Электролиз расплавов и растворов (солей, щелочей, кислот)

Урок 9

В уроке 9 «Ионы в водном растворе» из курса «Химия для чайников» рассмотрим растворение соли в воде, а также электролиз растворов и расплавов солей; познакомимся с законами Фарадея для электролиза и научимся находить продукты электролиза. Базой знаний для данного урока послужит материал из урока 8 «строение солей».

Растворение соли в воде

Из прошлого урока нам известно, что соли трудно расплавить и еще сложнее довести ее до кипения, однако, полярные жидкости, такие как вода, способны растворять соли без особых усилий, поскольку неполные положительные и отрицательные заряды на атомах полярных молекул воды в какой-то мере заменяют собой положительные и отрицательные ионы в кристаллической решетке соли. Другими словами, молекулы воды помогают разрушить кристалл соли.

Из рисунка видно, что происходит с положительными и отрицательными ионами при растворении в воде кристалла поваренной соли NaCl. Каждый ион Na + окружается молекулами воды, которые обращены к нему отрицательно заряженными атомами кислорода. То же самое происходит с ионами Cl — , которые окружаются молекулами воды, обращенными к нему своими положительно заряженными атомами водорода. Ионы из кристалла соли оказываются гидратированными, а сам процесс присоединения молекул воды к ионам получил название — гидратация. Если в результате процесса гидратации устойчивость ионов, переходящих в раствор, становится больше их устойчивости в кристаллической решетке, то происходит растворение соли в воде. Хлорид натрия является отличным примером растворимой соли . И, наоборот, если энергия гидратации слишком мала, то кристалл является более устойчивой формой и не растворяется в воде. Примером таких нерастворимых солей является сульфат бария (BaSO4) и хлорид серебра (AgCl). Когда кристалл растворяется, он не просто распадается на ионы, а разъединяется на ионы молекулами жидкости, в которой происходит растворение. Неполярные жидкости (например, бензин С8H18) НЕ способны разъединять ионы в кристаллической решетке солей.

Электролиз растворов и расплавов солей

Металлы хорошо проводят ток — это знает каждый школьник. Электропроводность в металлах вызвана перемещением электронов в них, но ионы металла остаются неподвижными. Хотя кристаллы солей не проводят ток, зато растворы и расплавы солей это умеют и практикуют, так как анионы (отрицательные ионы) и катионы (положительные ионы) могут направленно перемещаться в противоположные направления, если приложить напряжение. Подвижность ионов соли оказывается еще большей, если она подверглась процессу гидратации.

Давным-давно английский ученый Майкл Фарадей расплавил соль (нагрев ее выше 801ºС), затем погрузил в расплав два электрода (катод и анод), а после взял и пропустил электрический ток через расплавленную соль. После этих манипуляций он обратил внимание что на электродах начали протекать химические реакции: ионы натрия начали мигрировать к катоду (где электроны поступают в расплав) и восстанавливаться там до металлического натрия

  • Na + + e — (с катода) → Na

Хлорид-ионы мигрируют в другом направлении-в сторону анода, отдают ему свои избыточные электроны и окисляются до газообразного хлора

Все это можно изобразить с помощью полной реакции, которая представляет собой разделение NaCl на составляющие его элементы:

Весь процесс получил название электролиз, что означает «разрыв на части при помощи электричества». Для электролиза не обязательно расплавлять соль, можно также использовать обычный водный раствор соли, ведь подвижность ионов оказывается еще большей, если соль подверглась процессу гидратации. Но тогда полная реакция будет выглядеть иначе, и на катоде будет выделяться не металлический натрий, а газообразный водород:

Надеюсь, что вам стало интересно, почему продуктом электролиза водного раствора является не Na (как это было в расплавленной соли), а ½H2. Объясняется просто: часть молекул H2O диссоциируют на ионы H + и OH — . Поскольку ион H + обладает большим сродством к электрону (то есть сильнее его притягивает), нежели ион Na + , то ионы H + первыми достигают катода, где незамедлительно восстанавливают недостающий электрон и превращаются из иона в полноценный газ H2, а ионы Na + так и остаются в растворе.

Вот вам плюшка с продуктами электролиза водного раствора солей, может пригодится — может нет, но лучше законспектируйте:

А Фарадей тем временем не сидел без дела, а наблюдал, проводил опыты, использовал другие электролиты, увеличивал-уменьшал заряд и опять наблюдал. В конце концов он заметил взаимосвязь между количеством подаваемого электричества и количеством получаемых веществ. Установленные им закономерности называются законы Фарадея для электролиза. Сформулируем их:

  1. Пропускание одного и того же электрического заряда через электролитическую ячейку всегда приводит к количественно одинаковому химическому превращению в данной реакции. Масса элемента, выделяемого на электроде, пропорциональна количеству заряда, пропущенному через электролитическую ячейку.
  2. Для выделения на электроде 1 моля вещества, которое в процессе электрохимической реакции приобретает или теряет 1 электрон, необходимо пропустить через ячейку 96485 кулонов (Кл) электричества. Если в реакции принимает участие N электронов, для выделения моля продукта необходимо N ·96485 Кл электричества.

