close

Vores nyhedsbreve

close
Ved at tilmelde dig accepterer du vores Brugerbetingelser og accepterer, at Mediehuset Ingeniøren og IDA-gruppen lejlighedsvis kan kontakte dig om arrangementer, analyser, nyheder, tilbud mm via telefon, SMS og email. I nyhedsbreve og mails fra Mediehuset Ingeniøren kan findes markedsføring fra samarbejdspartnere.
thorium energy bloghoved

Hot Dansk Thoriumforskning

Dansk bidrag til international Thorium Molten Salt Reactor-forskning

Det er alt for længe siden, I har kunne læse om Thorium Molten Salt Reactor her på ing.dk. Det er ikke med min gode vilje. Bedre sent end aldrig. Her kommer en opsummering af, hvad Copenhagen Atomics har arbejdet på de sidste 2 år.

Tilbage i 1960’erne, da ORNL lavede deres banebrydende MSRE, fjernede man fissionsprodukter på gas form fra salten i pumpehuset via helium spraying. Copenhagen Atomics er i gang med at udvikle et nyt system til at fjerne fissionsprodukterne i et lavtryks-kammer, hvor salten presses igennem spray-dyser og forstøves i meget små dråber. Simuleringer har vist, at vi kan fjerne over halvdelen af det neutron-indfangningsareal, som fissionsprodukterne ville udgøre i salt uden rensning. Ved at kombinere denne teknik med Copenhagen Atomics heavy water moderated molten salt reactor design, så er det med stor sandsynlighed muligt, at lave en ægte formeringsreaktor i termisk spektrum, uden brug af online våd kemi i salt-rensningsanlæg. Når vi kan vise at dette er muligt, vil det være en kæmpestor milepæl i atomenergiens historie. Dette gøres desuden muligt, ved at introducere nye keramiske materialer og nye produktionsmetoder til super-isolationsmaterialet aerographite i samarbejde med ledende internationale forskere inden for de respektive felter.

Lad os endnu engang lige huske hinanden på, h vorfor det i grunden er vigtigt:

Vores verden står over for en lang række udfordringer, og det viser sig, at energiproduktion er et helt centralt element i løsningerne til mange af disse problemer. Udbygningen af sol og vind går ifølge lederne i den offentlige debat rasende hurtigt i dag. I 2016 byggede hele verden ca. 27 GWy nyopført sol og vind, ifølge tal fra denne artikel, hvis vi antager 25% virkningsgrad for vind og 15% for sol:

http://www.renewableenergyworld.com/articles/2017/03/new-global-solar-capacity-outpaced-wind-in-2016-irena-says.html

Verdes vækst i energiforbrug i 2016 var ca. 200 GWy, og det samlede globale forbrug var på 18 TWy. Så selv om vind og sol nybygning i 2016 var rekord stort, så var det stadig kun en brøkdel af nyopført olie og gas. Vi må derfor antage, at det kunne tage over 500 år at nå til 100% global energi fra vind og sol. Det når vi selvfølgelig aldrig, og i øvrigt vil både det globale forbrug og udbygningen af sol og vind stige, så disse fremskrivelser er alligevel behæftet med meget store usikkerheder.

Fig. 1 Social Progress Index 2015 plotted imod International Energy Agency global energy production-tal fra 2013 for 115 lande. Flere lande angivet ved navn. Blå stiplet linje er bedste fit til data som kan downloades her: https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_countries_by_energy_consumption_per_capita

Folkene bag Copenhagen Atomics tror på at Thorium Molten Salt Reactors (MSR) kan spille en vigtig rolle i at løse mange af de globale problemer samt medvirke til at sikre, at vi skaffer meget mere CO2-fri energi til verdens befolkninger og løser atom-affaldsproblemerne. Vi ønsker at udbygge samarbejdet imellem forskningsgrupper og startup-virksomheder, som arbejder med Thorium MSR verden over, så vi kan løse de globale problemer og flytte punkterne i figur 1. På Thorium Energy Conference i Mumbai i 2015 (ThEC15) fremlagde jeg selv flere eksempler på, hvordan Copenhagen Atomics aktivt udvikler teknologier, som Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) og nozzle spraying. Disse bidrage til den globale udvikling af MSR teknologien er medvirkende til, at Thorium MSR teknologien flytter tættere på et markedsgennembrug. Samtidig bringer de Copenhagen Atomics i en global lederposition inden for de nævnte områder.

