Ученые из Университета штата Юта в США интегрировали высокотемпературный паровой электролизер с передовой ядерной энергетической установкой. Их цель состояла в том, чтобы оценить, насколько эффективно можно объединить атомную генерацию и производство водорода, используя энергию реактора максимально полно и без выбросов CO₂.
Экспериментальная модель была построена на основе реактора Natrium компаний TerraPower и GE Hitachi. Этот реактор относится к типу натриевых быстрых реакторов и работает при значительно более высоких температурах, чем традиционные водо-водяные установки. В качестве теплоносителя в нем используется жидкий натрий, обеспечивающий эффективный теплообмен при низком давлении. Такая схема позволяет передавать избыточное тепло в систему накопления энергии на расплавленной соли, которая служит своеобразным буфером: она аккумулирует тепловую энергию, а затем отдает ее для покрытия пиковых нагрузок или для питания внешних технологических процессов, включая получение водорода.
Исследователи построили модель ядерно-гибридной энергосистемы (Nuclear Hybrid Energy System), в которой реактор, тепловой накопитель и водородный электролизер объединены в единую термодинамическую структуру. Такая система позволяет перераспределять вырабатываемую энергию в зависимости от потребностей: в часы высокой нагрузки – отдавать ее в сеть, а при снижении спроса – использовать для производства водорода, превращая избыточную мощность в топливо.
Ключевым элементом водородного блока стал высокотемпературный паровой электролизер на основе твердоксидных ячеек – керамических элементов, в которых водяной пар при температуре около 850 °C разлагается на водород и кислород. В таких условиях часть энергии подается в виде тепла, что снижает потребление электричества примерно на треть и делает процесс значительно эффективнее традиционного низкотемпературного электролиза воды.
Исследователи рассмотрели три варианта интеграции реактора Natrium с паровым электролизером. В первом случае тепло, выделяющееся при производстве водорода, использовалось для подогрева питательной воды в паровом цикле реактора. Это позволило уменьшить пароотбор из турбин и повысить общий КПД установки примерно на 0,9%. Во втором варианте тепло от водорода применялось также для повторного нагрева пара после первой ступени турбины, что дало дополнительный прирост эффективности – до 1,1 %. В третьей схеме электролизер питался паром напрямую из турбин, без промежуточных теплообменников и без использования расплавленной соли. Это решение упростило конструкцию и снизило стоимость, а общая эффективность комплекса «реактор + водород» оказалась на 2-3 % выше, чем у базового варианта без интеграции.
Хотя полученные результаты нельзя назвать революционными, исследование важно тем, что демонстрирует новый инженерный подход к использованию ядерной энергии. Даже небольшой прирост КПД при мощности реактора в сотни мегаватт означает десятки мегаватт дополнительной полезной энергии. Но еще важнее то, что подобная интеграция формирует новую архитектуру атомной энергетики: реакторы нового поколения могут работать как многофункциональные ядерно-гибридные энергохабы, способные одновременно вырабатывать электричество, аккумулировать тепло и получать водород.