Количество электричества, равное 96485 Кл, получило название 1 фарадей и обозначается символом F. Законы Фарадея становятся очевидными, если принять во внимание, что 1 F — это просто заряд 1 моля электронов, т.е. 6,022 1023 электронов. Множитель 6,022-1023, позволяющий переходить от индивидуальных молекул к молям вещества, одновременно позволяет перейти и от 1 электронного заряда к 1 F электрического заряда. Разумеется, в свое время Фарадей ничего не знал ни о числе Авогадро, ни о заряде электрона. Однако из проведенных экспериментов он смог сделать вывод, что заряды на ионах кратны некоторой элементарной единице заряда, так что 96485 Кл электричества соответствуют 1 молю таких единиц. Термин электрон впервые появился в 1881 г.; его ввел английский физик Дж.Стоней для обозначения элементарной единицы ионного заряда. Применять термин «электрон» к реальной отрицательно заряженной частице начали спустя еще 10 лет.

1 пример. Запишите уравнения реакций, протекающих при пропускании электрического тока через расплавленную соль NaCl. Сколько граммов натрия и хлора выделится при пропускании 1 F электричества через электролитическую ячейку?

Решение: Уравнение реакции, протекающей на катоде: Na + + е — → Na, а уравнение 1 анодной реакции: Сl — → Cl2 + е — . Когда через расплавленную соль NaCl проходит 1 моль электронов (1 F), каждый электрон восстанавливает 1 ион натрия, в результате чего образуется 1 моль атомов натрия. Следовательно, на катоде выделяется 22,990 г Na. На аноде происходит удаление 1 моля электронов от 1 моля хлорид-ионов, после чего остается 1 моль атомов хлора, которые попарно соединяются, образуя 1/2 моля молекул Сl2. Следовательно, масса газообразного хлора, выделяющегося на аноде, должна быть равна 35,453 г (что равно атомной массе Сl, или половине молекулярной массы Сl).

Пример 2. Сколько граммов металлического магния и газообразного хлора выделяется при пропускании 1 F электричества через электролитическую ячейку с расплавленным хлоридом магния, MgCl2?
Решение: На катоде происходит реакция Mg 2+ + 2е — → Mg, а на аноде — реакция 2Сl — → Сl2 + 2е — . Поскольку для восстановления каждого иона Mg 2+ необходимо 2 электрона, 1 моля электронов хватит только для восстановления половины моля ионов магния, таким образом на катоде должно выделиться 12,153 г магния. (Атомная масса магния равна 24,305 г/моль.) Как и в примере 1, на аноде окислится 1 моль ионов Сl — и выделится половина моля, т.е. 35,453 г, газообразного Сl2.

Пример 3. Основным промышленным способом получения металлического алюминия является электролиз расплавленных солей, содержащих ионы Аl 3 + . Определите величину электрического заряда, в фарадеях и кулонах, который должен быть пропущен через расплав для получения 1 кг металла.
Решение: 1 кг алюминия содержит 1000 г / 26,98 г·моль -1 = 37,06 моля атомов. Поскольку на выделение каждого атома алюминия необходимо 3 электрона, на 37,06 моля атомов потребуется 3·37,06 = 111,2 моля электронов. Это количество электричества эквивалентно 111,2F, или 10 730 000 Кл.

Надеюсь урок 9 «Ионы в водном растворе» был познавательным и понятным. Если у вас возникли вопросы, пишите их в комментарии. Если вопросов нет, то переходите к уроку 10 «Ионы в газе».

Аккумулирование тепла: за этим — будущее?

Аккумулирование тепловой энергии (АТЭ) происходит благодаря широкому спектру технологий. В зависимости от конкретной технологии, оно дает возможность хранить и использовать избыточную тепловую энергию в течение нескольких часов, дней или даже нескольких месяцев в масштабах, характерных для использования отдельными пользователями, строительства (в том числе – крупномасштабного), использования в рамках округа, города или региона. Примеры использования – балансировка спроса на энергию между дневным и ночным временем, хранение летнего тепла для отопления зимой или зимнего холодного воздуха для кондиционирования воздуха. Среди средств хранения – емкости для хранения воды или льда, массы материнской почвы или коренная порода, связанная с теплообменниками с помощью буровых скважин, глубоколежащие водоносные горизонты, находящиеся между непроницаемыми слоями; мелкие ямы, заполненные гравием и водой и изолированные в верхней части; также средствами хранения могут быть эвтектические растворы и солевые грелки.

