Долгосрочные перспективы ресурсного обеспечения технически развитой цивилизации

[AlexAV]

С цирконием и, тем более, бериллием конечно похуже, но какие сплавы на их основе незаменимые?

Бериллий применяют редко (дорогой и ядовитый) и в довольно гомеопатических количествах. Тем не менее даже в низких концентрациях он резко повышает модуль Юнга сплава, что делает такие сплавы весьма ценными в ряде приложений где применяются тонкостенные конструкции и есть очень жесткие требования на массу (авиация, ракетная техника).

Вот например состав относительно нового сплава для авиационной техники 1933:

Для решения указанной задачи сплав содержит следующие компоненты (мас.%): цинк - 6,35-8,0; бериллий - 0,0001-0,05; магний - 0,5-2,5; медь - 0,8-1,3; железо - 0,06-0,25; кремний - 0,01-0,20; цирконий - 0,07-0,20; марганец - 0,001-0,1; хром - 0,001-0,05; титан - 0,03-0,10 и по крайней мере один элемент из группы щелочноземельных металлов: калий - 0,001-0,01; натрий - 0,0001-0,01; кальций - 0,0001-0,01; алюминий - остальное.

[AlexAV]

Еще какими элементами меня подловите?

Очень интересная проблема - легкоплавкие сплавы. Прежде всего припои. Составы там весьма интересные. Это прежде всего сплавы олова, висмута, индия, ртути, свинца (сплавы щелочных металлов по понятной причине не рассматриваем). Причём в низкотемпературных сплавах присутствие хотя бы одного (а часто двух) из первых трёх металлов обязательно.

Особенно интересны составы низкотемпературных припоев (температура плавления < 200): Bi/Sn/Pb; In/Hg; Sn/In; Sn/Zn/Cd; Sn/Bi; Bi/In

Плюс с легкоплавкими сплавами связана технология флоат-стекло (используется олово). Здесь конечно случай не совсем безальтернативный, всегда можно вернуться к устаревшему методу Фурко. Но шаг от лучшего техпроцесса к худшему будет весьма заметным.

P.S. Для высокотемпературных припоев какая-то альтернатива в виде спекаемых нанопорошков меди вроде есть (на сколько осмысленная пока не совсем понятно). А вот для низкотемпературных - нет.


 

[AlexAV]

То есть меди при текущем потреблении хватит на 6000 лет.

А медь получится золотая или платиновая?

Сырьё крайне неудобоваримое. Во-первых оно размазано тонким слоем по огромной площади. Во вторых его надо поднять с  глубины 4-5 км, затем отвезти за несколько тысяч километров на переработку (а у нас кстати проблема судового топлива по исчерпанию нефти одна из самых сложно решаемых). Далее океанические осадки богаты известняком, это очень осложняет выделение меди (бактериальное выщелачивание идёт при pH = 2-4), а связывать его - весьма большой расход реактивов.

[AlexAV]

Красная глубоководная глина
http://ru.wikipedia.org/wiki/Красная_глубоководная_глина

Ссылки на работу 79-го года (где о миллиардах тонн).

Попытался поискать что-то по новее (уже встречал что цифры с того периода сильно отличаются от современных работ). Сразу попалось это.

И там даётся такая таблица состава осадков.



Меди там не 0,2%, а только 0.0059%. Причём в других местах океана если верить следующей таблице отличие не радикальное. Т.е. похоже эти данные были сильно (на несколько порядков) пересмотрены в более низкую сторону.

[AlexAV]

Видимо в 70ых геологи наугад значения химсостава давали....или что то здесь не так.

Просто тогда было всего несколько замеров которые распространили на весь океан (в отсутствии более точных данных это вполне обоснованно). Сейчас данных накопилось намного больше и итоговый результат несколько поменялся. Нормальный процесс.

[AlexAV]

Думаю проще, найденный вами документ не имеет отношения к глубоководным красным глинам. Это осадки какового то другого типа.

