ZAINTERESOWANIA WICEPREMIERA WALDEMARA PAWLAKA

Pompy ciep│a | OÂwietlenie LED, ┐arˇwki LED | Kolektory s│oneczne | Certyfikat energetyczny | Pod│ogˇwka

ZAINTERESOWANIA WICEPREMIERA WALDEMARA PAWLAKA... Z wypowiedzi wicepremiera i ministra gospodarki Waldemara Pawlaka podczas wizyty w Stanach Zjednoczonych.

Tu jest miejsce na reklamŕ.
Zobacz cennik

autor artykułu: Jerzy Kubowski

"Rozmawiali┼Ťmy o sprawach zwi─ůzanych z energi─ů nuklearn─ů. Z naszej strony zainteresowanie jest takimi inwestycjami, kt├│re ┼é─ůczy┼éyby energetyk─Ö, np. elektrowni─Ö na szybkie neutrony, z mo┼╝liwo┼Ťci─ů gazyfikacji w─Ögla, a wi─Öc tak┼╝e wykorzystaniem naszych zasob├│w tego surowca" - powiedzia┼é wicepremier. "W tym zakresie USA maj─ů podobne uwarunkowania, tzn. maj─ů spore zasoby w─Ögla i mo┼╝liwo┼Ť─ç jego efektywnego wykorzystania w dzisiejszych czasach jest bardzo potrzebna" (PAP, pb /29.04.2008 0:29)

Warto si─Ö zastanowi─ç, jak─ů technologi─Ö wicepremier mia┼é na my┼Ťli. Jedno nie ulega w─ůtpliwo┼Ťci: chodzi┼éo o bardzo nowoczesn─ů koncepcj─Ö, jeszcze dalek─ů do urzeczywistnienia. O jej realizacji m├│wi si─Ö, ┼╝e jest oddalona o jakie┼Ť dwa dziesi─Öciolecia. W celu popularnonaukowego zobrazowania mo┼╝liwo┼Ťci wykorzystania reaktora j─ůdrowego do skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej, cieplnej i gazyfikacji w─Ögla, przedstawimy t─Ö technologi─Ö na podstawie og├│lnodost─Öpnej fragmentarycznej informacji.

Technologia gazyfikacji w─Ögla

Gazyfikacja w─Ögla jest jedn─ů z najczystszych technologii umo┼╝liwiaj─ůcych produkcj─Ö energii elektrycznej, wodoru i innych wa┼╝nych energetycznych surowc├│w. W Stanach Zjednoczonych, a tak┼╝e poza nimi istniej─ů ju┼╝ elektrownie pracuj─ůce na gazie pochodz─ůcym z gazyfikacji w─Ögla. Wielu ekspert├│w przewiduje, ┼╝e gazyfikacja w─Ögla stanie si─Ö podstawow─ů technologi─ů ekologicznego u┼╝ytkowania w─Ögla.

Jest to chemiczny proces przetwarzania paliw organicznych (twardych i p┼éynnych: w─Ögla kamiennego, w─Ögla brunatnego, torfu, drewna, mazutu itp.) w palne gazy. Reakcje chemiczne zachodz─ů w wysokiej temperaturze w obecno┼Ťci utleniacza: tlenu, powietrza, pary wodnej, dwutlenku w─Ögla, lub ich mieszanin. Tak otrzymany produkt nazywa si─Ö gazem generatorowym, a urz─ůdzenie s┼éu┼╝─ůce do jego wytwarzania – gazogeneratorem. W nowoczesnej technologii gazyfikacji, w─Ögiel poddaje si─Ö dzia┼éaniu gor─ůcej pary przy jednoczesnym - dok┼éadnie kontrolowanym – dodawaniu tlenu lub powietrza, przy wysokich termodynamicznych parametrach: 700 – 900 ┬░C i 2,5 – 3,0 MPa. W tych warunkach cz─ůsteczki w─Ögla ul─Ögaj─ů destrukcji; powstaj─ů przy tym zwi─ůzki tlenk├│w w─Ögla, wodoru i innych gaz├│w.

Z ekologicznego punktu widzenia (w odr├│┼╝nieniu od spalania w─Ögla) zalet─ů gazyfikacji jest to, i┼╝ w jej trakcie tworz─ů si─Ö nadzwyczaj ma┼ée ilo┼Ťci zanieczyszcze┼ä - zwi─ůzk├│w siarki (SOx) i azotu (NOx).

Podstawowe r├│wnania chemiczne opisuj─ůce proces gazyfikacji w─Ögla maj─ů posta─ç:

C + O2 = CO2 + 406,120 kJ/kmol........................(1)1

C + 1/2O2 = CO + 123,092 kJ/kmol.....................(2)

C +CO2 = 2CO – 159,936 kJ/kmol........................(3)

C + H2O = CO + H2 – 118,068 kJ/kmol.................(4)

C + 2H2O = CO2 + 2H2 – 76,200 kJ/kmol..............(5)

CO + H2O = CO2 +H2 – 41,868 kJ/kmol................(6)

C + 2H2 = CH4 + 74,944 kJ/kmol............................(7)

Po usuni─Öciu zanieczyszcze┼ä, gaz mo┼╝e by─ç u┼╝yty do produkcji energii elektrycznej w elektrowni gazowej lub parowej. Temperatura gazu wylotowego z turbiny gazowej si─Öga ok. 600 ┬░C, dzi─Öki czemu nadaje si─Ö do wytworzenia pary o dostatecznie wysokim ci┼Ťnieniu, wystarczaj─ůcym do uruchomienia turbiny parowej. Taka skojarzona praca elektrowni przyczynia si─Ö do znacznego zwi─Ökszenia jej sprawno┼Ťci. W wielu elektrowniach w─Öglowych jedynie ok. jednej trzeciej energii zawartej w w─Öglu zamienia si─Ö na energi─Ö elektryczn─ů, reszta wytworzonego ciep┼éa jest stracona, co rzecz jasna podra┼╝a koszty produkcji. W elektrowni gazowej natomiast, pracuj─ůcej w uk┼éadzie skojarzonym, dzi─Öki znacznie wi─Ökszej sprawno┼Ťci, mo┼╝na uzyska─ç dodatkowe korzy┼Ťci ekonomiczne.

Badania nad nowoczesnymi uk┼éadami skojarzonego wytwarzania energii s─ů intensywnie rozwijane. Jako ┼║r├│d┼éa energii cieplnej do produkcji energii elektrycznej, wodoru, gazyfikacji w─Ögla i ciep┼éa do proces├│w technologicznych, rozwa┼╝a si─Ö zastosowanie j─ůdrowych reaktor├│w gazowych: wysokotemperaturowego reaktora termicznego – VHTR (Very High Temperature Reactor) i reaktora pr─Ödkiego typu GFR (Gas - cooled Fast Reactor).

Reaktor termiczny typu VHTR

Jest to reaktor termiczny2, w kt├│rym moderatorem neutron├│w jest grafit3. Jego podstawow─ů cz─Ö┼Ťci─ů sk┼éadow─ů s─ů elementy paliwowe w kszta┼écie kul lub pryzmatycznych blok├│w. Zawieraj─ů paliwo w postaci mikro granulek typu TRISO (Tristructural-isotropic fuel), powleczonych czterema warstwami materia┼é├│w, z┼éo┼╝onych z trzech izotop├│w (Rys. 1). Odbi├│r ciep┼éa odbywa si─Ö za pomoc─ů helu.

Kulowy element paliwowy reaktora VHTR

Rys. 1. Kulowy element paliwowy reaktora VHTR. ┼Ürednice kulek wynosz─ů – 60 mm. Oznaczenia: 1 – warstwa grafitu o grubo┼Ťci – 5 mm, 2 – powleczone granulki paliwa o ┼Ťrednicy 0,92 mm, wt┼éoczone w grafitow─ů matryc─Ö (dyspersja, w kt├│rej grafit spe┼énia rol─Ö moderatora), 3 – pyrolityczny grafit, 4 - pow┼éoka ochronna z krzemionki (SiO2), 5 – wewn─Ötrzna warstwa pyrolitycznego grafitu, 6 – porowata warstwa grafitu, paliwo – dwutlenek uranu UO2 (┼Ťrednica – 0,5 mm) (http://pebblebedreactor.blogspot.com/)

Dzi─Öki wysokiej temperaturze gazowego czynnika ch┼éodz─ůcego, sprawno┼Ť─ç parowej elektrowni j─ůdrowej z takim reaktorem mo┼╝e osi─ůga─ç blisko 48 %, a w przypadku skojarzonej produkcji energii elektrycznej, wodoru i gazyfikacji w─Ögla – nawet do 55 % (rys. 2.). Hel, b─Öd─ůcy gazem szlachetnym nie oddzia┼éuje chemicznie na materia┼éy rdzenia reaktora. A ponadto - co jest tak┼╝e wa┼╝ne – z powodu malej zdolno┼Ťci do poch┼éaniania neutron├│w, ch┼éodziwo to (w odr├│┼╝nieniu np. od wody) odznacza si─Ö znikomym stopniem radioaktywno┼Ťci, dzi─Öki czemu mo┼╝e by─ç bezpo┼Ťrednio u┼╝yte do nap─Ödu turbiny gazowej, bez zbytniego nara┼╝enia personelu obs┼éugi.

Skojarzona produkcja energii elektrycznej i ciep┼éa do proces├│w technologicznych, za pomoc─ů reaktora typu VHTR

Rys. 2. Skojarzona produkcja energii elektrycznej i ciep┼éa do proces├│w technologicznych, za pomoc─ů reaktora typu VHTR o nazwie -ANTARES, francuskiej firmy AREVA. Parametry reaktora: ch┼éodziwo - hel (He)4, moc 600 MW, temperatura He na wylocie – 850 ┬░C, temperatura He na wlocie – 400 ┬░C, ci┼Ťnienie ch┼éodziwa – 7 MPa, wzbogacenie uranu w izotop U – 235: ok. 15 %, temperatura na wylocie z wymiennika ciep┼éa – 800 ┬░C, w drugim obiegu, s┼éu┼╝─ůcym do produkcji energii elektrycznej, czynnikiem roboczym jest dwusk┼éadnikowy gaz: 80% N2, 20% O2.

Z punktu widzenia wymiany paliwa w reaktorze, wyr├│┼╝nia si─Ö dwa podstawowe systemy: ci─ůg┼éej wymiany w reaktorze z elementami kulowymi: (rys. 3) i wymiany pojedynczych kaset paliwowych w reaktorze z paliwem o kszta┼écie pryzmatycznym (rys. 4 i rys. 5.). Bardziej rozpowszechnionym jest system ci─ůg┼éej (online) wymiany, w kt├│rym elementy paliwowe usuwa si─Ö w zale┼╝no┼Ťci od stopnia wypalenia i technicznego stanu. Je┼Ťli stopie┼ä ich wypalenia jest zbyt ma┼éy, transportuje si─Ö je za pomoc─ů uk┼éadu pneumatycznego do g├│ry, by ponownie wprowadzi─ç do rdzenia reaktora, sk─ůd w spos├│b ci─ůg┼éy poprzez doln─ů lejowat─ů cz─Ö┼Ť─ç reaktora grawitacyjnie opadaj─ů na zewn─ůtrz

Schemat parowej elektrowni j─ůdrowej z reaktorem typu VHTR

Rys. 3. Schemat parowej elektrowni j─ůdrowej z reaktorem typu VHTR (reaktor z rdzeniem w postaci z┼éo┼╝a kulowych element├│w paliwowych; rdze┼ä reaktora jest otoczony grafitowym reflektorem) (http://www.euronuclear.org/info/encyclopedia/p/pebble.htm)

Pryzmatyczny element paliwowy reaktora VHTR

Rys. 4. Pryzmatyczny element paliwowy reaktora VHTR (dyspersja granulek paliwa w bloku grafitowym z kanałami do przepływu gazu) (http://www.cogema.ca/nuclear_energy/)

Reaktor VHTR z paliwem pryzmatycznym

Rys. 5. Reaktor VHTR z paliwem pryzmatycznym (https://odin.jrc.nl/)

Reaktor pr─Ödki typu GFR

W reaktorach pr─Ödkich reakcje zachodz─ů przy udziale neutron├│w o takich energiach, jakie powstaj─ů bezpo┼Ťrednio z rozszczepie┼ä, czyli bez spowalniania pr─Ödko┼Ťci przez moderator, jak w reaktorach termicznych. Ich ┼Ťrednia pr─Ödko┼Ť─ç wynosi 14000 km/s, podczas gdy neutrony termiczne osi─ůgaj─ů ┼Ťrednio 2,2 km/s, czyli jest wi─Öksza od pr─Ödko┼Ťci tych ostatnich o blisko cztery rz─Ödy wielko┼Ťci. Dzi─Öki wysokiej energii (pr─Ödko┼Ťci) neutrony te s─ů zdolne do rozszczepienia j─ůder wszystkich izotop├│w uranu i pierwiastk├│w transuranowych (tabela 1.), a nie tylko tych specyficznych rozszczepialnych izotop├│w (takich jak np. uran – 235) stosowanych w reaktorach o neutronach termicznych.

Pierwiastki transuranowe powstaj─ůce na drodze reakcji wychwytu neutron├│w przez uran i pluton, s─ů wysoce radiotoksyczne i generuj─ů (wskutek promieniotw├│rczego rozpadu) du┼╝o ciep┼éa. Do najwa┼╝niejszych izotop├│w w paliwie wypalonym nale┼╝─ů: neptun – 237, ameryk – 241, ameryk – 243, kiur – od liczby masowej 242 do248, i kaliforn – od liczby masowej 249 do 252. Ponadto odznaczaj─ů si─Ö d┼éugowieczno┼Ťci─ů, liczon─ů setkami lat. Wszystkie te cechy czyni─ů je materia┼éem wielce niepo┼╝─ůdanym w paliwie wypalonym, gdy┼╝ utrudniaj─ů jego utylizacj─Ö i przechowywanie.

Mo┼╝na powiedzie─ç, i┼╝ reaktory termiczne w trakcie pracy produkuj─ů transuranowce, a reaktory pr─Ödkie je niszcz─ů, co niew─ůtpliwie jest ich wielk─ů zalet─ů. Transuranowce ul─Ögaj─ů destrukcji w reaktorze wskutek reakcji rozszczepienia i w nast─Öpstwie przemian j─ůdrowych, dzi─Öki kt├│rym powstaj─ů izotopy kr├│tko┼╝yciowe.

Z paliwem wypalonym post─Öpuje si─Ö w spos├│b dwojaki: poddaje si─Ö go obr├│bce technologicznej w zak┼éadach przerobu, by odzyskane na drodze chemicznej aktynowce (tabela 1.) ponownie u┼╝y─ç w reaktorze, lub transportuje si─Ö bezpo┼Ťredniego do sk┼éadowiska w g┼é─Öbokich pok┼éadach geologicznych. W pierwszym przypadku tworzy si─Ö tzw. zamkni─Öty cykl paliwowy. Natomiast w przypadku sk┼éadowanie paliwa wypalonego bez wst─Öpnego przerobu, nazywa si─Ö cyklem otwartym. Z powodu zdolno┼Ťci reaktora o neutronach pr─Ödkich do spalania aktynowc├│w lub ich transmutacji, projekt reaktora GFR przewiduje jego prac─Ö w zamkni─Ötym cyklu paliwowym in situ.

Tablica mendelejewa

Tabela 1. Układ okresowy pierwiastków.

Aktynowce: promieniotw├│rcze pierwiastki, pod wzgl─Ödem w┼éasno┼Ťci chemicznych podobne do aktynu (Ac). W┼Ťr├│d nich jedynie tor (Th) i uran (U) wyst─Öpuj─ů w przyrodzie w znacz─ůcych ilo┼Ťciach. Transuranowce: aktynowce po┼éo┼╝one za uranem, tzn. o liczbach atomowych wi─Ökszych od 92; powstaj─ů w spos├│b sztuczny, jako produkty reakcji j─ůdrowych w reaktorze.

Rozwa┼╝a si─Ö dwa warianty konstrukcji rdzenia: z u┼╝yciem paliwa w postaci p┼éyt lub w kszta┼écie sze┼Ťciok─ůtnego (pryzmatycznego) bloku (rys. 6). Metaliczne paliwo, na osnowie aktynowc├│w, jest zazwyczaj stopem cyrkonu, uranu i transuranowc├│w, w kt├│rym ceramiczne granulki paliwa s─ů jednorodnie wtopione w metalow─ů matryc─Ö.

Konfiguracja pryzmatycznego paliwa w reaktorze pr─Ödkim typu GFR

Rys. 6. Konfiguracja pryzmatycznego paliwa w reaktorze pr─Ödkim typu GFR (http://www.cogema.ca/nuclear_energy/)

Reaktor typu GFR b─Ödzie przeznaczony do produkcji energii elektrycznej, wodoru i przerobu aktynowc├│w. Obok tego, wytworzon─ů par─Ö technologiczn─ů mo┼╝na b─Ödzie wykorzysta─ç do r├│┼╝nych proces├│w, w szczeg├│lno┼Ťci - do gazyfikacji w─Ögla. Na rys. 7 pokazano koncepcyjny uk┼éad takiej skojarzonej produkcji, kt├│rym zapewne by┼é zainteresowany wicepremier Waldemar Pawlak, kiedy rozmawia┼é w USA o „sprawach zwi─ůzanych z energi─ů nuklearn─ů”.

Planuje si─Ö, i┼╝ projekt koncepcyjny prototypowego uk┼éadu z reaktorem GFR zostanie opracowany do 2019 r., a jego realizacja nast─ůpi - ok. 2025 r. W tym czasie nale┼╝y pokona─ç wiele znacznych trudno┼Ťci.

Konfiguracja pryzmatycznego paliwa w reaktorze pr─Ödkim typu GFR

Rys. 7. Projekt skojarzonego systemu produkcji energii elektrycznej i ciep┼éa technologicznego (pary technologicznej), za pomoc─ů pr─Ödkiego reaktora typu GFR. Turbina gazowa pracuje w cyklu bezpo┼Ťrednim (jeden obieg czynnika roboczego, tzn. bez wymiennika ciep┼éa). Parametry reaktora: moc termiczna – 600 MWt, moc elektryczna –288 MWe; sprawno┼Ť─ç systemu – 48 %; warto┼Ťci temperatury na wlocie/wylocie – 490 ┬░C/850 ┬░C (9 MPa, spadek ci┼Ťnienia na rdzeniu - 40 kPa); paliwo: mieszanina UPuC/SiC (70/30%), w tym ok. 20 % Pu; obj─Öto┼Ť─ç rdzenia 11 m3 (wysoko┼Ť─ç/┼Ťrednica ok. 1,7/2,9 m); masa metalicznego rdzenia – 30 t; ┼Ťrednica zbiornika reaktora – ok. 7 m.

Do najwa┼╝niejszych problem├│w stoj─ůcych przed konstruktorami, nale┼╝─ů:

- Stworzenie system sch┼éadzania rdzenia po wy┼é─ůczeniu reaktora. G─Östo┼Ť─ç mocy generowana w metalicznym rdzeniu reaktora osi─ůga 100 MWt/m3. Wskutek tego pojawia si─Ö powa┼╝na trudno┼Ť─ç z odprowadzaniem ciep┼éa powy┼é─ůczeniowego. Uwarunkowana jest z jednej strony bezw┼éadno┼Ťci─ů ciepln─ů, jaka towarzyszy stygni─Öciu metalicznego rdzenia, z drugiej za┼Ť – zanikiem ciep┼éa powsta┼éego wskutek rozpadu promieniotw├│rczych izotop├│w w wypalonym paliwie.

- Skonstruowanie - dzia┼éaj─ůcego na zasadzie biernego bezpiecze┼ästwa – systemu awaryjnego sch┼éadzania reaktora w przypadku zaniku ch┼éodzenia (dekompresji).

- Stworzenie materia┼éu dla zbiornika reaktora, odpornego na du┼╝e dawki neutron├│w pr─Ödkich5 i temperatur─Ö (w przypadku awarii) si─Ögaj─ůc─ů – 1600┬░C


1 kmol - kilomol
2 Reaktor tego typu firmy Westinghouse buduje się w Republice Południowej Afryki; uruchomienie obiektu pilotowego planuje się na 2011 r., a przemysłowego o mocy 165 MW - w 2012 r.
3 Moderatorem (spowalniaczem) nazywa si─Ö materia┼é, maj─ůcy w┼éa┼Ťciwo┼Ťci zmniejszania pr─Ödko┼Ťci neutron├│w pr─Ödkich powsta┼éych z reakcji rozszczepienia. Neutrony spowolnione, znajduj─ůce si─Ö w stanie r├│wnowagi cieplnej z atomami moderatora nosz─ů nazw─Ö – termicznych, a reaktory (w kt├│rych reakcja rozszczepienia j─ůder materia┼éu rozszczepialnego zachodzi w przewa┼╝aj─ůcym stopniu za pomoc─ů takich neutron├│w) – termicznych.
4 Hel odznacza si─Ö ma┼é─ů zdolno┼Ťci─ů spowalniania neutron├│w, z tego powodu mo┼╝e by─ç z powodzenie u┼╝ywany jako ch┼éodziwo w reaktorze o neutronach pr─Ödkich.
5 Du┼╝e dawki neutron├│w pr─Ödkich powoduj─ů krucho┼Ť─ç stali, co pogarsza mechaniczn─ů wytrzyma┼éo┼Ť─ç zbiornika reaktora.

ZAINTERESOWANIA WICEPREMIERA WALDEMARA PAWLAKA

Promocje:

PROMOCJE: