Анализ концепции: почему атомная энергетика - на самом деле возобновляемая?

alex_rozoff — 15.12.2020 Тема ренессанса ядерной энергетики все активнее проявляется в профессиональных и научно-популярных СМИ начиная с октября 2018-го, когда была объявлена цена "зеленого поворота", предписанного Парижским климатическим соглашением 2015 года. Вот эта цена: 2,5% от совокупного мирового ВВП (то есть стоимости всех произведенных на планете товаров и услуг) на протяжении 20 лет. Суммарно около 50 триллионов долларов (в ценах середины 2018 года).
Чтобы оценить чудовищность заявленной суммы - предположим, что Китай выполняет подряд на спасение климата, а весь остальной мир платит Китаю за эту работу. Т.е. остальной мир покрывает своими платежами весь ВВП Китая, чтобы китайцы ни на что другое не отвлекались, ничего другого не делали, а только спасали климат планеты - как-то примерно так.

Простая арифметика: для этого придется нанять всех (ВСЕХ!) работоспособных китайцев на ТРИ С ПОЛОВИНОЙ ГОДА.
Ясно, что эта программа "зеленого поворота" - полный бред. Никакой реальный проект не может столько стоить.
Соответственно предлагаются альтернативы - и в первую очередь: ядерные.
Ниже я привожу концепцию, опубликованную в naked-science

(цитирую)
Одна тонна энергетического урана в виде топлива в атомном реакторе теоретически дает 620 миллионов киловатт-часов электроэнергии. Однако в реальной жизни, в силу неидеального КПД любых электростанций, эта цифра падает примерно до 150 миллионов киловатт-часов. То есть годовое потребление электроэнергии России требует примерно семь тысяч тонн урана, а мира — порядка 150 тысяч тонн в год.
В земной коре около 100 триллионов тонн урана: следовательно, если бы все электричество планеты было атомным, то урана в коре было бы достаточно на сотни миллионов лет. Фактически намного больше — на миллиарды. Дело в том, что заметное количество урана в морской воде попадает туда из-за вымывания этого металла водой из пород, в том числе океанического дна.
Земная кора — и континентальная, и океаническая — постепенно обновляется: новая всплывает, старая опускается. Поэтому, как было показано в научной литературе еще в 1980-х годах, де-факто уран из одной морской воды в земных условиях — возобновляемый источник энергии. Его должно хватить на миллиарды лет, а за этот срок расширение Солнца все равно сделает планету необитаемой.
Так что же, атомная энергетика в ее сегодняшнем виде может обеспечить нас энергией на любой мыслимый для жителя Земли срок? Да, если бы не пара нюансов. Первый — далеко не все запасы руды из земной коры экономически оправданно добывать, где-то ее концентрация слишком низка. Но это проблема как раз не главная, даже «целесообразных» руд хватило бы на огромный период времени.
Ключевая сложность в том, что для горения ядерного топлива нужна цепная реакция, а ее поддерживает только уран-235 — элемент с периодом полураспада в 700 миллионов лет. Как ясно из этого срока, в природном уране такого изотопа мало — всего 0,72%. Причем реально можно выделить только 0,5% — остальное, из-за несовершенства технологий сепарации изотопов урана, пока уходит в отвалы. Практически весь остальной природный уран — уран-238 с периодом полураспада в 4,5 миллиарда лет, — но он цепную реакцию не поддерживает. Точно так же цепную реакцию не поддерживает торий-232, которого на Земле еще больше, чем урана.
Иными словами, если как-то научиться вовлекать в атомный топливный цикл уран-238, то объем доступного ядерного топлива вырастет в 200 раз, а если еще и торий — во много сотен раз. К счастью, способ сделать это есть. Один атом урана-235 при делении в реакторе испускает в среднем 2,4 нейтрона. Чтобы реакция деления ядер в атомном реакторе не затухала, нужно, чтобы часть этих нейтронов (минимум один) заставили поделиться еще один атом урана-235 — а вот второй и прочие нейтроны остаются «свободными».
Если вокруг активной зоны атомного реактора — в таком случае его называют размножителем — разместить пластины урана-238 (или тория-232), то «лишние» нейтроны тут же станут совсем не лишними: они попадут в ядра атомов и сделают из урана-238 плутоний-239, а из тория-232 — уран-233. И плутоний, и уран-233 сами уже вполне могут поддерживать цепную реакцию и при распаде тоже дают (в среднем) больше двух нейтронов. Можно взять облученные пластины, которыми было окружено топливо в реакторе-размножителе, и использовать образовавшийся в них плутоний для изготовления нового ядерного топлива.
Сходная схема возможна в будущем для пары торий-232 — уран-233, но здесь в теории даже извлекать уран-233 для изготовления нового топлива необязательно: его можно использовать как топливо в том же реакторе.
(конец цитаты)

Теперь мой комментарий:
Единственный принципиальный недостаток, который я вижу в этой статье: рассмотрение лишь моделей бридеров с самоподдерживающейся цепной реакцией, которые, как показала практика, не очень хорошо проявляют себя.
Совершенно иначе обстоит дело, если мы рассмотрим подкритические реакторы (subcritical reactor) - т.е. реакторы без самоподдерживающейся цепной реакции, работающие за счет добавки потока нейтронов от сравнительно небольшого внешнего источника.
Эту схему предложил д-р Карло Руббиа, нобелевский лауреат 1984 по физике.
Прикладная физика подкритических реакторов разработана в 1990-х, а действующий прототип сконструирован в Бельгии в 2012-м.
Специфика подкритических реакторов позволяет использовать в качестве ядерного топлива - любые актиноиды, в частности: торий, все изотопы урана, а также плутоний и долгоживущие тяжелые изотопы из ядерных отходов (в т.ч. отработавшего ядерного топлива из традиционных реакторов).
При этом у подкритического реактора крайне "некапризные" требования к очистке топлива.
Пока, впрочем, ядерная энергетика не выходит за рамки традиций, заложенных в середине прошлог века.

Такие дела.

-----------------------
Источники:
Возобновляемая и безуглеродная: мифы об атомной и обычной энергетике
https://naked-science.ru/article/nakedscience/mify-ob-atomnoj-i-obychnoj-energetike
Цена страха: как АЭС оказались жертвой массовой культуры и смогут ли они взять реванш
https://naked-science.ru/article/nakedscience/tsena-straha
ФИЗИКА ПОДКРИТИЧЕСКОГО ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА (АРБУЗОВ Б.А. , 1997)
http://www.pereplet.ru/obrazovanie/stsoros/244.html
16 января 2012 Инновационный ядерный реактор может быть использован для трансмутации радиоактивных отходов
https://www.atomic-energy.ru/news/2012/01/16/30122
Кратко о подкртических реакторах.
https://en.wikipedia.org/wiki/Subcritical_reactor
Видеоролик: 25 апр. 2018 г. "Вот так работают на заводах в Китае" (У хайпа на хвосте!)
8 октября 2018 Глобальное потепление: 12 лет, чтобы спасти планету от катастрофы
https://www.bbc.com/russian/features-45789889

Оставить комментарий

Популярные посты:

• Ранее
• Архив