Sulasuolareaktori

Kohteesta Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun

Sulasuolareaktori (Molten Salt Reactor - MSR) on ydinreaktorityyppi, jossa polttoaine on nestemäisessä muodossa (Esim. LiF-BeF2-ThF4) ja toimii samalla lämmönvälittäjäaineena. Sulasuolareaktori tyypiltään hyötöreaktori, eli se tuottaa fissiilin ydinpolttoaineen toisesta epäfissiilistä, mutta fertiilistä aineesta, kuten Th-232: nuklideista U-233 nuklideja, jotka sitten osallistuvat fissioon ja enregiantuotantoon. Hyötöreaktorin kuten sulasuolareaktorin tärkein ominaisuus on sen kyky käyttää polttoaineenaan yleisiä ja siten halpoja ja riittoisia aineinta kuten Toriumia. Toriumilla toimiva sulasuolareaktori soveltaa Torium ydinpolttoainekiertoa.[1][2]

MSR toimintaperiaate

Tekninen rakenne[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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.[2]

Toriumin hajoaminen Uraaniksi

Reaktori koostuu kahdesta pääosasta "sydän" ja "huopa". Reaktorin sydämessä tapahtuu fissio ja samalla syntyy vapaita neutroneja. Huovassa, 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 huovasta välivarastoon, ennen kuin se ohjataan takaisin sydämeen. Polttoainetta käsitellään ja huolletaan jatkuvassa kierrossa ja siitä poistetaan fissiotuotteet tai kaupallisesti tärkeät sivutuotteet kuten lääkeradioisotoopit, polttoainetta huolletaan vaihdetaan prosessimaisesti eikä syklisesti kuten esim. kevytvesireaktoreissa.[3]. 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.[2]

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).

Hyödyt[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  • 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.
  • Polttoainetehokkuus - kaikki polttoaine käytetään, poistettava ainoastaan fissiotuotteet. (vrt alle 1% uraanipolttoaineen hyötysuhde)
  • Sivutuotteena - ammoniakki ja vety, mahdollistaa hiilettömien nestemäisten polttoaineiden käytön esim. ajoneuvoissa.
  • Sivutuotteena - lämpö, mahdollistaa keskuslämmitysratkaisuja, voidaan soveltaa kemiallisiin prosesseihin.
  • Sivutuotteena - juomakelpoinen vesi, voidaan valmistaa merivedestä tislaamalla.
  • 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 v)
  • Skaalattavuus - pieniä voimaloita voidaan valmistaa "tehdastuotteena". Voimala voidaan rakentaa tai kuljettaa energian tarvealueelle.
  • Energiansiirto - pienemmät matkat - vähemmän energiansiirtohäviöitä
  • 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. [4][5][6]

Haasteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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, koska geopoliittisista syistä Uraani-reaktorit olivat suotuisammassa asemassa.[2]

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.[1][7] Asiaan vaikutti historiallisesti luonnollisesti myös Kylmä sota ja varustelukilpailu Itä- ja Länsiblokin välillä. Nykypäivänäkään teknologisesti kehittyneet maat, eivät edelleen aktiivisesti panosta torium-pohjaisen energiateknologian kehittämiseen.

Torium on niin yleinen maan kuoressa, että korporaation tai valtion olisi vaikeaa monopolisoida sitä. Toriumin käyttö ei vaadi isotooppirikastusta, minkä vain korkeateknologinen valtio voi toteuttaa ja ei siten pystytä monopolisoimaan ydinpolttoainemarkkinoita, kuten uraanirikasteilla.lähde? Hiilivetyviejämaat sekä hiilivetykauppaa dollareissa käyvät valtiot ovat kiinnostuneet toriumteknologian kehityksen estämisessä, tai eivät ole kiinnostuneet toriumteknologian kehittämisessä, sillä toriumteknologialla voitaisiin nestemäiset hiilivetypolttoaineet korvata osittain tai kokonaan hiilettömillä polttoaineilla, kuten ammoniakilla ja vedyllä; vastaavasti hiilivoimaloiden tarve vähenisi ja hiilivetyjen hinnat laskisivat. Jos näin ollen hiilipäästöjenkin määrä vähenisi, kärsisi myös hiililuottoihin (carbon-credit) perustuvan pankki- ja verotusjärjestelmän tulot.

Nykyistä, uraanin käyttöön perustuvaa, ydinenergiaa sekä aseteollisuutta edustavat voimakkaat lobbausryhmät vastustavat tai ainakaan eivät tue toriumteknologian kehittämistä, sillä ydinasemateriaalin (Pu-239 ja U-238) saanti vaikeutuisi - uraanirikaste ja asemarkkinat pienenisivät. Aseteollisuudessa käytetään nykypäivänä runsaasti köyhdytettyä uraania panssarointiin ja ammuksissa. Sitä syntyy huomattavan suuria määriä uraanin isotooppirikastuksen yhteydessä (noin 6,7 kg köyhdytettyä uraania jokaista 4%-rikasteista kilogrammaa kohti)[8]. Voimaloiden, rikastamoiden ja jälleenkäsittelylaitosten liittyvän teknologian ja lisenssoinnin kautta tulevat tuotot vähenisivät ja ydintekniikkamarkkinoilla syntyisi kilpailua.

Nämä syyt (ainakin, mutta ei pelkästään) vaikuttavat negatiivisesti tai jopa poissulkevasti torium-pohjaisen teknologian kehityksessä.

Vertailu Kevytvesireaktoriin[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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. [1] Kevytvesireaktorin polttoaine on pakattu zirkoniumisiin putkiin. Zirkonium voi tietyissä olosuhteissa reagoida veden kanssa niin, että se vapauttaa vedestä vetyä, jolloin vaarana on vety-happi räjähdys (kts. Tšernobyl). Kevytevesireaktorin lämmönsiirtoaine on tavallinen vesi, mikä tuo useita haasteita hyötysuhteen ja turvallisuuden kannalta. Juoksevan veden lämpötila on verrattaen alheinen, 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.[9]

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. a b c https://www.youtube.com/watch?v=knofNX7HCbg
  2. a b c d ORNL's Molten-Salt Reactor Program (1958-1976) - energyfromthorium.com. Viitattu 1.11.2015. en-US
  3. What is a LFTR? Molten-fueled, salt-cooled nuclear power, safer + less expensive Molten Salt Reactors (incl Liquid Fluoride Thorium Reactor). 25.8.2012. Viitattu 27.2.2017. (englanniksi)
  4. Sulasuolareaktori – Gaia planeetta.wordpress.com. Viitattu 25.5.2016.
  5. Molten salt reactor. Wikipedia, the free encyclopedia, 11.5.2016. https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Molten_salt_reactor&oldid=719751693 [{{{www}}} Artikkelin verkkoversio]. en
  6. Thorium-Fuelled Molten Salt Reactors
  7. ORNL's Molten-Salt Reactor Program (1958-1976) - energyfromthorium.com. Viitattu 1.11.2015. en-US
  8. http://www.gtk.fi/_system/print.html?from=/geologia/luonnonvarat/uraani/malmista_ydinpolttoaineeksi.html
  9. A forgotten war technology could safely power Earth for millions of years. Here's why we aren't using it Business Insider. Viitattu 27.2.2017. (englanniksi)

Aiheesta muualla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]