Reactor nuclear cu sare topită

Schema reactorului de sare topită.

Un reactor nuclear cu sare topită (MSR) este un tip de reactor nuclear de fisiune în care lichidul de răcire primar, sau chiar combustibilul în sine, este un amestec de sare topită. Reactoarele nucleare cu sare topită funcționează la o temperatură mai mare decât reactoarele răcite cu apă pentru o eficiență termodinamică superioară, rămânând la o presiune de vapori scăzută.

Funcționarea aproape de presiunea atmosferică reduce stresul mecanic, simplifică aspectele de proiectare și îmbunătățește siguranța. Ar trebui să fie posibilă construirea și operarea reactoarelor de sare topită mai economic decât centralele electrice pe cărbune. ^[1]

Combustibilul nuclear poate fi solid sau dizolvat în lichidul de răcire. În multe modele, combustibilul nuclear este dizolvat într-un agent de răcire a sărurilor de fluor dizolvate, cum ar fi tetrafluorura de uraniu (UF ₄ ). Fluidul devine critic într-un miez de grafit care servește ca moderator. Modelele solide se bazează pe combustibili ceramici dispersați într-o matrice de grafit, sărurile dizolvate asigurând răcire sub presiune și căldură ridicată. Sărurile sunt mult mai eficiente decât apa la eliminarea căldurii din miez, reducând nevoia de pompare, conducte și reducând dimensiunea miezului.

Primul experiment al reactorului aeronavei a fost motivat mai ales de designul compact pe care acesta din urmă l-ar putea oferi, în timp ce experimentul reactorului de sare (1965-1969) a fost un prototip pentru o centrală nucleară auto - fertilizantă alimentată de toriu. Un interes reînnoit pentru această tehnologie a apărut de la începutul anilor 2000, odată cu dezvoltarea reactorului nuclear din generația a 4-a, care include o versiune refrigerată cu săruri topite; referința inițială a fost de 1000 MWe ^[2] cu o deplasare la data țintă de 2040. ^[3]

Un alt avantaj al unui nucleu mic este că are mai puține materiale care pot absorbi neutronii. Într-un reactor care utilizează toriu ca combustibil, o economie excelentă de neutroni favorizează o mai bună fertilizare a toriu-232 în uraniu-233. Din acest motiv, reactorul de sare topită este deosebit de potrivit pentru ciclul de combustibil nuclear de toriu.

Istorie

Experimentul reactorului aeronautic

Clădirea pentru Experimentul cu reactor aeronautic a fost ultima adaptată pentru MSR.

Cercetări ample în reactoare cu sare topită au început cu proiectul SUA, Aircraft Reactor Experiment (ARE) în sprijinul programului SUA, Aircraft Nuclear Propulsion. ARE a fost un experiment cu reactor nuclear de 2,5 MWh conceput pentru a atinge o densitate mare de putere pentru a fi folosit ca motor pentru un bombardier cu energie nucleară. Proiectul a inclus mai multe experimente, inclusiv un reactor la temperatură înaltă și testul motorului denumit în mod colectiv Experimente cu reactoare de transfer de căldură: HTRE-1, HTRE-2 și HTRE-3 la Stația Națională de Testare a Reactorului (acum Laboratorul Național Idaho), de asemenea, un reactor Sare topită la temperatură înaltă Laborator experimental la Oak Ridge National Laboratories, ARE. AER a utilizat săruri de fluor de NaF-ZrF4-UF4 (53-41-6 mol%) drept combustibil, a fost moderat de oxid de beriliu (BeO), a utilizat sodiu lichid ca agent frigorific secundar și a avut o temperatură maximă de 860 ° C. Funcționam la 100 MW-ore timp de peste nouă zile în 1954. Acest experiment a folosit aliajul Inconel 600 pentru structuri metalice și țevi. ^[4]

