Energia jądrowa w przemyśle, medycynie, archeologii i sztuce cz. 1.pdf

XVIII. ENERGIA JĄDROWA W PRZEMYŚLE, MEDYCYNIE, ARCHEOLOGII I

SZTUCE

18.1 Energia jądrowa dla produkcji wodoru

Wodór odgrywa rosnącą rolę w chemii, rolnictwie (produkcji nawozów azotowych), czy w

przemyśle naftowym i stanowi potencjalne źródło energii, tj. paliwo. Można oczekiwać, że

spośród rozlicznych zastosowań wodoru, najpopularniejszym będzie wykorzystanie go w

ogniwach paliwowych (rys. 18.1). Oczywistą zaletą korzystania z wodoru jako źródła energii

jest fakt, że wodór nie zanieczyszcza środowiska, jak dwutlenek węgla, produkowany obecnie

w dużych ilościach m.in. przy produkcji wodoru z paliw kopalnych.

H 2 O+ciepło

Legenda:

- elektron

- wodórcząsteczkowy

- jon wodoru H +

- tlen

Powietrze

Anoda

Elektrolit

Katoda

Rys. 18.1 Zasada ogniwa paliwowego.

Jako elektrolit służy membrana polimerowa. Gazowy wodór wprowadzany jest z zewnątrz z

lewej strony, tlen zawarty w powietrzu zaś z prawej. W drodze reakcji katalitycznej na

powierzchni anody (zazwyczaj platynowej) wodór rozdzielany jest na dodatnie jony wodoru

(protony) i elektrony. Elektrolit jest tak dobrany, aby przepuszczał tylko protony. Na wyjściu z

elektrolitu protony łączą się z tlenem i płynącymi przez odbiornik elektronami tworząc wodę.

Powstałe ciepło jest wynikiem wytwarzania przez ogniwo energii elektrycznej z wydajnością

mniejszą niż 100% .

W świetle wzrastającego zainteresowania wodorem ocenia się, że energia potrzebna do jego

wytwarzania będzie porównywalna z obecną produkcją energii elektrycznej. Jesteśmy zatem

zainteresowani wydajnymi źródłami energii, które mogłyby być użyte do produkcji wodoru i

tu wykorzystanie energii jądrowej może być niezwykle pomocne. Jądrowa energia cieplna

mogłaby być też wykorzystana do otrzymywania wodoru z naturalnego gazu oraz z wody w

procesach termochemicznych. W odróżnieniu od procesów chemicznych, w których

para reaguje z gazem ziemnym, reakcje termochemiczne mają tę zaletę, że nie produkują

dwutlenku węgla. Ponieważ w obu wypadkach potrzebna jest wysoka temperatura (1000 -

1300 K), jest rzeczą prawdopodobną, że wykorzysta się reaktory wysokotemperaturowe.

Reaktory te, obsługujące typowe elektrownie jądrowe i dostarczające energię elektryczną do

sieci podczas dnia, wytwarzałyby wodór w nocy i przygotowywałyby dostawę wodoru na

dzień następny. Taki sam tryb pracy można byłoby przyjąć też dla bardziej konwencjonalnych

reaktorów jądrowych, tyle że znacznie niższe temperatury osiągane na wyjściu reaktora

pozwalają jedynie wykorzystać energię elektryczną do wytworzenia wodoru metodami

elektrochemicznymi. Na pewno taka technika będzie wykorzystywana w pierwszej chwili.

Technika wykorzystania reaktorów wysokotemperaturowych dla technologii

termochemicznego wytwarzania wodoru, to jednak jest ta przyszłość reaktorów IV generacji,

o której się dziś myśli.

Dziś niemal cały produkowany wodór pochodzi z przetworzenia ropy, co prowadzi do emisji

dwutlenku węgla: każda wyprodukowana tona wodoru, to uboczna produkcja 11 ton CO 2 , a

więc efekt silnie niepożądany. Z drugiej strony wzrastające ceny ropy naftowej każą myśleć o

znacznym zwiększeniu roli wodoru w bilansie energetycznym, szczególnie w transporcie.

