Sulasuolareaktori

Tekninen rakenne

Sulasuolareaktorin polttoaine ja samalla sen lämmönvälittäjäaine – sulannut suola on kuumaa ja juoksevaa, mikä tuo niin haasteita kuin hyötyjä teknisen rakenteen kannalta. Tosin kuin kiinteällä polttoaineella toimivassa reaktorissa, neste voidaan nopeasti valuttaa reaktorista inerttiin säiliöön hätätilanteessa, eikä valuttamiseen tarvita sähkökäyttöistä pumppua. Polttoainetta voidaan lisätä, huoltaa ja vaihtaa ilman reaktorin alasajoa, toisin kuin tavallisesti kiinteäpolttoaineisissa reaktoreissa kuten kevytvesireaktoreissa.
Reaktori koostuu kahdesta pääosasta "sydän" ja "huopa". Reaktorin sydämessä tapahtuu fissio ja samalla syntyy vapaita neutroneja. Huovassa, joka kulkee sydämen lähellä, kiertää fertiili polttoaine ja absorboi fissiossa syntyneitä vapaita neutroneja. Toriumin beetahajoaminen uraaniksi kestää keskimäärin 27 päivää, siksi fertiili polttoaine siirretään "hautumaan" pois huovasta välivarastoon, ennen kuin se ohjataan takaisin sydämeen. Polttoainetta käsitellään ja huolletaan jatkuvassa kierrossa ja siitä poistetaan fissiotuotteet tai kaupallisesti tärkeät sivutuotteet kuten lääkeradioisotoopit, polttoainetta vaihdetaan prosessimaisesti eikä syklisesti kuten esim. kevytvesireaktoreissa kts. Kuva 1. Myös ns. kiintiöreaktorin rakentamisen mahdollisuus on olemassa, siinä polttoainetta ei huolleta lainkaan, vaan reaktorin käytöstä luovutaan kun sen tehokas hyötysuhde vaimenee ajan myötä.  Sydämestä kuumentunut nestemäinen polttoaine ohjataan lämmönvaihtimeen, josta lämpöenergia voidaan muuttaa mekaaniseksi energiaksi esimerkiksi kaasuturbiinin (CO₂) avulla ja edelleen sähköenergiaksi. Koska lämpötilat ovat korkeammat kuin kevytvesireaktorissa voidaan turbiineissa soveltaa välittäjäaineena superkriittistä hiilidioksidia höyryn sijaan, jolloin saavutetaan parempi, jopa 50% hyötysuhde. Hyötysuhdetta voi entisestään parantaa välttämällä energiakonversio, eli hyödyntämällä osa lämpöenergiasta suoraan. Lämpöenergiaa voidaan hyödyntää esimerkiksi keskuslämmitysratkaisuissa, kemiallisissa prosesseissa kuten esimerkiksi juomaveden valmistamisessa merivedestä tislaamalla ja muissa.
Reaktorissa syntyy fission seurauksena fissiotuotteita, jotka voidaan poistaa jatkuvan polttoainehuollon yhteydessä, ilman alasajoa. Jotkut lyhytikäiset hyödylliset lääkeradioisotoopit, kuten molybdeeni-99 (puoliintumisaika 3 päivää) voidaan ottaa nopeasti talteen reaktorista ja hyödyntää (syövän hoito).

Haasteet

Toriumia ei voida käyttää nykyisissä, yleisesti käytössä olevissa, uraanin käyttöön perustuvissa, kevytvesireaktoreissa. Siirtyminen toriumin käyttöön vaatisi suuria investointeja – niin tutkimuksen kuin toteutuksenkin osalta. Torium-vaihtoehtoa on historiallisista syistä tutkittu ja toteutettu huomattavan vähän, sillä uraanin käyttö tuki ydinaseiden valmistamista siinä missä toriumin käyttö ei.
Toriumilla toimiva sulasuolareaktori ei tuota toimintansa sivutuotteena lähes lainkaan aseteollisuuteen soveltuvaa plutoniumia (Pu-239) (7-portainen neutronikaappaus on äärimmäisen epätodennäköinen), eikä väkevöintiprosessin sivutuotteina synny valtavia määriä köyhdytettyä uraania, sillä isotooppirikastusta ei tarvita. Nämä ominaisuudet vaikuttivat merkittävästi ydinenergiateknologian kehityksessä kohti uraani-lähtöisiä voimaloita toriumpohjaisten sijasta. Nykypäivänäkään teknologisesti kehittyneet maat, eivät edelleen aktiivisesti panosta torium-pohjaisen energiateknologian kehittämiseen.

