поэтому ориентироваться на него в сколько-нибудь долгосрочной перспективе нет никакого смысла.

Почему так категорично? Сейчас конечно рынок забит дешевым гелием, получаемый как побочный продукт при сжижении природного газа, так что им бездумно и задешево детские воздушные шарики наполняет. Но определенное количество получается и как побочный продукт сжижения атмосферного воздуха. Пусть и на детские шарики это уже и будет роскошь.

Интересно еще на неон посмотреть, я так понимаю он нейтроны не особо поглощает. Его в воздухе более чем в 3 раза больше гелия и приблизительно известно сколько его получается как побочный продукт при сжижении воздуха - 700 тыс. куб.м. в 2017 году https://creon-group.com/stali-izvestny-itogi-mezhdunarodnoj-konferencii-redkie-gazy-2018/. Неужели не хватит, первый контур не будут же регулярно стравливать в атмосферу?
Наверное можно использовать и неоно-гелиевую смесь, не разделяя их. Два наиболее летучих компонентов атмосферы.

[AlexAV]

Интересно еще на неон посмотреть, я так понимаю он нейтроны не особо поглощает.

Неон имеет очень низкое поглощение нейтронов. Природная смесь изотопов 0.039 барн. Эта смесь состоит из трёх изотопов неон-20 (90.5%, 0.037 барн), неон-21 (0.3%, 0.666 барн), неон-22 (9.2%, 0.0455 барн). Из них при поглощение радиоактивные продукты даёт только неон-22, превращаясь в неон-23 с периодом полураспада 37.2 секунды. Т.е к активации будет приводить только 11% захватов нейтронов. Учитывая это, неон будет активироваться при прочих равных  в 160 раз слабее аргона (у аргона среднее сечение захвата по природной смеси изотопов 0.675 барн, причём захват нейтрона любым природным изотопом даёт радиоактивный продукт). Кроме того, период полураспада  37.2 секунды - это совсем мало. Для населения выбросы радиоактивного неона опасности вообще представлять не будут, он до него просто не долетит. Для персонала станции в случае аварии с разрывом газового контура это какие-то проблемы составить может, но так как активность воздуха, обусловленная выбросом радиоактивного изотопа неоне, падать будет очень быстро, то с этим в общем можно бороться (в принципе герметичных дверей во все помещения, где лежат трубопроводы с теплоносителем первого контура, должно быть достаточно для защиты персонала объекта от воздействия продукта активации неона). Т.е. неон, видимо, можно рассматривать как газ-теплоноситель с удовлетворительными свойствами.

Естественно гелий-неоновая смесь, извлекаемая из воздуха, тем более может рассматриваться как газ-теплоноситель. Т.е. разделять гелий и неон при использовании газа в этих целях будет не обязательно.

700 тыс. куб.м. в 2017 году

Вот эта цифра мне и не нравится. У газоохлаждаемых реакторов утечка газа обычно довольно заметная. Скажем на КС-150 нормальная штатная утечка углекислого газа из первого контура была 36 - 51 м3/час. При таких потерях эти 700 тыс. куб.м. хватит только на 2-3 реактора на всю планету.

Конечно, углекислый газ дешевый и там, скорее всего были приняты не все возможные меры для устранения утечек, но тем не менее даже если потери сократить в 10 раз, то всё равно существующего производства гелия и неона из воздуха не хватит буквально ни на что. Опять же при прочих равных утечки гелия обычно на много больше, чем более тяжелых газов, тем более углекислого, через разного рода неплотности он вытекает куда быстрее.

При использование в качестве теплоносителя расход гелия будет очень большим в сравнение с теми объемами, которые сейчас получают из воздуха.

[Lieut]

У газоохлаждаемых реакторов утечка газа обычно довольно заметная. Скажем на КС-150 нормальная штатная утечка углекислого газа из первого контура была 36 - 51 м3/час.

Не уверен что стоит ставить КС-150 в пример. Реактор первого поколения, технически весьма неудачлив (все таки две серьезные аварии не просто так), и конечно никто не ставил целью экономить углекислый газ.
А какие сейчас штатные потери воды в первом контуре реакторов PWR? Воду тоже не сильно экономят, но требования к утечкам радиации на порядок возросли.

[AlexAV]

А какие сейчас штатные потери воды в первом контуре реакторов PWR?

Для ВВЭР нормальный, проектный уровень течи из первого контура во второй 1-5 кг/ч (http://www.gidropress.podolsk.ru/files/proceedings/mntk2015/documents/mntk2015-096.pdf).

Однако, как экстрополировать эту величину на газовый теплоноситель не очень понятно.

[MenFrame]

Кончится природный газ - кончится и гелий.

Подземные воды также являются источником гелия.

[pkl]

Речь о реакторе-размножителе или просто тепловом на природном уране, типа канадских CANDU?

Реактор-размрожитель, но не урановый, а ториевый (с КВ 1.01 - 1.03). Там с вопросами материаловедения сильно проще, чем в урановом размножителе. А по сути это и будет чуть модифицированный CANDU или ОК-180, тут нет противопоставления.

Я ещё про эти реакторы почитал и тут меня осенило: да это же идеальная технология для колоний на других планетах! Алюминий,  торий, тяжёлая вода, сталь и углекислый газ. Всё это есть на Венере и Марсе. Реактор может работать на природном уране - нет необходимости в обогащении. Даже если низкая температура в 200 градус в условиях Марса не будет недостатком - кпд будет приемлемым. А газ для охлаждения брать из атмосферы. В общем, надо это обсудить в теме про колонизацию Марса.

[AlexAV]

Подземные воды также являются источником гелия.

Там его 10 - 100 см³/м³ воды. Для извлечения сколько-нибудь заметных объемов гелия оттуда воду совсем в невменяемых объёмах качать придётся. Это не источник, для промышленной добычи там его слишком мало.

[crazy_terraformer]

про эти реакторы почитал и тут меня осенило: да это же идеальная технология для колоний на других планетах! Алюминий,  торий, тяжёлая вода, сталь и углекислый газ. Всё это есть на Венере и Марсе. Реактор может работать на природном уране - нет необходимости в обогащении. Даже если низкая температура в 200 градус в условиях Марса не будет недостатком - кпд будет приемлемым. А газ для охлаждения брать из атмосферы. В общем, надо это обсудить в теме про колонизацию Марса.

На Марсе урана и тория нет, надо поставлять, а на Венере они долго не будут нужны. Тому как в атмосферных слоях, где можно обитать, днём как минимум в 2 раза светлее, чем на экваторе Земли, и суперротация, поэтому сутки короткие, т.е. на массе аккумуляторов можно экономить. На терраформированной Венере долгое время можно будет бурить неглубокие скважины для теплосъёма — в фаворе будет петротермальная, геотермальная энергетика, плюс стабильные ветра по часам из-за особенностей вращения планеты означают предсказуемую пилу производства в ветровой энергетике.

[AlexAV]

Всё это есть на Венере и Марсе.

На Марсе с торием как-то всё не очень не хорошо. В типовой породе менее 1 ppm (в земных гранитах в среднем 18 ppm).



Вообще в Солнечной системе вне Земли пока ещё нигде не найдены породы столь же богатые актиноидами, как земные граниты. KREEP-породы Луны к ним местами приближаются (хотя всё равно беднее), но это по сути опять же вещество Земли (так как Луна образовалась в основном как раз из выброшенного вещества Земли, то что с веществом  её древней коры туда попал какой-то избыток актиноидов в общем не очень удивительно).