Ograniczenie emisji CO 2 i wzrost cen gazu mogą spowodować dalszy wzrost nacisku na

produkcję wodoru, jako paliwa przyszłości.

Ważny problem, który się pojawia w kontekście wytwarzania wodoru przy użyciu reaktorów

jądrowych, jest związany z przesyłaniem wodoru na dalsze odległości. Problem ten jest

oczywisty, gdyż nie można spodziewać się zbudowania gęstej sieci reaktorów w

jakimkolwiek kraju. Oznacza to, że nie tylko produkcja, ale także problem efektywnego

gromadzenia wodoru muszą być rozwiązywane równolegle. Jak się przewiduje, scenariusz

wykorzystania energii jądrowej dla produkcji wodoru będzie następujący:

- w pierwszym etapie wykorzysta się pracę elektrowni jądrowych poza szczytowymi

obciążeniami sieci elektrycznej i metoda produkcji będzie klasyczna: stosunkowo

droga metoda elektrolizy (wyprodukowanie 1 kg wodoru wymaga energii 46 kWh);

- w dalszym wykorzysta się ciepło z reaktorów dla przerobu (reformingu) gazu

ziemnego. Ta technika jest tańsza od klasycznego reformingu. Wymaga ona

temperatur do 900 o C, jest dobrze znana, ale produkuje dużo dwutlenku węgla.

Przebiega ona w wypadku metanu wg następującej reakcji:

CH 4 + 2H 2 O + 185 kJ → CO 2 + 4H 2

- następnie powinno wykorzystać się wysokotemperaturową technologię elektrolizy

pary, która to technika jest możliwa przy temperaturach powyżej 800 o C, i dla

przeprowadzenia której należy wykorzystać zarówno ciepło, jak i energię elektryczną

uzyskiwane z reaktorów jądrowych. Metoda ta to naturalny krok do cyklu

termochemicznego;

- reaktory wysokotemperaturowe IV generacji powinny pozwolić na wytwarzanie

wodoru z wody drogą termochemiczną.

W miarę udoskonalanych technologii wydajność procesu produkcji powinna wzrastać od

około 25% przy obecnych reaktorach i metodzie elektrolizy, do 36% przy wydajniejszych

reaktorach, do 45% przy wysokotemperaturowej elektrolizie pary i wreszcie 50% w

procesie termochemicznym. Najpopularniejszy pomysł na tę ostatnią technologię jest

następujący. W wysokich temperaturach (800 – 1000 o C) następuje rozkład kwasu

siarkowego na wodę i dwutlenek siarki. Z kolei w procesie siarkowo-jodowym dwutlenek

siarki reaguje z jodem i wodą tworząc jodek wodoru. Reakcja ta wymaga stosunkowo

niewielkiej temperatury 120 o C. Ten ostatni dysocjuje w temperaturze około 350 o C do

jodu i wodoru. W istocie całość procesu wygląda, jak na rys. 18.2.

H 2 O

O 2

I 2

SO 2

T = 800-

1000 o C

H 2 O+SO 2 +½O 2

SO 2 + I 2 + 2H 2 O

H 2 SO 4

H 2 SO 4 + 2HI

2HI → H 2 + I 2

H 2 SO 4

Rys. 18.2 Cykl jodowo-siarkowy otrzymywania wodoru drogą reakcji termochemicznej

Biorąc pod uwagę przebieg opisanego tu cyklu, mamy do czynienia z reakcją wypadkową:

H 2 O → H 2 + ½O 2

Utworzony wolny tlen jest tu wprawdzie produktem ubocznym, lecz także podlega sprzedaży.

Jak dotąd, proces jodowo-siarkowy przeprowadzono na skalę laboratoryjną w Japonii z

wydajnością 30 litrów wodoru na godzinę. Nad rozwinięciem technologii tego procesu

prowadzone są także intensywne prace w USA i Francji, a cena uzyskiwanego w ten sposób

wodoru może wynosić 1,5 – 2 USD za kilogram. Do prac nad rozwojem reaktorów do

produkcji wodoru włączają się intensywnie Korea Południowa, a także Chiny.