LASER INDUCED BREAKDOWN SPECTROSCOPY

LIBS regnes for en ikke destruktiv måleteknik – mindre end et nanogram af materialet bliver omdannet under en test. En laserpuls danner en gnist (plasma) på overfladen af materialet, hvor materialet opnår meget høje temperaturer. Efter denne eksitation henfalder elektronerne for hver af grundstofferne i materialet til deres grundtilstand og udsender lys (gnisten), som opsamles og analyseres i nogle avancerede spectrometre. Via gentagende pulser og avanceret matematiske modeller er det muligt at bestemme materialets indhold af grundstoffer og ofte også de primære isotoper. Dette kan ske oftere end en gang i sekundet, og denne LIBS teknik kræver ingen forberedelse af prøverne. LIBS kan endda anvendes både på faste og flydende materialer. Det helt afgørende i forhold til MSR er, at LIBS måleteknologien ikke engang kræver direkte fysisk adgang til prøverne. Man kan måle på afstand via laserstråler, spejle, linser og optiske fibre. Folkene bag Copenhagen Atomics har arbejdet med LIBS i mange år, og vi har lavet målinger på salt smelter , urenheder i vand, faste materialer og forstøvede væsker.

Copenhagen Atomics har bl.a. vist at vi kan måle:

  • Nøjagtige kemiske kvantitetsanalyser af fluor smelter over 1000 °C
  • Isotopdetektion af små mængder U235 og U238 i et metallisk thorium-emne (Fig. 2)
  • Isotopdetektion af Li6 og Li7 i litium-fluorider (Fig. 3)

Copenhagen Atomics arbejder i øjeblikket på at kalibrere vores udstyr, så vi kan måle på flydende thoriumsalte i et forseglet miljø med salte, som indeholder flere hundrede isotoper.

LIBS potentielle nøjagtighed: Det setup, vi burger i Copenhagen Atomics, består af to optiske fibre samt linser og spejle. Vi kan således lave nøjagtige målinger samtidig med, at det dyre måleudstyr er et stykke væk fra den varme og (i fremtiden) meget radioaktive flydende salt. Den typiske nedre grænse for mængder, vi kan detektere for relervante grundstoffer og isotoper, er ~10 PPM. Isotoper kan typisk detekteres med en relativ nøjagtighed på 98-99 %.

Copenhagen Atomics LIBS system skal i første omgang bruges internt i vores egne forsøg til at forbedre og validere, hvor store mængder af forskellige isotoper vi kan fjerne via vores nozzle spraying teknologi, som omtales her nedenfor. Vi vil dog også sælge vores LIBS system som en komponent til andre Molten Salt Reactor-virksomheder og forskningsinstitutioner. Samt samarbejde med IAEA omkring udvikling af LIBS, så det kan bruges til inspektion og kontrol af IAEA og andre myndigheder, som fører tilsyn med opbevaring og transport af salte og fissile materialer.

Fig. 2. LIBS målinger udført af CA på metalliske thoriumprøver ; Zoom ind på 424-425 nm og visning af de karakteristiske toppe af U235 og U238.

Fig. 3: LIBS målinger udført af CA på LiF prøve, inkl. zoom ind på 671 nm og de karakteristiske toppe af Li6 and Li7.

RENSNING AF SALT VED BRUG AF NOZZLE SPRAYING

Nozzle spraying er en videreudvikling af den traditionelle helium bobbling metode. Nozzle spraying gør det teoretisk muligt at fjerne meget store mængder af fissionsprodukter fra brændselssalten, imens den er i drift. Når vi får dette til at virke, så betyder det, at man kan undgå at lave våd kemi på brændselssalten, imens loopet kører. Derved fjerner man op imod halvdelen af kompleksiteten af de systemer, som ellers skulle køre inden for reaktorens primære barrierer. Selvsagt ændrer dette også på prisen og time-to-market for en formeringsreaktor i termisk spektrum.

Grunden til, at vi kan opnå så lovende resultater med nozzle spraying er, at næsten alle fissionsprodukter henfalder igennem nogle henfaldskæder med mange led. Det er muligt at fjerne ca. 15 af de grundstoffer, som isotoperne passerer op igennem deres henfaldskæder. Enten er disse grundstoffer på gasform ved de tryk og temperaturer, som findes i spraykammeret, eller de binder sig i fluormolekyler, som har et damptryk, som gør det muligt at dampe dem af. Det er egentlig den samme mekanisme som det traditionelle heliumbobbling gør brug af, men den afgørende forskel, vi opnår med nozzle sparying, er, at vi inverterer geometrien og dermed opnår enorm forbedring af forholdet imellem overfladeareal og saltvolumen. Ved at styre tryk og kemi i kammeret, kan vi således drive meget store mængder af fissionsprodukter ud med en flowgas (helium eller argon).

