Sulasoola reaktor

Sulasoola reaktor (inglise Molten Salt Reactor ehk MSR) on tuumalõhustumisreaktorite klass, mille peamine jahutusvedelik ja/või kütus on sulasoola ja lõhustuva materjali segu.

20. sajandi keskel toimis Ameerika Ühendriikides kaks eksperimentaalset MSR-i. 1950. aastate lennukireaktorite katse oli peamiselt ajendatud tehnoloogia kompaktsusest, samas kui 1960. aastate sulasoola reaktori katse eesmärk oli demonstreerida tuumaelektrijaama, mis kasutab tooriumikütuse tsüklit paljundusreaktoris.

Kasvanud uurim neljanda põlvkonna reaktorite projekteerimisel tekitas taas huvi 21. sajandil kuna projekte alustas mitu riiki. Alates 2023. aasta juunist on Hiina kasutanud oma TMSR-LF1 tooriumüksust. 

 Omadused 
MSR-id kõrvaldavad vesijahutusega reaktorites esineva südamiku sulamise ohu, kuna kütusesegu hoitakse sulas olekus. Kütusesegu on ette nähtud tühjendamiseks ilma pumbata südamikust kaitseanumasse hädaolukorras, kus kütus tahkub, peatades reaktsiooni. Lisaks ei toimu vesiniku eraldumist. See välistab vesiniku plahvatuste ohu (nagu Fukushima tuumakatastroofi korral).  MSR-id töötavad atmosfäärirõhul või sellele lähedasel rõhul, mitte tavalise kergeveereaktori 75–150-kordsel atmosfäärirõhul. See vähendab vajadust ja kulusid reaktori surveanumate järele. Gaasilistel lõhustumisproduktidel (Xe ja Kr) on kütusesoolas madal lahustuvus  ja neid saab kütusest välja mullitades ohutult kinni püüda,  selle asemel, et tõsta rõhku kütusetorudes, nagu juhtub tavalistes reaktorites. MSR-e saab tankida töötamise ajal, samal ajal kui tavapärased reaktorid peab tankimiseks sulgema (märkimisväärsed erandid hõlmavad survetoru raskeveereaktoreid, nagu CANDU või Atucha-klassi rõhustatud raskeveereaktorid ja Suurbritannias ehitatud gaasijahutusega reaktoreid, nagu Magnox, AGR). MSR-i töötemperatuurid on umbes 700 °C, mis on märkimisväärselt kõrgem kui traditsioonilised kergveereaktorid (umbes 300 °C). See suurendab elektritootmise efektiivsust ja protsessisoojuse võimalusi.

Selles suhtes sarnaneb MSR rohkem vedela metalliga jahutatava reaktoriga kui tavalise kergvee jahutusega reaktoriga. MSRI-i konstruktsioonid on sageli suletud kütusetsükliga paljundusreaktorid – erinevalt tavalistes reaktorites kasutatavast ühekordsest kütusest.

Aktuaalsed konstruktsiooniprobleemid hõlmavad kuumade soolade söövitavust ja soola muutuvat keemilist koostist neutronite voo toimel.

 Eelised 
MSR-id pakuvad kergveereaktorite ees mitmeid potentsiaalseid eeliseid: 

 MSR-ides saavutatakse passiivse lagunemissoojuse eemaldamine. Mõnes konstruktsioonis on kütus ja jahutusvedelik üks ja sama, nii et jahutusvedeliku kadu kannab endaga kaasa ka kütuse. Fluoriidisoolad lahustuvad vees halvasti ja ei moodusta süttivat vesinikku. Sulasoola jahutusvedelikku ei kahjusta neutronpommitamine, kuigi see kahjustab reaktori anumat.
 Madala rõhuga MSR ei vaja kallist terasest südamikuga isolatsioonianumat, torustikku ega turvavarustust. Kuid enamik MSR-i konstruktsioone asetab radioaktiivse vedeliku otsekontakti pumpade ja soojusvahetitega.
 MSR-id võimaldavad soodsamaid suletud tuumakütuse tsükleid, kuna need võivad töötada aeglaste neutronitega. Suletud kütusetsüklid võivad vähendada keskkonnamõju: keemiline eraldamine muudab pikaealised aktiniidid reaktorikütuseks. Väljaheitetud jäätmed on enamasti lühema poolestusajaga lõhustumisproduktid. See võib vähendada vajaminevat isolatsiooni 300 aastani võrreldes kümnete tuhandete aastatega, mida kergveereaktorites kasutatud tuumkütus vajab.
 Kütuse vedelat faasi saab pürotöödelda, et eraldada lõhustumisproduktid kütustest. Sellel võib olla tavapärase ümbertöötlemise ees eeliseid.
 Kütusevarraste valmistamine asendub soola sünteesiga.
 Mõned konstruktsioonid ühilduvad kiirete neutronitega, mis võivad "põletada" transuraanseid elemente, näiteks 240, 241 (reaktoriklassi plutoonium) kergveereaktoriitest.
 MSR suudab reageerida koormuse muutustele alla 60 sekundiga (erinevalt kergveereaktoritest, mis kannatavad ksenoonimürgistuse all).
 Sulasoola reaktorid võivad töötada kõrgel temperatuuril andes kõrge termilise efektiivsuse. See vähendab suurust, kulusid ja keskkonnamõjusid.
 MSR-id võivad pakkuda suurt "erivõimsust" (suurt võimsust väikese massi korral), nagu on näidanud ARE.
 Potentsiaalne neutronite ökonoomsus viitab sellele, et MSR võib olla võimeline ära kasutama neutronivaest tooriumi kütusetsüklit .

 Puudused 

 Ringleva kütusesoolaga tüüpi reaktorite puhul on radionukliidid otseses kontaktis seadmetega nagu pumbad ja soojusvahetid, ning võivad vajada täielikku kaughooldust.
 Mõned MSR-id nõuavad südamiku segu haldamiseks ja lõhustumisproduktide eemaldamiseks kohapealset keemilist töötlemist.
 Seadusandlikud muudatused ebatraditsiooniliste disainifunktsioonide kohandamiseks
 Mõned MSR-i konstruktsioonid tuginevad sulasoola sisaldavatele kallitele niklisulamitele. Sellised sulamid on suure neutronvoo korral altid rabeduma.  
 Korrosioonioht. Sulasoolad nõuavad korrosiooniriskide ohjamiseks nende oksüdatsiooni oleku hoolikat jälgimist. See on eriti keeruline tsirkuleerivate konstruktsioonide puhul, kus isotoopide ja nende lagunemissaaduste segu ringleb läbi reaktori. Staatilised konstruktsioonid saavad kasu probleemi modulariseerimisest: kütusesool sisaldub kütusetihvtides, mille regulaarne asendamine, peamiselt neutronkiirguse tõttu, on normaliseeritud; samas kui jahutusvedeliku sool on keemilise koostisega lihtsam ja ei kujuta endast korrosiooniohtu ei kütusetihvtidele ega reaktori anumale. 1960. aastatel ORNL-is välja töötatud MSR-id olid ohutud kasutamiseks vaid paar aastat ja töötasid ainult umbes 650 °C kraadi juures. Korrosiooniriskid hõlmavad kroomi lahustumist vedelate fluoriidi tooriumisoolade poolt temperatuuril üle 700 °C, ohustades seega roostevabast terasest komponente. Neutronkiirgus võib muundada tavalisi legeerivaid aineid nagu Co ja Ni, lühendades eluiga. Liitiumisoolad, nagu FLiBe, aitavad vähendada triitiumi teket (triitium võib roostevabast terasest läbi imbuda, põhjustada rabedust ja sattuda keskkonda). ORNL töötas välja Hastelloy N, et aidata neid probleeme lahendada.
 Osasid MSR-i tüüpe võib muuta paljundusreaktoriks, et toota relvakvaliteediga tuumamaterjali. 
 MSRE ja ARE kasutasid kõrgelt rikastatud uraani, mis lähenes relvakvaliteedile. Need tasemed oleksid enamikus kaasaegsetes elektrijaamade regulatiivsetes režiimides ebaseaduslikud. Enamikus kaasaegsetes konstruktsioonides kasutatakse madalama rikastusega kütuseid . 
 Tahkete moderaatorimaterjalide neutronite kahjustus võib piirata südamiku eluiga. Näiteks MSRE oli konstrueeritud nii, et selle grafiidi moderaatoril olid lahtised tolerantsid, nii et neutronite kahjustused võivad neid tagajärgedeta muuta. "Kahe vedeliku" MSR-i konstruktsioonid ei kasuta grafiittorustikku, kuna grafiit muudab neutronitega pommitades suurust.  Kiireid neutroneid kasutavad MSR-id ei saa kasutada grafiiti, kuna see modereerib neutroneid.
 Termilistel MSR-idel on madalam paljunemisaste kui kiirete neutronite paljundajatel, kuigi nende kahekordistumisaeg võib olla lühem.

 Jahutusvedelik 
MSR-e saab jahutada mitmel viisil, sealhulgas sulasoolade abil.

