راکتور نمک مذاب

تصویر: نمونه ای از طرح راکتور نمک مذاب
 
راکتور نمک مذاب یا MSR (molten salt reactor) یک کلاس از راکتورهای شکافت هسته ای است که در آن خنک کننده اولیه راکتور هسته ای و/یا سوخت، مخلوطی از نمک مذاب است. تنها دو MSR تا به حال کار کرده اند که هر دو راکتور تحقیقاتی در ایالات متحده هستند. آزمایش رآکتور هواپیما در دهه 1950 اساساً به دلیل اندازه فشرده ای بود که این تکنیک ارائه می دهد، در حالی که آزمایش راکتور نمک مذاب در سال 1960 با هدف اثبات مفهوم نیروگاه هسته ای که چرخه سوخت توریم را در یک راکتور پرورش دهنده اجرا می کند، انجام شد. تحقیقات فزاینده در مورد طرح‌های راکتور نسل چهارم باعث تجدید علاقه به این فناوری شد، به طوری که چندین کشور پروژه‌هایی داشتند و از سپتامبر 2021، چین در آستانه راه‌اندازی TMSR-LF1 توریم MSR خود است.
 
رآکتورهای MSR ایمن تر از راکتورهای معمولی در نظر گرفته می شوند زیرا با سوختی که قبلاً در حالت مذاب قرار دارد کار می کنند و در مواقع اضطراری، مخلوط سوخت به گونه ای طراحی شده است که از هسته که در آن جامد می شود تخلیه شود و از نوع ذوب هسته ای و انفجارهای هیدروژنی مرتبط که راکتورهای معمولی (سوخت جامد) را در معرض خطر قرار می دهند جلوگیری کند. آنها در فشار اتمسفر یا نزدیک به آن، به جای فشار 75 تا150 برابر فشار اتمسفر یک راکتور معمولی آب سبک (LWR) کار می کنند، بنابراین نیاز به مخازن فشار راکتور بزرگ و گران قیمت مورد استفاده درLWR ها کاهش می یابد. یکی دیگر از ویژگی هایMSR ها این است که گازهای شکافت رادیواکتیو تولید شده به نمک مذاب جذب می شوند، برخلاف راکتورهای معمولی که در آن لوله های میله سوخت باید حاوی گاز باشند. رآکتورهای MSR همچنین می توانند در حین کار سوخت گیری شوند (اساساً از طریق پردازش مجدد هسته ای آنلاین) در حالی که راکتورهای معمولی باید برای سوخت گیری خاموش شوند.
 
یکی دیگر از ویژگی های کلیدی MSR ها دمای عملیاتی حدود 700 درجه سانتیگراد (1292 درجه فارنهایت) است که به طور قابل توجهی بالاتر از LWR های سنتی در حدود 300 درجه سانتیگراد (572 درجه فارنهایت) است که راندمان تولید برق بیشتر،  امکان تأسیسات ذخیره سازی شبکه، تولید هیدروژن مقرون به صرفه، و در برخی موارد، فرصت های فرآیند گرمایی را فراهم می کند. چالش‌های طراحی مربوطه شامل خورندگی نمک‌های داغ و تغییر ترکیب شیمیایی نمک است که این تبدیل توسط شار نوترونی در هسته راکتور صورت می گیرد.
 
MSRها مزایای متعددی نسبت به نیروگاه های هسته ای معمولی دارند، اگرچه به دلایل تاریخی مستقر نشده اند.
 

خواص

MSRها، به ویژه آنهایی که سوخت آنها در نمک حل شده است، به طور قابل توجهی با راکتورهای معمولی متفاوت هستند. فشار هسته راکتور می تواند کم و دما بسیار بالاتر باشد. از این نظر یک MSR بیشتر شبیه یک راکتور خنک‌شده با فلز مایع است تا یک راکتور معمولی خنک‌شده با آب سبک. MSRها اغلب به عنوان راکتورهای زاینده با چرخه سوخت بسته برنامه ریزی می شوند - برخلاف سوخت یکبار مصرف که در حال حاضر در راکتورهای هسته ای ایالات متحده استفاده می شود.
 