Experimentul reactorului de sare topită

Schema MSRE

Laboratorul Național Oak Ridge (ORNL) a preluat conducerea în cercetarea MSR prin anii 1960 și o mare parte din munca lor a culminat cu Experimentul cu reactor de sare în topitură (MSRE). MSRE a fost un reactor de testare de 7,4 MWth care simulează nucleul de neutroni al unui tip de reactor de toriu cu sare topită autofertilizant cu siguranță intrinsecă , numit reactor de toriu cu floră lichidă . Au testat 233UF4 un combustibil fluid care are o cale de degradare unică care minimizează risipa. Temperatura reactorului de 650 ° C, care ar putea alimenta motoarele termice cu randament ridicat, cum ar fi motoarele cu buclă închisă pe gaz. Pătura mare, scumpă de îngrășământ cu sare de toriu a fost omisă în favoarea măsurătorilor de neutroni.

MSRE era în ORNL. Tuburile, nucleul și diferitele componente structurale au fost realizate din Hastelloy-N, iar moderatorul său a fost grafit pirolitic. A devenit critic în 1965 și a lucrat timp de patru ani. Combustibilul pentru MRSE a fost LiF-BeF2-ZrF4-UF4 (65-29-5-1), miezul de grafit l-a moderat, lichidul său de răcire a fost FLiBe (2LiF-BeF2). A atins temperaturi de până la 650 ° C și a funcționat pentru echivalentul a aproximativ 1,5 ani de putere maximă.

Reactor de crescător de sare topită de laborator național Oak Ridge

Punctul culminant al cercetărilor din laboratorul național Oak Ridge între anii 1970-1976 a dus la proiectarea reactorului de reproducere a sării topite (MSBR) care ar folosi LiF BeF-2-4-THF UF 4 (72-16-12-0.4) ca combustibil, trebuia să fie moderat cu grafit cu un program de înlocuire de 4 ani, utilizați NaF NABF-4 ca agent de răcire secundar și are o temperatură maximă de 705 ° C. ^[5] Reactorul de sare topită a oferit multe avantaje potențiale:

• Proiectare intrinsecă sigură (siguranță față de componentele pasive și coeficientul puternic de reactivitate a temperaturii negative).
• Utilizarea unei surse abundente de toriu pentru a crește combustibilul de uraniu-233.
• Mult mai curat: cu un sistem complet de reciclare, deșeurile sunt în principal produse de fisiune, dintre care cele mai multe au un timp de înjumătățire scurt de deșeuri de actinide. Acest lucru poate duce la o reducere semnificativă a perioadei de izolare geologică (300 de ani în loc de zeci de mii).
• Faza lichidă a combustibilului permite extragerea nu numai a produselor de fisiune, ci și separarea acestora, obținând produse de fisiune potențial utile pentru a fi colectate și vândute.
• Poate „arde” unele deșeuri radioactive problematice (cu elemente transuranice din reactoarele nucleare tradiționale cu combustibil solid)
• De asemenea, este posibil în dimensiuni mici, chiar de la 2-8 MW sau de la 1-3 MW. Reactoare pentru submarine sau aeronave.
• Poate reacționa la schimbările de încărcare în mai puțin de 60 de secunde (spre deosebire de combustibilul solid „tradițional”)

Proiectul Molten Salt Breeder Reactor a primit finanțare până în 1976. Ajustat pentru inflație la 1991 dolari, proiectul a primit 38,9 milioane dolari în perioada 1968-1976; Prin comparație, cercetarea LMFBR a primit 1.459,6 milioane dolari ajustate pentru inflație (de aproximativ 37,5 ori mai mult decât aceea) în aceeași perioadă. ^[6] Motivele anulării programului sunt următoarele:

• Suportul politic și tehnic pentru programul din Statele Unite a fost prea mic din punct de vedere geografic. În Statele Unite, doar în Oak Ridge, Tennese, tehnologia a fost bine înțeleasă. ^[7]
• Programul MSR a concurat cu programul de reactor de creștere rapidă, care a primit o notificare rapidă și a avut fonduri guvernamentale abundente pentru a fi cheltuite în multe părți ale SUA. nu a putut justifica deturnarea fondurilor substanțiale de la LMFBR la un program concurent.