Figur 4 og 5 viser eksempler på et par henfaldskæder. Alle 3500 henfaldskæder kan ses her

Fig 4. En typisk henfaldskæde for et antal fissionsprodukter. Nb og Mo kan fjernes i gasfase.

Fig 5. En typisk henfaldskæde for et antal fissionsprodukter. Kun Xe kan fjernes i gasfasen og skal fjernes inden for ca. 20 sekunder, efter fissionen har fundet sted i reaktorkernen, ellers er det ikke muligt at få dem ud senere i henfaldskæden.

Mange af isotoperne i brændselssalten går over på gasform ved 700°C og lavt tryk; nogle af isotoperne er kun på gasform i få sekunder, før de atter henfalder til et andet grundstof, som ikke kan dampes af. For at opnå høj grad af saltrensning via nozzle spraying-teknologien, må man placere dette nozzle sparying-kammer tæt ved reaktorkernen. Salten skal desuden have højt nok fremdriftshastighed, så isotoperne når til kammeret, netop når de hurtige henfaldsisotoper er på gasform. Det er vigtigt at indse, at fissionsprodukterne bliver dannet som to individuelle atomer i en meget stor suppe af brændselssalt. Lige meget hvilken metode man ønsker at bruge til saltrensning, så skal de enkelte atomer nå ud til overfladen af salten. Chancen for at få fjernet fissionsprodukterne bliver derfor øget meget kraftigt, når overfladearealet af salten forøges.

Den grundlæggende ide bag nozzle spraying-teknologien er at drive salten igennem en speciel dyse, som danner meget små dråber, hvorved overfladearealet maksimeres. Tabel 1 viser typiske kogepunkter ved atmosfærisk tryk for et antal fluormolekyler og gasser i brændselssalten. Man ser at Tin og Gallium eventuelt også kan fjernes i nogen grad ved lavt tryk og 800°C i spraykammeret.

Tabel 1. Smeltepunkter og reduktionspotentialer for forskellige fluormolekyler og gaser i thorium brændselssalt.

SIMULERINGER

Jeg har selv arbejdet intensivt på en ny software simulationspakke, som gør det muligt at simulere, hvilke af de ovenfor nævnte fissionsprodukter vi kan forvente at fjerne fra salten. Disse simuleringer bruger information om halveringstider, henfaldskæder, kogepunkter, damptryk, salt fremdriftshastighed, dråbestørrelse, spraykammertryk og neutron-indfangningstværsnit for at beregne, hvilken effekt nozzle spraying vil få på neutronøkonomien i en given reaktor. Resultater viser, at fissionsprodukterne i brændselssalten kun vil indfange under halvdelen af de neutroner, de ville have indfanget, hvis vi ikke havde fjernet nogle af fissionsprodukterne. Her er en ældre video som viser nogle af de simulerede resultater:

Eftervisning af resultaterne og vores fremtidige arbejde

Copenhagen Atomics arbejder med at validere de simulerede resultater ved at tilsætte forskellige mængder af de grundstoffer, som er vist i tabel 1, til nogle relevante salte f.eks. LiF-ThF4-UF4. Disse salte gør ikke brug af beriget Lithium eller Uran. Saltene opvarmes i en ovn til forskellige temperaturer og med forskellige kombinationer af tryk og flowgas, hvorefter afdampningen måles. I et andet setup planlægger Copenhagen Atomics at pumpe FLiNaK-salte rundt i et salt loop. Der tilsættes ligeledes stoffer fra tabel 1, og vi kører dem igennem et spraykammer og måler, hvor hurtigt vi kan fjerne grundstoffer, som går på gasform i kammeret, ved at variere temperatur, tryk, dråbestørrelse og gas- og saltflowhastigheder .