Читайте также:  Замена подшипника передней ступицы ВАЗ 2110

Другими источниками тепловой энергии для хранения могут быть тепло или холод, произведенный тепловыми насосами во внепиковые периоды производства дешевой электроэнергии, практика, известная как ограничение пика нагрузки; тепло от теплоэлектроцентралей; тепло, произведенное возобновляемыми источниками энергии, превышающими потребности электросетей, и бросовое тепло от промышленных процессов. Как сезонное, так и кратковременное хранение тепла считается важным средством для дешевого балансирования высокой доли разнообразных возобновляемых источников энергии и интеграции электроэнергетического и теплоэнергетического секторов в энергосистемах для достижения 100 % доли возобновляемой энергии.

  1. Аккумулирование солнечной энергии
  2. Технология расплава солей
  3. Накопление тепла в емкостях и пещерах в скалах
  4. Накопление тепла в горячей породе, бетоне, гальке и т.д.
  5. Технология сплава на границе растворимости
  6. Электротермические накопители
  7. Технологии с использованием льда
  8. Сверхпроводящий накопитель энергии
  9. Технологии на основе горячего кремния
  10. Накопление электричества после накачки теплом
  11. Система от «Isentropic»
  12. Эндотермические и экзотермические химические реакции
  13. Технология на основе гидратов солей
  14. Молекулярные химические связи

Аккумулирование солнечной энергии

Самые активно применяемые системы солнечного отопления могут хранить энергию сроком от нескольких часов до нескольких дней. Однако, наблюдается рост числа мощностей, использующих сезонное аккумулирование тепловой энергии (САТЭ), что позволяет хранить солнечную энергию летом, чтобы использовать ее для отопления помещений в зимний период. Солнечное сообщество Дрэйк Лэнлинг из провинции Альберта в Канаде сейчас научилось использовать 97 % солнечной энергии круглый год, что является рекордом, ставшим возможным только благодаря использованию САТЭ.

Использование как скрытой, так и явной теплоты также возможно в высокотемпературных системах приема солнечной тепловой энергии. Различные эвтектические смеси металлов типа Алюминия и Кремния (AlSi12) предлагают высокую точку плавления для эффективного производства пара, в то время как глиноземные смеси на основе цемента предлагают хорошие свойства хранения тепла.

Технология расплава солей

Явная теплота расплава солей также используется для хранения солнечной энергии при высоких температурах. Расплавы солей могут применяться в качестве метода аккумулирования остаточной тепловой энергии. На данный момент это – коммерческая технология для хранения тепла, собранного гелиоконцентраторами (к примеру, с СЭС башенного типа или параболоцилиндров). Тепло позднее может быть преобразовано в перегретый пар для питания обычных паровых турбин и выработки электричества в плохую погоду или ночью. Это было продемонстрировано в 1995—1999 годах в рамках проекта «Solar Two». Оценки 2006 года предсказывали годовую эффективность в 99 %, ссылаясь на сравнение энергии, сохраненной в виде тепла перед преобразованием в электричество и преобразования тепла в электричество напрямую. Используются различные эвтектические смеси солей (к примеру, нитрат натрия, нитрат калия и нитрат кальция). Использование таких систем в качестве среды переноса тепла заметно в химической и металлургической промышленности.

Соль плавится при 131C (268F). Она хранится в жидком состоянии при 288C (550F) в изолированных «холодных» емкостях для хранения. Жидкая соль перекачивается через панели солнечного коллектора, где сфокусированное солнечное тепло нагревает ее до 566C (1 051F). Затем оно отправляется в горячую емкость для хранения. Сама изоляция емкости может использоваться для хранения тепловой энергии в течение недели. В случае потребности в электричестве, горячий расплав солей перекачивается в обычный парогенератор для производства перегретого пара и запуска стандартной турбогенераторной установки, используемой на любой угольной, нефтяной или атомной электростанции. Турбина мощностью в 100 МВт потребует емкость высотой в 9,1 м (30 футов) и диаметром 24 м (79 футов) для ее запуска в течение четырех часов по подобному принципу.

В разработке находится единый бак с разделительной плитой для сохранения и холодного, и горячего расплава солей. Гораздо более экономичным будет достижение на 100 % большего количества хранения энергии на единицу объема в сравнении со сдвоенными емкостями, так как емкость для хранения расплава солей достаточно дорога из-за сложной конструкции. Солевые грелки также используются для хранения энергии в расплавах солей.

Несколько параболоцилиндрических электростанций в Испании и «Solar Reserve» — разработчик солнечных электростанций башенного типа использует этот концепт для хранения тепловой энергии. Электростанция Солана в США может хранить в расплавах солей энергию, которая вырабатывается 6 часов. Летом 2013 года на электростанции «Gemasolar Thermosolar», работающей и как гелиоконцентратор, и как электростанция на расплавах солей в Испании, впервые удалось непрерывного производства электричества в течение 36 дней.