Evoluțiile recente

Reactor de sare topită la temperatură foarte ridicată

Se reiau cercetările pentru reactoarele care folosesc sare topită ca agent de răcire. Atât reactoarele convenționale, cât și reactoarele cu temperatură foarte ridicată (VHTR) au fost considerate ambele reactoare de generația a 4-a . O versiune căutată în prezent a VHTR este Reactorul de temperatură foarte ridicată pentru sare lichidă (LS-VHTR), cunoscut și sub denumirea de Reactor avansat de temperatură înaltă (AHTR). Este în esență un VHTR standard care folosește sare fluidă în circuitul primar, în loc de un singur circuit de heliu. Utilizați combustibil TRISO dispersat în grafit. Cercetările timpurii despre AVHTR s-au concentrat pe grafit sub formă de tije de grafit inserate în blocuri hexagonale de moderare a grafitului, dar cercetările moderne se concentrează pe moderatorii de tip reactor cu pat de pietriș . LS-VHTR are multe caracteristici interesante, inclusiv: capacitatea de a lucra la temperaturi foarte ridicate (punctul de fierbere al sărurilor topite peste 1400 ° C), răcirea la presiune scăzută care poate fi utilizată pentru o instalație de producție. Hidrogen (multe plante necesită temperaturi peste 750 ° C), conversie mai bună la electricitate decât reactoarele VHTR cu heliu, sistemele de siguranță pasivă și o mai bună reținere a produselor de fisiune în caz de accident. Conceptul este acum denumit Reactor cu Tempreatură Răcită cu Sare Fluorurică (FHR). ^[8]

Reactor cu toriu fluorurat condensat

Reactoarele care conțin săruri de toriu topite, numite reactor de toriu cu fluorură topită sau reactor de toriu cu fluorură lichidă (LFTR), utilizează sursa abundentă de energie care este ciclul combustibilului de toriu. Companiile private din Japonia, Rusia, Australia și Statele Unite și guvernul chinez și-au exprimat interesul pentru dezvoltarea acestei tehnologii.

Susținătorii acestei tehnologii estimează că 500 de tone de toriu ar putea asigura toate nevoile anuale de energie ale Statelor Unite. Studiul geologic al Statelor Unite estimează că cel mai mare zăcământ, din districtul Lemhi Pass de la granița Montana-Idaho, conține rezerve de 64.000 de tone de toriu. ^[9]

MSR Fuji

Fuji MSR este un LFTR de 100 până la 200 MWe, utilizând o tehnologie similară cu reactorul Oak Ridge National Laboratory. Acesta este dezvoltat de un consorțiu din Japonia, Statele Unite și Rusia. Probabil un reactor mare ^[10], dar proiectului pare să îi lipsească fondurile. ^[11]

Proiectul MSR de toriu chinezesc

Sub îndrumarea lui Jiang Mianheng, Republica Populară Chineză a inițiat un proiect de cercetare privind tehnologia reactorului de sare topită. Acesta a fost anunțat oficial la conferința anuală a Academiei Chineze de Științe (ACS) din ianuarie 2011. Obiectivul său final este de a dezvolta un reactor pilot de toriu cu sare topită în 20 de ani. ^{[12] [13]}

Flibe Energy

Kirk Sorensen, fost om de știință NASA și inginer nuclear șef la Teledyne Brown Engineering, a fost un susținător al ciclului combustibilului de toriu, inventând termenul LFTR. În 2011 a fondat Flibe Energy, o companie care urmărește dezvoltarea de reactoare LFTR de 20-50 MW concepute pentru alimentarea bazelor nucleare. ^[14]

Fundația Weinberg

Fundația Weinberg este o organizație non-profit înființată în 2011, dedicată acționării ca centru de comunicare, dezbatere și influență politică pentru a crește gradul de conștientizare cu privire la potențialul energiei de toriu și LFTR. El a fost lansat oficial în Camera Lorzilor pe 8 septembrie 2011. ^[15]