В таблице 2 приведены данные ещё по 9 точкам в океане. Результат отличается не радикально.

[AlexAV]

Когда речь идет о микроэлектроники, то те миллиграммы и из базальтов можно взять, пусть и по цене современных платиновых металлов.

Электроника между тем половина потребления олова в мире. А это не так уж и мало.

[AlexAV]

Не рассказывайте глупости про судовое топливо - люди несколько СТОЛЕТИЙ делали грузоперевозки на ПАРУСНИКАХ

И какой тогда был грузопоток и стоимость перевозок?

и в сущности от них отказались только из-за сложности прохождения парусников через Панамский канал

Сухогрузы MSC Beatrice или танкеры Knock Nevis ведь там тоже не проходят, что однако не мешает их использовать.

и до угля и ядерного топлива.

Уголь и уран у нас уже стали неисчерпаемыми?

P.S. Что касается урана... Судовые реакторы используют высокообогащённое топливо и при этом обеспечивают сравнительно невысокое его выгорание для данного обогащения (там  нейтронный баланс не очень как вообще для реакторов малой мощности), т.е. типичное значение обогащения около 40% при достижимом выгорание всего 150ГВт сут/т (существуют реакторы и со сравнительно малым обогащением в 6,5%, но там достигается выгорание всего в 17 ГВт сут/т, для сравнения стационарный реактор типа ВВЭР-1000 на топливе с обогащением 4,3% обеспечивает выгорание 42 ГВт сут/т). Т.е. судовые реакторы потребляют в несколько раз больше урана на единицу вырабатываемой энергии по сравнению со стационарными и имеют крайне дорогой топливный цикл. Собственно из-за этого (а также высокой стоимости самого реактора) они широкого распространения на гражданских судах и не получили, кроме отдельных специальных задач, где одновременно требуется большая мощность и автономность (т.е. ледоколы).

Если опираться только на запасы природного урана - это вообще не вариант. Как часть некой энергетики построенной на основе атомной энергии с замкнутым топливным циклом - возможно (при этом упростится как вопрос с высокообогащённым топливом в следствие наличия крупномасштабного производства плутония, так и сырьевой базой), но как часть такой системы, а не сами по себе в отдельности.

[AlexAV]

http://nuclear.ru/news/90982/

Давно пора. Собственно в термоядерной части требованиям соответствующим возможности реализации такой системы вполне отвечают уже существующие токамаки вроде JET или JT60-U (термоядерная мощность ~30МВт, коэффициент усиления мощности ~1). И если перспективы чисто термоядерного реактора до сих пор выглядят весьма туманно, то здесь каких-то принципиальных физических проблем собственно и нет. А в плане развития ядерной энергетики это дало бы ряд новых возможностей по сравнению как тепловыми , так и критическими быстрыми реакторами. В частности:
- Гибридный реактор может использовать непосредственно природный и обеднённый уран.
- Глубина выгорания ограниченна фактически только сохранением механических свойств топлива (по нынешнему состоянию дел это около 200ГВт сутки/т)
- Фактически закрывается проблема с ресурсной базой атомной энергетики. У современных тепловых реакторов расход природного урана около 150 т/ГВт год (электроэнергии), здесь же даже в открытом цикле получится около 6 т/ГВт год, а в замкнутом, когда появляется возможность использовать уран полностью, вообще около 1,2 т/ГВт год. При столь экономном расходование урана уже появляется возможность извлекать уран из бедных источников, включая морскую воду (при использование традиционных тепловых реакторов в этом случае баланс по энергии не сойдётся).
- Совершенной новый уровень безопасности. В частности в силу глубокой подкритичности активной зоны полностью исключается возможность тяжёлых аварий вроде чернобыльской.
- Вероятно будет иметься возможность работы в маневровом режиме (в силу того, что управление мощностью по средствам внешнего потока нейтронов колебания реактивности реактора в различных переходных процессах не будет создавать критических проблем с безопасностью и управляемостью реактора). А это очень важно с точки зрения создания электросети с чисто атомной генерацией (критические реакторы в этом смысле могут брать на себя только базовую нагрузку и электрогенерация в сети состоять только из них не может). Здесь они будут оправданны даже если окажутся по итогам несколько дороже обычных бридеров с замкнутом циклом, попросту в этой нише сейчас находятся только тепловые станции (с постоянно дорожающем топливом) и ГЭС (с ограниченной мощностью).