مفاهیم ایمنی، بر ضریب دمای منفی واکنش پذیری و افزایش احتمالی زیادِ دما برای محدود کردن گشت و گذارهای واکنش متکی است. به عنوان یک روش اضافی برای خاموش کردن، می توان یک ظرف جداگانه و غیرفعال خنک شده در زیر راکتور گنجانده شود. در صورت بروز مشکل و برای نگهداری منظم، سوخت از راکتور تخلیه می شود. این، واکنش هسته ای را متوقف می کند و به عنوان سیستم خنک کننده دوم عمل می کند. شتاب‌دهنده‌های تولید نوترون برای برخی از طرح‌های تجربی زیربحرانی فوق‌العاده ایمن پیشنهاد شده‌اند.
 
دمای برخی از طرح‌های پیشنهادی به اندازه‌ای بالاست که برای تولید هیدروژن یا سایر واکنش‌های شیمیایی، گرمای فرآیند تولید شود. به همین دلیل، آنها در نقشه راه GEN-IV برای مطالعه بیشتر گنجانده شده اند.
 

مزایا

MSRها مزایای بالقوه زیادی را نسبت به راکتورهای آب سبک فعلی ارائه می دهند:
 
* مانند تمام طرح‌های راکتور فشار کم، حذف گرمای واپاشی غیرفعال در MSRها به دست می‌آید. در برخی طرح‌ها، سوخت و خنک‌کننده سیال یکسان هستند، بنابراین از دست دادن مایع خنک‌کننده، سوخت راکتور را حذف می‌کند، مشابه این که از دست دادن مایع خنک‌کننده نیز باعث حذف تعدیل‌کننده درLWR‌ها می‌شود. بر خلاف بخار، نمک های فلوراید به خوبی در آب حل می شوند و هیدروژن قابل سوختن را تشکیل نمی دهند. بر خلاف فولاد و اکسید اورانیوم جامد، نمک های مذاب در اثر بمباران نوترونی هسته آسیب نمی بینند، اگرچه مخزن راکتور هنوز آسیب می بیند.
 
* یک MSR کم فشار فاقد بخار رادیواکتیو پرفشار BWR است و بنابراین نشت بخار رادیواکتیو و آب خنک‌کننده و موارد گران قیمتِ مهار، مخزن هسته فولادی، لوله‌کشی و تجهیزات ایمنی مورد نیاز برای دربرگیری بخار رادیواکتیو را تجربه نمی‌کند. به هر حال، اکثر طرح‌های MSR در تماس مستقیم با پمپ‌ها و مبدل‌های حرارتی به سیال حاوی محصول شکافت رادیواکتیو نیاز دارند.
 
* MSRها ممکن است چرخه های سوخت هسته ای بسته را ارزان تر کنند زیرا می توانند با نوترون های کند کار کنند. هر رآکتوری که چرخه سوخت هسته‌ای را ببندد، اگر به طور کامل اجرا شود، اثرات زیست‌محیطی را کاهش می‌دهد: جداسازی شیمیایی، اکتینیدهای با عمر طولانی را دوباره به سوخت راکتور تبدیل می‌کند. زباله های تخلیه شده عمدتاً محصولات شکافت (خاکستر هسته ای) با نیمه عمر کوتاه تر هستند. این، محدودیت زمین شناسیِ مورد نیاز را به 300 سال کاهش می دهد تا ده ها هزار سال مورد نیاز سوخت هسته ای مصرف شده راکتور آب سبک. همچنین استفاده از سوخت های هسته ای جایگزین مانند توریم را مجاز می کند.
 
* فاز مایع سوخت ممکن است برای جدا کردن محصولات شکافت (خاکستر هسته‌ای) از سوخت‌های اکتینیدی، پردازش حرارتی شود. این ممکن است نسبت به پردازش مجدد معمولی مزایایی داشته باشد، اگرچه هنوز به توسعه زیادی نیاز است.
 
* ساخت میله سوخت مورد نیاز نیست (با سنتز نمک سوخت جایگزین می شود).
 
* برخی از طرح‌ها با طیف نوترون سریع سازگار هستند، که می‌تواند عناصر فرااورانیکی مشکل‌ساز مانند Pu240، Pu241  و بالاتر (پلوتونیوم درجه رآکتور) را از راکتورهای هسته‌ای آب سبک سنتی «بسوزاند».
 
* یک  MSRمی تواند به تغییرات بار در کمتر از 60 ثانیه واکنش نشان دهد (برخلاف نیروگاه های هسته ای سوخت جامد "سنتی" که از مسمومیت با زنون رنج می برند).
 
* راکتورهای نمک مذاب می توانند در دماهای بالا کار کنند و بازده حرارتی بالایی را به همراه داشته باشند. این باعث کاهش اندازه، هزینه و اثرات زیست محیطی می شود.
 
* MSRها می‌توانند «قدرت ویژه» بالایی را ارائه دهند، یعنی قدرت بالا در جرم کم، همان طور که توسط ARE نشان داده شده است.
 
* یک اقتصاد نوترونی احتمالاً خوب، MSR را برای چرخه سوخت توریم نوترون-ضعیف جذاب می کند.
 

معایب

* توسعه کمی در مقایسه با اکثر طرح های  Gen IVوجود دارد.
 
* در طرح‌های در حال گردش سوخت و نمک، رادیونوکلئیدهای محلول در سوخت با تجهیزات اصلی مانند پمپ‌ها و مبدل‌های حرارتی در تماس هستند که احتمالاً به تعمیر و نگهداری کاملاً از راه دور و احتمالاً گران‌قیمت نیاز پیدا می کنند.
 
* کارخانه شیمیایی در محل برای مدیریت مخلوط هسته و حذف محصولات شکافت مورد نیاز است.
 
* تغییرات نظارتی برای مقابله با ویژگی‌های طراحی کاملاً متفاوت مورد نیاز است.
 
* طراحی های MSR برای نگهداری نمک مذاب به آلیاژهای مبتنی بر نیکل متکی هستند. آلیاژهای مبتنی بر نیکل و آهن در معرض شار نوترون بالا مستعد شکنندگی هستند.
 
* خطر خوردگی. برای مدیریت خطرات خوردگی، نیاز به مدیریت دقیق حالت ردوکس نمک های مذاب است. این امر به‌ویژه برای طرح‌های نمک سوخت در گردش، که در آن ترکیب پیچیده ای از ایزوتوپ‌های شکافت‌پذیر/بارور و محصولات تبدیل/شکافت/فرسایش آن‌ها از طریق راکتور به گردش در می‌آیند چالش‌برانگیز است. طرح‌های نمک سوخت استاتیک از مدولار کردن مشکل سود می‌برند زیرا که نمک سوخت درون پین‌های سوخت قرار دارد که جایگزینی منظم آن‌ها، عمدتاً به دلیل آسیب تابش نوترون، بخشی از مفهوم عملیاتی است، در حالی که نمک خنک‌کننده ترکیب شیمیایی ساده‌تری دارد و تحت مدیریت حالت ردوکس مناسب، خطر خوردگی برای پین‌های سوخت یا مخزن راکتور ایجاد نمی‌کند. MSRهای توسعه یافته در ORNL در دهه 60  فقط برای چند سال امن بودند و فقط در دمای 650 درجه سانتیگراد کار می کردند. خطرات بالقوه خوردگی شامل انحلال کروم توسط نمک های توریم فلوراید مایع در دمای بیش از 700 درجه سانتیگراد است و از این رو اجزای فولاد ضد زنگ را به خطر می اندازد. تابش نوترون همچنین می تواند سایر عوامل آلیاژی رایج مانند Co و Ni را تغییر شکل دهد و طول عمر را کاهش دهد. در صورت استفاده از نمک های لیتیوم (مثلاً FLiBe)، بهتر است، در صورت گران بودن، از Li برای کاهش تولید تریتیوم استفاده شود (تریتیوم می تواند در فولادهای زنگ نزن نفوذ کند، و باعث شکنندگی و فرار به محیط شود). ORNL،Hastelloy N  را برای کمک به رسیدگی به این مسائل توسعه داد، و تلاشی برای تأیید سایر فولادهای ساختاری برای استفاده در راکتورها وجود دارد (316H, 800H, inco 617)
 
* به عنوان یک راکتور زاینده، یک MSR اصلاح شده ممکن است قادر به تولید مواد هسته ای با درجه تسلیحاتی باشد.
 
* رآکتورهای هسته‌ای هواپیما و MSRE از سطوح غنی‌سازی استفاده می‌کردند که به سطح سلاح‌های هسته‌ای نزدیک می‌شدند. این سطوح در اکثر رژیم های نظارتی مدرن برای نیروگاه ها غیرقانونی است. برخی از طرح های مدرن از این موضوع اجتناب می کنند.
 
* آسیب نوترونی وارده به مواد تعدیل کننده جامد می تواند طول عمر هسته یک MSR را که از نوترون های حرارتی متوسط ​​استفاده می کند، محدود کند. برای مثال،MSRE  به گونه‌ای طراحی شد که میله‌های تعدیل‌کننده گرافیتی آن تلرانس‌های بسیار شل داشته باشند، به طوری که آسیب نوترونی بتواند اندازه آنها را بدون آسیب تغییر دهد. طرح‌های MSR "دو سیاله" قادر به استفاده از لوله‌کشی گرافیتی نیستند زیرا گرافیت زمانی که با نوترون بمباران می‌شود تغییر اندازه می‌دهد و لوله‌های گرافیت ترک می‌خورند و نشت می‌کنند.  MSRبا استفاده از نوترون های سریع نمی تواند از گرافیت برای جلوگیری از اعتدال استفاده کند.
 
*MSR های حرارتی نسبت زادیندگی کمتری نسبت به زایندگان نوترونی سریع دارند، اگرچه زمان دو برابر شدن آنها ممکن است کوتاهتر باشد.
 

خنک کننده

MSRها را می توان به روش های مختلفی از جمله با استفاده از نمک های مذاب خنک کرد.
 
راکتورهای سوخت جامد خنک‌شده با نمک مذاب، به طرق متفاوت، در طرح پیشنهادی نسل چهارم، در راکتورهای مبدل نمک مذاب (MSCR)، در راکتورهای پیشرفته با دمای بالا (AHTRs)، یا در راکتورهای دمای بالای فلوراید (FHR) «سیستم راکتور نمک مذاب» نامیده می‌شوند.
 
FHRها نمی توانند سوخت را به راحتی بازفرآوری کنند و دارای میله های سوختی هستند که نیاز به ساخت و تایید دارند و از زمان شروع پروژه به بیست سال زمان نیاز دارند. FHR مزایای ایمنی و هزینه یک خنک کننده کم فشار و دمای بالا را حفظ می کند، که همچنین راکتورهای خنک کننده فلز مایع نیز از این موارد بهره می برند. قابل توجه است که بخار در هسته ایجاد نمی شود (آن طور که درBWR ها چنین است)، و هیچ مخزن فشار فولادی بزرگ و گران قیمت (آن طور که برایPWR ها لازم است) ایجاد نمی شود. تبدیل گرما به برق می تواند از یک توربین گازی کارآمد و سبک وزن چرخه برایتون، از آن جایی که می تواند در دماهای بالا کار کند، استفاده کند.
 
بسیاری از تحقیقات فعلی در موردFHR ها بر روی مبدل های حرارتی کوچک و فشرده متمرکز شده است که حجم نمک مذاب و هزینه های مرتبط را کاهش می دهد.
 
نمک های مذاب می توانند به شدت خورنده باشند و خورندگی با دما افزایش می یابد. برای حلقه خنک کننده اولیه، ماده ای مورد نیاز است که بتواند در برابر خوردگی در دماهای بالا و تشعشعات شدید مقاومت کند. آزمایش‌ها نشان می‌دهند که Hastelloy-N  و آلیاژهای مشابه برای این کارها در دمای عملیاتی تا حدود 700 درجه سانتیگراد مناسب هستند. با این حال، تجربه عملیاتی محدود است. هنوز دماهای عملیاتی بالاتر مطلوب هستند - در 850 درجه سانتیگراد تولید هیدروژن ترموشیمیایی امکان پذیر می شود. مواد برای این محدوده دما تأیید نشده اند، اگرچه استفاده از کامپوزیت های کربن، آلیاژهای مولیبدن (مانندTZM) ، کاربیدها و آلیاژهای مبتنی بر فلز نسوز یا ODS ممکن است امکان پذیر باشد.
 
راه حلی که توسط یک محقق خصوصی پیشنهاد شده است، استفاده از آلیاژهای طلای جدید بتا تیتانیوم است، زیرا این کار امکان عملیات دمای شدید و همچنین افزایش حاشیه ایمنی را فراهم می کند.
 

انتخاب نمک ذوب شده

 
تصویر: FLiBe مذاب
 
مخلوط های نمک برای ایمن تر و کاربردی تر کردن راکتور انتخاب می شوند.
 

فلوئور

فلوئور فقط یک ایزوتوپ پایدار دارد (F-19) و تحت بمباران نوترونی به راحتی رادیواکتیو نمی شود. در مقایسه با کلر و سایر هالیدها، فلوئور همچنین نوترون‌های کمتری را جذب می‌کند و نوترون‌ها را بهتر کند می‌کند ("متوسط"). فلوریدهای کم ظرفیت در دماهای بالا می جوشند، اگرچه بسیاری از پنتافلوریدها و هگزا فلورایدها در دماهای پایین می جوشند. قبل از این که به عناصر تشکیل دهنده خود تجزیه شوند، باید بسیار داغ باشند. چنین نمک های مذابی زمانی که در زیر نقطه جوش خود نگهداری می شوند "از نظر شیمیایی پایدار" هستند. نمک های فلوراید به خوبی در آب حل می شوند و هیدروژن قابل سوختن را تشکیل نمی دهند.
 

کلر

کلر دو ایزوتوپ پایدار (Cl و Cl) و همچنین یک ایزوتوپ در حال تجزیه آهسته بین آنها دارد که جذب نوترون به وسیله Cl را تسهیل می کند.
 
کلریدها اجازه ساخت راکتورهای تولیدکننده سریع را می دهند. تحقیقات بسیار کمتری در مورد طراحی رآکتورها با استفاده از نمک های کلرید انجام شده است. کلر، بر خلاف فلوئور، باید برای جداسازی ایزوتوپ پایدار سنگین تر، کلر-37، خالص شود، بنابراین تولید تتراکلرید گوگرد کاهش می یابد که زمانی این اتفاق می افتد که کلر-35 یک نوترون را جذب می کند تا به کلر-36 تبدیل شود، سپس با تجزیه بتا به گوگرد-36 تجزیه می شود.
 

لیتیوم

لیتیوم باید به صورت خالص Li باشد، زیرا Li به طور مؤثر نوترون ها را جذب می کند و تریتیوم تولید می کند. حتی اگر از Li خالص استفاده شود، نمک های حاوی لیتیوم باعث تولید تریتیوم قابل توجهی می شود که قابل مقایسه با راکتورهای آب سنگین است.
 

مخلوط ها

نمک های راکتور معمولاً به مخلوط های یوتکتیک نزدیک هستند تا نقطه ذوب آنها کاهش یابد. نقطه ذوب پایین، ذوب نمک را در هنگام راه اندازی ساده می کند و خطر انجماد نمک را هنگام خنک شدن در مبدل حرارتی کاهش می دهد.
 
با توجه به "پنجره ردوکس" زیاد نمک های فلوراید ذوب شده، پتانسیل ردوکس سیستم نمک ذوب شده را می توان تغییر داد. فلوئور-لیتیوم-بریلیم ("FLiBe") را می توان با افزودنی های بریلیم برای کاهش پتانسیل ردوکس و تقریباً از بین بردن خوردگی استفاده کرد. با این حال، از آن جایی که بریلیم بسیار سمی است، برای جلوگیری از انتشار آن در محیط باید انجام اقدامات احتیاطی خاصی در طراحی در نظر گرفته شود. بسیاری از نمک های دیگر می توانند باعث خوردگی لوله کشی شوند، به خصوص اگر راکتور به اندازه ای گرم باشد که هیدروژنِ بسیار واکنش پذیر تولید کند.
 
تا به امروز، بیشتر تحقیقات بر روی FLiBe متمرکز شده‌اند، زیرا لیتیوم و بریلیم تعدیل‌کننده‌های مؤثری هستند و یک مخلوط نمک یوتکتیک با نقطه ذوب پایین‌تر از هر یک از نمک‌های سازنده تشکیل می‌دهند. بریلیم همچنین کارِ دو برابر شدن نوترون را انجام می دهد و اقتصاد نوترون را بهبود می بخشد. این فرآیند زمانی اتفاق می افتد که هسته بریلیوم پس از جذب یک نوترون، دو نوترون ساطع می کند. برای نمک های حامل سوخت، به طور کلی 1٪ یا 2٪ (مول) UF اضافه می شود. توریم و فلورید پلوتونیوم نیز استفاده شده است.
 
منبع: The free encyclopedia