תפקיד התגובה המהירה של Breeder במעבר כלכלת הידרוגן

המומנטום העולמי בונה סביב כלכלת מימן כאבן הפינה של פחמן עמוק. הידרוגן מציעה נושא אנרגיה רב צדדי עבור תחבורה, חום תעשייתי, ייצור חשמל, ומזינים כימיים.אבל דרוג מימן פחמן נמוך פחמן כדי לענות על הביקוש הצפוי נשאר אתגר טכני וכלכלי רב-משמעי.

הבנה מהירה של תגובה מהירה

עקרונות תפעול בסיסיים

כורים גרעיניים, הידועים ככורים תרמיים, משתמשים בננות איטיות בינונית כדי לקיים משקעים של אורניום-235 (~0.7% של אורניום טבעי) כורים גזע מהיר לחסל את המנטרן כך ש noutrons נשאר באנרגיה גבוהה (~1 MeV) יחס נויטרונים מהיר זה פותח 2 יכולות קריטיות: ראשית, הוא יכול להק טווח רחב יותר של אקטין ביעילות, כולל potium 2392 יכול להפוך את זה יותר מאשר FtonFopium גבוה יותר מאשר FtonFopite 2.

רוב FBRs מעסיקים הליבה של דלק תחמוצת מעורב (MOX) - תערובת של דו תחמוצת פלוטוניום ומדמוצת אורניום - מוקף בשמיכה של אורניום-238. נויטרוונים מהירים דולקים מהליבה להמיר אורניום לפלוטוניום, אשר לאחר מכן מעובד עבור reuse. זה מחזור דלק סגור מרחיב באופן דרמטי את האנרגיה המושקעת מן טבעי - דיווחו 60 עד 100 פעמים אנרגיה יותר בהשוואה ל-קליד חום, בנוסף מחזורי חשמל חם, הוא יכול להפחית מחזורי זמן קצר.

תוכניות FBR ההיסטוריות וההווה

פיתוח FBR החל בשנות החמישים וה-60 של המאה ה-20, אבטיפוס בלתי ניתן להשגה כוללים את BN-350 של רוסיה (התחילה בין 1972 ל-1999), Phénix ו Superphénix, Japan's Monju, and India's Fast Breeder Test Reactor (FBTR) כיום, רוסיה מפעילה את ה-FLT:0BN-600033R)nFLT1, ו-FR (משנת 1980) היא התחנה המרכזית של הודו (FR) היא בעלת שירות מהיר של דרום-FRV) ו-FRVR.

בעוד כמה מוקדם FBRs נתקל אתגרים טכניים עלות, עיצובים מודרניים נהנים מחומרים מתקדמים, מערכות בטיחות פסיבית, ושיפור עיבוד דלק.הפורום הבינלאומי של הדור הרביעי זיהה את הכור המהיר המוטבע על ידי נתרן (SFR) כאחת טכנולוגיות הספקטרום המהיר המבטיחות ביותר עבור קיימות, בטיחות והתנגדות לתפוצה.

מדוע מימן זקוק ל-Freeder Reactors

סולם האתגר של Hydrogen

הסוכנות הבינלאומית לאנרגיה גלובאלית מתכננת כי הביקוש העולמי מימן יכול להגיע ליותר מ-500 מיליון טון בשנה עד שנת 2050, עלייה מ-90 מיליון טון כיום.רוב הגידול הזה חייב לבוא ממקורות פחמן נמוכים: מימן אלקטרוליטי (מימן ירוק) המיוצר על ידי אנרגיה מתחדשת, או מימן תרמוכימי מחום גרעיני ( מימן פינק), או מימן מבוסס מאובנים עם פחמן (מי מימן כחול) הוא האופי של אנרגיית מימן ומחסור סולארי, דורש שימוש מסיבי יותר מחוספסה, או אחסון אוויריבית, או מחוסמת, או מחוספסת מים.

כוח גרעיני, במיוחד מכורים מהירים, מציע מקור חום יציב, עתיר גבוה שיכול להניע תהליכי ייצור מימן עם יעילות גבוהה באופן עקבי. 11,000 MWe FBR יכול לייצר בערך FLT:0200,000 טון של מימן לשנה veFLT:1 באמצעות אלקטרוליזה גבוהה בטמפרטורה גבוהה, שווה ערך לתפוקה של חווה ייעודית גדולה המשתרעת על פני מאות קילומטרים רבועים - אבל על כמה מטרים הוא רק על כמה שהוא.