[AlexAV]

А если как-то так?

Research of Graphene-reinforced Aluminum Matrix Nanocomposites

Да как-то посредственно. Заявленная прочность 454 и 322 МПа не дотягивает до обычной дюрали Д16 (480/350 МПа), которая собственно к самым прочным алюминиевым сплавам не относится, у высокопрочных эти параметры достигают 600/520 и более. Плюс проблемы с термостойкостью это никак не решает, да и технологичность материала под вопросом, скажем со сваркой скорее всего будут проблемы.

[AlexAV]

А у нас есть такие установки? Допустим, Т-15 сгодится? Или надо всё с нуля делать

Старая версия Т-15 - бездиверторная и только с омическим нагревом. Требуемых параметров на ней получить нельзя. Сейчас ведут его модернизацию и, судя по заявленным характеристикам, после неё он сможет выдавать параметры близкие к EAST, что уже в принципе для данной задачи должно быть достаточно. Однако в любом случае в Москве никто строить полноценный реактор на этой основе не даст просто по соображениям безопасности. Поэтому новая установка (если тема будет развиваться) всё равно потребуется.

[AlexAV]

А где тогда ее размещать? На Белоярской АЭС?

Можно и там или в Дмитровограде или любой другой площадке сертифицированной под строительство реакторов.

У них же преимущество в подкритичности, Вы же сами писали!

А соответствующем службам как это объяснить? По крайней мере первое время (пока не будет накоплено достаточно данных о его практической эксплуатации, а это лет 15-20 работы опытно-промышленного реактора) он будет подпадать под инструкции по безопасности такие же как и все прочие реакторы.

[AlexAV]

ИМХО, электроядерные установки, где источником сверхбыстрых внешних нейтронов для подкритичных реакторов являются релятивистские протоны, намного перспективней гибридных реакторов.

Вот не соглашусь. У термоядерной установки (при уже экспериментально достигнутых параметрах) энергетическая цена нейтрона сильно меньше, а это позволяет работать с глубоко подкритической активной зоной в том числе из обеднённого урана, что для ускорительной схемы совершенно невозможно (там активная зона хоть и подкритическая, но не очень глубоко, т.е. на уровне 0,95-0,98, и в любом случае требуется обогащённое топливо). Плюс существует во сути нерешённая проблема ввода пучка в сборку и связанной с ним неравномерностью энерговыделения в активной зоне (плюс масса материаловедческих проблем с материалом окон, которые получают громадную дозовую нагрузку). Организация бланкета вокруг термоядерного реактора в этом смысле представляется проще.

Кроме того, ускоритель протонов на 50-100 МВт ничуть не проще и не дешевле, чем магнитная ловушка для термоядерного реактора (по крайней мере пока речь идёт о чём-то вроде JET или Т-15М, а не ИТЭР).

P.S. Стоимость JET около 700 млн.$, но здесь речь об уникальной экспериментальной установке. Система с ловушкой с аналогичными параметрами, но в серии, конечно будет дешевле.

[AlexAV]

В гибридных реакторах сверхмагниты для удержания тора находятся прямо в зоне нейтронного потока.