Накопление тепла в емкостях и пещерах в скалах

Паровой аккумулятор состоит из изолированного стального резервуара высокого давления, содержащего горячую воду и пар под давлением. В качестве метода для хранения тепла он используется для того, чтобы уравновешивать производства тепла изменчивыми или стабильными источниками при изменяющемся спросе на тепло. Паровые аккумуляторы могут стать действительно необходимыми для накопления энергии в проектах, связанных с тепловой солнечной энергией.

Крупные накопители широко применяются в Скандинавии для хранения тепла в течение нескольких дней, разделения производства тепла и энергия и помощи в удовлетворении пикового спроса. Исследовалось (и оказалось экономически выгодным) межсезонное аккумулирование тепла в пещерах.

Накопление тепла в горячей породе, бетоне, гальке и т.д.

Вода обладает одной из самых высоких теплоемкостей – 4,2 Дж/см3*К, тогда как бетон обладает лишь одной третью от этого значения. С другой стороны, бетон может нагреваться до гораздо более высоких температур – 1200C за счет, например, электронагрева и, таким образом, обладает гораздо большей общей емкостью. Следуя из примера далее, изолированный куб примерно 2,8 м в поперечнике может оказаться способным обеспечивать достаточный объем хранимого тепла для одного дома, чтобы удовлетворить 50 % потребности в отоплении. В принципе, это может быть использовано для хранения избыточной ветряной или фотоэлектрической тепловой энергии благодаря способности электронагрева к достижению высоких температур. На уровне округов международное внимание привлек проект «Виггенхаузен-Зюд» в немецком городе Фридрисхафене. Это – железобетонный теплоаккумулятор объемом в 12 000 м3 (420 000 куб.фт.), соединенный с комплексом солнечных коллекторов площадью 4 300 м2 (46 000 квадр. фт), наполовину обеспечивающих потребность в горячей воде и отоплении у 570 домов. Компания «Siemens» строит под Гамбургом хранилище тепла емкостью 36 МВТ*ч, состоящее из базальта, разогретого до 600C, и выработкой энергии в 1,5 МВт. Схожая система планируется для постройки в датском городе Сорё, где 41-58 % накопленного тепла емкостью в 18 МВт*ч будет передаваться для центрального теплоснабжения города, а 30-41 % — как электричество.

Технология сплава на границе растворимости

Сплавы на границе растворимости основаны на изменении фазы металла с целью хранения тепловой энергии.

Вместо того, чтобы перекачивать жидкий металл между емкостями, как в системе с расплавом солей, металл заключается в капсулу из другого металла, с которым не может сплавиться (не поддающийся смешению). В зависимости от выбора двух материалов (материал, меняющий фазу и материал капсулы), плотность хранения энергия может оставлять 0,2-2 МДж/л.

Рабочая среда, как правило – вода или пар, используется для передачи тепла к и от сплава на границе растворимости. Теплопроводность таких сплавов зачастую выше (до 400 Вт/м*К), чем у конкурирующих технологий, что означает более быструю возможную «загрузки» и «разгрузки» теплового хранилища. Технология еще не реализована для использования в промышленных масштабах.

Электротермические накопители

Электроаккумуляционные печи – обычное дело для европейских домов с регистрацией электропотребления с учетом времени суток (чаще всего использующие более дешевое электричество ночью). Они состоят из керамических кирпичей высокой плотности или феолитовых блоков, нагретых электричеством до высоких температур, которые могут иметь или не иметь хорошую изоляцию и контролируют высвобождение тепла через определенное число часов.

Технологии с использованием льда

Разрабатывается ряд технологий, где лед производится во внепиковые периоды и позднее используется для охлаждения. К примеру, кондиционирование воздуха может быть экономичнее за счет использования дешевого электричества ночью для заморозки воды и последующего использования холодильной мощности льда днем для уменьшения количества энергии, требуемой для поддержания кондиционирования воздуха. Аккумулирование тепловой энергии с применением льда использует высокую теплоту плавления воды. Исторически лед перевозили с гор в города, чтобы использовать его, как охладитель. Одна метрическая (= 1 м3) тонна воды может хранить 334 миллиона джоулей (Дж) или 317 000 Британских термических единиц (93 кВт*ч). Относительно небольшой накопитель может хранить достаточно льда, чтобы охлаждать крупное здание целый день или неделю.

Помимо применения льда для прямого охлаждения, он также используется в тепловых насосах, на которых работают системы отопления. В этих сферах изменения энергии фазы обеспечивают очень серьезный теплопроводный слой, близкий к нижнему порогу температур, при котором может работать тепловой насос, использующий теплоту воды. Это позволяет системе переносить серьезнейшие отопительные нагрузки и увеличивать промежуток времени, в течение которого элементы источников энергии могут возвращать тепло в систему.

