Sıvı florür toryum reaktörü

Sıvı florür toryum reaktörü (kısaltma SFTR, LFTR - Liquid fluoride thorium reactor; sıklıkla kaldıraç şeklinde telaffuz edilir), bir tür erimiş tuz reaktörüdür. LFTR, yakıt için florür esaslı, erimiş, sıvı tuzlu toryum yakıt çevrimini kullanır.
Erimiş tuz yakıtlı reaktörler (MSR - Molten salt reactor) erimiş bir tuz karışımı şeklinde nükleer yakıt tedarik etmektedir. Katı bir yakıt kullanan erimiş tuzla soğutmalı yüksek sıcaklık reaktörleri (florür yüksek sıcaklık reaktörü, FHR - Fluoride high-temperature reactor) ile karıştırılmamalıdır. Bir tür olarak erimiş tuz reaktörleri, hızlı veya ısıl tayfda hem florür veya klorür tuzu bazlı yakıtlar hem de bölünebilir veya üretken sarf malzemeleri kullanan yakıcıları ve üreticileri içerir. LFTR'ler, florür yakıt tuzlarının kullanımı ve termal spektrumda uranyum-233'e yapılan toryum ıslahı ile tanımlanırlar.
Bir LFTR'de, toryum ve uranyum-233, taşıyıcı tuzlar içinde eritilerek sıvı bir yakıt oluştururlar. Özgün bir işlemde sıvı, hassas bir çekirdek ile ısı hareketsiz ikincil bir tuza aktarılan bir harici ısı değiştirici (external heat exchanger) arasında pompalanır. İkincil tuz, daha sonra ısısını bir buhar türbinine veya kapalı çevrimli gaz türbinine aktarır. Bu teknoloji, (MSRE, Molten-Salt Reactor Experiment, Erimiş Tuz Reaktörü Deneyi) toryum kullanılmasa da, 1960'lı yıllarda Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı Erimiş Tuz Reaktörü Deneyi'nde ilk defa araştırıldı. Bu son zamanlarda dünya çapında güncellenen bir konudur. Japonya, Çin, İngiltere ve ABD, Çek, Kanada ve Avustralya şirketleri, bu teknolojiyi geliştirme ve ticaretini yapma niyetinde olduklarını belirtmişlerdir. LFTR'ler diğer güç reaktörlerinden hemen hemen her açıdan farklıdır: doğrudan uranyum yerine uranyum haline getirilen toryumu kullanmakta, kapanmadan pompalayarak yakıt almakta, tuzlu bir soğutucu kullanmakta ve daha yüksek çalışma sıcaklıkları üretmektedirler. Bu belirgin özellikler, tasarım zorluklarının yanı sıra birçok olası üstünlüğe de neden olur.