Vertailu kevytvesireaktoriin

Kevytvesireaktorissa 96% polttoaineessa olevasta uraanista on ko. reaktorissa ydinreaktioon sopimatonta U-238 isotooppia. Energiantuottoon soveltuvaa U-235 isotooppia on vain 4% kaikesta uraanista ja pitoisuus laskee käytön aikana 0,7%:iin, jolloin polttoaine katsotaan käytetyksi. 96% kevytvesireaktorissa olevasta uraanista ei siis osallistu lainkaan energiantuottoon, mutta altistuu kuitenkin reaktorissa neutronipommitukselle ja siten noin 1% polttoaineesta muuttuu joka kerta ydinasekäyttöön soveltuvaksi plutoniumiksi (Pu-239). Polttoainetehokkuus on erittäin huono – alle 0,1% polttoaineesta "palaa" reaktorissa. Kevytvesireaktorin polttoaine on pakattu zirkoniumisiin putkiin. Zirkonium voi tietyissä olosuhteissa reagoida veden kanssa niin, että se vapauttaa vedestä vetyä, jolloin vaarana on vety-happi räjähdys (kts. Tšernobyl). Kevytvesireaktorin lämmönsiirtoaine on tavallinen vesi, mikä tuo useita haasteita hyötysuhteen ja turvallisuuden kannalta. Juoksevan veden lämpötila on verrattain alhainen, jopa superkriittisellä alueella, minkä seurauksena lämmönvaihtimien ja höyryturbiinien Carnot'n hyötysuhde jää alhaiseksi (~30%). Superkriittinen vesi on räjähdysherkkää (vesihöyry-(paine)räjähdys), ensiö- tai toisiopiirin paine on taattava jatkuvasti. Kevytvesivoimala vaatii suuren ja kalliin suojarakennuksen (paineräjähdyksen hallitsemiseksi). Kevytvesivoimala tuottaa suuren määrän lämmintä vettä lauhduttimen toiminnan seurauksena (Carnot'n hyötysuhteen parantamiseksi), lauhdeveden lämpötila on kuitenkin liian alhainen esim. kaukolämpöjärjestelmässä tai muissa kohteissa hyödynnettäväksi. Lauhdevesi päästetään tavallisesti luonnonvesistöihin, mikä aiheuttaa mm. rehevöitymistä ja muita ekologisia ongelmia. Hätätilanteessa kevytvesireaktorit nojautuvat sähkökäyttöisiin laitteisiin, jotka voivat vaurioitua ja aiheuttaa vaaratilanteen (kts. Fukushima I onnettomuus). Sulasuolareaktorissa on sisäänrakennettu ns. luonnollinen turvajärjestelmä, sähkökäyttöinen laite (jäähdytin) pitää polttoaineen reaktorissa ns. jäätulpan (freeze plug) avulla. Jos sähkö katkeaa, tulppa sulaa ja polttoaine valuu painovoiman seurauksena inerttiin säiliöön, jossa ydinreaktio lakkaa itsestään, kun polttoaine jäähtyy ja kyllästyy fissiotuotteilla. Fissiotuotteiden määrä polttoaineessa ohjaa reaktorin tehoa, jos määrä kasvaa, laskee vastaavasti fissioiden määrä ja teho laskee, mikä on luonnollinen ja toimenpiteitä vaatimaton turvallisuusmekanismi. Tehoa voidaan säätää lisäksi mekaanisesti esim. polttoainevirtauksilla.