Sulasuolareaktori

Sulasuolareaktori  (, MSR) on ydinreaktorityyppi, jossa polttoaine on nestemäisessä muodossa (esim. LiF-BeF2-ThF4) ja toimii samalla lämmönvälittäjäaineena. Sulasuolareaktori on tyypiltään hyötöreaktori, eli se tuottaa fissiilin ydinpolttoaineen toisesta epäfissiilistä, mutta fertiilistä aineesta, kuten Th-232: nuklideista U-233 nuklideja, jotka sitten osallistuvat fissioon ja energiantuotantoon. Hyötöreaktorin kuten sulasuolareaktorin tärkein ominaisuus on sen kyky käyttää polttoaineenaan yleisiä ja siten halpoja ja riittoisia aineita kuten toriumia. Toriumilla toimiva sulasuolareaktori soveltaa torium-ydinpolttoainekiertoa. 

 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 "vaippa". Reaktorin sydämessä tapahtuu fissio ja samalla syntyy vapaita neutroneja. Vaipassa, 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 vaipasta 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).

 Mahdolliset hyödyt 
 Turvallisuus – polttoaine voidaan hätätilanteessa valuttaa säiliöön ilman sähkökäyttöistä pumppua, ei vesihöyryräjähdyksen vaaraa.
 Polttoaineen riittävyys – varoja yli 10 000 vuodeksi (vrt. U-235 80-85v)
 Kaasuturbiinin käyttömahdollisuus – 50 % hyötysuhde energiakonversiossa (ei mahdollista kevytvesireaktorissa). 
 Huollettavuus –  polttoainetta voidaan lisätä, huoltaa ja vaihtaa ilman reaktorin alasajoa. Hyötysuhde pysyy tasaisen korkeana.
 Sivutuotteena – hyödylliset radioisotoopit, teknetium-99, molybdeeni-99, syövän hoito
 Fissiotuotteet – voimakkaasti radioaktiivisia eli radioaktiivisuus tippuu nopeasti, vaarallinen radioaktiivisuus häviää 1 vuodessa, 83 % haitallisen radioaktiivisia 10 vuotta ja noin 17 % haitallista 300 vuotta. (vrt. uraaniin 10 000 vuotta) 
 Skaalattavuus – pieniä voimaloita voidaan valmistaa "tehdastuotteena". Voimala voidaan rakentaa tai kuljettaa energian tarvealueelle.
 Proliferaatio – Ei vapaana olevaa U-233, aine osallistuu koko ajan reaktioon. Kontaminaatio fissiili U-233 on kemiallisesti sitoutunut polttoaineeseen. Reaktori ei tuota Pu-239. Reaktori ei vaadi isotooppirikastusta.
 Ydinasekäyttö – Fissiotuotteissa ei ole fissiilejä aineita. Ei jälleenkäsittelytarvetta (suurin proliferaatio riski). 
 Ydinaseriisunta – Hyötöreaktorissa voidaan utilisoida tai "polttaa" muitakin raskaita ytimiä ja transuraaneja U-233 lisäksi, kuten Pu-239, U-235, ja U-238. Polttoaine-epäpuhtaudet kuitenkin alentavat hyötysuhdetta.
 Rakennettavuus – ei tarvetta suurelle suojarakennukselle – ei vesihöyryräjähdyksen vaaraa kuten kevytvesireaktorissa.
 "Kiintiöreaktorin" mahdollisuus – ns. kertakäyttöreaktori esim. 10 vuotta kokonaan ilman polttoainehuoltoa.
 Itsesäätyvä teho – fissioiden määrä on kääntäen verrannollinen fissiotuotteiden määrään polttoaineessa.
 Tunteeton nopeille tehonmuutoksille. Sen tehoa voidaan säätää nopeasti, yhtä nopeasti kuin kaasuturbiinia, jollaiseen yhdistettynä se olisi käyttökelpoinen esim. tuuli- ja aurinkovoiman säädössä. Säädettävyys tekee siitä vaihtoehdon myös maakaasulle.

 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 yleensä ei. Lainaus: "It’s certainly possible to base nuclear reactors around thorium, as opposed to the most commonly used element, uranium. And thorium reactors likely would be somewhat safer because of thorium-based fuel’s greater stability versus uranium-based fuel, with the added benefit of not producing as much nuclear bomb fuel." Lainaus: "So why on earth are we using uranium? As you may recall, research into the mechanization of nuclear reactions was initially driven not by the desire to make energy, but by the desire to make bombs. The $2 billion Manhattan Project that produced the atomic bomb sparked a worldwide surge in nuclear research, most of it funded by governments embroiled in the Cold War. And here we come to it: Thorium reactors do not produce plutonium, which is what you need to make a nuke." Lainaus: "In one of the great historical tragedies of human history, this marvelous new energy source was discovered during a time of war, and was immediately put to work for destructive means. This colored and affected forever how world leaders and the public would view this incredible discovery, and is a legacy that we find ourselves, even seventy years later, still trying to move past." Joistakin torium-reaktoreista voi kuitenkin saada sivutuotteena U-233 isotooppia, joka soveltuu ydinaseiden valmistamiseen.

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-happiräjähdys (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.

 Katso myös 
 Kaksoisfluidireaktori

 Lähteet      

 Aiheesta muualla 
 Jarkko Ahokas: Sulasuolareaktorien historia, Lappeenrannan teknillinen yliopisto, Energiatekniikan kandidaatintyö ja seminaari, Lappeenranta 22.5.2014  (pdf)
 Transatomic power releases details of innovative nuclear reactor design 6.6.2016 (pdf)

Luokka:Polttoaineet
Luokka:Torium
Luokka:Ydinreaktorityypit
Luokka:Ydinvoima
Luokka:Ydintekniikka