Neljanda põlvkonna reaktorite plaanis nimetatakse sulasoolaga jahutatavaid tahkekütuse reaktoreid "sulasoola reaktorisüsteemiks", sulasoola konverterreaktoriteks (MSCR), täiustatud kõrgtemperatuurseteks reaktoriteks (AHTR) või fluoriidi kõrgtemperatuurseteks reaktoriteks (FHR, eelistatud DOE nimetus). 

Sulasoolad võivad olla väga söövitavad ja söövitavus suureneb temperatuuri tõustes. Peamise jahutussüsteemi jaoks on vaja materjali, mis talub korrosiooni kõrgel temperatuuril ja intensiivsel kiirgusel.

 Sulatatud soola valik 
pisi| Sulatatud FLiBe
Soolasegud valitakse nii, et reaktor oleks ohutum ja praktilisem.

 Fluoriin 
Fluoriinil on kõigest üks stabiilne isotoop ega muutu kergesti radioaktiivseks neutronkiirguse tulemusel.

 Kloriin 
Kloriinil on kaks stabiilset isotoopi. Kloriididide kasutamine võimaldab paljundusreaktorite arendamist.

 Liitium 
Liitium peab olema 7 kujul7</br> 7, sest 6</br> 6 hõivab tõhusalt neutroneid ja toodab triitiumi.

 Segud 
Reaktori soolad on tavaliselt segud erinevatest sooladest selleks, et madaldada nende sulamistemperatuuri. Madal sulamistemperatuur lihtsustab soola sulatamist käivitamisel ja vähendab soola külmumise ohtu, kui see jahutatakse soojusvahetis.

Praeguseks on enamik uuringuid keskendunud FLiBe-le, kuna liitium ja berüllium on suhteliselt tõhusad moderaatorid ja moodustavad eutektilise soolasegu, mille sulamistemperatuur on madalam kui kummalgi koostises oleval soolal. Berüllium teostab ka neutronite kahekordistamist, parandades neutronite ökonoomsust. See protsess toimub siis, kui berülliumi tuum kiirgab pärast ühe neutroni neelamist kaks neutronit.Kasutatud on ka toorium- ja plutooniumfluoriide.

 Sulasoola puhastamine 
Sulasoola valmistamise ja käitlemise tehnikad töötati esmakordselt välja Oak Ridge-i laboris.  Soola puhastamise eesmärk on oksiidide, väävli ja metallide eemaldamine kuna oksiidid võivad põhjustada reaktoris tahkete osakeste sadestumist. Väävel tuleb eemaldada kuna see söövitab töötemperatuuril niklipõhiseid sulameid.
 Taani 
Copenhagen Atomics on Taani sulasoola tehnoloogiaettevõte, mis arendab masstoodanguna valmistatavaid reaktoreid. Copenhagen Atomics Waste Burner on ühe vedelikuga, raske veega modereeritud, fluoriidipõhine, termilise spektriga ja autonoomselt juhitav sulasoola reaktor.

 Viited 

 Edasist lugemist 

 Energia Thoriumi dokumendihoidlast Sisaldab paljude USA valitsuse inseneriaruannete skannitud versioone, üle kümne tuhande lehekülje ehitus- ja kasutuskogemust. See hoidla on õhusõiduki reaktori katse ja sulasoola kütusega reaktori tehnilise arutelu peamine viide.
 Bruce Hoglundi eklektiliste huvide avaleht Tuumaenergia, toorium, sulasoola reaktorid jne.
 IV põlvkonna rahvusvahelise foorumi MSR veebisait
 INL MSR töötoa kokkuvõte
 Materjalikaalutlused sulasoola kiirendil põhinevate plutooniumi muundamise süsteemide jaoks JH Devan et al.
 Nuclear läheb retroks – palju rohelisema väljavaatega M. Mitchell Waldrop

 Välislingid 

 Vaikse ookeani loodeosa riiklik labor – sulasoola reaktori alused YouTube
 Rahvusvaheline tooriumenergia organisatsioon – www. IThEO.org

 Idaho riikliku labori sulasoola reaktori teabeleht
 Energia Thorium blogist / veebisaidilt
 Google TechTalks – "Vedelfluoriidtooriumreaktor: mis termotuumasünteesiks tahtis saada" autor Dr. Joe Bonometti NASA / Naval Postgraduate School YouTube
 Pebble Bed Advanced kõrgtemperatuuriline reaktor
 Thorium Remix LFTR 5 minutiga ja muud LFTR-i dokumentaalfilmid.
 Kun Chen Hiina Teaduste Akadeemiast Hiina tooriumi sulasoola reaktori TMSR programmi kohta
 Ülevaade sulasoola reaktoritehnoloogiast

Kategooria:Tuumaenergeetika