0 просмотров

Ядерного топлива нам хватит на 4 миллиарда лет

Как показано на нашей диаграмме потока энергии, наши варианты энергетических ресурсов получают либо непосредственно из солнечного света (солнце, ветер, вода, биотопливо), выкапывая ископаемые органические вещества (уголь, нефть, газ), либо из доступа к первичной энергии (ядерное деление). , геотермальная, приливная, термоядерная). Это все ограничено в количестве. Некоторые из них прослужат нам примерно столько же, сколько солнце, в то время как другие могут скоро иссякнуть и, таким образом, не являются устойчивыми.

Как ядерное деление работает в вопросе устойчивости? На этот вопрос весьма умело ответил легендарный Дэвид Маккей в книге «Устойчивая энергетика без горячего воздуха», но мы подумали, что можем добавить и свою собственную версию. Вот результат:

Реакторы-бридеры могут питать все человечество более 4 миллиардов лет. По любому разумному определению ядерные реакторы-размножители действительно возобновляемы. Однако для того, чтобы извлечь выгоду из этой устойчивости в течение миллиардов лет, необходимо улучшить характеристики конструкции реактора и добиться общественного признания. В прошлом мы разработали и испытали реакторы-размножители, но они составляют небольшую часть нашего нынешнего флота.

Достижения в добыче урана из морской воды могли бы помочь, но не являются необходимыми для достижения максимальной устойчивости, поскольку ядерное топливо, которое естественным образом содержится в среднем граните земной коры, может без проблем выдержать первые несколько миллиардов лет.

Статья в тему:  Что такое высшее образование в области искусственного интеллекта

Мы говорим о вся первичная энергия здесь, а не только электричество. В большинстве частей мира электричество составляет около 40% от общего объема энергии. Остальное на транспорт, промышленное тепло и т.д.

Базовые факты:

  • Общее мировое потребление первичной энергии в 2019 году составило около 584 эксаджоулей (Статистический обзор мировой энергетики BP 2020).
  • Современный легководный реактор может вырабатывать в среднем 60 МВт сут/кг из своего ядерного топлива с обогащением 4,8% (документы AP1000).
  • Для производства одного кг урана, обогащенного до 4,8%, требуется 9,5 кгU природного урана, поступающего на завод по обогащению (и 7,8 ЕРР) (любой старый калькулятор ЕРР)
  • Реактор-размножитель с рециркуляционным топливным циклом может получить около 900 МВт сут/кг из необогащенного ядерного топлива (природного или обедненного урана или тория).
  • В разумно гарантированных месторождениях находится 6,1 миллиона тонн урана (World Nuclear Uranium).
  • В разумно гарантированных месторождениях содержится 6,3 миллиона тонн тория (World Nuclear Thorium).
  • Уран существует в морской воде в средней концентрации 0,003 частей на миллион (также World Nuclear Uranium).
  • На Земле около 332 миллионов кубических миль воды, 96,5% ее находится в океане (USGS). При плотности 1 грамм/см(^3) получается 1,4 йоттаграмма воды или 1,4e21 кг).
  • При 0,003 ppm это означает, что в морской воде содержится около 4000 миллионов тонн урана.
  • Средняя концентрация урана в земной коре составляет около 2,8 частей на миллион (World Nuclear Uranium).
  • В земной коре содержится около 6,5–13 тонн (65 триллионов) урана, который постоянно пополняет запасы урана в морской воде за счет эрозии, стока и тектоники плит.
  • Торий требует использования реактора-размножителя, поэтому его следует включать только в том случае, если предполагаются реакторы-размножители.
Статья в тему:  Что будет, если мы не остановим глобальное потепление

Математика

Для быстрого выполнения таких сравнений удобно использовать программу единиц измерения GNU. Это доступно бесплатно для Windows, Linux и Mac.

Для добытого урана и не размножающего материала мы используем

Единицы $ "6,1 млн тонн*60 МВт*сут/кг/9,5/(584 эксаджоулей/год)" "лет" 5,6997837 

Для урана из морской воды и неразмножающихся

Единицы $ "4000 миллионов тонн*60 МВт*сутки/кг/9,5/(584 эксаджоулей/год)" "лет" 3737,5631 

Поскольку не-размножители в 140 раз менее экономичны по топливу, чем размножители, долгое время считалось нецелесообразным использовать ресурсы низкосортного урана, такие как морская вода или ядерное топливо земной коры, в не-размножителях. Энергия для извлечения материала слишком высока, учитывая отдачу.