Yetiştirme temelleri

Bir nükleer güç reaktöründe iki tür yakıt vardır. Birincisi, nötronlar tarafından vurulduğunda bölünerek çok miktarda enerji salan ve iki ya da üç yeni nötronu serbest bırakan bölünebilir materyal. Bunlar daha fazla bölünebilir malzeme parçalayabilir, böylece zincir tepkimenin devam etmesi sağlanır. Bölünebilir yakıtlara örnek olarak U-233, U-235 ve Pu-239 verilebilir. İkinci tür yakıta fertil (üretken) denir. Üretken yakıta örnek olarak Th-232 (toryum izotopu) ve U-238 (uranyum izotopu) verilebilir. Genellikle reaktördeki verimli/üretken yakıt miktarı, bölünebilen miktardan çok daha fazladır, ancak doğrudan fisyonlanamaz. Önce fisyon işleminde üretilen 2 veya 3 nötrondan birini nötron yakalama olarak adlandırmalı ve ardından radyoaktif bozunma ile bölünebilir bir izotop haline gelmelidir. Bu işleme doğurma denir.
Tüm reaktörler bu şekilde yakıt üretirken, bugünkü katı yakıtlı termik reaktörler, tükettikleri bölünme miktarını telafi etmek için üretken yakıttan yeterince yeni yakıt üretmezler. Bunun nedeni, günümüz reaktörlerinin mayınlı uranyum-plütonyum döngüsünü ılımlı bir nötron spektrumunda kullanmasıdır. Yavaşlayan nötronları kullanan böyle bir yakıt döngüsü, yetiştirilen plütonyumun fisyonundan 2 yeni bulunan nötronu geri vermesiyle sonuçlanır. Fisyon reaksiyonunu sürdürebilmek için 1 nötron gerektiğinden, yeni yakıt üretmek için fisyon başına 1 nötrondan daha az bir yığın kalır. Buna ek olarak, çekirdekte metaller, ılımlayıcılar ve fisyon ürünleri gibi malzemeler, bazı nötronları soğurarak, reaktörü çalıştırmaya devam etmek için çok az miktarda nötron bırakarak yeterli yakıt üretilmesine neden olacaktır. Sonuç olarak devirli bir şekilde yeni bölünebilir yakıtlar eklenmeli ve yeni yakıta yer açmak için eski yakıtın bir kısmı değiştirilmelidir.
En az tükettiği kadar yeni yakıt sarfeden bir reaktörde, yeni bölünebilir yakıt eklemek gerekli değildir. Reaktör içinde bölünmeye yarayan sadece yeni üretken yakıtlar eklenir. Buna ek olarak fisyon ürünleri de çıkarılmalıdır. Bu tip bir reaktöre üretken reaktör denir. Eğer süresiz olarak çalışmaya devam etmek için verimli yeni fisyon alanına sahip iseniz, buna bozundurucu üretken veya eş üretken denir. Bir LFTR genellikle bir üretken reaktör olarak tasarlanır: toryum içeri girer, fisyon ürünleri çıktısı alınır.
Uranyum-plütonyum yakıt döngüsünü kullanan reaktörler doğumu sürdürebilmek için hızlı reaktörler gerektirir, çünkü hızlı hareket eden nötronlar fisyon işleminde her fisyon başına 2'den fazla nötron sağlamaktadır. Toryum ile, termal reaktör kullanılarak üreme mümkündür. Bu, son yakıt yükü ile oldukça ölçütlü bir hafif su reaktörü olmasına rağmen, tüketime kıyasla toryumdan biraz daha fazla bölünebilen Shippingport Atom Güç Santrali'nde çalıştığı kanıtlandı. Termik reaktörler, başlatım için pahalı çekirdekli yakıta ihtiyaç duymazlar, ancak çekirdekte kalan fisyon ürünlerine daha duyarlıdırlar.
Gerekli üremeyi yapmak için bir üretken reaktörü yapılandırmanın iki yolu vardır; biri verimli ve bölünebilir yakıtların birlikte yerleştirilebilir olması,; bu nedenle üreme ve bölünme aynı yerde gerçekleşir; başkaca, bölünmeli ve bereketli ayrılabilir olması. İkincisi çekirdek ve örtü olarak bilinir; çünkü çekirdek ısı ve nötronları üretirken, ayrı bir örtü tüm üremeyi sağlar.

Reaktör birincil sistem tasarımı değişimleri

Oak Ridge'de, eritilmiş tuz üretken reaktörüyle bir üretim yapmak için her iki yolda araştırma yapılmıştır. Yakıt sıvı olduğundan, "tekil sıvı" ve "ikili sıvı" toryum termal üreme erimiş tuz reaktörü olarak tanımlanmıştır.