Читайте также:  Lamborghini Huracan LP 610-4 Spyder - фото цена, характеристики Ламборджини Уракан Спайдер

Сверхпроводящий накопитель энергии

В этом процессе используется разжижение воздуха или азота, как способ хранения энергии.

Первая система накопления энергии при сверхнизких температурах, использующая жидкий воздух в качестве накопителя энергии, а низкопробное бросовое тепло – для запуска повторного теплового расширения воздуха, работает на электростанции в городе Слау (Великобритания) с 2010 года.

Технологии на основе горячего кремния

Твердый или расплавленный силикон предлагает гораздо более высокие температуры хранения, чем соли, а значит – и большие емкость и КПД. Он был исследован, как, возможно, гораздо более эффективная технология хранения энергии. Кремний способен хранить более 1 МВт*ч энергии на м3 при температуре в 1400C.

Накопление электричества после накачки теплом

В случае накопления электричества после накачки теплом (НЭПНТ) двухсторонняя теплонасосная система используется для сохранения энергии за счет разницы температур между двумя накопителями тепла.

Система от «Isentropic»

Система, которая была разработана ныне обанкротившейся британской фирмой «Isentropic», работала так, как указано ниже. Она включала в себя два изолированных контейнера, заполненных измельченной породой или гравием; нагретый сосуд, хранящий тепловую энергию при высокой температуре и давлении, и холодный сосуд, хранящий тепловую энергию при низкой температуре и давлении. Сосуды соединены трубами вверху и внизу, а вся система заполнена инертным газом аргоном.

Во время цикла зарядки система использует внепиковое электричество для работы в качестве теплового насоса. Аргон из верхней части холодного сосуда при температуре и давлении, сравнимыми с атмосферными, адиабатически сжимается до давления в 12 бар, нагреваясь до примерно 500C (900F). Сжатый газ перегоняется в верхнюю часть нагретого сосуда, где он просачивается сквозь гравий, передавая свое тепло породе и охлаждаясь до температуры окружающей среды. Охлажденный, но все еще находящийся под давлением, газ оседает на дне сосуда, где снова расширяется (опять же адиабатически) до 1 бара и температуры в -150C. Затем холодный газ проходит через холодный сосуд, где охлаждает породу, нагреваясь до своего изначального состояния.

Энергия снова превращается в электричество при обратном проведении цикла. Горячий газ из нагретого сосуда расширяется, чтобы запустить генератор, и затем отправляется в холодное хранилище. Охлажденный газ, поднявшийся со дна холодного сосуда, сжимается, нагревая газ до температуры окружающей среды. Затем газ направляется ко дну нагретого сосуда, чтобы снова подвергнуться нагреванию.

Процессы сжатия и расширения обеспечиваются специально разработанным поршневым компрессором, использующим скользящие клапаны. Дополнительное тепло, вырабатываемое в ходе недостатков процесса, уходит в окружающую среду через теплообменники во время цикла разрядки.

Разработчик заявляет, что КПД цикла в 72-80 % вполне реален. Это позволяет сравнивать его с накоплением энергии от ГАЭС, КПД которого составляет свыше 80 %.

Другая предлагаемая система использует турбины и способна работать с гораздо большими объемами энергии. Использование солевых грелок в качестве накопителя энергии позволит продвинуть исследования вперед.

Эндотермические и экзотермические химические реакции

Технология на основе гидратов солей

Примером экспериментальной технологии накопления энергии на основе энергии химических реакций является технология на основе гидратов солей. Система использует энергию реакции, создаваемой в случае гидратации или дегидратации солей. Это работает благодаря хранению тепла в резервуаре, содержащем 50 %-ный раствор гидроксида натрия. Тепло (к примеру, получаемое с солнечного коллектора) хранится за счет испарения воды в ходе эндотермической реакции. Когда воду добавляют вновь, в ходе экзотермической реакции при 50C (120F) высвобождается тепло. На данный момент системы работают с КПД в 60 %. Система особенно эффективна для сезонного накопления тепловой энергии, так как высушенная соль может храниться при комнатной температуре длительное время без потерь энергии. Контейнеры с обезвоженной солью даже могут перевозиться в различные места. Система обладает большей плотностью энергии, чем тепло, накопленное в воде, а ее мощность позволяет хранить энергию в течение нескольких месяцев или даже лет.

В 2013 году голландский разработчик технологий «TNO» представил результаты проекта «MERITS» по хранению тепла в контейнере с солью. Тепло, которое может доставляться с солнечного коллектора на плоскую крышу, выпаривает воду, содержащуюся в соли. Когда воду добавляют снова, тепло высвобождается практически без потерь энергии. Контейнер с несколькими кубометрами соли может хранить достаточно термохимической энергии, чтобы обогревать дом всю зиму. При температурном режиме, как в Нидерландах, среднее теплоустойчивое хозяйство потребует за зиму примерно 6,7 ГДж энергии. Чтобы сохранить столько энергии в воде (при разнице температур в 70C), потребовалось бы 23 м3 воды в изолированном резервуаре, что превышает возможности хранения большинства домов. С использованием технологии на основе гидрата солей с плотностью энергии около 1 ГДж/м3, достаточно было бы 4-8 м3.

По состоянию на 2016 год, исследователи из нескольких стран проводят эксперименты по определению наилучшего типа соли или смеси солей. Низкое давление внутри контейнера кажется наилучшим для передачи энергии. Особенно перспективными являются органические соли, так называемые «ионные жидкости». По сравнению с сорбентами на основе галида лития они вызывают гораздо меньше проблем в условиях ограниченных природных ресурсов, а в сравнении с большинством галидов и гидроксидом натрия – менее едки и не дают негативного воздействия через выбросы углекислого газа.

Молекулярные химические связи

На данный момент исследуется возможность хранения энергии в молекулярных химических связях. Уже достигнута плотность энергии, эквивалентная ионно-литиевым батареям.

Расплавы солей

В конце прошлого года «СР» сообщила о старте проектирования первого в России исследовательского жидкосолевого реактора (ИЖСР) для отработки технологии дожигания долгоживущих отходов ядерной энергетики — ​минорных актинидов. О технических особенностях инновационной установки и перспективах проекта рассказали специалисты организации — ​главного конструктора ИЖСР: заместитель гендиректора НИКИЭТ им. Доллежаля по НИОКР Александр Лопаткин и главный конструктор исследовательских и изотопных реакторов Игорь Третьяков.

— Для ученых-атомщиков и специалистов НИКИЭТ в частности тематика ЖСР совершенно новая или уже есть какие-то наработки?

Александр Лопаткин: Тематика жидкосолевых реакторов развивается в мире довольно давно — ​с 1960-х годов, но это не реализованная в промышленном виде технология. С одной стороны, она сулит большие преимущества. Для реактора на расплаве солей не надо изготавливать и перерабатывать тепловыделяющие элементы и топливные сборки. С другой — ​где преимущества, там и недостатки. Использование расплавленного топлива означает, что установка лишена привычных барьеров безопасности: нет твердой матрицы, оболочки, контура циркуляции. Это требует особо пристального внимания и, возможно, новых подходов к обоснованию безопасности ЖСР. Надо понять, насколько концепция этой установки вписывается в существующую нормативную базу, разработанную для реакторов с твердым топливом. Первые же наши проработки показали, что обосновать безопасность можно, но, вероятно, нужно будет дополнить или подправить нормативную базу.

В России головной организацией по направлению жидкосолевых реакторов является НИЦ «Курчатовский институт», который с 1970-х годов занимался этой тематикой. Даже когда тематику не финансировало государство, центр находил возможность ее поддерживать. Мы в НИКИЭТ по поручению Николая Доллежаля до начала 1990-х годов занимались созданием быстрого жидкосолевого реактора. Было разработано техническое предложение и эскизный проект установки на расплавах хлоридных солей, но потом финансирование этих работ прекратилось.

— Почему сейчас эта тематика снова стала акту­альной?

А. Л.: С середины 2000-х годов в России начаты работы по созданию опытно-демонстрационного центра по переработке ОЯТ на Горно-химическом комбинате. При переработке топлива образуются минорные актиниды. Что с ними делать — ​вопрос до сегодняшнего дня не решенный. Лет пять — семь назад в Курчатовском институте родилась идея: построить на ГХК, рядом с центром по переработке, жидкосолевой реактор-дожигатель, который будет решать проблему актинидов, когда потребуется их утилизировать в промышленном масштабе. Мощность такого ЖСР может быть от 1,5 до 2,5 ГВт. Но сначала надо отработать технологию. С этой целью в 2019 году в «Росатоме» принято решение для начала построить на ГХК исследовательский реактор небольшой мощности, а также комплекс производства и переработки топлива для него. НИКИЭТ определен главным конструктором жидкосолевой исследовательской реакторной установки. Предполагается, что научным руководителем ЖСР-проекта станет Курчатовский институт.

— Работы финансируются в рамках единого отраслевого тематического плана НИОКР?

А. Л.: Да, с 2019 года. До этого много лет мы помогали Курчатовскому институту в разработке большого ЖСР: проводили расчеты, делали конструктивные схемы. Но работа именно по заказу госкорпорации началась с прошлого года.

Читайте также:  Mercedes Maybach S600 (2015-2016) - фото, цена, характеристики нового Мерседес-Майбах С600

— Расскажите о технических характеристиках проектируемой установки.

Игорь Третьяков: Тепловая мощность исследовательского жидкосолевого реактора составит не более 10 МВт. По рекомендации Курчатовского института выбран тип соли — ​на основе фторидов лития и бериллия (FLiBe). В ней будут растворять тетрафториды плутония и минорных актинидов, это и будет топливом реактора. Выбран основной конструкционный материал для наиболее нагруженных элементов установки: корпуса, трубопровода, теплотехнического оборудования и т. д. Это сплав, на 80 % состоящий из никеля. Его разработали специалисты Курчатовского института и «ЦНИИчермета». Ученые исследовали коррозионные свойства взаимодействия топливной соли с этим материалом, поэтому пока выбрали его — ​сроки реализации технического проекта очень сжатые, надо идти по наиболее ясному пути. Но вполне возможно, что по результатам НИОКР мы рассмотрим и другие материалы, и другие соли.

ИЗ ИСТОРИИ

Единственный в мире ЖСР работал в 1960-е годы в Ок-Риджской национальной лаборатории. Реактор MSRE (Molten-Salt Reactor Experiment) обладал тепловой мощностью 7,4 МВт, топливом служил раствор фторидов урана в расплаве солей лития, бериллия и циркония. Спектр нейтронов у MSRE был тепловой. Реактор отработал пять лет, но затем его остановили из-за нерентабельности, а программу исследований закрыли.

— Где и как будут испытывать топливо для жидкосолевого реактора?

А. Л.: Коррозионные испытания без топлива, с имитаторами продуктов деления, уже начал Курчатовский институт на своих стендах. Есть в рамках проекта программа разработки облучательных ампул, которые будут заполнять топливной солью и испытывать в реакторах НИИАР и ИРМ. В 2024 году или чуть позже будет создана петлевая установка — ​можно сказать, фрагмент жидкосолевого реактора. Возможность создания ЖСР-петли заложена в проект сооружаемого реактора МБИР, но, в принципе, можно ее сделать и на действующих реакторах НИИАР — ​СМ или МИР. Или же на реакторе ИВВ‑2М в Институте реакторных материалов.

— Этот реактор будет только дожигателем или энергию он тоже будет производить?

А. Л.: Пока такой задачи перед нами научный руководитель не ставит. Вот если после исследовательского появится большой промышленный реактор, там будет, естественно, турбина, он будет давать около 1000 МВт. В исследовательских реакторах турбинная часть всегда входит в некоторый конфликт с исследовательской программой: исследования краткосрочные, а производство электроэнергии — ​это постоянный, стабильный процесс. Но мы будем работать в тесном контакте с ГХК, не исключено, что в процессе разработки будет решено обеспечить генерацию 2–3 МВт энергии — ​тогда будем добавлять турбину, хотя это, бесспорно, повысит стоимость сооружения ИЖСР.

— Каковы сроки реализации проекта?

И. Т.: В 2024 году мы должны закончить технический проект установки. К этому моменту надо знать полный состав оборудования, определить стоимость сооружения, чтобы будущий инвестор знал, во сколько обойдется строительство и эксплуатация ИЖСР с модулем переработки топлива. А ГХК в 2024 году должен получить лицензию на размещение. Это значит, что существенную часть обосновывающих НИОКР мы должны выполнить тоже до 2024 года. Таковы задачи, которые ставит перед разработчиками госкорпорация.

А. Л.: Затем в 2027 году планируется получить лицензию на строительство, а в 2031 году этот реактор пустить на Горно-химическом комбинате.

— Давайте вернемся к обоснованию безопасности. Как все-таки будете доказывать, что реактор безопасен, если снимаются три барьера безопасности из четырех?

А. Л.: Конечно, нужно очень позаботиться о радиационной безопасности. Скорее всего, реактор будет построен в подгорной части комбината, на месте бывшего машинного зала подземной АТЭЦ — ​место само по себе уже достаточно изолировано от внешней среды. Я подчеркиваю, что мы не снимаем барьеры безопасности. Мы заменяем одни барьеры другими. Одно из наших предложений — ​поместить реакторную установку в герметичную капсулу. Это еще один новый барьер безопасности.

Жидкосолевой реактор имеет отрицательный коэффициент реактивности, так что с точки зрения доказательства ядерной безопасности проблем не предвидится. Естественно, система управления реактором будет выполнена в полном соответствии с современными нормативными требованиями.

— Какие организации помимо НИКИЭТ и Курчатовского института участвуют в проекте?

А. Л.: ВНИИНМ им. Бочвара отвечает за создание топливного цикла ЖСР: изготовление, переработку топлива и обращение с радиоактивными отходами. НИИАР будет заниматься радиационным облучением и послереакторными исследованиями материалов. РФЯЦ-ВНИИТФ поможет расчетами, нейтронно-физическими экспериментами, а также намерен войти в программу по коррозионным испытаниям материалов — ​у них есть для этого специальная установка. В ФЭИ планируется сделать нейтронно-физический стенд для обоснования кодов безопасности. Это основные контрагенты, а вообще их очень много.

