使用贫铀作为储氢介质,可以促进氢能的迅速发展。英国最近为探索这一选择提供了研究资金。
1、铀与氢
铀与氢的化学相互作用,既是一种威胁,也是一种机遇。
在室温下,铀和其他金属一样,倾向于吸收氢,形成稳定的金属氢化物UH3。
在核废料方面,铀金属储存和处理过程中的氢化铀存在着危险。
根据英国放射性废物管理机构(RWM)的一份报告,其危险之处主要为潜在的自燃行为和火灾风险。
该报告称,大量积累的氢化铀在暴露于水或水蒸气和大气中氧气时,会出现高度放热的氧化反应,释放高温、热量和一些颗粒物。
含铀的废物,在储存过程中形成氢化铀而燃烧。对氢化铀在何时何地形成以及如何反应仍不清楚,因此,对金属铀燃料和相关废物的处理、储存和处理工艺设计采取高度保守的方法。
这种谨慎态度似乎有所缓和:报告还表示,近年来,在理解燃料和废物储存条件下氢化铀的形成方面取得了重大进展,现在看来,氢化铀暴露于大气中的氧气中可能会发生轻微反应,也可能会发生延迟反应。
从机会的角度来看,贫铀可以吸收氢原子,并在加热时释放氢原子,这意味着它有可能被用作储存介质。已经用于储存氚,氚是聚变反应堆所需的氢同位素之一。
瑞士Tritec公司就生产用于小规模氚处理的贫铀“床”。
带有一个或两个阀门用于氚输入和提取的密封“床”,范围从1g到30g贫铀,产品长达20cm,最大的总容量为10kCi。
贫铀也被选为在下一代聚变试验反应堆ITER中储存氚的溶液,而不是其他具有类似氢吸收的金属。
ITER表示,贫铀(U-238)具有最合适的物理化学属性。
在日益需要氢作为能量载体来补充脱碳能源系统中的电力的背景下,这种储存氚的经验,引发了人们对铀作为储存介质的兴趣。
在生产钢铁或化学品方面,人们已经对氢气有了大量且直接的需求,但它本身也有望成为一种重要的能源载体,为工业供暖或重型运输提供燃料,以及使用相对熟悉的适合以氢气而非天然气为燃料的燃气轮机发电。
2、现场储存
与此同时,全球正在寻找新形式的长期储存,以吸收供应过剩时产生的可再生(和核能)电力,并将其保留数月或数季,以便在低碳电力供应短缺时使用。
氢气被视为一种有价值的储存介质,但大多数关于氢气储存的讨论都涉及大型储存选择,如与天然气储存类似的地下洞穴(甚至可能从天然气储存中重新利用)。
然而,正如工业界在使用其他形式发电时发现的那样,需要不同规模的储存,才能以最低的成本和最可靠的方式为用户运行能源系统。
这种模式已经很熟悉了:尽管如此,连接到电网的电站仍有应急安排,以防供应中断,例如柴油发电机以及柴油库存。
现场氢缓冲存储器可以被视为这种安排的延伸。
与柴油发电机不同(但与电池一样,电池对电力供应公司越来越有吸引力),它们还可以让业主有机会将电力向两个方向转移——管理充电状态,按照实际情况存储,在电价便宜的时候使用,在电价贵的时候减少进口。
使用贫铀储存氢气主要由EdF领导的贫铀储氢(HyDUS)项目进行研究,该项目目前已获得英国政府的支持。
3、HyDUS项目
HyDUS开发财团将通过形成重金属氢化物,探索和开发在环境条件下的氢气化学储存。
除了EdF英国研发公司外,该财团还包括铀浓缩公司Urenco、布里斯托尔大学和英国原子能管理局。
1月,英国政府商业、能源和工业战略部(BEIS)授予该财团773万英镑(930万美元),用于开发利用贫铀的储氢示范装置。
该项目将在位于牛津郡阿宾顿的UKAEA Culham科学中心进行,是BEIS净零创新投资组合(NZIP)的一部分,旨在加快低碳技术和系统的商业化。
HyDUS项目通过将氢气与贫铀化学结合形成重金属氢化物,来证明氢气在环境条件下的化学储存。
在储存演示器中,氢气将被贫铀“床”吸收,然后在需要使用时释放氢气。
据Urenco介绍,HyDUS项目将在未来24个月内交付一个模块化演示系统,其目标是将该技术初步安装在核电站,从而提高核电站的盈利能力。
然而,后来人们希望这项技术能够更广泛地应用,并用于支持运输和重工业,如铝和钢铁冶炼。
联合会成员汤姆·斯科特(Tom Scott)教授说:“我们使用的氢化物可以在环境压力和温度下化学储存氢气,但值得注意的是,它们的密度是液氢的两倍。这种材料还可以通过加热快速释放储存的氢气,这使其成为一种非常有效的可逆储氢技术。”
作为项目合作伙伴,Urenco将提供贫铀材料,也被称为尾矿,这是铀浓缩过程的副产品。
在成功的项目演示之后,Urenco将为这一创新储氢技术的商业实施做出贡献。
Urenco业务发展主管David Fletcher在一份声明中表示:“我们很自豪能成为这个令人兴奋的项目的一部分,该项目将经过验证的聚变技术和Urenco贫铀尾矿库存的潜在商业用途结合在一起,为新兴的氢经济开发可持续的低碳储能解决方案。”
在之前关于其脱碳研发的讨论中,EdF表示,它正在与利益相关者发展氢气生产、分销和消费的关系。
其英国研发中心,现在有一个零碳中心,旨在将低碳发电与现有和新技术相结合,以实现需求脱碳。
零碳中心的团队完成了HyDUS的可行性研究,研究了其在体积密度、纯度和长寿命方面的潜在优势。
在宣布拨款后,HyDUS团队也开始寻求与供应链公司的合作。
该工艺需要一台压缩机来从初始压力低至约0.1 barA回收高纯度氢气,并将其压缩至10-20 barA储存。
UKAEA正在寻求与氢气压缩机的制造商和供应商合作,以了解这些装置的操作要求和能力,并研究通过电化学燃料电池将气态氢气转化为电力。