Kernenergie
Gesmolten zout kernreactor
Kerncentrale
Root server » TechTalk » Electriciteit » Generatoren » Alternatieve energie » Gesmolten zout kernreactor
De gesmolten zout kernreactoren werden reeds getest in de jaren 1960, maar dan koos men voor grote kerncentrales, de klassieke centrales met vaste brandstofstaven. De nieuwe generatie kernreactoren gebruikt echter geen water meer als primair koelmiddel, maar gesmolten zouten waarin de splijtstoffen opgelost zijn.
-

-

Een kerncentrale met gesmolten zouten, dat moet toch uiterst gevaarlijk zijn? Riskeren we geen ontploffing? Fluor, lithium, beryllium, dat zijn toch uiterst reactieve stoffen? En die hoge temperaturen die nodig zijn om de zouten vloeibaar te maken... Gaat het metaal bij die hoge temperaturen ook niet smelten?

Maar zoals keukenzout dat bestaat uit de giftige en zeer reactieve stoffen natrium en chloor en volkomen veilig is, zijn de zouten die in de reactor gebruikt worden zeer stabiel. Een ontploffing is uitgesloten. De zouten zijn specifiek gekozen omwille van hun laag smeltpunt en scheikundige stabiliteit. Gevaarlijke afbraakprodukten lossen op in de vloeibare zouten en verliezen hun reactiviteit.

De zouten die gebruikt worden mogen niet ontbonden worden door de warmte en de neutronenstraling (waardoor men bijvoorbeeld geen chloor maar fluor moet gebruiken). De zouten zijn eigenlijk veiliger dat het water dat men in traditionele kerncentrales gebruikt.

Rechts een eenvoudige voorstelling van een kerncentrale met gesmolten zouten. De zouten worden ter plaatse gefilterd om afbraakprodukten te verwijderen. Zo moeten de volledige brandstofstaven niet naar de fabriek vervoerd worden zoals bij een klassieke kerncentrale.

De kernreactor is zelf-stabiliserend zonder ingreep van buitenuit. Stijgt de temperatuur in de kern, dan zetten de zouten uit zodat de kettingreaktie zwakker wordt.

Een van de beveiligingen is een vaste zouprop onderaan de reactor. Bij een defekt van de electrische installatie, valt de koeling van de prop weg, die dan smelt, waardoor al het zout in vergaarbakken loopt. Door de grote oppervalkte stopt de ketting reaktie en is en enkel nog de natuurlijke radioaktiviteit die het mengsel vloeibaar houdt.

Links een uitsnede uit de eerste experimentele reactor (MSRE: Molten Salt Reactor Experimental). De bedoeling was niet om electriciteit te leveren, maar om de werkingparameters van een gesmolten zout reactor te bepalen. De reactor bleef uiteindelijk 4 jaar in werking en werd voor meerdere experimenten gebruikt. Men kon delen uit de reactor verwijderen voor analyse en men kon de samenstelling van de brandstof wijzigen. De ingenieurs vonden de reactor "saai", want er gebeurden nooit onregelmatigheden.

1 is de reactor en 5 is de betonnen omhulsel. 2 is de warmtewisselaar. Het gebouw van de reactor is 12.

3 is de primaire pomp en 6 de secundaire pomp. Beide kringen gebruiken gesmolten zouten, maar de secundaire kring heeft geen opgeloste brandstof.

7 is de warmtewisselaar met de buitenlucht, 9 zijn de ventilatoren en 8 is een reservoir voor de gesmolten zouten van het secundaire circuit.

We hebben hier ook al een zoutprop 13 en tanks om de zouten op te vangen in geval van oververhitting of defekt 10 en 11.

Het was mogelijk metingen uit te voeren ter hoogte van de primaire pomp, men kon brandstof toevoegen en xenon en kryptongas laten ontsnappen. Deze gassen vergiftigen de reactor omdat ze de neutronen opvangen. Er is gevaar bij een klassieke reactor als deze gassen verdwijnen, want dan kan de kettingreactie ongecontroleerd versnellen. Daarom dat de klassieke kernreactoren altijd op een constant vermogen moeten werken. Hier kan xenon de primaire kring constant verlaten, waardoor de reactor stabiel blijft werken.

De bereikte temperatuur was zo hoog dat de koelelementen in de lucht roodgloiend werden (650░). Toen vond men dit een nadeel, tegenwoordig kan men deze hitte goed gebruiken voor verschillende scheikundige processen.

Zelfs nadat de reactor stilgelegd werd, heeft die nog heel veel informatie gegeven over de stabiliteit van de gebruikte metalen, de stabiliteit van de brandstof die overbleef en de afbraakprodukten. Als het zout gaat stollen komen de opgeloste gassen vrij (meestal fluor). De berekeningen die men gemaakt had in verband met de natuurlijke radio-activiteit bleken allemaal perfect te kloppen.

In klassieke kerncentrales gebruikt men water om de warmte af te voeren. Water heeft echter een aantal nadelen:
  • Water kookt bij 100░ en men moet de druk sterk verhogen om het water vloeibaar te houden. Men is beperkt tot een temperatuur van 300░, anders zouden de wanden van de reactor veel te dik moeten worden.

  • Het water dient ook als moderator en speelt dus indirect een rol bij de kernreacties. Als er stoombelletjes ontstaan, of er lekt water uit de reactor, dan verstoort dit de werking van de reactor.

  • Als de reactor te warm wordt, dan wordt het water ontbonden in zuurstof en waterstof. De grafietstaven schieten en brand en nemen de zuurstof op, terwijl waterstofgas explosies in de ruimte kan veroorzaken. Water is dus minder veilig dan gesmolten zouten.

Het gebruik van gesmolten zouten heeft nog meer voordelen:

  • De kernreactor werkt op een normale, lage druk, zodat er geen extra dikke vaten en leidingen voorzien moeten worden. De derde kring, die wel water gebruikt, werkt op hoge druk, maar dit deel zit buiten de kernreactor en ondergaat geen neutronenbombardement die het metaal op den duur broos maakt. De derde kring is de normale kring, die ook te vinden is in thermische centrales die bijvoorbeeld met steenkool gestookt worden.

  • De reactor kan op hoge temperatuur werken waardoor het rendement van de electrische centrale stijgt. De warmte kan zelfs gebruikt worden om water te ontbinden tot zuurstof en waterstof (een reactie die vermeden moet worden in klassieke centrales).

  • Het splijtstof is aanwezig in opgeloste vorm in de gesmolten zouten, wat de verwerking ervan vergemakkelijkt. Men kan de afvalprodukten ter plaatse wegfilteren. Een normale kerncentrale moet regelmatig stilgelegd worden om een paar kernstaven te vervangen. De afvalprodukten in de kernstaven maken de werking van de reactor minder stabiel.

  • Er ontstaan voornamelijk afvalprodukten met een korte halveringstijd. Deze produkten kunnen ter plaatse bewaard worden omdat ze afgescheiden kunnen worden van de brandstof.

  • De kernreactoren kunnen als kweekreactoren gebruikt worden. Er kunnen stoffen ingebracht worden die door de neutronenbombardement splijtbaar worden. Deze radio-actieve stoffen kunnen verwijderd worden en in een nieuwe centrale gebruikt worden.

  • Door de behandeling ter plaatse van de gesmolten zouten vermijd men dat de volledige brandstofstaven (van een conventionele centrale) naar de fabriek vervoerd moeten worden. De "versleten" brandstofstaven bevatten nog 96% aktief materiaal, maar de afvalprodukten maken de reactor onstabiel. De afgescheiden afvalstoffen van een gesmoten zout reactor kunnen ter plaatse bewaard worden, want ze nemen minder plaats in.

  • De stabiliteit en de veiligheid van de reactor is gebaseerd op natuurkundige fenomenen, en wordt niet bepaald door externe regelsystemen (pompen, kleppen,...) die defekt kunnen gaan.

  • Om een zo optimaal mogelijk rendement te hebben, moeten klassieke kernreactoren een vermogen hebben van ongeveer 1GW. De gesmolten zout reactoren kunnen een veel lager vermogen hebben, waardoor ze op meer plaatsen ingezet kunnen worden. Een kernreactor van 400MW (thermisch) levert 190MW electrisch vermogen. Kleinere reactoren kunnen ook gebruikt worden in fabrieken waar veel processwarmte nodig is.

  • De restwarmte kan ook gebruikt worden voor de stadsverwarming, want de veiligere reactoren kunnen ook in de stad ingepland worden.

  • In tegenstelling met klassieke kerncentrales moeten de reactoren niet op een constant vermogen werken om de veiligheid van de reactor te waarborgen.

Thermische en snelle neutronen

De meeste reactoren gebruiken "thermische" neutronen, dit zijn neutronen die door een moderator afgeremd zijn geweest. Trage neutronen zijn meer efficient bij het onderhouden van de kernreacties, maar de reactor heeft grafietstaven nodig. Deze staven worden broos na verloop van tijd en moeten vervangen worden.

Reactoren die met snelle neutronen werken hebben een homogene struktuur, het reactor is gewoon een vat waarin de opgeloste zouten aanwezig zijn. Dergelijke reactoren kunnen gemakkelijker ingezet worden als kweekreactor door het reactorvat te omgeven door stoffen die door de neutronenbombardement zelf radio-actief worden.

De tekening van de kerncentrale lijkt ingewikkeld, maar dit komt eerder door het tertiair circuit, die de turbine aandrijft.

We hebben een primaire kring in het rood. Deze kring is gevuld met gesmolten zouten waarin de brandstof opgelost is. De temperatuur kan varieren van 100 tot 1000░ (zolang de zouten vloeibaar blijven). Doorgaans werkt de primaire kring op 600 Ó 700░. De druk komt overeen met de atmosferische druk. De zouten worden naar een warmtewisselaar gepomt, waar ze een deel van hun warmte afstaan. Een deel van de zouten gaat naar een verwerkingsinstallatie die de afbraakprodukten filtert.

Er zijn regelstaven zoals bij een klassieke kerncentrale. De beveiliging is simpel: als de temperatuur te hoog oploopt, of de koelsystemen niet meer werken, dan smelt een prop. De vloeibare zouten komen terecht in verschillende reservoirs. Door de verdeling over een groot oppervlakte is de kritieke massa niet meer bereikt en stopt de kettingreactie. De natuurlijke radioactiviteit zorgt ervoor dat de zouten vloeibaar blijven (temperatuur boven de 93░).

De zouten moeten vleoibaar blijven, zodat opgeloste gassen (zoals fluor) in de vloeistof blijven.

Er is een tweede kring met twee warmtewisselaars, dit is het cyan gedeelte. Men gebruikt hier ook gesmolten zouten, maar die bevatten geen radio-actief materiaal. De eerste warmtewisselaar zit in het reactorgebouw, de tweede warmtewisselaar zit in een normaal gebouw. Deze kringt vervoert de warmte van de reactor naar buiten.

De derde kring is vergelijkbaar met die van een normale thermische centrale. Hier wordt water aan de kook gebracht om een turbine aan te drijven. Het rendement kan hoger oplopen, want men kan met een hogere temperatuur werken. De druk wordt daardoor hoger, maar de vaten en de leidingen worden niet blootgesteld aan een neutronenbombardement, waardoor ze niet broos kunnen worden. Door het hogere rendement kan men een koeltoren vermijden.

Een dergelijke centrale heeft ook enkele nadelen: het is een volledig nieuw systeem. Men heeft veel geld ge´nvesteerd in meer traditionele kerncentrales. De nieuwe centrales vragen een volledig nieuw ecosysteem omdat ze andere grondstoffen gebruiken (fabrieken die de grondstoffen maken en de afvalprodukten verwerken, fabrieken die het speciale Hastelloy staalsoort produceren, enz).

Ge´ntegreerde reactoren

Kleine reactoren zijn meestal volledig ge´ntegreerd en bestaan uit een container van 170 ton waarin de volledige reactor in ondergebracht is. De reactor is ontworpen om 7 jaar continu te werken, dan wordt die gewoon vervangen. Zo'n systeem kan enkel gebruikt worden bij gesmolteh zout reactoren, die intrinsiek veilig zijn en geen extra beveiliging nodig hebben.

Deze reactoren hebben geen installatie om de zouten te behandelen, maar men kan op regelmatige tijdstippen brandstof toevoegen.

De reactoren hebben ene natuurlijk stabiele werking. Het vermogen hangt af van hoeveel warmte er afgenomen wordt. Wordt er geen warmte afgetapt, dan gaat de reactor over op een minimale werking waarbij de warmte afgevoerd wordt door natuurlijke straling en convectie.

Indien de circulatiepompen zouden uitvallen, dan zakken er automatisch regelstaven in de vloeibare zouten. Mocht de temperatuur toch te hoog worden, dan smelten containers die boorzout bevatten. Boor slorpt de neutronen op, waardoor de kettingreacties onderbroken worden. De reactor kan dan niet meer opgestart worden en levert enkel restwarmte door de natuurlijke radioactiviteit.

Deze kleine reactoren hebben geen zoutprop en opvangbakken: dit zou de constructie meer complex maken.

Dergelijke reactoren gebruiken uraniumfluoride opgelost in gesmolten zouten. Grotere reactoren kunnen ook thorium gebruiken. Op termijn zou thorium goedkoper worden.

Links to relevant pages - Liens vers d'autres pages au contenu similaire - Links naar gelijkaardige pagina's

-