— Стратегия развития российской атомной отрасли, принятая в 2018 году, предполагает, что к концу века ядерная энергосистема станет двухкомпонентной, ее основу составят быстрые и тепловые реакторы. А какую роль будут играть ЖСР?

А. Л.: ЖСР в этой стратегии пока нет, но председатель научно-технического совета «Росатома» академик Георгий Рыкованов уже поставил задачу рассмотреть возможную роль такой установки в атомной отрасли. Жидкосолевые реакторы могут стать решением проблемы высокоактивных долгоживущих отходов на площадке переработки топлива. Со всех реакторов ВВЭР топливо перевозим на ГХК. Там его перерабатываем и делим на части: уран, плутоний возвращаем потребителям, минорные актиниды дожигаем, продукты деления размещаем на временное хранение, и далее они будут захораниваться. Таким образом, в энергетике будущего ВВЭР и быстрые реакторы станут основными поставщиками энергии. Быстрые реакторы будут также воспроизводить делящиеся материалы для себя и для ВВЭР. А жидкосолевые реакторы станут разбираться с актинидами.

Если проект исследовательского реактора окажется успешным, технология ЖСР, безусловно, получит развитие. Возможно, будет воплощена старая концепция быстрого реактора на расплавах солей. У ученых Курчатовского института и НИКИЭТ есть идея сделать бланкет на расплавах солей для термоядерного реактора. Очень важно, что госкорпорация поддержала эту технологию. Если у нас все получится, приложений может быть множество.

И. Т.: Было бы правильно завершить нашу беседу словами благодарности Курчатовскому институту, его специалистам, которые более двух десятилетий своими работами поддерживали жидкосолевую тематику, что позволяет проекту ИЖСР стартовать с достаточно проработанной базы расчетных данных.

Справка

Жидкосолевой реактор, или реактор на расплавах солей, — ​это установка, в которой активную зону формирует гомогенная расплавленная смесь из фторидов солей и фторида делящегося материала (урана, плутония или тория). Топливная композиция одновременно служит теплоносителем первого контура. ЖСР обладает свойством естественной безопасности: температурный и пустотный коэффициенты в нем отрицательные, что исключает тяжелые аварии типа чернобыльской. Температура в активной зоне очень высокая, порядка 700 °C, но давление в контуре отсутствует, что повышает безопасность реактора.

Алексей Ананьев

главный научный сотрудник ВНИИНМ, руководитель проекта по созданию топливного цикла ЖСР

— Топливом для реактора на расплавах солей будет тетрафторид плутония из переработанного топлива реакторов ВВЭР, растворенный в смеси фторидов лития и бериллия (соль FLiBe). В смесь также будут добавлять фториды минорных актинидов для их выжигания. Мы долго обсуждали, какую композицию выбрать: соль на основе фторидов лития, натрия и калия FLiNaK или FLiBe. У FLiNaK есть преимущество — ​растворимость делящихся материалов в ней выше. Но пока нет готового конструкционного материала, коррозионно-устойчивого к расплаву фторидов лития, натрия и калия. FLiBe менее активна в отношении тех материалов, которыми мы уже располагаем. Поэтому пока выбрали ее. Но FLiNaK остается в проекте как запасной вариант, потому что работы по созданию новых конструкционных материалов не прекращаются. Возможно, в процессе развития работ по проекту перейдем на эту композицию.

У жидкосолевых реакторов нет ограничений по глубине выгорания топлива, потому что отсутствуют твэлы и их оболочки. Но нужно периодически чистить топливную композицию, чтобы сохранять нейтронно-физический и реактивностный баланс. ВНИИНМ разрабатывает технологию трехстадийной экстракции «вредных» компонентов из ОЯТ ЖСР. Она будет основана на извлечении компонентов топливной соли из расплава при помощи жидкого висмута. В висмут вводится восстановитель — ​металлический литий. На первой стадии экстрагируем продукты коррозии, на второй — ​остаточный плутоний и минорные актиниды (они сгорают в реакторе, но не на 100 %), на третьей — ​лантаниды. Переработанное топливо возвращается в цикл.

В процессе переработки топлива будут образовываться в основном относительно короткоживущие РАО: цезий, стронций, цирконий, молибден. Период полураспада этих радионуклидов — ​30–50 лет. То есть через 500 лет остаточная радиоактивность таких РАО станет ничтожной. Это разумный срок для контролируемого приповерхностного хранения, оно обойдется гораздо дешевле и будет безопаснее, чем глубинное захоронение минорных актинидов.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector