Zastosowanie reaktorów HTGR

Zapotrzebowanie rynkowe

Zapotrzebowanie na ciepło, zwłaszcza wysokotemperaturowe, wytwarzane bez uwalniania CO2, jest bardzo duże i stale rośnie, gdyż wprowadzone przez Unię Europejską wysokie opłaty za emisję CO2 grożą zduszeniem polskiej gospodarki, która ponad 90% ciepła uzyskuje ze spalania węgla. Alternatywą jest gaz, lecz to surowiec bardzo drogi i uzależniający nas od obcych dostawców, zwłaszcza Rosji.

Reaktory HTGR mogą w krótkim czasie stać się efektywnym źródłem ciepła dla przemysłu. Pozytywne cechy takiego rozwiązania to:

  • taniość eksploatacji (niewysokie ceny paliwa i brak opłat za emisję CO2),
  • bezpieczeństwo eksploatacji (duża pojemność cieplna, powolny rozwój zagrożeń, samowygaszanie z powodu ujemnego współczynnika temperaturowego),
  • uniezależnienie od dostawców zewnętrznych (małe ilości paliwa pozwalają utrzymywać wieloletnie zapasy, a dostawców jest wielu w różnych częściach świata, nie potrzeba rurociągów i nikt nie może zakręcić kurka, zamykającego dopływ ropy lub gazu),
  • ochrona środowiska (bardzo mała ilość odpadów radioaktywnych z powodu bardzo głębokiego wypalenia paliwa),
  • oczyszczanie środowiska przez wykorzystanie zużytego paliwa z reaktorów lekkowodnych elektrowni jądrowych i plutonu z broni jądrowych.

Dotychczas energia jądrowa była wykorzystywana głównie do wytwarzania energii elektrycznej. Stosowane tam reaktory lekkowodne PWR i BWR są bardzo kosztowne w znacznej mierze z powodu skomplikowanych i drogich systemów bezpieczeństwa. Dlatego nie opłaca się budowa małych reaktorów lekkowodnych.

Ciepło nie może być przesyłane na duże odległości i jego wytwarzanie musi być dostosowane do zwykle ograniczonego zapotrzebowania miejscowego.

Naturalne bezpieczeństwo reaktorów HTGR znaczne zmniejsza koszty budowy, gdyż systemy bezpieczeństwa są tańsze niż reaktorów PWR i BWR. Dzięki temu jest opłacalne budowanie niewielkich reaktorów HTGR, przydatnych do zasilania instalacji przemysłowych. Niewielkie, bezpieczne reaktory HTGR można umieszczać w bezpośrenim sąsiedztwie zakładów przemysłowych i osiedli ludzkich.

akresy temperatur procesów przemysłowych
Zakresy temperatur wymaganych w różnych procesach przemysłowych. Pionowe linie pokazują temperatury pary produkowanej przez reaktory lekkowodne (PWR, BWR - 300°C) i reaktory wysokotemperaturowe (HTGR - 800°C) - rys. z raportu IEA

Typowe reaktory lekkowodne (LWR - Light Water Reactors) produkują parę o temperaturze do 300°C, a to - jak pokazuje rysunek - za mało dla wielu procesów przemysłowych.
W wiekszości procesów przemysłowych wystarcza temperatura do 800°C, osiągnięcie której w reaktorach HTGR nie sprawia kłopotów. Uzyskanie wyższych temperatur jest możliwe, ale powoduje problemy konstrukcyjne i materiałowe; stal nie wytrzymuje takich temperatur i do produkcji wielu elementów trzeba stosować bardzo drogie stopy niklowe i tytanowe. Czasami można używać elementów ceramicznych.

Produkcja wodoru

Ciepło z reaktorów HTGR można wykorzystać do produkcji wodoru, coraz bardziej potrzebnego w rafineriach i przemyśle chemicznym, a w przyszłości samodzielnego paliwa lub dodatku do innych paliw, np. poprawiającego jakość olejów lub do produkcji paliw syntetycznych z węgla bądź gazu.

Produkcja wodoru w cyklu siarkowo-jodowym
Produkcja wodoru w cyklu siarkowo-jodowym (rys. z pracy prof. L. Pieńkowskiego)

Obecnie 95% wodoru produkuje się za pomocą reformingu parowego gazu ziemnego (metanu). Procesy termo-chemiczne rozkładają wodę metodą wiązania wodoru z wody w związek, z którego może on być łatwo zdysocjowany cieplnie (jak np. wodorek jodu - HI). Przestudiowano wiele cykli tego typu. Najbardziej obiecującym jest cykl siarkowo-jodowy (S-I) - opracowany w latach 70-tych przez General Atomics - i na nim skupiają się obecnie prace badawcze.

W cyklu S-I używany jest kwas siarkowy H2SO4 i wodorek jodu HI. W procesie zachodzi silnie endotermiczna reakcja rozkładu kwasu siarkowego na dwutlenek siarki, wodę i tlen. Aby proces był efektywny, wymagana jest temperatura przekraczająca 850°C.

Wykorzystując w tym procesie  ciepło z reaktora wysokotemperaturowego (800°C), oszczędza się znaczną część gazu. Osiągnięcie w przyszłości wyższych temperatur w reaktorach HTGR, usprawnienie cyklu siarkowo-jodowego lub elektrolizy wysokotemperaturowej pozwoli całkowicie wyeliminować zużycie gazu i uniknąć emisji CO2.

 

Synergia przemysłu węglowego i energii jądrowej

Synergia węglowo-jądrowa
Schemat synergi węglowo-jądrowej (rys. z pracy prof. L. Pieńkowskiego)

W procesie produkcji wodoru z wody uwalniany jest tlen, który może być użyty do spalania węgla w elektrowniach konwencjonalnych, polepszając ich sprawność przez podniesienie temperatury spalania i eliminując powstawanie tlenków azotu, powstających przy spalaniu w powietrzu.

Z kolei z dwutlenku węgla z elektrowni węglowej i wodoru produkowanego w pobliskiej instalacji, sprzężonej z reaktorem wysokotemperaturowym, możliwe jest produkowanie płynnych węglowodorów.

Takie rozwiązanie jest szczególnie atrakcyjne dla Polski, mającej wiele elektrowni węglowych. Potrzebne byłoby stworzenie kombinatów składających się z elektrowni węglowej, instalacji do produkcji wodoru, reaktora HTGR i instalacji chemicznej wytwarzającej paliwa płynne. Propagatorem tego rozwiązania w Polsce jest prof. Ludwik Pieńkowski.

akresy temperatur procesów przemysłowych
Produkcja wodoru w cyklu siarkowo-jodowym
Synergia węglowo-jądrowa