Der integrierte Salzschmelze-Reaktor und die Vorteile eines Flüssigkeitsspaltungsreaktors

May 21, 2023

Obwohl der Begriff „Spaltungsreaktor“ für die meisten an etwas erinnert, das den üblicherweise betriebenen Leichtwasserreaktoren (LWRs) ähnelt, die mit klarem Wasser (H2O) als Kühlmittel und trägen, thermischen Neutronen arbeiten, gibt es eine schwindelerregende Anzahl anderer Konstruktionen möglich. Einige davon sind bereits seit Jahrzehnten im Einsatz, wie beispielsweise Kanadas Schwerwasserreaktoren (D2O) (CANDU), während andere gerade erst mit dem ersten Schritt in Richtung Kommerzialisierung beginnen.

Dazu gehören heliumgekühlte Hochtemperaturreaktoren wie der chinesische HTR-PM, aber auch ein relativ ungewöhnlicher Typ von Terrestrial Energy, der Integral Molten Salt Reactor (IMSR). Dieses kanadische Unternehmen hat kürzlich Phase 2 der Vorlizenzierungsprüfung der Anbieter durch die Canadian Nuclear Safety Commission (CNSC) bestanden. Was das IMSR so interessant macht, ist, dass es, wie der Name schon sagt, geschmolzene Salze verwendet: sowohl als Kühlmittel als auch als Brennstoff mit schwach angereichertem Uran, während es gleichzeitig Brennstoff aus fruchtbaren Isotopen erzeugt, die einen LWR als Teil seines abgebrannten Brennstoffs hinterlassen würden.

Warum sollte Ihr Brennstoff also flüssig sein und nicht in Form von festen Pellets, wie es heute in den meisten Reaktoren der Fall ist?

Auch wenn viele neu lizenzierte oder kurz vor der Lizenzierung stehende Reaktorentwürfe in den 2020er-Jahren futuristisch klingen, wurden praktisch alle von ihnen in irgendeiner Form vor den 1960er-Jahren konzipiert, und für viele wurden Prototypen gebaut. Dies gilt auch für Schmelzsalzreaktoren (MSRs), bei denen das Oak Ridge National Laboratory (ORNL) eine Reihe von Prototypen herstellte, beginnend im Jahr 1954, als das Aircraft Reactor Experiment (ARE) erstmals kritisch wurde. ARE war ein Ableger des Aircraft Nuclear Propulsion (ANP)-Programms, das seine Wurzeln in der US Air Force hatte, bevor es an die Atomic Energy Commission (AEC) übertragen wurde.

Von da an landete das Projekt am ORNL, wo das ursprüngliche Festbrennstoffdesign aufgrund von Bedenken hinsichtlich der Reaktionsstabilität bei hohen Temperaturen, die durch das MSR-Design gelöst werden könnten, in ein Gemisch aus geschmolzenem Salz und Brennstoff geändert wurde. Nach der Einstellung des ANP-Programms wurden die MSR-Technologien von ARE und nachfolgende Designs für ein rein ziviles Projekt verwendet: das Molten-Salt Reactor Experiment (MSRE).

Wie die ARE verwendete auch die MSRE geschmolzenen Brennstoff, allerdings mit einer anderen Zusammensetzung. ARE verwendete 53,09 Mol-% NaF, 40,73 Mol-% ZrF4 und 6,18 Mol-% UF4 für sein Salz/Brennstoff-Gemisch, mit Uran-235 als spaltbarem Material. Auch der Neutronenmoderator wechselte von Berylliumoxid (BeO) in ARE zu pyrolytischem Graphit in MSRE.

MSRE verwendete 7LiF – BeF2 – ZrF4 – UF4 (65 – 29,1 – 5–0,9 Mol-%) und folgte den Erkenntnissen aus der ARE-Salzmischung. Zunächst wurde 33 % (angereichertes) Uran-235 in seinem primären Kühlmittel-/Brennstoffgemisch verwendet, bevor in Brutreaktoren auf die Verwendung von aus Thorium gezüchtetem Uran-233 umgestellt wurde. Obwohl es möglich gewesen wäre, MSRE so zu konfigurieren, dass es Thoriumsalze zur Herstellung seines eigenen Brennstoffs verwendet, wurde dies für die Experimente weggelassen und stattdessen Neutronenmessungen durchgeführt. Dies berührt jedoch einen der Vorteile eines MSR, da er im Gegensatz zu einem wassermoderierten LWR ein schneller Neutronenreaktor sein kann, wodurch er in der Lage ist, seinen eigenen Brennstoff aus fruchtbaren Isotopen zu züchten, einschließlich der aus dem Original resultierenden Transurane und Aktinide Uranbrennstoff. Der andere Vorteil von MSRs besteht darin, dass sie aufgrund der hohen thermischen Stabilität und Wärmekapazität des Kühlmittels bei sehr hohen Temperaturen (820 °C für ARE, 650 °C für MSRE) betrieben werden können, ohne dass die Drücke erforderlich sind, die bei unter Druck stehendem Leichtwasser auftreten Reaktoren (PWRs), die typischerweise eine Austrittstemperatur von etwa 300 °C aufweisen.

