Οι πυρηνικοί αντιδραστήρες 4ης γενιάς ακόμα πιο κοντά χάριν σε ένα νέο καύσιμο

Το Εθνικό Εργαστήριο του Idaho (INL) ξεπέρασε ένα σημαντικό εμπόδιο για την πρακτική εφαρμογή ενός πυρηνικού αντιδραστήρα γενιάς IV. Χρησιμοποιώντας μια νέα διαδικασία, μια ερευνητική ομάδα του INL ανέπτυξε έναν νέο τρόπο αποτελεσματικής επεξεργασίας καυσίμου για αντιδραστήρες τήγματος άλατος.

Μια από τις μεγάλες προσπάθειες για την αναγέννηση της πυρηνικής ενέργειας του 21ου αιώνα είναι η ανάπτυξη νέων σχεδίων αντιδραστήρων που μόλις πριν από μερικές δεκαετίες ήταν πειραματικά και είχαν περιορισμένες προοπτικές να γίνουν ποτέ πρακτικά εφαρμόσιμα.

Μια κατηγορία αυτών των λεγόμενων σταθμών παραγωγής ενέργειας της γενιάς IV ή Gen IV είναι οι αντιδραστήρες τηγμένου άλατος, οι οποίοι αντικαθιστούν τις ράβδους καυσίμου εμπλουτισμένου ουρανίου ή πλουτωνίου και τον υδρομετριαστή/ψυκτικό μέσο με ένα μείγμα πυρηνικού καυσίμου και τηγμένου άλατος. Πρόκειται για μια ιδέα που αρχικά φαίνεται λίγο περίεργη, αλλά είναι μια ιδέα που παρέχει ένα σωρό πλεονεκτήματα σε σχέση με τους κοινούς αντιδραστήρες νερού υπό πίεση που χρησιμοποιούνται σήμερα.

Υπάρχουν διάφορα είδη αντιδραστήρων τηγμένου άλατος, αλλά έχουν ορισμένα κοινά χαρακτηριστικά. Πρώτον, λειτουργούν σε υψηλότερες θερμοκρασίες από τους συμβατικούς αντιδραστήρες και σε ατμοσφαιρική πίεση. Αυτό τους καθιστά πολύ πιο αποδοτικούς και μειώνει τις μηχανικές καταπονήσεις, ενώ παράλληλα εξαλείφει την απειλή μιας ανεξέλεγκτης τήξης, επειδή η πυρηνική αντίδραση είναι αυτοπεριοριζόμενη. Επίσης, τα επικίνδυνα ή επιβλαβή αέρια όπως το υδρογόνο και το ξένον εκτονώνονται εύκολα με μια απλή χημική διαδικασία.

Επειδή λειτουργούν σε θερμοκρασίες περίπου 600 °C, οι αντιδραστήρες τηγμένου άλατος έχουν 50% μεγαλύτερη απόδοση. Μπορούν να ανακυκλώνουν συνεχώς το καύσιμό τους, γεγονός που μειώνει τα πυρηνικά απόβλητα – και μπορεί να προστεθεί νέο καύσιμο και να απομακρυνθούν τα απόβλητα με κάτι που ουσιαστικά είναι υδραυλικό. Είναι επίσης αρκετά ευέλικτοι, ικανοί να χειριστούν μια ποικιλία καυσίμων, γεγονός που βοηθά όχι μόνο στα οικονομικά αλλά και στη μείωση της διάδοσης των πυρηνικών όπλων. Επιπλέον, τα σχέδια των αντιδραστήρων μπορούν να είναι αρθρωτά και να προσαρμοστούν εύκολα για εγκαταστάσεις μικρής κλίμακας που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για μια ποικιλία βιομηχανικών εφαρμογών, όπως η παραγωγή πετρελαίου, η παραγωγή υδρογόνου, η αφαλάτωση, οι πλωτές μονάδες παραγωγής ενέργειας και η πρόωση πλοίων.

Όλα αυτά ακούγονται ωραία και καλά, αλλά γιατί δεν έχουν κατασκευαστεί αντιδραστήρες τηγμένου άλατος στο παρελθόν; Η απάντηση είναι ότι τέτοιοι αντιδραστήρες χρησιμοποιούνται από την αυγή της πυρηνικής εποχής. Στην πραγματικότητα, ένα από τα πρώτα σχέδια αντιδραστήρων που εκπονήθηκαν για το συμμαχικό σχέδιο Μανχάταν για την κατασκευή της πρώτης ατομικής βόμβας θα χρησιμοποιούσε έναν πολτό από αλάτι και ουράνιο. Ωστόσο, εκείνο δεν κράτησε πολύ, επειδή δεν υπήρχε αρκετό διαθέσιμο καύσιμο ουρανίου και το σχέδιο με το τηγμένο άλας δεν ήταν καθόλου καλό για την παραγωγή πλουτωνίου, οπότε ο Οπενχάιμερ και οι συνεργάτες του προτίμησαν αντ’ αυτού έναν αντιδραστήρα γραφίτη.

Έκτοτε, υπήρξαν διάφορα σχέδια για τηγμένο άλας, συμπεριλαμβανομένου ενός για υποβρύχια και ενός άλλου για την τροφοδοσία αεροσκαφών, αλλά ποτέ δεν επικράτησαν πραγματικά. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι οι πυρηνικοί αντιδραστήρες δεν είναι τόσο απλοί όσο οι απεικονίσεις στα σχολικά βιβλία.

Παρά τα πλεονεκτήματά τους, οι αντιδραστήρες τηγμένου άλατος έχουν τα μειονεκτήματά τους. Είναι επιρρεπείς σε προβλήματα διάβρωσης, καθώς και σε θερμική καταπόνηση και καταπόνηση νετρονίων. Επιπλέον, τα άλατα αφαιρούν τα προστατευτικά στρώματα οξειδίου από τα μεταλλικά εξαρτήματα. Στη συνέχεια, υπάρχει το πρόβλημα της επανεπεξεργασίας του καυσίμου, το οποίο είναι μηχανικά απλό, αλλά γίνεται πιο πολύπλοκο όταν το καύσιμο είναι ραδιενεργό.

Συν τοις άλλοις, η θεμελίωση των πυρηνικών αντιδράσεων σε ρέοντα μίγματα θερμών υγρών περιλαμβάνει ορισμένους τομείς της Πυρηνικής Φυσικής που είναι, με τεχνικούς όρους, λίγο αμφίβολοι. Δεν υπάρχει μόνο έλλειψη τυποποιημένων υπολογιστικών εργαλείων για προσομοιώσεις της Φυσικής των αντιδραστήρων, αλλά και περιορισμένη κατανόηση του τρόπου με τον οποίο επηρεάζονται τα δομικά υλικά από την παρατεταμένη λειτουργία.

Και αν αυτό δεν ήταν αρκετό για να προκαλέσει ένα καχύποπτο βλέμμα σε έναν πυρηνικό μηχανικό, υπάρχει και το πρόβλημα της κατασκευής του καυσίμου για τον αντιδραστήρα. Δεν είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθεί μεταλλικό ουράνιο όπως στις συμβατικές ράβδους καυσίμου. Πρέπει να είναι σε μια μορφή που θα διαλύεται σε χλωριούχα άλατα. Αυτό σημαίνει κάποια μορφή χλωριούχου ουρανίου, όπως το τριχλωριούχο ουράνιο (UCl₃) ή το τετραχλωριούχο ουράνιο (UCl₄), τα οποία παρουσιάζουν προκλήσεις όπως η πολυπλοκότητα της κατασκευής, η χημική σταθερότητα και αντιδραστικότητα, τα πρόσθετα στάδια χημικής επεξεργασίας και τα προβλήματα διάβρωσης.

Αυτό είναι το πρόβλημα που αντιμετωπίζει το πείραμα αντιδραστήρα λιωμένου χλωριδίου (MCRE) του INL. Από το 2020, η τεχνική ομάδα υπό τον Bill Phillips προσπαθεί να βρει την κατάλληλη ένωση ουρανίου και τρόπους για την κατασκευή της χύμα με απόδοση 90%.

Το MCRE, σε συνεργασία με την Southern Company και την TerraPower, στοχεύει στην κατασκευή του πρώτου κρίσιμου αντιδραστήρα τήγματος άλατος ταχείας φάσης στον κόσμο, με στόχο να έχει έναν αντιδραστήρα επίδειξης μέχρι το 2028 και μια εμπορική έκδοση μέχρι το 2035.

Το πρόβλημα είναι ότι το 2020, το INL θα μπορούσε να παράγει μόνο 57 έως 85 γραμμάρια καυσίμου κάθε φορά. Δυστυχώς, ο τελικός αντιδραστήρας χρειάζεται τρεισήμισι τόνους για να φτάσει σε κρίσιμη κατάσταση. Έτσι, το INL εργάζεται με μετουσιωμένο ουράνιο, το οποίο είναι πολύ φθηνότερο από το σχάσιμο ουράνιο, αλλά χημικά πανομοιότυπο με αυτό, για να δημιουργήσει περισσότερα καύσιμα ανά παρτίδα.

Με πολλές δοκιμές και λάθη, σε συνδυασμό με έναν προσαρμοσμένο πρωτότυπο κλίβανο και εξειδικευμένο εξοπλισμό, η ομάδα βρήκε πώς να συνδυάσει τις ακριβείς συνθήκες, τα συστατικά και τις μεθόδους για την παραγωγή 18 κιλών κάθε φορά.

Σύμφωνα με το INL, το επόμενο βήμα είναι να παραχθούν άλλες πέντε παρτίδες μέχρι τον Οκτώβριο του 2025, ώστε να καταδειχθεί η δυνατότητα παραγωγής του εμπλουτισμένου πυρηνικού καυσίμου σε πλήρη κλίμακα και να φορτιστεί το MCRE για τα πρώτα πειράματα στον αντιδραστήρα. Αυτά αποσκοπούν στη μελέτη της συμπεριφοράς των νετρονίων στον αντιδραστήρα, στην επαλήθευση των θεωρητικών μοντέλων για αντιδραστήρες χλωριούχων αλάτων ταχείας φάσης, στη μέτρηση της σταθερότητας του καυσίμου, στην εκτίμηση της αντοχής των δομικών υλικών στη διάβρωση σε χλωριούχα άλατα και στη μελέτη των βλαβών από την ακτινοβολία στα υλικά συγκράτησης.

«Ξεκινήσαμε να σπαταλάμε πάρα πολύ από το μέταλλο ουρανίου στο οποίο έχουμε πρόσβαση και δεν θα μπορούσαμε να φτιάξουμε αρκετό άλας καυσίμου ώστε ο αντιδραστήρας να τεθεί σε κρίσιμη κατάσταση», δήλωσε ο Nick Smith, διευθυντής του έργου MCRE. «Μετά από χρόνια πειραματισμών και αναθεωρήσεων, βρήκαμε τελικά τη σωστή διαδικασία για να επιτύχουμε την τέλεια απόδοση. Χρειάζεται ένα ιδιαίτερο είδος επιμονής για να συνεχίσεις να εργάζεσαι πάνω στο πρόβλημα, όταν δεν υπάρχει καμία εγγύηση ότι θα βρεις λύση».

[via]