Tekil akışkan reaktör

Tekil sıvı tasarımı, toryum ve uranyum içeren florür tuzuyla dolu büyük bir reaktör kabını içermektedir. Grafit çubuklar tuz işlevine daldırılmış ve tuz akışını yönlendiren bir ılımlayıcıdır. ORNL MSBR tasarımında, reaktör göbeğinin kenarına yakın bir miktar grafit, dış bölgenin yetersiz kalmasına ve orada toryum tarafından nötronların tutulmasının artmasına neden olacaktı. Bu düzenleme ile, nötronların çoğu reaktör sınırından biraz uzakta üretilmiş ve nötron sızıntısını kabul edilebilir bir seviyeye düşürmüştü. Yine de, tek bir akışkan tasarımının üretimine izin vermek için önemli bir boyuta ihtiyacı vardır..
Bir üreme yapılandırmasında, yakıt tuzundan fisyon ürünlerini çıkarmak için geniş yakıt işlemi belirtilmiştir. Bir dönüştürücü yapılandırmasında, tesis maliyetini düşürmek için yakıt işleme gereksinimi basitleştirilmişti. Takas, periyodik uranyum yakıt ikmalinin gereği idi.
MSRE, çekirdek bölge için sadece öntür bir reaktördü. MSRE, değerli uzun vadeli bir işletme deneyimi sağlamıştır. Japon bilim adamlarının tahminlerine göre, küçük teknik boşlukları doldurmak ve MSRE ile karşılaştırılabilir küçük bir reaktör öntürü oluşturmakta araştırma finansmanı sağlamak için, 5-10 yıl içinde 300-400 milyon dolarlık nispeten mütevazı bir yatırımla tek bir sıvı LFTR programı elde edilebilirdi.

Güç üretimi

700 °C'lik yüksek çalışma sıcaklığına sahip LFTR, %45 termal verimlilik elektrik aralığında çalışabilir. Bu, elektrik verimliliğinde %32-36 oranında ısıl olan günümüz hafif su reaktörlerinden (LWR - Light water reactor) daha yüksektir. Elektrik üretimine ek olarak, LFTR'den elde edilen yoğunlaştırılmış ısıl enerji, Haber işlemiyle amonyak üretimi veya su bölüştürerek ısıl hidrojen üretimi gibi birçok kullanım için endüstriyel işlem ısısı olarak uygulanmasını sağlayabilir.