כבישי ייצור הידרוגן המתאימים ל-FBRs

אלקטרוליזה דלת-נמוכת

אלקלליין ופרוטון מחליפים את membrane (PEM) אלקטרוליטים פועלים ב 60-90 מעלות צלזיוס, בעוד שהם יכולים להשתמש חשמל מכל מקור, יעילותם מוגבלת (בדרך כלל 50–70% על בסיס ערכי חימום גבוה יותר) כוח FBR יכול לתמוך אלקטרוליטייזרים אלה, אבל היתרון האמיתי של חום גרעיני הוא בתהליכים עתירי זמן גבוהה.

High-Temperature Steam אלקטרוליזה (HTSE)

HTSE פועל 700-900 מעלות צלזיוס באמצעות אלקטרוליטים חד-חמצני מוצק. על ידי אספקת חשמל וחום גבוה מכור, HTSE יכול להשיג יעילות ההמרה חשמלית עד-hydrogen מעל 80% (LHV) כור גזע מהיר יכול לספק חום תהליך בטמפרטורות אלה, תוך מינוף קריר שלה - בדרך כלל נוזל נתרן - אשר יוצא הליבה בסביבות 500-250 מעלות צלזיוס יכול להגביר את דרישות טמפרטורות אטרקטיביות יותר.

מחזורי ה-RMOכימיקליים

מים פיצול באמצעות מחזורי תרמוכימיים, כגון sulfur-iodine (S-I) או נחושת-כלור (Cu-Cl) מחזורים, דורשים חום ב-750 עד 1000 מעלות צלזיוס, עם טמפרטורות הליבה הגבוהות שלהם (כמה עיצובים מתקדמים היעד 850-1000 ° C באמצעות קירור גז), יכולים להניע מחזורים אלה ישירות ללא צעד חשמל ביניים.

תהליכים היברידיים

שילוב של צעדים תרמוכימיים ואלקטרוליטיים יכול לייעל את השימוש באנרגיה.לדוגמה, מחזור הזחלים ההיברידי משתמש צעד התרוצב תרמי ב- 850 מעלות צלזיוס ואחריו צעד אלקטרוליטי נמוך-זמנית. כורים מהירים יכולים לספק חום וחשמל, המאפשר צמחי מימן משולבים עם קלט אנרגיה חיצוני מינימלי.

יתרונות מרכזיים של FBR-Hydrogen Systems

יעילות דלק ומשאבים

FBRs שואב הרבה יותר אנרגיה אורניום מאשר כור תרמי, למעשה יצירת אספקת דלק כמעט ללא הגבלת זמן של אורניום פסולת - 238. שפע משאבים זה רלוונטי במיוחד עבור מדינות ללא עתודות אורניום גדולות.המוצר של מחזור דלק הכור המהיר - פלוטוניום - ניתן להשתמש כדי להתחיל יותר FBRs, המוביל למערכת הרחבה, דלק עצמי לייצור מימן, זה אומר אנרגיה לא יעיל הוא למעשה overde-de-de-de-detable מאות שנים.

אחריות וגמישות תפעולית

בניגוד למקורות מתחדשים, FBRs לייצר כוח קבוע חום עצמאי של מזג אוויר או זמן של יום. תכונה זו מבוססת חיוני עבור מתקני מימן תעשייתיים הדורשים מזון יציב לתהליכי מטה הזרם (למשל, סינתזת אמוניה, ירידה ישירה פלדה).

צמצום פליטות פחמן

כוח גרעיני הוא מקור אנרגיה כמעט אפס פחמן כאשר שוקל פליטות מחזור חיים מלא. צמח מימן מונע פחמן CO2 במהלך המבצע, בהשוואה לרפורמת אדים אדים (מימן אפור, פולט - 10 ק"ג ל ק"ג H2), מעבר מימן המיוצר גרעיני יכול לחסוך מיליוני טונות של גזי חממה בשנה.