Согласен. Защита элементов магнитной системы  - весьма сложная проблема как для гибридных реакторов, так  для чисто термоядерных. Здесь правда в случае гибридного реактора есть перспективы её сильно упростить путём отказа от сверхпроводящих элементов и возврату к тёплым обмоткам (для чисто термоядерного это не получится). Правда в этом случае речь и идёт конечно не о классических токамаках, а как минимум о сферомаках, а лучше открытых ловушках (достижение высоких значений параметра относительного давления в этом случае становится очень важным).

Ну и конечно прямоточные ускорители от ГэВ и более хоть и недешевы (еще бы, минимум километровый длины), но более менее освоены. В отличии от ловушек.

С учётом, что объём магнитной системы магнитной ловушки сильно меньше, чем у ускорителя, потенциал удешевления у неё должен быть существенно больше.

Дополнительный плюс - значительный поток нейтронов имеют энергию больше 20 МэВ.

Это конечно приятный бонус, но поскольку большая часть нейтронов в системе электроядерного реактора (а при использование ускорителя все они строятся исходя из значения эффективного коэффициента реактивности активной зоны лишь немного меньше единицы, что является просто следствием энергетической дороговизны нейтрона) возникает всё же в результате деления ядер топлива на вторичных нейтронах, то итоговый спектр будет не сильно отличаться от того, который наблюдается просто в быстром реакторе. Небольшая добавка высокоэнергетических нейтронов здесь что-то меняет мало.

[AlexAV]

. Здесь правда в случае гибридного реактора есть перспективы её сильно упростить путём отказа от сверхпроводящих элементов и возврату к тёплым обмоткам (для чисто термоядерного это не получится).

Кстати вот проект  на основе малоаспектного токамака с тёплыми медными обмотками. И ещё некоторые  параметры первой стенки и обмоток такой системы здесь. Собственно основные энергетические параметры - мощность генерируемого нейтронного потока - 56 МВт, мощность инжектируемого пучка 45 МВт (надо также учитывать что КПД генераторов пучков около 45%, т.е. для создания такого пучка из розетки надо взять около 100 МВт). Питание обмоток - 171 МВт.

Если принять что генерация энергии в бланкете на 1 нейтрон равна 1000 МэВ, а КПД преобразования тепла в электроэнергию 35%, то такого термоядерного генератора нейтронов должно быть достаточно для генерации около 1400 МВт электрической мощности при собственном потребление около 270 МВт. Т.е. около 20% генерации на собственные нужды... не идеально, но вполне приемлемо. Зато без без сверхпроводников и жидкого гелия.

P.S. Токамак (даже малоаспектный, т.е. близкий к сферомаку) - совсем не идеал в плане эффективности использования магнитного поля. Для системы с теплыми катушками какая-нибудь газодинамическая ловушка была-бы лучше, но как видно и для токамаков параметры получаются совсем не безнадёжные.

[AlexAV]

На пути к безгелиевому томографу

Гелий всё равно нужен как теплоноситель. Хотя конечно такие системы и заметно экономичнее открытых в части его потребления.

[AlexAV]

 Довольно интересная публикация относительно добычи и ресурсов золота.

Особенно примечателен график открытия новых месторождений по годам.



Отсутствие столбика в 2013 здесь показывает не отсутствие данных, а то что в 2013 в мире не найдено ни одного нового месторождения золота.

Вообще конечно золото не самый критичный для индустрии металл (хотя и у него есть области где оно необходимо и даже практически незаменимо), однако ситуация с ним не сильно отличается от того, что имеет место и для других редких элементов, хотя и с некоторым опережением по времени. Вообще из всех редких элементов запасы двух классических драгоценных металлов (золота и серебра) похоже будут исчерпаны раньше всего.

[AlexAV]

3Д принтер может работать от солнечных батарей, токарнофрейзерный... то же может, но батарей надо много больше.