Fisyon ürünlerinin kaldırılması

LFTR, yakıttan fisyon ürünlerini çıkarmak için bir mekanizmaya ihtiyaç duymaktadır. Reaktörde kalan fisyon ürünleri nötronları emer ve böylece yeni bölünebilir yakıt üretimini azaltır. Bu, birkaç yedek nötron ve emiliminin güçlü olduğu ısıl nötron tayfında (spektrum) bulunan toryum yakıt döngüsünde özellikle önemlidir. Asgari gereklilik, kullanılmış yakıttan değerli bölünebilir malzemenin geri kazanılmasıdır.
Fisyon ürünlerinin çıkarılması, katı yakıt unsurlarının tekrar işlenişine benzer; kimyasal veya fiziksel yollarla çok değerli bölünebilir yakıt atık fisyon ürünlerinden ayrılır. Kusursuz olarak en iyi şekilde, verimli yakıt (toryum veya U-238) ve diğer yakıt bileşenleri (örneğin katı yakıtlardaki taşıyıcı tuz veya yakıt kaplaması) de yeni yakıt için tekrar kullanılabilir. Bununla birlikte, ekonomik nedenlerden ötürü atıklarla sonuçlanabilirler.
Bir LFTR'nin yakıtı eriyik bir tuz karışımı olduğundan doğrudan sıcak erimiş tuzlan çalışan yüksek sıcaklık yöntemleri ve ısıl işlem kullanmak caziptir. Yüksek ısıl işlem/piro işlem (Pyroprocessing) radyasyona duyarlı solventleri kullanmaz ve çürüme ısısı ile kolayca bozulmaz. Reaktörden gelen radyoaktif yüksek yakıtta doğrudan kullanılabilir. Reaktöre yakın yerde kimyasal ayırma yapılması, nakliyeyi önler ve yakıt çevriminin toplam stokunu düşük tutar. kusursuz bir biçimde, yeni yakıt (toryum) ve atık (fisyon ürünleri) haricindeki her şey tesis içinde kalır.
Yerinde işleme, sürekli çalışmak, tuzun küçük bir kısmını her gün temizlemek ve reaktöre geri göndermek için planlanmaktadır. Yakıt tuzunu çok temiz yapmaya gerek yoktur; amaç, fisyon ürünlerinin ve diğer yabancı maddelerin (örneğin oksijen) konsantrasyonunu yeterince düşük tutmaktır. Özellikle nötron yakalamada büyük bir kesit alanına sahip oldukları için nadir toprak elementlerinin bazılarının konsantrasyonları düşük tutulmalıdır. Cs veya Zr gibi küçük kesitli diğer bazı öğeler, kaldırılmadan önce uzun yıllar boyunca birikebilir.
Daha soy metaller (Pd, Ru, Ag, Mo, Nb, Sb, Tc) normal tuzda florür oluşturmaz, ancak tuz içinde ince metalik parçacıklar oluştururlar. Isı eşanjörü (değiştirici) veya çıkarılması daha kolay olan bazı yüksek yüzey alanlı filtreler gibi metal yüzeylerde plakalanabilirler. MSRE (Molten-Salt Reactor Experiment, Erimiş Tuz Reaktörü Deneyi) sadece nispeten kısa bir işletme deneyimi sağladığı ve bağımsız laboratuvar deneyleri zor olduğu için, bu asil unsurların sona ereceği konusunda halen bazı belirsizlikler bulunmaktadır.
Xe ve Kr gibi bazı elementler helyum desteğiyle gaz olarak kolaylıkla çıkar. Buna ek olarak, "soy" metallerin bir kısmı ince bir buhar halinde gazla birlikte alınır. Özellikle, Xe-135'in hızlı bir şekilde çıkarılması önemlidir, çünkü bu çok güçlü bir nötron zehiridir ve reaktörde bırakıldığında reaktör kontrolünü daha da zorlaştırır. Xe'nin giderilmesi de nötron ekonomisini geliştirir. Gaz (çoğunlukla He, Xe ve Kr), Xe-135'in ve diğer kısa ömürlü izotopların büyük bir kısmı çürümeyene kadar yaklaşık 2 gün bekletilir. Daha sonra gazın çoğu geri dönüşüme tabi tutulabilir. Birkaç ay daha bekletildikten sonra, radyoaktiflik, düşük sıcaklıktaki gazı, helyuma (yeniden kullanım için), ksenona (satış için) ve kriptona ayırmak için yeterince düşüktür. Kripton, Kr-85'in bozunmasını beklemek için uzun bir süre (birkaç on yıl) depolanmaya (örneğin, sıkıştırılmış biçimde) ihtiyaç duyar.
Tuz karışımını temizlemek için çeşitli kimyasal ayırma yöntemleri önerilmiştir. Klasik PUREX yeniden işleme ile karşılaştırıldığında, Yüksek ısıl işlem/piro işlem (Pyroprocessing) daha özlü yapıda olabilir ve daha az ikincil atık üretebilir. LFTR tuzunun yüksek ısıl işlemleri zaten uygun bir sıvı biçim ile başlar, bu nedenle katı oksit yakıtlarını kullanmaktan daha ucuz olabilir. Bununla birlikte, tam bir erimiş tuz yeniden işleme tesisi kurulmadığından, tüm testler laboratuvarla sınırlı olmuş ve sadece birkaç element var olmuştur. Ayrımı iyileştirmek ve yeniden işleme işini daha ekonomik hale getirmek için daha fazla araştırma ve geliştirme gerekmektedir.
