Kaksoisfluidireaktori

Kohteesta Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun

Kaksoisfluidireaktori (engl. Dual Fluid Reactor, DFR) on sulasuolareaktorista kehitetty ydinreaktori, jossa jäähdytysaine ja polttoaine kiertävät toisistaan erillisissä piireissään fluidina.[1] Reaktorin jäähdytyksen ensiöpiirissä on kaavailtu käytettäväksi sulaa lyijyä.[1][2][3] Näin kyseessä olisi nestemäisellä metallilla jäähdytetty reaktori. Sula lyijy toimii myös neutroniheijastimena ja vähentää myös reaktorin gammasäteilyä.[4] Mitään neutronihidastimia ei tarvita eikä käytetä, vaan reaktori on niin sanottu nopea hyötöreaktori.[5] Reaktorin korkean lämpötilan vuoksi voimalalta voidaan odottaa korkeaa termistä hyötysuhdetta. Myös vedyn tuotanto hyvällä hyötysuhteella olisi mahdollista.[6][7] Koska reaktorin lämpötila pysyy jäähdytysaineen ja polttoaineen kiehumispisteen alapuolella, kumpaakaan näistä ei tarvitse paineistaa, ja näin reaktoria ei tarvitse sijoittaa paineastiaan.[8][9][10][3] Reaktorin passiivisen turvallisuuden oletetaan myös olevan korkealla tasolla, sillä pääasiassa polttoaineen lämpölaajeneminen estää reaktorin ylikuumenemisen. Kaksoisfluidireaktorista on suunnitelmissa kaksi eri versiota. Enemmän sulasuolareaktoria muistuttava DFR/s käyttää polttoainepiirissään aktinoidien suoloja. Vielä suurempaan tehotiheyteen pääsee DFR/m, jonka polttoainepiirissä virtaa sula metalli.[11]

Neljännen sukupolven reaktori[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kansainvälinen järjestö GIF[12] on nimennyt neljännen sukupolven ydinreaktoreihin kuusi merkittävää teknologiaa noin sadan ehdokkaan joukosta:[13]

Näistä kuudesta neljännen sukupolven reaktoriteknologiasta kaksoisfluidireaktori yhdistää kolme: LFR[14], VHTR[15] ja MSR[16].

DFR/s[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kaksoisfluidireaktorin ensimmäinen vaihtoehto DFR/s muistuttaa polttoainepiirinsä puolesta sulasuolareaktoria. Reaktorin polttoaineeksi on ajateltu plutoniumtrikloridia, uraanitrikloridia[17][18][19] ja toriumtrikloridia.[20][21][22][2][23][24] Reaktori soveltuu myös köyhän uraanin ja ydinjätteen hävittämiseen.[25][26] Reaktorin lämpötila on korkea, noin 1000 °C.[6][3] Reaktorin lämpötila asettaa vaatimuksia käytettävien suolojen suhteen ja erityisesti sopivan kiehumispisteen kannalta. Korkea lämpötila yhdessä sulan suolan kemiallisen korroosiotaipumuksen kanssa edellyttää paljon reaktorin polttoainepiirin putkistolta.[27][28] Volframin seoksista ja piikarbidista oletetaan saatavan riittävän kestävät materiaalit reaktorin putkistoon.[29][30][31]

DFR/m[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kaksoisfluidireaktorin toinen vaihtoehto DFR/m perustuu sulan metallin käyttöön polttoainepiirissä.[11] Fissioituvista metalleista ei tehdä yhdisteitä muiden alkuaineiden kanssa vaan toimintapisteessään reaktorin lämpötila on niin korkea että polttoaineena käytettävät metallit virtaavat sulana.[11] DFR/m odotetaan olevan tehotiheydeltään ja taloudellisuudeltaan vielä parempi kuin DFR/s.[32]

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Viitteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. a b IFK, 2013. s. 2. Lainaus: "The Dual Fluid Reactor, DFR, is a novel nuclear reactor concept based on the Generation IV Molten-Salt Reactor (MSR) concept and the liquid-metal cooled reactors (SFR, LFR) with the major improvement that the molten-salt fuel is not used as coolant but the heat is removed in a separate liquid-lead loop."
  2. a b Huke et al., 2015. s. 1. Abstract. Lainaus: "For the reference design, pure Lead as coolant is the best choice. It yields a very hard neutron spectrum, fostering a very good neutron economy and therefore making the DFR a preferred thorium breeder but also a very effective waste incinerator and transmuter."
  3. a b c Hux & Hussein, 2014. s. 4. Lainaus: "The operating temperature of the DFR is 1000 degrees Celsius. At this temperature the efficiency of heat transfer is quite high. We can achieve this because we are using molten lead as a coolant, which melts at 327 degrees Celsius and boils at 1750 degrees. In addition, we can operate at this high temperature at atmospheric pressure; another simplifying factor of our design."
  4. Huke et al., 2015. s. 4. Lainaus: "An additional outer volume filled with Lead serves as a neutron reflector reducing the loss of neutrons and contributing to the reactivity regulation."
  5. Patentti WO 2013/041085 A2. Sivulla 18. (PDF-sivulla 19). Lainaus: "Die Neutronenausbeute bei Spaltung des 233U im Thorium-Uran-Brennstoffkreislauf ist beträchtlich niedriger als die bei der Spaltung des 239Pu beim Uran-Plutonium-Kreislauf. Es ist möglich, der DFR als Th-U-Brüter mit schnellen Neutronen zu betreiben mit einer Konversionsrate, die knapp über Eins liegt. Die Transmutation der selbstproduzierten langlebigen Spaltprodukte könnte möglich sein. Dafür muss die PPU das 233Pa abscheiden und zwischenlagern, bis es zu 233U zerfallen ist. Die PPU kann den Übergang von einem U-Pu- zu einem Th-U-Kreislauf kontinuierlich ausgestalten."
  6. a b IFK, 2013. s. 9. Lainaus: "The operating temperature of 1000 °C provides for the highly efficient production of hydrogen from water through combined electrolysis and thermal decomposition."
  7. IFK, 2013. s. 9. Lainaus: "At the high temperature of the DFR, hydrogen can be produced from water by high-temperature catalytic thermolysis at high efficiency."
  8. IFK, 2013. s. 4. Lainaus: "The high boiling point of lead (1749 °C) enables operating temperatures in the very high temperature range, suitable for process chemistry."
  9. IFK, 2013. s. 26. Lainaus: "For the metals in the used fuel mixture chlorine salts have sufficiently low boiling points yet still higher than 1000 °C as required in the DFR core."
  10. IFK, 2013. s. 12. Lainaus: "With the DFR operating under normal pressure special safeguards such as an excess pressure containment can be pared down without compromising safety."
  11. a b c Huke, Armin; et al. The Dual Fluid Reactor Poster, 2015. Lainaus:
    "There are 2 variants of the DFR currently being developed:
    • DFR/m with molten metal fuel
    • DFR/s with molten salt fuel"
  12. Generation IV International Forum Viitattu 9.5.2017. (englanniksi)
  13. Partanen & Korhonen, 2016. s. 275–276.
  14. Partanen & Korhonen, 2016. s. 277. Lainaus: "Lyijy- tai lyijy-vismuttiseoksella jäähdytettävät reaktorit ovat joustavia nopeita reaktoreita, jotka voivat käyttää polttoaineenaan köyhdytettyä uraania tai toriumia. Niiden koko voi vaihdella 20 MW "ydinparistosta" modulaarisiin 300–400 MW:n reaktoreihin ja 1400 MW:n isoihin reaktoreihin."
  15. Partanen & Korhonen, 2016. s. 278–279. Lainaus: "Erittäin korkean lämpötilan reaktorin pääasiallinen tarkoitus on sähkön ja vedyn joustava yhteistuotanto termolyysillä. Se soveltuu hyvin myös eri teollisuusalojen prosessilämmön tuottamiseen. Tavoitelämpötila reaktorilla on 700–950 °C ja tulevaisuudessa yli 1000 °C."
  16. Partanen & Korhonen, 2016. s. 279. Lainaus: "Polttoaineydin ei esimerkiksi voi sulaa (mikä on pelätty ja kallis onnettomuus ydinreaktoreissa), sillä se on jo sulaneessa muodossa."
  17. IFK, 2013. s. 5. Lainaus: "Fast reactors have a net neutron excess which can be used for breeding or for the deactivation of long-lived fission products. This is further amplified by the employment of chlorine salts (preferable 37Cl) which are much less neutron moderating and corrosive than fluorine salts."
  18. He, 2016. s. 113. Lainaus: "The Dual Fluid Reactor (DFR) is using an undiluted uranium and plutonium tri-chlorides with purified 37Cl as the fuel and pure lead as the coolant."
  19. Patentti WO 2013/041085 A2. Sivulla 15. (PDF-sivulla 16). Lainaus: "Der Flüssingsalzbrennstoff is eine Mischung aus brütbarem und spaltbarem Aktinid-Salz. Dies kann die Kombination 238U/239Pu oder 232Th/233U sein.Für den Uran/Plutonium-Zyklus benötigt der Reaktor eine anfängliche Menge von Plutonium (alternativ kann auch hochangereichertes 235U verwendet werden, falls kein Pu verfügbar ist). Der Plutoniumanteil hängt wegen des unterschiendlichen Neutronenverlustes an der Oberfläche von der Größe des Reaktorkerns ab. Das Maximum ist ein Plutonium-Anteil von 35%, der für den kleinsten nutzbaren Aufbau erforderlich ist, während größere Ausführungen mit einem kleineren Plutoniumanteil auskommen. Der Rest besteht aus 238U-Salz. Als Salz würde man hier Trichloride bevorzugen, d.h. UCl3 und PuCl3, weil sie über einen geeigneten Temperaturbereich flüssig sind. Zur Vermeidung von Neutronenverlusten durch Einfang am häufigsten Isotop 35Cl, welches dann das langlebige Radioisotop 36Cl erzeugen würde, sollte hier hochreines 37Cl verwendet werden."
  20. A. Huke et al.: The Dual Fluid Reactor – a New Concept for a Highly Effective Fast Reactor (Abstract) 26.8.2014. Viitattu 12.3.2017. (englanniksi) Lainaus: "The fuel liquid, an undiluted actinide trichloride (consisting of isotope-purified 37Cl) in the reference design, circulates at an operating temperature of 1300 K and can be processed on-line in a small internal processing unit utilizing fractionated distillation or electro refining."
  21. Wicks & Block, 1963. s. 116. Lainaus:
    "Thorium Trichloride, ThCl3
    ΔH°298=(-242,000) calories per mole
    S298=(43.2) e.u.
    M.P.=(1,100°) K.
    ΔHM=(9,000) calories per mole
    B.P.=(1,890°) K.
    ΔHV=(46,000) calories per mole"
  22. He, 2016. s. 35. Lainaus: "In particular, instead of the traditional UOX or MOX fuel (e.g. UOx, PuOx or ThOx), the fuel used in MSR is usually in the form of the fluoride or chloride (UClx, PuClx or ThClx)"
  23. Patentti WO 2013/041085 A2. Sivulla 18. (PDF-sivulla 19). Lainaus: "Alternativ kann die PPU Thorium oder inerte Materialen beimischen, um den Neutronenüberschuss auszugleichen."
  24. Yemel'yanov & Yevstyukhin, 2013. s. 369. Lainaus: "Thorium trichloride was obtained by the reduction of thorium tetrachloride by aluminium at 430°C. This compound is a strong reducing agent and decomposes water giving off hydrogen. Above 630°C thorium trichloride dissociates into the dichloride and tetrachloride."
  25. Patentti WO 2013/041085 A2. Sivulla 18. (PDF-sivulla 19). Lainaus: "Dem spaltbaren Material im Brennstoffsalz können auch Transurane von abgebrannten Brennelementen beigemischt werden. Wie im Falle der Transmutation von Spaltprodukten würde die PPU Chloridsalze aus den Pellets der abgebrannten Brennelemente verarbeiten, indem sie die chemischen Elemente nach ihren Siedepunkten trennt. Anschließend mischt die PPU das Brennstoffsalz aus den gewünschten Aktiniden so, dass die Kritikalitätsbedingungen im Reaktorkern erfüllt sind. Auf diese Weise kann Natururan, abgereichertes Uran, sogenannter nuklearer Abfall und Thorium als Quelle des Brennstoffs eingesetzt werden."
  26. Thorium Energy World. Lainaus: "The DFR can completely consume versatile nuclear fuels, i.e. Thorium, natural or even depleted Uranium and spent nuclear fuel."
  27. IFK, 2013. s. 26. Lainaus: "Most material problems exist for thermal reactors, but since the DFR is a fast reactor, the choice of materials opens widely. In principal the material problems were already solved by the MSRE development. In the past more durable and resistant materials were applied in industry. Those materials are rarer and rather expensive. Indeed they are affordable for the DFR because of the high powered small core and the abandonment of fuel elements the required amounts are low."
  28. Huke et al., 2015. s. 8. Lainaus: "Thus, the fuel salt should be undiluted which renders eutectic compositions dispensable. This results in elevated melting points of about 800 °C and demands high operating temperatures above 1000 °C. Therefore, the materials of the nuclear part must withstand high-temperature corrosion, a high neutron flux, and must have a very good high-temperature stability and creep strength."
  29. Huke et al., 2015. s. 8. Lainaus: "These extremely resistant materials are known for many ten years but could not be treated in the past. This includes in particular alloys from the extended group of refractory metals, molybdenum- and tungsten-based alloys, as well as high-performance industrial ceramics."
  30. Huke et al., 2015. s. 8. Lainaus: "Silicon carbide (SiC) is known for its low neutron capture cross-section and is therefore in the focus of today’s nuclear material research. Especially CVD-like SiC, is very resistant against Lead corrosion at more than 1000 °C"
  31. Silicon Carbide Tubes & Products (Sintered Silicon Carbide (SiC) Properties) SentroTech. Viitattu 11.5.2017. (englanniksi) Piikarbidituotteiden maksimikäyttölämpötilaksi on mainittu 1600 °C.
  32. Huke, Armin; et al. The Dual Fluid Reactor Poster, 2015. Lainaus: "DFR/m further increases the power density and further hardens the neutron spectrum. Due to much better heat conduction of the metallic fuel, several improvements of the reactor construction could be additionally made considerably enhancing the economy."

Aiheesta muualla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  • Dual Fluid Reactor Institute for Solid-State Nuclear Physics kaksoisfluidireaktorin kotisivu
  • Huke, Armin; Ruprecht, Götz; Weißbach, Daniel; Gottlieb, Stephan; Hussein, Ahmed; Czerski, Konrad: The Dual Fluid Reactor – A novel concept for a fast nuclear reactor of high efficiency. Annals of Nuclear Energy, June 2015, 80. vsk, s. 225–235. Elsevier. doi:10.1016/j.anucene.2015.02.016. ISSN 0306-4549. Artikkelin verkkoversio Viitattu 6.3.2017. (englanniksi)