בזבזני שפכים ו- Actinide Burning

כורים מהירים יכולים להיות נועדו לצרוך ולא לגדל פלוטוניום, לפעול כשורים של איזוטופים טרנסאורניים ארוכים מכומר קונבנציונלי ביל דלק.תפקיד כפול זה - ייצור מימן תוך הרס פסולת - תואמים עם עקרונות כלכלה מעגלית.התוצאה היא צמצום משמעותי בכמות של פסולת ברמה גבוהה הדורשת סילוק גיאולוגי, צמצום התחייבויות אחסון לטווח ארוך.

פרויקטים אמיתיים והפגנות

BN-800 ו- Hydrogen Co-Generation

רוסיה היא מובילה עולמית בפריסת FBR.The BN-800 ב Beloyarsk הדגים תפעול בקנה מידה מסחרי והוא מוערך לייצור מימן באמצעות אלקטרוליזה דלת-הטמפרטורה.ה-BN-800 ב- Beloyarsk;0 גרעין Road MaphilFLT:1 כולל תוכניות לשלב FBRs עם יחידות HTSE עד תחילת 2030s.

תכנית ה-Frerebeder המהירה של הודו ואבטחת אנרגיה

הודו, עם אורניום מוגבל אבל שפע thorium, כבר זמן רב רדפה תוכנית גרעין של שלושה שלבים שבו FBRs הם מרכזי. PFBR להאכיל חשמל לרשת ויכולה מאוחר יותר לספק חשמל עבור אלקטרוליטיזה.החוקרים ההודי במרכז האינדה גנדי למחקר אטומי (IGCAR) הם לומדים מחזורי ייצור מימן תרמוכימיים תואם את התפוקה של טמפרטורות גבוהות של כורים עתידיים.

יוזמת R&D

בתוך הפורום הבינלאומי של דור IV, הכור המהיר המוטבע נתרן (SFR) הוא מערכת הפרטיות הגבוהה ביותר להדגמה.מדינות רבות חברות חוקרות את ניוון מימן כבקשה לשימוש קצה.הארה"ב, דרך ה-FLT:0Department of Energy ProgramFLT:1, תומך במחקר על שילוב SFR עם HTSE ותרמוכימי, עם צמצום והפחתה של מחזורי רישוי.

אתגרים לOvercome

עלויות הון ויציבות כלכלית

כורים מהירים נשארים יקרים יותר באופן משמעותי כדי לבנות מאשר כורים תרמיים והרבה יותר מאשר צמחי גז טבעיים.הצורך בחומרים מיוחדים (למשל, פלדה מתקדמת עמידים לנזק נויטרונים מהירים), ייצור דלק מורכב ומערכות טיפול נתרן מניעות עלויות למעלה.הייצור מימן מוסיף הון נוסף עבור אלקטרוליטים או צמחי תרמוכימיים.

בטיחות והכחשה

FBRs להשתמש נתרן נוזלי כמו מגניב, אשר מגיב נמרצות עם מים ואוויר. בעוד נתרן אינו קורוזי פלדה בתנאים לא ברורים, כל דליפה מציבה אש וסיכוני התפוצצות.עיצובים מודרניים משלבים מספר מכשולים, לאט מכסים גז ומערכות הסרת חום פסיבית של ריקבון.עם זאת, רישיון סוג חדש בשילוב עם מטע כימי באתר מייצר אתגרים רגולטוריים כפולים.

קבלה ציבורית ותפוצה

אנרגיה גרעינית מתמודדת עם נטיות ציבוריות במדינות רבות, במיוחד לאחר Fukushima. FBRs, עם הקשר שלהם עם ייצור פלוטוניום ושיקום, להעלות חששות נוספים שאינם הפצת חומרים.עם זאת, עיצובי FBR מודרניים משלבים תכונות עמידות לתפוצה טמונות, כגון קומפוזיציה דלק מוזנח וטיפול דלק משולב.

תשתיות דלק

FBRs דורש מחזור דלק סגור: עיבוד מחדש של דלק וייצור של דלק MOX טרי בלבד (צרפת, בריטניה, רוסיה, יפן, הודו) יש צמחים עיבוד בקנה מידה מסחרי.התרחבות תשתיות אלה ברחבי העולם היא השקעה מסיבית.בנוסף, הלוגיסטיקה של העברת דלקים מבוססי פלוטוניום דורש אמצעי אבטחה קפדניים.

מדיניות ומסגרת שוק ל-FBR-Hydrogen

מחירי הפחמן ותקני הידרוגן נקיים

ממשלות יכולות להאיץ מימן מבוסס FBR על ידי אכיפת מחיר פחמן חזק על מימן מאובנים והקמת תקני מימן נמוכים פחמן (למשל, האיחוד האירופי חידוש אנרגיה הוראה הדורשת ירידה של 70% מחזור חיים) מימן FBR יכול להיות זכאי תחת הגדרות רבות של "מימן נקי", במיוחד אם הכור מוסמך לתפוקה פחמן נמוך.

שותפות ציבוריות-פרטיות ותכניות דיג

צמחים FBR-hydrogen מסוג ראשון דורשים מימון ציבורי גדול ושיתוף סיכונים.מיזמים כגון יוזמת מימן גרעיני ארה"ב או חזון החברה היפנית של חברת הידרוגן יכול לספק מענקים וערבויות הלוואה. [+] שותפויות בינלאומיות, כמו אלה שטופחו על ידי ה-FLT:0Generation International ForumFLT:1, להפחית את השכפול והמהירות המסחרית.

שילוב עם hydrogen Hubs ו-Clusters תעשייתי

Co-locating FBRs עם משתמשים מימן בקנה מידה גדול (refineries, צמחי אמוניה, מילימטר פלדה) מצמצם את עלויות ההובלה וממקסימה את ניצולם של ממשלות יכול לחצות "עמקים גרעיניים-hydrogen" ולספק היתרים מפלט למתקנים אנרגיה משולבים. טקסס, לואיזיאנה, והולנד כבר הודיעה על תוכניות מרכז מימן שבו יכול לשחק תפקיד גרעיני.

עתיד Outlook ונתיבים טכנולוגיים

כור מגדלי מהיר אינם פתרון לטווח קצר לכלכלת מימן – מפעל FBR-H2 המסחרי הראשון הוא כנראה עשור משם.עם זאת, בהתחשב בתקופות ארוכות של עופרת גרעינית ודחיפות הפעולה האקלימית, יש להתחיל עכשיו.

  • (FLT:0)Near-term (2025–2035): RefitFBRs קיים (BN-800, PFBR) עם אלקטרוליזה דלת-זמנית לייצר כמויות קטנות של מימן ולקבל ניסיון מבצעי.
  • (FLT:0Medium-term (2035–2045): Deploy Advanced SFRs עם אלקטרוליזה אדים בטמפרטורה גבוהה, השגת 80%+ יעילות ו-LCOH מתחת $ 3 / kg.
  • (FLT:0) לטווח ארוך (2045–2060): FIRLT:1 , הכירו כורים מהירים או כורים מלוחים מלוחים מהירים המסוגלים להניע מחזורים תרמוכימיים ב-900 מעלות צלזיוס, תוך מיצוי הפוטנציאל המלא של מים ישירים.

יפן, דרום קוריאה ובריטניה חוקרות כורים גזים עתיריים (HTGR) לצד FBRs, אך HTGR יש יכולת גידול נמוכה יותר.הסינרגיות בין FBRs לבין מימן עשויים בסופו של דבר להצדיק דור חדש של ייעודי FLT:0fast מימן כורי מימן FLT:1 - אופטימיזציה במיוחד עבור חום ולא של ייצור חשמל.

מעבר כלכלת מימן אינו שינוי חד-שלבי – הוא דורש תיק של מקורות אנרגיה נקיים. כורים מהירים מביאים את היתרון הייחודי של קיבולת גבוהה, משלוח, אנרגיה פחמן נמוך בשילוב עם דלק כמעט בלתי-ממצה.בעולם שצריך להשמיץ את התעשייה, התחבורה, והכוח בו-זמנית, FBRs יכול לשחק תפקיד מרכזי בביצוע מימן בר-קיימא בקנה מידה מתמשך.

לקריאה נוספת, ראה דיווחים על ייצור מימן גרעיני (FLT:0) ו-(FLT:2World Nuclear Association) של איגוד הגרעין של גרעיני ומילאמב 3.