Бридеры с добытым ураном:

Единицы $ "6,1 млн тонн*900 МВт*день/кг/(584 эксаджоулей/год)" "лет" 812,21918 

Бридеры с добытым ураном и торием:

$ ед. "(6,1 млн тонн+6,3 млн тонн)*900 МВт*сут/кг/(584 эксаджоулей/год)" "лет" 1651,0685 

Заводчики с добытыми и морскими ресурсами:

$ единиц "(6,1e6 тонны+6,3e6 тонны+4000e6 тонны)*900 МВт*день/кг/(584 эксаджоуля/год)" "лет" 534253,81 

Селекционеры с добычей полезных ископаемых, морской водой и эрозионными ресурсами, предполагая, что около половины эрозионных ресурсов достигнет моря:

$ ед. "(6,1e6 тонны+6,3e6 тонны+4000e6 тонны+6,5e13 тонны* 0,5)*900 МВт*день/кг/(584 эксаджоулей/год)" "лет" 4,3279315e+09 

В качестве бонуса давайте посчитаем, сколько реакторов нам понадобится, чтобы производить 100% первичной мировой энергии. Предполагая большие реакторы гигаваттного масштаба, мы находим:

$ ед. "584 эксаджоулей/год /(3300 МВт)" 5607,9511 

Сегодня в мире около 450 реакторов, поэтому нам нужно построить еще около 5100 больших реакторов, чтобы производить всю нашу энергию с помощью низкоуглеродной ядерной энергии.

Статья в тему:  Откуда мы знаем, что звезды осуществляют ядерный синтез Yahoo

Еще один почти невероятный факт (пользователь HT reddit paulfdietz) заключается в том, что если вы выкопаете среднюю породу земной коры, в ней будет в 20 раз больше ядерной энергии, чем в куске чистого угля той же массы. При содержании урана и тория в земной коре 2,8 и 6 частей на миллион, а плотности химической энергии угля 33 МДж/кг, математика выглядит следующим образом:

$ ед. "(2,8е-6 + 6е-6) * 900 МВт*сут/кг / (33 МДж/кг)" 20,736 

Больше мыслей

Конечно, ни один серьезный специалист по энергетическому планированию не предлагает использовать 100% чего-либо, поэтому это будет смешано с другими низкоуглеродными источниками энергии, такими как ветер, солнце, гидро, геотермальная энергия и т. д.в зависимости от региона.

Стоимость добытого урана и тория, скорее всего, увеличится, если спрос возрастет. Как и в случае с большинством полезных ископаемых, по мере роста спроса люди ищут больше и находят больше. Ожидается, что приведенные здесь цифры будут консервативными для добытых ресурсов.

Критика

Для надежного анализа необходимо учитывать энергию, необходимую для извлечения ресурсов, необходимых для производства электроэнергии. Концепция окупаемости инвестиций в энергию (EROI) формализует это. Некоторые исследования, такие как Bardi, 2010, пытаются сделать это для извлечения урана из морской воды, но рассматривают только реакторы без размножителя (долгое время считавшиеся непрактичными) и предполагают, что для извлечения урана потребуется столько же энергии, сколько для опреснения обратным осмосом, что, вероятно, является сильно завышенной оценкой, учитывая более поздние исследования. Даже если добыча урана из морской воды затруднена, тот факт, что каждая средняя порода земной коры содержит в 20 раз больше ядерной энергии, чем такая же масса угля, подтверждает истинную практичность ядерных ресурсов на миллиарды лет.

Статья в тему:  Глобальное потепление и почему я люблю разговор Ричарда Никсона с Тедом

Смотрите также

  • Иванов А.С., Паркер Б.Ф., Чжан З. и соавт. Вдохновленный сидерофором хелатор захватывает уран из водной среды. Нац коммуна 10, 819 (2019). — Более современная технология добычи урана
  • Цурис, К. Добыча урана: топливо из морской воды. Nat Energy 2, 17022 (2017). — современная технология добычи урана
  • Специальный выпуск журнала Industrial and Engineering Chemistry Research за 2016 год, посвященный добыче урана из морской воды.
  • Х. Д. Лайтфут, В. Манхеймер, Д. А. Менели, Д. Пендергаст и Г. С. Стэнфорд, «Топливо ядерного деления неисчерпаемо», конференция IEEE EIC по изменению климата, 2006 г., Оттава, Онтарио, 2006 г., стр. 1–8, — аналогичный случай приведен в 2006 г.
  • Вайнберг, Элвин М. «Энергия как исходное сырье» Physics Today 12.11 (1959), — Статья, в которой Элвин Вайнберг демонстрирует, что просто добыча обычных старых горных пород и сжигание их тория и урана потребует добычи горных пород примерно в том же масштабе, что и ископаемые добыча топлива. Это его статья «Сжигание камней».
  • Коэн, Бернард Л.«Реакторы-размножители: возобновляемый источник энергии». Являюсь. J. Phys 51.1 (1983): 78. Эта же история написана в 1983 году.
  • Конка, «Извлечение урана из морской воды делает ядерную энергетику полностью возобновляемой», 2016 г. — еще одно объяснение возобновляемости урана.
  • Ядерная энергетика предлагается в качестве возобновляемой энергии (Википедия) — итоги дебатов
  • Дунган, К., и др. «Уран из морской воды — бесконечный ресурс или невероятное стремление?». Прогресс в ядерной энергетике 99 (2017): 81-85. — критика этой идеи с акцентом на последствия использования не-размножителей (хотя использование урана в морской воде с не-размножителями долгое время считалось нецелесообразным)
голоса
Рейтинг статьи
Статья в тему:  Атомная энергетика самая высокая в какой стране
Ссылка на основную публикацию
0
Оставьте комментарий! Напишите, что думаете по поводу статьи.x
Adblock
detector