Opisując proces jodowo-siarkowy warto zwrócić uwagę na rolę wysokiej temperatury:

wydajność tego procesu w 1000 o C jest trzykrotnie wyższa niż w 750 o C. Naturalną trudnością,

obok uzyskania tak wysokiej temperatury z reaktora, jest konieczność odizolowania

przetwórni chemicznej od pobliskiego reaktora, czego wymagają względy bezpieczeństwa.

Proces jodowo-siarkowy nie jest bynajmniej jedynym możliwym. W Japonii (Uniwersytet w

Tokyo) zaproponowano wykorzystanie tzw. procesu UT-3, który polega na wykorzystaniu

sekwencji reakcji:

Br 2 + CaO → CaBr 2 + ½O 2

CaBr 2 + H 2 O → CaO + 2HBr

3FeBr 2 + 4H 2 O → Fe 3 O 4 + 6HBr + H 2

Fe 3 O 4 + 8HBr → Br 2 + 3FeBr 2 + 4H 2 O

Jak widać i w tym procesie produktami końcowymi są wodór i woda. Pierwsze trzy reakcje

przebiegają w temperaturach odpowiednio 600 o C, 750 o C i 600 o C, ostatnia zaś w temperaturze

300 o C.

Biorąc to pod uwagę, rozpatruje się trzy rodzaje reaktorów, które mogą być przydatne:

1. HTGR lub VHTR (od ang. Very High Temperature Reactor ) z usypanym złożem i

chłodzony gazowym helem pod wysokim ciśnieniem. Tego typu reaktory mogą być

wytwarzane jako moduły o niskiej mocy, np. 285 MWe, i dawać na wyjściu gaz o

temperaturze 950 o C, a w wypadku reaktorów VHTR nawet 1250 o C;

2. AHTR (od ang. Advanced High Temperature Reactor ), reaktor modułowy,

wykorzystujący paliwo kulowe i chłodzony solami fluorkowymi, którymi nauczono

się bezpiecznie operować przy okazji rozwoju przemysłu aluminium. Reaktor ten nie

różni się specjalnie od HTGR lecz pracuje przy niskim ciśnieniu i wyższej

temperaturze. Tu rozpatruje się reaktory o mocach 1000 MWe/2000 MWt;

3. Reaktory prędkie chłodzone ołowiem, pomimo ich niższych temperatur pracy. Np.

rosyjski reaktor BREST pracuje przy temperaturze 540 o C, a planowany w USA

reaktor STAR-H2, przeznaczony do produkcji wodoru będzie dawał temperaturę

780 o C i nieco niższą dla do odsalania wody morskiej (patrz następny paragraf).

Rozpatrywana jest również opcja swoistej baterii o mocy 100 MWe, która jest instalacją

kompaktową o długim okresie pracy, dostarczaną do odbiorcy w całości i gotową do

natychmiastowego użycia.

Jak się ocenia moduł reaktorowy HTGR pracujący na mocy 600 MWt może być

wykorzystany do produkcji około 200 ton wodoru dziennie – tyle, ile wynosi obecne

zapotrzebowanie przez przemysł. Według ocen japońskich, pierwsza produkcja wodoru

metodą termochemiczną powinna przejść niezbędne testy w Japonii około 2010 roku, a w

2015 roku wodór powinien już być produkowany rutynowo. Na uwagę zasługuje też fakt, że

wodór produkowany przy użyciu technologii jądrowych jest gazem o dużej czystości, co z

kolei jest warunkiem niezbędnym dla produkcji ogniw paliwowych.