Opțiuni de combustibil pentru reactor

• Varianta alimentată de toriu numită LFTR a uimit mulți ingineri nucleari. Cel mai important exponent al său este Alvin M. Weinberg , care a brevetat reactorul cu apă ușoară și a fost director al Laboratorului Național Oak Ridge din Statele Unite, un important centru de cercetare nucleară. Recent a făcut obiectul unui interes reînnoit.
• MSR poate fi alimentat cu Uraniu-235 îmbogățit.
• MSR poate fi alimentat folosind materiale fisibile din arme nucleare . ^[16]

Reactoare răcite cu sare

Reactoarele alimentate cu sare sunt foarte diferite de reactoarele răcite cu sare, numite pur și simplu „Sistem de reactoare de sare topită” în propunerea pentru reactoarele de generația IV , numite și MSCR, care este, de asemenea, acronimul pentru proiectarea reactorului de conversie a sării topite. Aceste reactoare au fost denumite Reactoare Avansate la Temperatură Înaltă (AHTR), dar din 2010 denumirea DoE este Fluorură Reactoare la temperatură înaltă (FHR).

Deși combustibilul nu poate fi ușor reprocesat, reactorul FHR menține siguranța, avantajele costurilor unei presiuni de funcționare scăzute și o eficiență mai mare decât LWR convențional datorită temperaturilor ridicate atinse de fluidul de funcționare.

O mare parte din cercetările privind FHR se concentrează pe schimbătoarele de căldură compacte. Utilizând schimbătoare de căldură mai mici trebuie să se utilizeze mai puțină sare și, prin urmare, s-ar putea realiza economii substanțiale. ^[17]

Sărurile topite pot fi foarte corozive, mai ales pe măsură ce temperatura crește. Pentru ciclul primar de răcire al MSR, este necesar un material care poate rezista la coroziune la temperaturi ridicate și radiații intense. Experimentele arată că Hastelloy-N și aliaje similare sunt destul de potrivite pentru sarcini la temperaturi de până la aproximativ 700 ° C. Cu toate acestea, experiența pe termen lung nu a fost încă dobândită cu un reactor la scară. Ar fi de dorit temperaturi mai mari de funcționare, dar la 850 ° C devine posibilă producția termochimică de hidrogen, ceea ce creează dificultăți de proiectare serioase. Materialele pentru această gamă nu au fost încă validate, însă pot fi posibile compozite de carbon, aliaje de molibden , carburi și materiale refractare metalice.

Selecția sării

FLiBe fuzionat

Amestecurile de sare sunt alese pentru a spori siguranța și confortul. Fluorurile sunt favorabile, deoarece nu necesită separarea izotopilor (clorurile o fac). Nu devine radioactiv sub bombardamentul cu neutroni. De asemenea, absoarbe mai puțini neutroni și moderează neutronii rapizi. Fluorurile cu valență scăzută fierb la temperaturi ridicate, deși multe pentafluoruri și hexafluoruri fierb la temperaturi scăzute. În plus, trebuie să fie foarte fierbinți înainte de a se descompune în componentele lor chimice, aceste săruri sunt „stabile din punct de vedere chimic, atunci când sunt menținute cu mult sub temperatura lor de fierbere.

Sărurile sunt adesea aproape de eutectică pentru a reduce punctul de topire. Un punct de topire scăzut facilitează dizolvarea sărurilor la pornire și reduce riscul înghețării sării în schimbătorul de căldură.

Unele săruri sunt atât de utile încât separarea izotopului merită. Clorurile permit construirea reactoarelor rapide de autofertilizare cu neutroni pe săruri topite, dar s-a făcut puține lucrări la reactoarele care le folosesc. Clorul trebuie purificat până la clor-37 pentru a reduce producția de tetrafluorură de sulf, atunci când clorul radioactiv se descompune în clorură de sulf. În mod similar, orice litiu prezent într-un amestec de sare sub formă purificată de litiu-7 pentru a reduce producția de tritiu (tritiul formează fluorură de hidrogen).

Având în vedere „fereastra redox” mare a sărurilor fluorurate fluide, potențialul chimic poate fi schimbat. Fluor-litiu-beriliu (FLiBe) poate fi utilizat cu beriliu pentru a reduce potențialul electrochimic și aproape pentru a elimina coroziunea. Cu toate acestea, deoarece beriliul este toxic, trebuie luate măsuri speciale de prevenire a dispersării acestuia în mediu. Multe alte săruri pot provoca probleme de coroziune, mai ales dacă reactorul este suficient de fierbinte pentru a produce hidrogen foarte reactiv.