Uranyum ve diğer bazı elementler florin uçuculuğu denilen bir işlemle tuzdan uzaklaştırılabilir: Bir florin bir gaz olarak uçucu yüksek değerlikli fluorürleri giderir. Bu ağırlıklı uranyum-233 yakıtı içeren uranyum hekzaflorür, aynı zamanda neptünyum hekzaflorür, teknetiyum hekzaflüorür ve selenyum heksaflorür yanı sıra bazı diğer fisyon ürünlerinin (örneğin iyot, molibden ve tellür) florürlerini içerir. Uçucu florürler ayrıca adsorpsiyon ve damıtma ile ayrılabilir. Uranyum hekzaflorür kullanımı zenginleştirmede iyi bir şekilde kurulmuştur. Yüksek değerli florürler yüksek sıcaklıklarda oldukça aşındırıcıdır ve Hastelloy'dan daha dirençli materyal gerektirirler. ORNL'deki MSBR programındaki bir öneri katılaşmış tuzu koruyucu bir tabaka olarak kullanıyordu. MSRE reaktöründe, yakıt tuzundan uranyum çıkarmak için florin uçuculuğu kullanıldı. Ayrıca katı yakıt unsurlarıyla birlikte kullanılmak üzere florin uçuculuğu oldukça iyi geliştirilmiş ve test edilmiştir.
MSRE programı sırasında denenen diğer bir basit yöntem yüksek sıcaklık vakum damıtımıdır. Uranyum tetraflorür ve LiF ve BeF taşıyıcı tuzu gibi düşük kaynama noktalı florürler damıtmayla uzaklaştırılabilir. Vakum altında sıcaklık ortam basıncının kaynama noktasından daha düşük olabilir. Dolayısıyla, yaklaşık 1000 °C'lik bir sıcaklık, FLiBe taşıyıcı tuzunun çoğunu geri kazanmak için yeterlidir. Bununla birlikte, prensip olarak mümkün olsa da, toryum florürün daha da yüksek kaynama noktalı lantanit floridlerinden ayrılması, çok yüksek sıcaklıklara ve yeni malzemelere ihtiyaç duyar. Bölünebilir yakıt olarak uranyum kullanan 2 akışkanlı tasarımlar için kimyasal ayırma, bu iki nispeten basit işlemlerle birlikte çalışabilir: Örtü tuzundan çıkan uranyum florin uçuculuğu ile giderilebilir ve çekirdek tuzuna aktarılabilir. Bölünebilir ürünleri çekirdek tuzundan çıkarmak için önce uranyum florin, uçuculuğu ile giderilir. Daha sonra taşıyıcı tuz yüksek sıcaklık damıtımı ile geri kazanılabilir. Lantanitler de dahil olmak üzere, yüksek kaynama noktasına sahip florürler atık olarak geride kalır.
Oak Ridge'in erken dönem kimya tasarımları çoğalma ile ilgilenmedi ve hızlı ıslahı amaçladı. Protaktinyum-233'ün ayrılması ve depolanması planlandı, bu nedenle reaktördeki nötron yakalamadan ve yok edilmeden, uranyum-233'e kadar bozunabildi. 27 günlük yarılanma ömrüyle 2 aylık bir depolama ²³³Pa çözünürlüğünün %75'inin ²³³U yakıtla bozunmasını sağlamaktaydı. Bir LFTR için protaktinyum çıkarma adımı kendiliğinden gerekli değildir. Birbirini izleyen çözümler daha düşük bir güç yoğunluğunda ve dolayısıyla daha geniş bölünebilir envanterde (1 veya 1.5 akışkanlı için) veya daha büyük bir örtü ile (2 akışkanlı için) çalışmaktadır. Ayrıca daha sert bir nötron tayfı, protaktinyum yalıtımı olmaksızın kabul edilebilir bir üreme elde etmeye yardımcı olur.
Pa ayrılığı belirtilirse, bu durumun etkili olabilmesi için oldukça sık yapılması gerekir (örneğin her 10 günde bir). 1 GW, 1 akışkan tesisi için bu, yakıtın yaklaşık %10'u veya yakıt tuzunun yaklaşık 15 t'unun her gün yeniden işleme tabi tutulması gerektiği anlamına gelir. Bu, ancak maliyetler katı yakıt yeniden işleme konusundaki şu andaki maliyetlerden çok daha düşükse mümkündür.
Daha yeni tasarımlar genellikle Pa kaldırılmasını önler ve kimyasal ayrıştırma için gereken boyut ve maliyetleri azaltan yeniden işleme tuzu gönderirler. Aynı zamanda, kimyasal olarak ayrılmış Pa'nın çürümesinden elde edilebilecek yüksek saflıkta U-233'ten dolayı çoğalma endişelerini de önler.
Fisyon ürünleri toryum ile karıştırılırsa ayırma daha zor olur, çünkü toryum, plütonyum ve lantanitler (nadir toprak elementleri) kimyasal açıdan birbirine benzerdir. Hem protaktinyumun ayrılması hem de lantanitlerin uzaklaştırılması için önerilen bir işlem de, erimiş bizmut ile temastır. Redoks tepkimesinde bazı metaller bizmut eriyiğine katılmış lityum karşılığında bizmut eriyiğine aktarılabilir. Düşük lityum konsantrelerinde U, Pu ve Pa bizmut erime şekline hareket eder. Daha az indirgeme koşullarında (bizmut erimesinde daha fazla lityum) lantanitler ve toryum bizmut eriyik içine de aktarılır. Fisyon ürünleri daha sonra bizmut alaşımından ayrı bir aşamada (örn. Bir LiCl eriyik ile temas ettirilerek) aktarılır. Ancak bu yöntem çok daha az gelişmiş bir yöntemdir. Alüminyum gibi diğer sıvı metallerle de benzer bir yöntem mümkün olabilir.

Üstünlükleri

Toryum yakıtlı erimiş tuz reaktörleri, geleneksel katı uranyum yakıtlı hafif su reaktörlerine kıyasla birçok olası üstünlüğe sahiptir:

Fuji MSR tasarımı

FUJI MSR, Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı Reaktör Deneyine benzer bir teknoloji kullanarak 100 ila 200 MWe erimiş tuz yakıtlı toryum yakıt çevrimi ısıl damıtım reaktörü için bir tasarımdı. Japonya, Amerika Birleşik Devletleri ve Rusya üyeleri de dahil olmak üzere bir konsorsiyum tarafından geliştirildi. Bu reaktör bir damıtım reaktörü olarak, toryumu nükleer yakıtlara dönüştürür. Bir endüstri grubu, Temmuz 2010'da FUJI MSR ile ilgili güncel planlarını sunmuştur. Tahmini maliyet kilovat saat başına 2.85 sentti.

Çin toryum MSR projesi

Çin Halk Cumhuriyeti, toryum erimiş tuz reaktör teknolojisinde bir araştırma ve geliştirme projesi başlatmıştır. Ocak 2011'de düzenlenen Çin Bilimler Akademisi (CAS) yıllık konferansında resmî olarak ilan edildi. Nihai hedefi, yaklaşık 20 yıl içinde bir toryum temelli erimiş tuz nükleer sistemini araştırmak ve geliştirmektir. TMSR araştırma programının beklenen ara sonucu, 2015 yılında 2 MW çakıl yatağı florür tuzu soğutmalı araştırma reaktörü ve 2017 yılında 2 MW erimiş tuz yakıtlı araştırma reaktörü inşa etmektir. Bunu 10 MW'lık bir kanıtlama reaktörü ve 100 MW'lık pilot reaktörler izleyecektir. Proje, 350 milyon dolarlık bir başlangıç bütçesine sahip olarak Jiang Mianheng tarafından yönetilmekte ve Şanghay Uygulamalı Fizik Enstitüsü'nde toryum erimiş tuz reaktörü araştırması üzerine tam zamanlı olarak çalışan 140 doktora bilim adamını istihdam etmektedir. 2015 yılı itibarıyla personel sayısındaki genişleme ile görevli sayısı 700'e yükselmiştir.

Toryum Enerji Üretimi Limited (TEG)

Thorium Energy Generation Pty. Limited (TEG), LFTR reaktörlerinin yanı sıra toryum hızlandırıcı odaklı sistemleri'nin dünya çapındaki ticari gelişimine adanmış bir Avustralya araştırma ve geliştirme şirketi oldu. Haziran 2015'ten itibaren TEG işlemlerini durdurmuştur.

Alvin Weinberg Vakfı

Alvin Weinberg Vakfı, 2011 yılında kurulan ve toryum enerjisinin ve LFTR'nin açığa çıkmamış gücü hakkında farkındalık yaratmaya adamış bir İngiliz yardım kuruluşudur. Resmî olarak Lordlar Kamarası'nda 8 Eylül 2011'de başlatıldı. Adını, toryum erimiş tuz reaktörü araştırmasına öncülük eden Amerikan nükleer fizikçisi Alvin M. Weinberg'den almıştır.