Opisana wyżej technologia uzyskiwania wodoru nie wszystkim się podoba i w szczególności

protestują tu organizacje ekologiczne, jak zawsze przeciwne wszystkiemu co jądrowe. Ich

argumenty, to koszty produkcji, lokalność struktury produkcyjnej i nieuchronny problem

odpadów promieniotwórczych. Jak zauważają 1 , obecny koszt produkcji wodoru jest znacznie

niższy niż koszt jego transportu i dystrybucji. W wypadku produkowania wodoru w rzadkiej

sieci reaktorów, te koszty będą więc znaczące. Argumenty tego typu są jednak słabo

uzasadnione analizami ekonomicznymi i znajomością procesów jądrowych, a nadzieja na

bardziej konwencjonalne sposoby wytwarzania wodoru bez jednoczesnej wielkiej emisji

substancji szkodliwych dla środowiska także nie jest poparta mocnymi dowodami. Tak więc

propozycja przemysłu jądrowego powinna być rozważana serio i wszystko wskazuje na to, że

wejdzie stosunkowo niedługo w życie.

1 www.nirs.org

18.2 Energia jądrowa dla odsalania wody

Energia jądrowa jest już wykorzystywana do odsalania wody, co jest problemem niezwykle

istotnym dla znacznych obszarów Świata cierpiących na brak wody pitnej. Spośród ogólnych

zasobów wodnych, zaledwie 2,5% to woda pitna 2 , a i z tego niewielkiego ułamka 2/3 jest

zamrożona w lodowcach. Z pozostałej części około 20% znajduje się w słabo dostępnych

rejonach, a około ¾ pochodzi z monsunów i powodzi, które pojawiają się przypadkowo i

przynoszą wodę silnie zanieczyszczoną, więc nie nadająca się do picia. Ostatecznie pozostaje

do bezpośredniego użytku zaledwie 0,08% całkowitej ilości wody na kuli ziemskiej. Brak

wody jest szczególnie ważny w Azji i Afryce Północnej, ale także na dużych obszarach

Kazachstanu i innych dawnych republik radzieckich. Obecnie 1,1 miliarda ludzi jest

pozbawionych wody bezpiecznie nadającej się do spożycia, a to powoduje 3,3 miliarda

zachorowań i 2 miliony zgonów rocznie. Wraz ze wzrostem zaludnienia naszej planety można

przewidywać, że ta już zła sytuacja będzie się pogarszać i może nawet wywoływać lokalne

wojny o wodę, gdyż można oczekiwać, ze w okolicach roku 2025 niemal 2/3 ludności Świata

będzie pozbawionych wody. Ta sytuacja każe bardzo poważnie skupić się na uruchomieniu

wszystkich dostępnych technologii, które mogą zapobiec takiej katastrofie.

Rys. 18.3 Prosta i odwrócona osmoza.

Jeśli poziom roztworu (rozpuszczalnik plus „duże” cząsteczki) w części A naczynia,

oddzielonej od części B membraną M, jest taki sam (rysunek z lewej), jak poziom

rozpuszczalnika w części B, cząsteczki rozpuszczalnika (zielone) będą przenikać do części A

aż do wyrównania ciśnień rozpuszczalnika po obu stronach membrany (dyfuzja przez

membranę może dotyczyć tylko cząsteczek o rozmiarach mniejszych od rozmiarów porów w

membranie) . Nadwyżkę ciśnienia w części A, pochodzącą od „dużych” cząsteczek nazywamy

ciśnieniem osmotycznym (rys. środkowy). Jeśli z kolei na roztwór w części A wywrzemy

ciśnienie przewyższające osmotyczne, cząsteczki rozpuszczalnika zaczną przenikać do części

B, a roztwór w części A będzie się zatężać (rys. z prawej). Proces ten nosi nazwę odwróconej

osmozy .

Podobnie jak w wypadku produkcji wodoru, dzisiejsze metody odsalania wody morskiej

(głównie wielostopniowa destylacja i zyskująca na znaczeniu odwrócona osmoza, patrz rys.

18.3) wykorzystują paliwa kopalne, a to z kolei przyczynia się do wzrostu ilości

produkowanych gazów cieplarnianych. Aby zdać sobie sprawę z zapotrzebowania, dzisiejsza

dzienna produkcja wody pitnej 3 , to 30 milionów m 3 , z czego połowa produkowana jest na

2 R.S.Faibish, T.Konishi, Nuclear Desalination: a viable option for producing freshwater , Desalination 157

(2003) 241-252

3 Wg http://www.uic.com.au/nip74.htm

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: