Il reattore integrale a sali fusi e i vantaggi di avere un reattore a fissione liquida

Sebbene ai più il termine "reattore a fissione" richiami alla mente qualcosa di simile ai reattori ad acqua leggera (LWR) comunemente utilizzati che funzionano utilizzando acqua naturale (H2O) come refrigerante e con neutroni termici lenti, esiste un numero vertiginoso di altri progetti possibile. Alcuni di questi sono in uso da decenni, come i reattori canadesi ad acqua pesante (D2O) (CANDU), mentre altri stanno solo ora iniziando a fare il primo passo verso la commercializzazione.

Questi includono reattori ad alta temperatura raffreddati a elio come il cinese HTR-PM, ma anche un tipo relativamente raro sviluppato da Terrestrial Energy, chiamato Integral Molten Salt Reactor (IMSR). Questa società canadese ha recentemente superato la fase 2 della revisione pre-licenza dei fornitori da parte della Canadian Nuclear Safety Commission (CNSC). Ciò che rende l’IMSR così interessante è che, come suggerisce il nome, utilizza sali fusi: sia per il refrigerante che per il combustibile a base di uranio a basso arricchimento, ma produce anche combustibile da isotopi fertili che lascerebbero un LWR come parte del suo combustibile esaurito.

Allora perché vorresti che il tuo combustibile fosse fluido anziché solido come nella maggior parte dei reattori odierni?

Anche se molti progetti di reattori appena autorizzati o in procinto di ottenere la licenza negli anni ’20 sembrano futuristici, praticamente tutti sono stati concettualizzati in qualche modo prima degli anni ’60, e molti hanno avuto prototipi costruiti. Lo stesso vale per i reattori a sali fusi (MSR), che hanno visto l’Oak Ridge National Laboratory (ORNL) creare una serie di prototipi, a partire dal 1954, quando l’Aircraft Reactor Experiment (ARE) raggiunse la prima criticità. L'ARE era un ramo del programma Aircraft Nuclear Propulsion (ANP) che aveva le sue radici nell'aeronautica americana, prima di essere trasferito alla Commissione per l'energia atomica (AEC).

Da lì il progetto è finito all'ORNL, dove il progetto originale di combustibile solido è stato modificato in una miscela sale fuso/combustibile a causa di preoccupazioni sulla stabilità della reazione alle alte temperature, che il progetto MSR potrebbe risolvere. Dopo la cancellazione del programma ANP, le tecnologie MSR dell'ARE e i progetti successivi furono utilizzati per un progetto puramente civile: il Molten-Salt Reactor Experiment (MSRE).

Come l'ARE, l'MSRE utilizzava combustibile fuso, anche se con una composizione diversa. SONO utilizzate 53,09 moli% di NaF, 40,73 moli% di ZrF4 e 6,18 moli% di UF4 per la sua miscela sale/carburante, con l'uranio-235 come materiale fissile. Anche il moderatore dei neutroni è cambiato dall'ossido di berillio (BeO) in ARE alla grafite pirolitica in MSRE.

MSRE ha utilizzato 7LiF – BeF2 – ZrF4 – UF4 (65 – 29,1 – 5-0,9 moli%) seguendo le lezioni apprese dalla miscela di sali ARE. Inizialmente nella miscela primaria di refrigerante/carburante veniva utilizzato il 33% di uranio-235 (arricchito), prima di passare all'utilizzo di uranio-233 ricavato dal torio nei reattori autofertilizzanti. Sebbene sarebbe stato possibile configurare MSRE per utilizzare i sali di torio da cui generare il proprio combustibile, questo è stato omesso dagli esperimenti, e sono state invece eseguite misurazioni di neutroni. Ciò tuttavia tocca uno dei vantaggi di un MSR, in quanto possono essere un reattore di neutroni veloce a differenza di un LWR moderato ad acqua, rendendoli in grado di produrre il proprio combustibile da isotopi fertili, compresi i transuranici e gli attinidi risultanti dall'originale. combustibile all'uranio. L'altro vantaggio degli MSR è che possono funzionare a temperature molto elevate (820 °C per ARE, 650 °C per MSRE) grazie all'elevata stabilità termica e capacità termica del refrigerante, senza richiedere le pressioni riscontrate con acqua leggera pressurizzata reattori (PWR), che tipicamente presentano una temperatura di uscita di circa 300 °C.

La temperatura operativa determina in ultima analisi con quali processi e turbine è compatibile, poiché i processi industriali spesso richiedono temperature molto superiori a quelle che gli LWR possono fornire. Un MSR in grado di fornire una fonte costante di calore >600 °C sarebbe estremamente pratico per queste applicazioni, oltre ad aumentare l’efficienza termica della generazione di elettricità tramite turbine a vapore.

Nel corso dei cinque anni di vita dell'MSRE, ha fornito informazioni significative sul comportamento del combustibile 235U e 233U, nonché sulla produzione e la manipolazione del gas xeno (un veleno neutronico), sulla stabilità del moderatore di grafite e sull'immunità del sale utilizzato a qualsiasi tipo di radiazione a cui è stato esposto. Ha inoltre convalidato la nuova lega metallica sviluppata presso ORNL per resistere agli effetti corrosivi del sale caldo, che è un nichel-cromo-molibdeno chiamato Hastelloy N.