Роль атомной энергетики в структуре мирового энергетического производства XXI века и атомно-водородная энергетика(окончание)

Пономарёв-Степной Н.Н. – В 1952 г. окончил МИФИ. В настоящее время работает в Российском научном центре «Курчатовский институт», являясь его вице-президентом. Заведующий кафедрой моделирования ядерных процессов и технологий МФТИ. Профессор МФТИ. Круг научных интересов: ядерная энергетика, ядерные технологии, ядерные космические энергоустановки. В 1987 г. избран действительным членом РАН. Член совета директоров Американского Ядерного общества. Главный редактор журнала "Атомная энергия"

Водородная экономика и атомно-водородная энергетика

Наряду с развитием ядерной энергетики (о чём шла речь в предыдущем номере) одним из перспективных путей получения энергии является использование водорода, производимого из воды с применением чистых источников первичной энергии. Это направление получило название водородная энергетика или водородная экономика. Водород – хороший энергоноситель для использования в двигателях, автономных генераторах электричества и тепла, его удобно применять для теплоснабжения распределённых потребителей, транспортировки и аккумуляции энергии. Будучи произведён из воды с помощью возобновляемых или ядерных ресурсов и технологий, он сам становится возобновляемым топливом. На данный момент наибольший опыт использования водорода в качестве энергоносителя накоплен в ракетостроении. Например, он используется как топливо в жидкостных реактивных двигателях Ракетно-космической корпорации «Энергия». В России и США также имеется опыт его применения в ядерных ракетных двигателях. В двигателях этого типа, разработанных и испытанных в нашей стране, температура нагрева водорода достигала 3000 °С и, соответственно, их импульс более чем в 2 раза превышал импульс лучших жидкостных ракетных двигателей (рис. 10). В 1980-е гг. на базе самолета ТУ?154В была создана летающая лаборатория с двумя двигателями НК?88, работавшими на водороде. Другой перспективной областью использования водорода являются топливные элементы, в которых электрический ток вырабатывается в процессе «холодного» горения топлива. Широкое использование этой технологии ожидается в автотранспорте, а также в коммунально-бытовом секторе и в некоторых специальных случаях (например, при разработке силовых установок для подводных аппаратов). Идет работа над твердополимерными топливными элементами, предназначенными для транспорта нового поколения (автомобили и автобусы) (рис. 11) и высокотемпературными твердооксидными обратимыми топливными элементами с рабочей температурой более 800 °С (рис. 12).

Рис.12. Создание высокотемпературных электрохимических устройств для преобразования тепловой энергии в химическую (водород), а химической в электрическую

Атомно-водородная энергетика

Изучение возможных путей обеспечения человечества экологически чистой энергией показывает, что кардинальным решением этой проблемы может быть крупномасштабное производство с помощью ядерных реакторов не только электроэнергии и тепла, но и водорода в качестве энергоносителя для промышленности, энергетики, транспорта и бытовых нужд. Эта концепция, разработанная в нашей стране в начале 1970-х гг., получила название атомно-водородной энергетики. Преимуществом такого подхода является то, что он объединяет достоинства ядерной энергетики (неограниченные ресурсы топлива и минимальное воздействие на окружающую среду при производстве электричества, тепла и водорода) и полезные свойства водорода (неограниченные запасы сырья для его производства (воды), удобство использования и транспортировки, экологическую чистоту в случае использования в качестве топлива, востребованность в химической промышленности, возможность использования в качестве аккумулятора энергии). Такая энергетика сохранит нефть и газ для неэнергетических нужд и обезопасит атмосферу от вредных выбросов продуктов сгорания.