Die Betriebstemperatur bestimmt letztendlich, mit welchen Prozessen und Turbinen es kompatibel ist, da industrielle Prozesse oft Temperaturen erfordern, die weit über dem liegen, was LWRs liefern können. Ein MSR, der eine konstante Wärmequelle von >600 °C bereitstellen kann, wäre für diese Anwendungen äußerst praktisch und würde den thermischen Wirkungsgrad der Stromerzeugung über Dampfturbinen erhöhen.

Im Laufe der fünfjährigen Lebensdauer des MSRE lieferte es wichtige Informationen über das Verhalten von 235U- und 233U-Brennstoff sowie über die Produktion und Handhabung von Xenongas (einem Neutronengift), die Stabilität des Graphitmoderators und die Immunität des verwendeten Salzes jeglicher Art von Strahlung, der es ausgesetzt war. Es bestätigte auch die neue Metalllegierung, die am ORNL entwickelt wurde, um den korrosiven Auswirkungen des heißen Salzes zu widerstehen, bei dem es sich um ein Nickel-Chrom-Molybdän namens Hastelloy N handelt.

Als das MSRE 1969 zur Stilllegung geschlossen wurde, kam es zu einem unerwarteten Ergebnis: Versprödung des dem Salz ausgesetzten Metalls, was auf Tellur, eines der Spaltprodukte, zurückzuführen war. Diese Erkenntnis führte zu einer Anpassung der Hastelloy N-Legierung, um diesen Effekten entgegenzuwirken. Doch trotz dieser Erfolge würden die USA die weitere Entwicklung von MSRs praktisch aufgeben, obwohl das ORNL eine Reihe von Nachfolgedesigns entwickelte.

Der Einsatz von Salzen als Kühlmittel würde jedoch weltweit weitergehen, hauptsächlich für schnelle Neutronenreaktoren, wobei Beispiele wie die russische BN-Serie natriumgekühlter, schneller Neutronenreaktoren ein Paradebeispiel dafür sind. Obwohl sie feste Brennstoffe verwenden, demonstrieren sie die Machbarkeit der langfristigen Verwendung von korrosivem, heißem Salz als Kühlmittel, wobei die BN-600 seit 1980 in Betrieb ist. Die ähnliche US-amerikanische EBR-II war von 1964 bis 1994 in Betrieb, einschließlich simulierter Notfälle wie einem plötzlichen Unfall Abschaltung bei voller Leistung, was die passive Sicherheit dieser natriumgekühlten Beckenreaktoren demonstriert, was größtenteils auch für MSRs gilt.

Das IMSR von Terrestrial Energy ist ein völlig eigenständiges MSR, wobei das geschmolzene Salz, die Pumpen, der Primärkreislauf und die Graphitmoderatoren in dem enthalten sind, was Terrestrial Energy als IMSR-Kerneinheit bezeichnet. Eine einzelne Kerneinheit erzeugt 440 MW thermisch (MWth) mit einem behaupteten thermischen Wirkungsgrad von 44 % bei der Stromerzeugung aufgrund der Auslasstemperatur von 700 °C. Eine Anlage mit einer typischen Dual-Core-Einheitskonfiguration erzeugt somit etwa 390 MWe, wobei die verbleibende Wärme möglicherweise für Kraft-Wärme-Kopplungszwecke (z. B. Heizung) genutzt wird, obwohl Terrestrial Energy derzeit vorsieht, eine einzige Core-Einheit für thermische Energie zu verwenden, was 195 MWe ergibt und 440 MWth aus einer dualen IMSR-Anlage, die auch für Prozesswärme, thermische Speicherung usw. eingesetzt wird.

Das Interessante am IMSR ist, dass es sich trotz der Verwendung von geschmolzenem Salzbrennstoff um einen rein thermischen Spektrumreaktor der Generation IV handelt. Bei diesem Brennstoff selbst handelt es sich um standardmäßiges niedrig angereichertes Uran (LEU) mit <5 % 235U, das auch in praktisch jedem heute im Einsatz befindlichen kommerziellen Reaktor verwendet wird. Es werden keine schnellen Neutronen verwendet, um Brennstoff aus fruchtbaren Spaltprodukten oder Thoriumsalzen zu erzeugen – der Graphitmoderator moderiert alle schnellen Neutronen in thermische Neutronen – was es einem LWR sehr ähnlich macht. Die Vorteile der Verwendung von geschmolzenem Salz ergeben sich hier vor allem aus der deutlich höheren Wärmekapazität bei Umgebungsdruck sowie der Online-Betankung, wobei jede Core-Einheit voraussichtlich sieben Jahre lang rund um die Uhr in Betrieb bleiben wird. Während dieser Zeit wird dem Primärkreislauf nach und nach frischer Brennstoff zugeführt, um die Reaktivität aufrechtzuerhalten.

Nach Ablauf der Betriebszeit lässt man das gesamte (versiegelte) Gerät eine Weile abkühlen, bevor es zum Recycling ins Werk zurückgeschickt wird. Dies bedeutet deutlich weniger strenge Anforderungen an den Betreiber, da das Gerät im Wesentlichen wartungsfrei ist, was Teil der Kommerzialisierungsstrategie von Terrestrial Energy ist. Ein solcher Fokus auf einfache Bedienung ist bei Herstellern kleiner modularer Reaktoren beliebt – einschließlich des BWRX-300 von GE-Hitachi, einem eher konventionellen LWR vom Typ Siedewasserreaktor (BWR), aber auch bei einer Reihe anderer kommender MSRs.

Es überrascht vielleicht nicht, dass das IMSR heute nicht das einzige MSR in der Stadt ist, da in den kommenden Jahren einige weitere Konkurrenten versuchen, ihre eigenen Designs zu kommerzialisieren. Dazu gehören der dänische Seaborg Compact Molten Salt Reactor (CMSR), der Moltex Stable Salt Reactor (SSR) und eine Reihe von Konstruktionen, die ebenfalls Salz als Kühlmittel verwenden, jedoch mit festem Brennstoff, wie der TerraPower Natrium und der Kairos Power KP-FHR, What's Interessant ist auch, wie einzigartig jedes Design ist.

Der IMSR beispielsweise ist so konzipiert, dass er in einen eher LWR-ähnlichen Einmaldurchlauf-Brennstoffkreislauf passt (in Anlehnung an das denaturierte MSR-Design von ORNL), nur viel bequemer, kompakter und mit viel höheren Temperaturen. Beim CMSR kommt inzwischen kein Graphitmoderator zum Einsatz, sondern Natriumhydroxid in parallelen Rohren, was das Design noch kompakter macht und die Einstellung der Neutronenmoderation einfacher macht. Das SSR zielt nicht nur auf die Nutzung thermischer Neutronen ab, sondern auch auf schnelle Neutronen in seiner SSR-W-Konfiguration als „Abfallverbrenner“. Dabei werden flüssige Brennstäbe verwendet, die in einem Salzkühlbecken aufgehängt sind und als Brennstoff Rückstände abgebrannter Brennelemente (z. B. Aktiniden) verwenden, zusammen mit Plutonium, MOX-Brennstoff usw., was dem Namen gerecht wird.

Obwohl MSRs das Potenzial haben, kontinuierlich betankt zu werden, ohne dass sie abgeschaltet werden müssen, ist dies noch kein übliches Konstruktionsmerkmal. Dennoch dürften MSRs und ähnliche Hochtemperaturreaktoren in den nächsten Jahren zum alltäglichen Anblick werden, wobei größere Reaktortypen im Maßstab traditioneller LWRs (1+ GWe) eine interessante Perspektive darstellen, insbesondere wenn sie in einer Konfiguration mit schnellen Neutronen betrieben werden , in der Lage, sowohl abgebrannten LWR-Brennstoff als auch fruchtbare Isotope wie Thorium zu verwenden.

Unabhängig von der genauen Konfiguration verfügen MSRs über das intrinsische Sicherheitsmerkmal eines negativen Brennstofftemperaturkoeffizienten, was bedeutet, dass die Reaktivität des Spaltprozesses umgekehrt mit der Temperatur des Salzkühlmittels verknüpft ist. Dies macht einen MSR nicht nur intrinsisch resistent gegenüber Ereignissen mit hoher Reaktivität, sondern auch gegenüber Lastfolgen, da sich die Wärmeentnahme aus dem sekundären Kühlkreislauf unmittelbar auf die Reaktivität des Kerns auswirkt.

Es ist kaum zu glauben, dass seit dem ersten Testlauf von ARE über siebzig Jahre vergangen sind, aber da in diesem Jahrzehnt Dutzende von MSRs in den kommerziellen Dienst gehen, sollte es für die Forscher am ORNL und ihre Kollegen eine Bestätigung für all die Arbeit sein, die sie in die Herstellung von geschmolzenem Material gesteckt haben Salzwerk als Reaktorkühlmittel und Brennstoff.

(Titelbild: IMSR-Anlage, wie sie sich Terrestrial Energy vorgestellt hat. (Quelle: Terrestrial Energy) )