Până în prezent, mulți cercetători s-au concentrat asupra FLiBe, deoarece litiu și beriliu sunt moderatori destul de eficienți și formează un amestec eutectic. Beriliu face, de asemenea, divizarea neutronilor, îmbunătățind economia neutronilor. Acest proces se întâmplă atunci când beriliul re-emite 2 neutroni după ce a absorbit unul. Pentru sărurile care transportă sarea, în general se adaugă 1 sau 2% UF4. De asemenea, s-au folosit fluoruri de toriu sau plutoniu.

Tratamentul sării topite

Posibilitatea procesării online poate fi un avantaj pentru proiectarea MSR. Tratamentul continuu ar reduce inventarul produselor de fisiune, ar controla coroziunea și ar îmbunătăți economia neutronilor prin eliminarea produselor de fisiune cu absorbție ridicată de neutroni, în special Xenon . Acest lucru face ca MSR să fie deosebit de potrivit pentru ciclul nuclear de toriu sărac. Tratamentul continuu poate introduce riscuri de accidente de tratament, care pot provoca eliberarea deșeurilor radioactive.

În anumite scenarii de fertilizare, toriu, al cărui produs intermediar este protactiniu-233, ar putea fi îndepărtat din reactor și lăsat să se descompună pentru a forma uraniu-233, un material care ar putea fi folosit în bombe. Modele mai moderne propun utilizarea unei puteri specifice mai mici sau a unei pături de fertilizare pentru toriu. Aceasta diluează procanthiul până la un punct în care câțiva atomi absorb un al doilea neutron sau printr-o reacție (n, 2n), generează uraniu-233. Deoarece uraniul-232 are un timp de descompunere scurt și secvența de dezintegrare conține emițătoare de raze gamma, face din amestecul izotopic un material de bombă mai puțin bun. Acest beneficiu ar veni cu costul suplimentar al unui inventar fisibil mai mare sau al unui design cu cantități mari de sare în pătura de fertilizare.

Tehnologia de tratare a combustibilului a fost demonstrată, dar numai la nivel de laborator. O cerință pentru o instalație la scară comercială este de a proiecta un sistem economic de tratare a sării.

Probleme de manipulare a combustibilului

Tratamentul se referă la separarea chimică a combustibilului fisionabil uraniu și plutoniu de deșeurile nucleare. ^[19]

În propunerea originală din 1972 de Reactor pentru ameliorarea sării topite, tratarea uraniului la fiecare zece zile ca parte a funcționării reactorului. ^[19] Recuperarea uraniului sau plutoniului ar putea reprezenta un risc pentru proliferarea nucleară. În Statele Unite, regimurile de reglementare au variat dramatic în diferite administrații.

După un proiect unic de realimentare care a propus limitarea tratamentului la fiecare treizeci de ani la sfârșitul vieții utile a sării. ^[20] Un amestec de uraniu-238 a fost apelat pentru a se asigura că uraniul recuperat nu va fi de grad militar. Dacă tratamentul ar fi interzis, uraniul ar putea fi eliminat împreună cu alte produse de fisiune.

Comparație cu reactoarele cu apă ușoară

MSR-urile pot fi mai sigure decât reactoarele obișnuite cu apă ușoară. MSR-urile pot integra un „dop înghețat” în partea inferioară a reactorului care trebuie răcit activ, de obicei un ventilator electric. Dacă răcirea nu reușește, de exemplu din cauza unei întreruperi de curent, ventilatorul se oprește, „capacul” se topește și sarea topită este descărcată într-o instalație de depozitare sub-critică răcită pasiv. Sărurile topite captează chimic produsele de fisiune și reacționează lent sau deloc cu aerul. În plus, sarea nu arde în aer sau apă și sunt impermeabile la radiații. Miezul și bucla de răcire primară funcționează aproape de presiunea atmosferică și nu are abur, astfel încât o explozie de abur este imposibilă. Chiar și în cazul unui accident, mulți produse de fisiune radioactivă s-ar menține în sare și nu s-ar dispersa în atmosferă. Un miez topit este rezistent la topirea miezului, deci cel mai grav accident posibil este o scurgere. În acest caz, sarea poate fi evacuată într-o instalație de depozitare frigorifică pasiv, controlând incidentul. Acceleratorii de neutroni au fost propuși pentru proiecte experimentale subcritice super-sigure, iar inițierea transmutării toriului în uraniu-233 poate fi realizată direct cu ceea ce este în esență o sursă medicală pentru protoni. ^[21]