В настоящее время крупнотоннажное производство водорода и водородсодержащих продуктов в мире осуществляется в основном путем паровой конверсии природного газа (метана). В этом случае около половины исходного газа расходуется на проведение этого эндотермического процесса. С целью экономии природного газа и снижения нагрузки на окружающую среду была разработана технологическая схема паровой конверсии метана с подводом тепла от высокотемпературного гелиевого реактора. В ближайшем будущем, по?видимому, методы получения водорода из природного газа будут основными. Если же говорить о долгосрочной перспективе, то наибольший интерес представляют способы получения водорода из воды с использованием тепловой и электрической энергии ядерных реакторов. Это так называемые замкнутые термохимические и термоэлектрохимические циклы, высокотемпературный электролиз, а также различные комбинированные способы получения водорода из воды (рис. 14). Стыковка высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов (ВТГР) с высокотемпературными электролизерами позволит иметь суммарный КПД производства водорода до 50%.

Рис.14. Производство водорода с использованием тепловой и электрической энергии ядерного реактора

Переменный график нагрузок энергосистем и особенно ночной провал электрической нагрузки – одна из важнейших проблем энергетики, в том числе ядерной. Характерная для АЭС высокая капитальная составляющая стоимости производимой энергии, а также стремление к повышению эксплуатационной надежности основного оборудования и, главным образом, топлива делают желательными их функционирование в базовом режиме нагрузки. Эта задача может быть решена путем применения водородной технологий по следующей схеме: во время ночного провала происходит производство и накопление водорода, который при пиковых нагрузках вновь превращается в электроэнергию, например, с помощью $H_2/O_2$ парогенератора, дополнительно питающего турбину. Энергоноситель (чистый водород или синтез-газ ), производимый на атомном энерготехнологическом комплексе, может использоваться для дальнего теплоснабжения коммунально-бытового и коммерческого сектора. В этом случае реализуется хемотермическая передача энергии. Наряду с крупномасштабным производством водорода при развитии водородной экономики потребуются и локальные генераторы водорода. В РНЦ «Курчатовский институт» выполнены исследования по плазменной конверсии природного углеводородного топлива (метана, керосина) в синтез-газ (рис. 15).

Рис.15.Производство водорода (плазменные методы)

Рис.16. Производство водорода на АС

Высокотемпературные гелиевые реакторы

Высокотемпературные реакторы, способные нагревать гелиевый теплоноситель до 1000 °С, могут быть использованы для производства электроэнергии с высоким КПД в прямом газотурбинном цикле и снабжения теплом и электричеством водородных и иных химических производств, а также металлургических производств и установок опреснения воды. Преимуществом гелия перед другими теплоносителями, применяемыми в ядерной энергетике, является его химическая и нейтронная инертность, а также неизменность фазового состояния. Придание топливу формы микросфер из оксидов или карбидов делящихся материалов, защищённых многослойными керамическими покрытиями, предотвращает выход продуктов деления и обеспечивает достижение выгорания, превышающего общепринятое в действующих реакторах в десятки раз. Сочетание в активной зоне реактора гелия, графита и керамики создает наиболее благоприятные условия для достижения высокой температуры, эффективности использования топлива, ядерной и радиационной безопасности.

Рис.17. Газотурбинный модульный гелиевый реактор ГТ-МГР

Одним из наиболее продвинутых проектов в этой области является модульный гелиевый реактор (ГТ-МГР) (рис. 17), разрабатываемый совместными усилиями российских и американских институтов при содействии министерств по атомной энергии нашей страны и США. Он состоит из связанных воедино двух блоков: модульного высокотемпературного реактора (МГР) и газотурбинного преобразователя энергии прямого цикла (ГТ). Технологии ГТ-МГР будут использованы при разработке эффективных и безопасных энергетических реакторов нового поколения, в том числе для производства водорода. В настоящее время ведётся оценка этого проекта для производства водорода с использованием термохимических циклов или высокотемпературного электролиза с намерением соорудить МГР-Н2 в Айдахской национальной лаборатории в рамках американской программы NЕ-2010.

Обращение с водородом – водородная безопасность

Широкое использование водорода в энергетике, промышленности, на транспорте, в коммунальном хозяйстве потребует разработки новых принципов обеспечения безопасности при обращении с ним ввиду горючести и взрывоопасности водорода и его смесей. Обеспечение безопасности сводится к предотвращению аварийных ситуаций, которые связаны с потерей герметичности систем, производящих и использующих водород, а также изучению процессов, протекающих при авариях, и разработке методов снижения возможных последствий.

Рис.18. Водородная безопасность

В области ядерной энергетики активные исследования водородной безопасности ведутся в связи с опасностью возникновения пароциркониевой реакции при тяжелых авариях на АЭС с ВВЭР. Теоретические и экспериментальные исследования этих процессов, а также мер по их предотвращению служат хорошей базой для обеспечения безопасности будущей водородной энергетики. В РНЦ «Курчатовский институт» проводятся экспериментальные работы в области водородной безопасности на установках малого, среднего и крупного масштаба (рис. 18). Здесь выполнены исследования по определению пределов воспламенения, концентрационных и температурных зависимостей режимов распространения пламени в различных масштабах, критических параметров ускорения пламени и перехода в детонацию для водородно-паровоздушных смесей. Компьютерное моделирование этих процессов осуществляется с помощью специально разработанных кодов. Код Limits предназначен для определения пределов воспламенения и режимов горения водородно-паро-воздушных смесей в зависимости от состава смеси и начальных условий. Система кодов CREBCOM разработана для моделирования механических нагрузок, возникающих при различных режимах горения, включая медленное горение, быструю дефлаграцию и детонацию газовых смесей в замкнутых и частично открытых объемах сложной геометрии.

Заключение

Анализ тенденций мирового энергопроизводства показывает, что в этом столетии ядерная энергетика призвана занять место одного из главных источников энергии, причём ядерная энергия будет использоваться не только в сфере производства электричества и коммунального теплоснабжения, но и в промышленности (в том числе для производства водорода). Крупномасштабное развитие ядерной энергетики неминуемо потребует внедрения реакторов с расширенным воспроизводством топлива и замыкания ядерного топливного цикла с использованием в качестве сырья урана и тория. С внедрением таких инновационных ядерных технологий проблема обеспечения ядерной энергетики топливом может быть вообще снята. Другая особенность ядерной энергетики XXI в. – это её использование в бóльшем числе стран, чем в настоящее время. Эффективное снижение риска распространения делящихся материалов и технологий требует разработки новых институциональных рамок, среди которых следует обратить внимание на лизинг топлива и реакторов, контракты на поставки топлива с сопровождением «от колыбели до могилы», создание крупных международных центров ядерного топливного цикла, обеспечение международного контроля этих центров и мониторинга всего топливного цикла. Сложность и потенциальная опасность ядерных технологий требуют значительных усилий для их разработки и внедрения, а также высокой готовности потребителей к их использованию. Все это делает инерционным процесс развития ядерной технологии, возникает необходимость повышенного в сравнении с обычной техникой внимания государственных структур. В то же время анализ развития энергетического производства в XXI в. явно свидетельствует об опасности задержки процесса внедрения необходимых для гарантированного обеспечения энергией общества новых ядерных технологий. Государственные структуры должны взять на себя ответственность за своевременную разработку и внедрение инноваций в эту сферу энергетического производства. В сферу международной ответственности входит как непосредственный анализ и отбор того, что необходимо делать, обеспечение соответствующих научных и технических разработок, стимулирование коммерческих промышленных структур к реализации инновационных технологий, а также подготовка конкретных пользователей (стран и структур) к работе с ядерными технологиями. В тоже время опыт предыдущего пятидесятилетия атомной энергетики предостерегает и против революционных шагов в ее технологическом развитии. В связи с этим, оценивая предстоящие этапы развития ядерной энергетики, можно уверенно прогнозировать сочетание эволюционного улучшения отработанных и успешно реализуемых технических подходов с постепенной разработкой и освоением новых технологических решений, соответствующих требованиям ядерной энергетики будущего этапа.