По металлу? Вы чересчур оптимистичны. Вот скажем характеристики одной из моделей такого принтера (http://www.eos.info/systems_solutions/metal/systems_equipment/eosint_m280):

Power consumption maximum 8.5 kW / typically 3.2 kW

Токарнофрезарный потребляет не особенно больше. Плюс заготовки из металла намного дешевле металлических порошков (они вообще весьма дороги, а их производство очень энергоёмкое), да и 3D ещё газ для инертной среды потребуется (для многих металлов это вообще только гелий или аргон, т.е. даже азот как среда для спекания порошков не для всех металлов пригоден).

3D принтер ни в коем случае не относится к энерго- и ресурсосберегающей технике. Хотя конечно в ряде случае может быть чрезвычайно полезен (если требуется деталь со сложной структурой скажем).

[AlexAV]

Там золото и серебро относились к достаточно благополучным металлам за счет большого запаса добытого металла и высокой степени повторного использования ранее добытого металла.

По отношению к золоту это во многом верно. Т.е. это металл больше ювелирный и инвестиционный, чем промышленный и значительная часть добытого золота продолжает лежать во вполне доступной форме банковских слитков и ювелирных украшений. Хотя около 300 т/год потребления для нужд электроники - во многом безвозвратные, это в основном тонкие напыления которые снять конечно теоретически можно, но делается это по факту лишь с небольшого количества образующегося ежегодно электронного мусора в мире. Многие электронные устройства после использования оказываются и на обычной свалке, где с течением некоторого времени содержащееся в них золото будет утеряно окончательно и  безвозвратно.

А вот с серебром все куда хуже. Это метал куда в меньшей степени ювелирный и куда в большей - промышленный.

Вот структура производства и потребления серебра в мире (http://www.cmmarket.ru/markets/agworld.htm):



Промышленность потребляет почти половину производимого серебра в мире. Структура по отраслям:



При этом в электронике и при производстве солнечных батарей (кстати весьма крупная статья его потребления уже сегодня) - серебро используется в виде тонких напыленный, которые конечно с отработанных изделий вернуть можно, но по факту это делается далеко не всегда, а если это не сделано то с высокой  вероятностью это серебро будет безвозвратно потеряно. Про припои содержащие серебро можно сказать тоже самое. В области химической промышленности и катализаторов регенерация отработанных катализаторов обычно достаточно полная, однако всегда есть довольно значительные и полностью необратимые потери из-за эрозии катализатора и его выноса с потоком газа. Плюс часть промышленных применений вообще рециклинг не предусматривает (фотография, медицинские нужды и т.д.). Т.е. возврат серебра использованного в промышленности достаточно ограничен.

Опять же если посмотреть на итоговые цифры  - то они весьма показательны. Из 1048 млн. унц. потребляемого серебра только 254 млн. получены из вторсырья, т.е. рециклинг сегодня обеспечивает только 24% текущего потребления, причём это в основном ювелирный лом, регенерация из отработанных промышленных изделий вообще пренебрежимо мала.

[AlexAV]

Равнозначны ли они? И могут ли они заменить друг друга?

В плане возможности создания изделия заданной формы печать по металлическому порошку даёт куда большие возможности чем классическая обработка. А вот в плане материалов  всё куда хуже. Материал получаемый при спекании порошка совсем не идентичен по свойствам сплавам полученным классическими методами (это определяется как разное структурой, так и просто различием химического состава, т.е. порошки многих металлов очень охотно адсорбируют на поверхности кислород и азот, а затем эта паразитная примесь будет заметно сказываться и на изделиях, получаемых спеканием такого порошка), а ведь 3D печать только ими и будет ограниченна. Т.е возможности подбора материала с требуемыми свойствами при 3D печати куда более узки, чем при классической обработке заготовок (последние можно сделать из любого материала, изготовленного по самым различным технологиям).

P.S. Кстати 3D-принтер может быть весьма полезен и в рамках одной из классических технологий производства металлических изделий, т.е. при литье, как средство быстрого и относительно простого производства мастер-моделей. При этом естественно достаточно и только возможности печати пластиком, ничего другого здесь собственно и не надо.