Kaksoisfluidireaktori

Kaksoisfluidireaktori (Malline:K-en, DFR) on sulasuolareaktorista kehitetty ydinreaktori, jossa jäähdytysaine ja polttoaine kiertävät toisistaan erillisissä piireissään fluidina. Reaktorin jäähdytyksen ensiöpiirissä on kaavailtu käytettäväksi sulaa lyijyä. Näin kyseessä olisi nestemäisellä metallilla jäähdytetty reaktori. Sula lyijy toimii myös neutroniheijastimena ja vähentää myös reaktorin gammasäteilyä. Mitään neutronihidastimia ei tarvita eikä käytetä, vaan reaktori on niin sanottu nopea hyötöreaktori. Reaktorin korkean lämpötilan vuoksi voimalalta voidaan odottaa korkeaa termistä hyötysuhdetta. Myös vedyn tuotanto hyvällä hyötysuhteella korkean lämpötilan elektrolyysissä olisi mahdollista. Koska reaktorin lämpötila pysyy jäähdytysaineen ja polttoaineen kiehumispisteen alapuolella, kumpaakaan näistä ei tarvitse paineistaa, ja näin reaktoria ei tarvitse sijoittaa paineastiaan. 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. Ensimmäinen kaksoisfluidireaktori aiotaan rakentaa Ruandaan. Sen arvellaan valmistuvan vuonna 2026.

Neljännen sukupolven reaktori

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

• Kaasujäähdytteiset nopeat reaktorit (GFR)
• Lyijyjäähdytteiset nopeat reaktorit (LFR)
• Superkriittiset vesijäähdytteiset reaktorit (SCWR)
• Erittäin korkean lämpötilan reaktorit (VHTR)
• Sulasuolareaktorit (MSR)
• Natriumjäähdytteiset reaktorit (SFR)

Näistä kuudesta neljännen sukupolven reaktoriteknologiasta kaksoisfluidireaktori yhdistää kolme: LFR, VHTR ja MSR.

Nopean reaktorin erityinen etu on mahdollisuus hyödyntää polttoaineenaan muiden ydinvoimaloiden käytettyä polttoainetta, jolloin ongelmalliset pitkäikäiset radioaktiiviset isotoopit saadaan hyödynnettyä ja hajotettua nopeutetusti. Samalla ydinpolttoaine saadaan hyödynnettyä satakertaisesti.

Kaksoisfluidireaktori on valittu Puolan ydinenergiaohjelman lupaavaksi tutkimuskohteeksi kaasujäähdytteisen korkean lämpötilan reaktorin ohella.

Nopea hyötöreaktori

Hyötöreaktorit, jollainen kaksoisfluidireaktorikin on, kykenevät muuttamaan fissiileiksi ytimiksi fertiilejä ytimiä niin tehokkaasti, että reaktorin käynnistyksen jälkeen reaktori kykenee tuottamaan fertiileistä ytimistä kaiken tarvitsemansa reaktoripolttoaineen.

Reaktorin toiminnan kannalta tärkeimmät ydinreaktiot ovat hyötöreaktio ja fissio eli ytimen halkeaminen.

Plutoniumin fissio

${}^{\mathrm{1}}{}_{\mathrm{0}}\mathrm{n}+{}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{9}}{}_{\mathrm{9}\mathrm{4}}\mathrm{P}\mathrm{u}⟶[{}^{\mathrm{2}\mathrm{4}\mathrm{0}}{}_{\mathrm{9}\mathrm{4}}\mathrm{P}\mathrm{u}]\stackrel{73\mathrm{\%}}{\to }𝑓𝑖𝑠𝑠𝑖𝑜(𝑒𝑠𝑖𝑚𝑒𝑟𝑘𝑖𝑘𝑠𝑖{}^{\mathrm{1}\mathrm{3}\mathrm{4}}{}_{\mathrm{5}\mathrm{4}}\mathrm{X}\mathrm{e}+{}^{\mathrm{1}\mathrm{0}\mathrm{3}}{}_{\mathrm{4}\mathrm{0}}\mathrm{Z}\mathrm{r}+3{}^{\mathrm{1}}{}_{\mathrm{0}}\mathrm{n})$

${}^{\mathrm{1}}{}_{\mathrm{0}}\mathrm{n}+{}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{9}}{}_{\mathrm{9}\mathrm{4}}\mathrm{P}\mathrm{u}⟶[{}^{\mathrm{2}\mathrm{4}\mathrm{0}}{}_{\mathrm{9}\mathrm{4}}\mathrm{P}\mathrm{u}]\stackrel{27\mathrm{\%}}{\to }{}^{\mathrm{2}\mathrm{4}\mathrm{0}}{}_{\mathrm{9}\mathrm{4}}\mathrm{P}\mathrm{u}+\mathrm{\gamma }$

Yksi plutoniumytimen halkaisu tuottaa kolme nopeaa neutronia. Vaikka joka kerta plutoniumin ²³⁹Pu ydin ei halkeakaan, neutronikaappauksessa syntyvä ²⁴⁰Pu ydin on myös fissiili. Suurienergiainen nopea neutroni kykenee halkaisemaan nämä sivutuotteina syntyvät ytimet paljon todennäköisemmin kuin hitaat neutronit. Ytimien onnistunut halkaiseminen on oleellista ydinreaktorin neutronitalouden ja ketjureaktion jatkumisen kannalta.

Uraanin hyötöreaktio

${}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{8}}{}_{\mathrm{9}\mathrm{2}}\mathrm{U}+{}^{\mathrm{1}}{}_{\mathrm{0}}\mathrm{n}⟶{}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{9}}{}_{\mathrm{9}\mathrm{2}}\mathrm{U}\underset{23.5\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}{\overset{\mathrm{\beta }{\phantom{A}}^{-}}{\to }}{}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{9}}{}_{\mathrm{9}\mathrm{3}}\mathrm{N}\mathrm{p}\underset{2.356\mathrm{d}}{\overset{\mathrm{\beta }{\phantom{A}}^{-}}{\to }}{}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{9}}{}_{\mathrm{9}\mathrm{4}}\mathrm{P}\mathrm{u}$

Hyötöreaktiossa fertiili ²³⁸U ydin muuttuu fissiiliksi ²³⁹Pu ytimeksi.

Torium polttoaineena

Uraanin ja toriumin hyötöreaktioiden vertailua.

Kaksoisfluidireaktori on hyvän neutronitaloutensa ansiosta lupaava ehdokas toriumia polttoaineenaan käyttäväksi hyötöreaktoriksi. Käytettäessä toriumia reaktorin polttoaineena hyötöreaktiossa muodostuu fissiiliä uraanin isotooppia ²³³U, jonka fissio tuottaa pääosan reaktorin neutronivuosta.

DFR/s

Kaksoisfluidireaktorin ensimmäinen vaihtoehto DFR/s muistuttaa polttoainepiirinsä puolesta sulasuolareaktoria. Reaktorin polttoaineeksi on ajateltu plutoniumtrikloridia, uraanitrikloridia ja toriumtrikloridia. Kloorin ja erityisesti ³⁷Cl -isotoopin soveltuvuus nopeisiin hyötöreaktoreihin on tunnettu vuosikymmeniä. Reaktori soveltuu myös köyhän uraanin ja ydinjätteen hävittämiseen. Reaktorin lämpötila on korkea, noin 1 000 °C. 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. Volframin seoksista ja piikarbidista oletetaan saatavan riittävän kestävät materiaalit reaktorin putkistoon.

DFR/m

Kaksoisfluidireaktorin toinen vaihtoehto DFR/m perustuu sulan metallin käyttöön polttoainepiirissä. Fissioituvista metalleista ei tehdä yhdisteitä muiden alkuaineiden kanssa vaan toimintapisteessään reaktorin lämpötila on niin korkea että polttoaineena käytettävät metallit virtaavat sulana. DFR/m odotetaan olevan tehotiheydeltään ja taloudellisuudeltaan vielä parempi kuin DFR/s. Koska polttoaine ei sisällä klorideja, reaktorin rakennusaineena voidaan piikarbidin sijasta käyttää zirkoniumkarbidia ja titaanikarbidia. Reaktorin lämpötila on noin 100° korkeampi kuin DFR/s-versiossa.

Lähteet

• Malline:Verkkoviite
• Malline:Verkkoviite
• Malline:Verkkoviite
• Malline:Verkkoviite
• Malline:Verkkoviite
• Malline:Verkkoviite
• Malline:Verkkoviite
• Malline:Kirjaviite
• Malline:Verkkoviite
• Malline:Kirjaviite
• Patentti WO 2013/041085 A2. Dual Fluid Reactor. Konrad Czerski, DE & Stefan Gottlieb, DE & Armin Huke, DE & Ahmed Hussein, CA & Goetz Ruprecht, DE. Application 2012000957, 21.09.2012, (28.03.2013). (PDF)
• Malline:Verkkoviite
• Malline:Kirjaviite
• Malline:Kirjaviite

Aiheesta muualla

• Dual Fluid Reactor Institute for Solid-State Nuclear Physics kaksoisfluidireaktorin kotisivu
• Malline:Lehtiviite