Роль реакторов быстрого разведения в переходе водородной экономики

Большинство ФБР используют ядро смешанного оксидного (МОХ) топлива — смесь диоксида плутония и диоксида урана — окруженное одеялом урана-238. Быстрые нейтроны, вытекающие из ядра, превращают одеяло урана в плутоний, который затем перерабатывается для повторного использования. Этот замкнутый топливный цикл резко расширяет энергию, извлекаемую из природного урана — в 60-100 раз больше энергии на килограмм по сравнению с однократными циклами теплового реактора. Кроме того, потребляя долгоживущие трансурановые изотопы, ФБР могут уменьшить объем и радиотоксичность ядерных отходов высокого уровня.

Исторические и текущие программы ФБР

Разработка FBR в коммерческом масштабе началась в 1950-х и 1960-х годах. Известные прототипы включают российский BN-350 (работавший с 1972 по 1999 год), французские Phénix и Superphénix, японский Monju и индийский испытательный реактор быстрого селекционера (FBTR). Сегодня Россия эксплуатирует BN-600 (с 1980 года) и более крупный BN-800 (с 2015 года), как на Белоярской атомной электростанции. Индия строит прототип быстрого селекционного реактора мощностью 500 МВт (PFBR) в Калпаккаме, как ожидается, начнет коммерческую эксплуатацию в середине 2020-х годов. Китай, Южная Корея и Соединенные Штаты также поддерживают активные исследовательские программы.

В то время как несколько ранних FBR столкнулись с техническими и затратными проблемами, современные конструкции извлекают выгоду из передовых материалов, систем пассивной безопасности и улучшенной переработки топлива. Международный форум поколения IV определил быстрый реактор с натриевым охлаждением (SFR) как одну из самых перспективных технологий быстрого спектра для устойчивости, безопасности и устойчивости к распространению.

Почему водороду нужны быстрые реакторы

Масштаб проблемы водорода

Международное энергетическое агентство прогнозирует, что глобальный спрос на водород может достичь более 500 миллионов тонн в год к 2050 году, по сравнению с ~ 90 миллионами тонн сегодня. Большая часть этого роста должна происходить из низкоуглеродных источников: либо электролитического водорода (зеленого водорода), производимого возобновляемой энергией, либо термохимического водорода из ядерного тепла (розового водорода), либо водорода на основе ископаемых с улавливанием углерода (синего водорода). Ключевым ограничением для зеленого водорода является прерывистая природа ветра и солнца - производство водорода 24/7 требует огромных избыточных мощностей и хранения, что повышает затраты и землепользование.

Ядерная энергия, особенно из реакторов быстрого размножения, предлагает устойчивый высокотемпературный источник тепла, который может управлять процессами производства водорода с неизменно высокой эффективностью. Один FBR мощностью 1000 МВт может производить примерно 200 000 тонн водорода в год ] с помощью высокотемпературного парового электролиза, эквивалентного выходу большой выделенной ветроэлектростанции, охватывающей сотни квадратных километров, но на площади всего несколько гектаров.

Маршруты производства водорода, подходящие для FBR

низкотемпературный электролиз

Обычные щелочные и протонно-обменные электролизеры (PEM) работают при 60-90 °C. Хотя они могут использовать электричество из любого источника, их эффективность ограничена (обычно 50-70% на основе более высокой теплотворной способности).

Высокотемпературный паровой электролиз (HTSE)

HTSE работает при 700-900 ° C с использованием твердых оксидных электролитов. Поставляя как электричество, так и высококачественное тепло из реактора, HTSE может достичь эффективности преобразования электроэнергии в водород выше 80% (LHV). Реактор быстрого селекционера может доставлять технологическое тепло при этих температурах, используя свой охлаждающий агент - обычно жидкий натрий - который выходит из ядра при температуре около 500-550 ° C. Промежуточные теплообменники могут дополнительно повышать температуры в соответствии с требованиями HTSE, что делает эту синергию особенно привлекательной.

Термохимические циклы

Расщепление воды посредством термохимических циклов, таких как циклы серы-йода (S-I) или медного хлора (Cu-Cl), требует тепла при 750-1000 ° C. Быстрые реакторы с их высокими температурами выхода в ядро (некоторые продвинутые конструкции нацелены на 850-1000 ° C с использованием газовых охлаждающих веществ), могут управлять этими циклами непосредственно без промежуточного этапа электроснабжения.

Гибридные процессы

Комбинирование термохимических и электролитических шагов может оптимизировать использование энергии. Например, гибридный цикл серы использует стадию термического разложения при 850 °C, за которой следует низкотемпературная электролитическая стадия. Быстрые реакторы могут обеспечивать как тепло, так и электричество, что позволяет интегрировать водородные установки с минимальным внешним входом энергии.

Основные преимущества FBR-гидрогенных систем

Топливная эффективность и использование ресурсов

ФБР извлекают из урана гораздо больше энергии, чем тепловые реакторы, эффективно создавая практически безграничное топливо из отходов урана-238. Это изобилие ресурсов особенно актуально для стран без больших запасов урана. Побочный продукт топливного цикла быстрого реактора — плутоний — может быть использован для запуска большего количества ФБР, что приводит к расширению системы самозаправки. Для производства водорода это означает, что ввод энергии эффективно не истощается на протяжении веков.

Надежность базисной нагрузки и операционная гибкость

В отличие от возобновляемых источников, FBR производят постоянную мощность и тепло независимо от погоды или времени суток. Эта характеристика базовой нагрузки имеет важное значение для промышленных водородных установок, которые требуют стабильного питания для процессов, происходящих ниже по течению (например, синтез аммиака, прямое сокращение стали). Кроме того, некоторые конструкции FBR могут регулировать выходную мощность (нагрузку-следующую) для удовлетворения спроса на водород в сети, обеспечивая как экономические, так и системные преимущества.

Сокращение выбросов углерода

Ядерная энергия является почти нулевым источником энергии углерода при рассмотрении выбросов полного жизненного цикла. Водородная установка на основе FBR не выделяет CO2 во время работы. По сравнению с паровым метановым реформированием (серый водород, выделяющий ~ 10 кг CO2 на кг H2), переход на водород, произведенный в ядерной энергетике, может сэкономить миллионы тонн парниковых газов ежегодно на реактор. Даже при учете добычи топлива, строительства и вывода из эксплуатации выбросы ядерного водорода в жизненном цикле составляют менее 5% от выбросов от реформирования природного газа, согласно исследованиям Международного агентства по атомной энергии ].

Минимизация отходов и сжигание актинидов

Быстрые реакторы могут быть спроектированы для потребления, а не для разведения плутония, действуя как горелки долгоживущих трансурановых изотопов из обычного отработанного топлива реактора. Эта двойная роль — производство водорода при уничтожении отходов — согласуется с принципами круговой экономики. Результатом является значительное сокращение количества высокоуровневых отходов, требующих геологической утилизации, что снижает долгосрочные обязательства по хранению.

Реальные приложения и демонстрационные проекты

Российское совместное поколение БН-800 и водорода

Россия является мировым лидером по развертыванию FBR. БН-800 в Белоярске продемонстрировал коммерческую эксплуатацию и оценивается для производства водорода с использованием низкотемпературного электролиза. В дорожную карту страны по ядерному водороду включены планы по интеграции FBR с HTSE-блоками к началу 2030-х годов. Кроме того, более новая конструкция BN-1200 разрабатывается специально для совместной генерации водорода.

Первоклассные гидрогенные заводы FBR требуют значительного государственного финансирования НИОКР и совместного использования рисков. Инициативы, такие как Инициатива по ядерному водороду США или видение Японского водородного общества, могут предоставлять гранты и кредитные гарантии. Международные партнерства, подобные тем, которые поощряются IV Международным форумом поколения , уменьшают дублирование и ускоряют коммерциализацию.