Расплавленная соль

Фото: Green Energy Futures

Горячие солевые расплавы как теплоносители используются в энергетике в мощных тепловых аккумуляторах на электростанциях с гелиоконцентраторами. Инженерная мысль идёт и дальше, к универсальным системам хранения энергии, не связанным напрямую со способом генерации. Кроме того, существует возможность создания атомного реактора, целиком заполненного солевым расплавом, и успешно развивается как минимум один проект по реализации этой идеи.

Хранилища энергии

Накопители энергии позволяют электростанциям, работающим от возобновляемых источников, таких как солнце и ветер, полностью или хотя бы частично компенсировать неравномерность генерации и за счёт этого улучшить обслуживание потребителей, одновременно снизив потери энергии. В какой форме она хранится, строго говоря, не имеет значения, но желательно минимизировать количество преобразований, которые неизбежно выливаются в потери. Поэтому для тепловых электростанций с гелиоконцентратором, где сфокусированные солнечные лучи разогревают теплоноситель до высоких температур, тепловые аккумуляторы - самое естественное решение.

Расплавленная соль в качестве теплоносителя обладает рядом важных достоинств. Она недорога, негорюча, нелетуча и нетоксична, эксплуатируется при атмосферном давлении и рабочей температуре, совместимой с рабочей температурой пара в современных турбинах. Обычно в качестве теплоносителя берут не какое-то одно вещество, а ту или иную эвтектическую (имеющую температуру плавления более низкую, чем у любого из составляющих её компонентов) смесь различных солей. Может использоваться, например, селитра, состоящая из 60% нитрата натрия и 40% нитрата калия: первый плавится при 308 и вскипает при 380 °C, а для второго эти точки - соответственно 334 и 400 °C. Смесь же солей в пропорции 3:2 остаётся жидкой в диапазоне температур от 260 до 550 °C.

Солевые резервуары на солнечной электростанции, использующей
зеркальные концентраторы (фото: HeliosCSP)

Стандартная солевая система хранения оснащена двумя резервуарами, условно называемыми «холодным» и «горячим»: в первом температура близка к точке кристаллизации расплава, во втором - к точке его испарения. Днём расплав перекачивается из «холодного» резервуара в «горячий», по пути проходя через теплообменник, где его нагревают сконцентрированные солнечные лучи, а ночью, когда требуется электричество, он прокачивается через теплообменник парогенератора. Получаемый при этом пар подаётся на турбину, приводящую во вращение электрогенератор, а остывший расплав возвращается в «холодный» резервуар.

Накопительные резервуары - весьма внушительные сооружения; в одной из статей сообщается, что в случае смеси солей с составом 40:7:53 NaNO₂:NaNO₃:KNO₃  для того чтобы обеспечить работу турбины мощностью 100 МВт в течение четырёх часов, понадобится бак высотой приблизительно 9,1 м и диаметром 24 м. И, конечно, такие резервуары (как, впрочем, и другие промышленные системы накопления энергии) требуют серьёзных капитальных вложений, на которые готовы далеко не все инвесторы. Скажем, в Википедии приводится таблица действующих гелиотермальных электростанций мощностью 50 МВт и выше, где ровно у половины (30 из 60) графа «Хранение» пуста. Тем не менее почти треть (19 из 60) располагают системами хранения на 7,5 и более часов ночной работы генератора.

Выдвинутая свыше десяти лет назад идея сэкономить на строительстве, заменив два резервуара одним, разделённым перегородкой на «холодную» и «горячую» половины, пока не нашла воплощения из-за большой сложности.

Жидкосолевые накопители тепла можно устанавливать и на более широко распространённых ВИЭ-станциях, вырабатывающих непосредственно электроэнергию, - солнечных на базе фотоэлектрических панелей, а также на ветровых. Здесь необходимо двойное преобразование энергии - сначала из электрической в тепловую, а затем обратно, из тепловой в электрическую, - что влечёт неизбежные потери. Усложняется и оборудование станции, поскольку для второго преобразования его нужно дополнить парогенератором и паровой турбиной, но в этом есть свой плюс: появляется возможность теплоснабжения, в котором бывают заинтересованы и промышленные предприятия, и домохозяйства. Такие разработки идут в нескольких фирмах, но случаев реализации крупных проектов (100 МВт и выше) на данный момент нет.

Идеи и деяния датчан

Датский стартап Seaborg, созданный в 2014 году группой физиков, химиков и инженеров из Копенгагена совместно с Датским технологическим университетом (DTU), ведёт разработку компактного жидкосолевого ядерного реактора. Идея родилась давно: эксперименты с ядерными реакциями в расплавах солей, как рассказал в своем выступлении на конференции SLUSH в 2019 году основатель и в то время глава Seaborg Троельс Шёнфельдт, проводились ещё в 50-х - 70-х годах прошлого века в США и Китае, и в Китае сейчас идёт строительство такого реактора. Так что, цитируя Шёнфельдта, Seaborg - «лидер технологической гонки за пределами Китая».

Деление атомных ядер происходит в расплавленной «топливной соли», которая одновременно играет роль топлива и охладителя. В самом начале это тетрафторид урана; в дальнейшем состав вещества меняется, но оно остаётся солью, так как химически очень активный фтор связывает все образующиеся атомы. Никакие газы не выделяются, так что реактор не может взорваться. Если произойдёт авария, в результате которой нарушится герметичность оболочки и её содержимое соприкоснётся с атмосферным воздухом либо с водой, соль затвердеет и её можно будет сравнительно легко вывезти в безопасное место.

На ранних стадиях проекта предполагалось использовать уран, обогащённый до 5-20% (так называемый HALEU), а в качестве замедлителя нейтронов использовать не традиционный для атомной энергетики графит, а гидроксил натрия, но сейчас решено перейти на низкообогащённый уран и всё-таки применить графит.

Концепт плавучей АЭС, работающей на топливном
солевом расплаве (Рисунок: Seaborg)

Реактор мощностью 100 МВт будет помещаться в стандартный 20-футовый транспортный контейнер. Предполагается собирать реакторы на заводе и полностью готовыми перевозить на специальных баржах к местам эксплуатации, а также создавать плавучие электростанции, производящие водородное топливо (два года назад предварительное соглашение об этом было подписано компаниями Seaborg и Samsung Heavy Industries). Период работы реактора без замены топлива составит 12 лет, а отслужившая соль будет возвращаться производителю. Степень её радиационной опасности умеренная, примерно соответствует медицинским радиоактивным отходам, способы обращения с которыми регламентированы.

Напоследок вернёмся к жидкосолевым (точнее, в данном случае жидкощелочным) накопителям тепла. В 2021 году от Seaborg отпочковалась сестринская компания Hyme, разрабатывающая накопитель на основе расплава NaOH (едкого натра). Схема его работы, описанная на сайте компании, предполагает обычную пару резервуаров, температура «холодного» - 350 °C, «горячего» - 700 °C, всё прочее также выглядит вполне стандартно. Едкий натр - довольно опасное вещество, и неясно, какие его преимущества по сравнению с другими теплоносителями заставили разработчиков сделать такой выбор. Интрига сохраняется, так что мы, вероятно, ещё вернёмся к этому вопросу.