Anumite tipuri de reactoare cu sare topită sunt foarte economice. Deoarece circuitul de refrigerare central și primar au presiune scăzută, acesta poate fi construit cu pereți subțiri și sudat economic. Prin urmare, poate fi mult mai ieftin decât vasul sub presiune cerut de miezul unui reactor cu apă ușoară. În plus, o anumită formă de reactor fertilizat cu combustibil lichid de toriu ar putea utiliza mai puțin material fisibil pe mega watt decât orice alt reactor. MSR-urile pot funcționa la temperaturi foarte ridicate, obținând randamente ridicate pentru producerea de energie electrică. Temperaturile unor modele propuse sunt suficient de ridicate pentru a produce hidrogen sau pentru a alimenta alte reacții chimice. Din acest motiv, aceste modele au fost incluse în foaia de parcurs GEN-IV pentru studii ulterioare. ^[22]

MSR-urile au, de asemenea, o economie de neutroni mult mai bună și, în funcție de design, un spectru de neutroni mai dur decât reactoarele convenționale. Prin urmare, poate funcționa cu combustibili mai puțin reactivi. Unele proiecte (cum ar fi MSRE) un proiect poate funcționa cu toți cei trei combustibili nucleari. De exemplu, poate fertiliza uraniul-238, din toriu sau chiar deșeuri din reactoarele cu apă ușoară. În schimb, un reactor răcit cu apă nu poate consuma tot plutoniul pe care îl produce, deoarece impuritățile reziduale din fisiune crescute absorb prea mulți neutroni, „otrăvind” reactorul. ^[23]

MSR-urile se întind pe o gamă largă de puteri. Au fost construite și operate mici reactoare de câteva mega wați. Au fost propuse modele teoretice de până la mulți gigawați. Datorită structurilor lor ușoare și a miezurilor compacte, MSR-urile au o greutate mai mică pe watt (adică au o „putere specifică” mai mare decât alte balasturi dovedite. Astfel, în dimensiuni mici, cu intervale lungi de realimentare, acestea reprezintă o alegere excelentă pentru alimentarea vehiculelor, inclusiv a navelor, avioanelor și navelor spațiale. Acest lucru a fost demonstrat de prototipul lor inițial, experimentul reactorului aerian.

Dezavantaje

Notă: Multe dintre eforturile de cercetare și dezvoltare din deceniile următoare vor viza rezolvarea acestor probleme, astfel încât unele să poată fi rezolvate sau reduse. Pot apărea noi probleme și pot fi sau nu soluționate.

• Dezvoltare mică în comparație cu reactoarele de generație IV.
• Trebuie să utilizați o instalație la fața locului pentru a gestiona amestecul chimic de bază și pentru a elimina produsele de fisiune.
• Sărurile de litiu conținute vor provoca o producție de tritiu (în raport cu reactoarele de apă), chiar dacă se utilizează 7 Li uro.
• Regulamentele vor avea nevoie probabil de modificări pentru a aborda noile modele.
• Coroziunea poate apărea de-a lungul deceniilor de funcționare a reactorului și ar putea fi problematică
• Aliajele de nichel și fier sunt supuse fragilității, deoarece sunt supuse unor fluxuri de neutroni mari.

Notă

Elemente conexe

• Reactor nuclear de generația IV
• Avioane cu propulsie nucleară
• Energie nucleară

Alte proiecte

• Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre Reactorul nuclear cu sare topită

Portale Energia nucleare

Portale Ingegneria