HEAVY WATER MODERATED MOLTEN SALT REACTOR

Heavy Water Moderated Molten Salt Reactor (HWMSR) blev forslået for flere årtier siden og der findes flere eksempler på dokumenter, som behandler emnet, eksempelvis denne: http://nuclearpoweryesplease.org/pub/thunder%2013-12.pdf Udvikling af nye grafitmaterialer inden for de sidste 5 år har rykket markant ved, hvad der er muligt i forhold til isolering og isotopfiltre. Blandt andet er der udviklet et isolationsmateriale aerographite, som er et aerogel-lignende materiale, som kan klare den høje temperatur og neutronstrålingen i reaktoren og samtidig har en lavere varme transport . Dette gør det dermed pludselig muligt at anvende tungt vand ved 50 °C som moderator. Tungt vand er ligeledes i løbet af de sidste 10 år blevet x100 gange billigere at producere, og det kan genbruges og er en meget bedre moderator end grafit. Copenhagen Atomics forventer derfor at grafit kun vil blive brugt som moderator i smeltet salt-reaktorer de først 10 år efter smeltet salt-reaktorens kommercielle gennembrud. Vi tror i stedet mere på en reaktorkerne bestående af en vandtank af zirconium. Tanken indeholder tungt vand ved 50 °C og ned igennem denne tank føres et antal rør af keramiske materialer baseret på kulstof. I disse keramiske rør flyder brændselssalten, og imellem de keramiske rør og zirkonium ligger et tyndt lag af aerografit og isolerer de rødgrødende rør fra det lune vand.

Fig 6. Viser en tværsnitafbildning af HWMSR rørkonstruktionen i reaktorkernen, med keramiske rør omkranset af aerografitisolering og tungt vand.

Der er en række ulemper ved at bruge grafit som moderator i en smeltesalt reaktor, da det bl.a. har det meget begrænset levetid, og man har endnu ikke løst problemet med, hvordan man vil slippe af med det meget radioaktive grafit efter end-of-life. Grafit i høj kvalitet er også dyrere end tungt vand og det kan ikke genbruges. Tungt vand har også den fordel, at man hæve og sænke vandspejlet, hvorved man har en meget effektiv ”kontrolstav”, hvormed man kan regulere reaktorens effekt og kædereaktion efterhånden som saltens sammensætning ændrer sig med burnup. Man undgår således de dumme gamle kontrolstave, som blot ”stjæler” store mængder vigtige neutroner fra processen.

Tidlige studier af Copenhagen Atomics viser, at sådan en HWMSR kan bliver den første rigtige formeringsreaktor, som kan køre i termisk spektrum. Det er således formentlig den eneste termiske reaktor, som kan konfigureres som en Waste Burner, uden at den skaber mere affald, end den brænder af. Men dette er kun muligt at opnå, hvis man både har højt optimeret online nozzle spraying system, som omtalt ovenfor og samtidig laver batch processing af salten med jævne mellemrum. F.eks. en gang om ugen. I batch processingen skal man bruge flamme-reaktorer og våd kemi, som er meget kompleks og formentlig vil tage en del år at udvikle og få godkendt til kommerciel drift.

Det er ikke utænkeligt at HWMSR vil blive den eneste type termisk reaktor, som kan opnå fordoblingstider på under 20 år. Det vil sige, at den producerer dobbelt så meget fissilt U233, som reaktoren selv brænder af under driften i løbet af 20 år. Den anden halvdel kan således bruges til at starte nye reaktorer, og man kan således starte flere og flere reaktorer i verden uden at skulle berige uran i fabrikker, som også kan bruges til A-våben produktion. Det er også værd at bemærke, at HWMSR skal bruge meget mindre fissilt materiale per MW output sammenlignet med fast-spectrum formeringsreaktorer. Derfor vil man i sidste ende kunne udbygge energiforsyningen baseret på HWMSR lige så hurtigt, som hvis man bygger solid fuel fast-reactors.

Copenhagen Atomics har altid brug for dygtige folk, som har lyst til at arbejde med ovenstående teknologier både på et teoretisk og praktisk plan. Så kontakt os, hvis du har lyst til at lære mere og biddrage til projektet.

Alternativt, så bør du overveje at støtte Andreas Norlin og Thorium Energy World i deres crowdfunding projekt.

Der er også TEAC8 i USA i august, hvis nogle har lyst til en flyvetur

Thomas Jam Pedersen
er medstifter af Copenhagen Atomics.

Dejligt at høre noget positivt om atomkraft, og især om MSR.
Håber I kan få tid til at skrive mere og holdes os opdateret om emnet.

Politisk set, er der stiv modvind i Europa og Danmark i særdeleshed, så jeg vil da meget gerne høre om jeres tanker om mulighederne for at bygge MSR anlæg i fx DK?

  • 7
  • 1

Hvor tit regner i med de keramiske roer skal skiftes? Har i proevet at lave en roerepind i materialet og slibe det med saltsmelte for at studere nedbrydningen?

Det tunge vand maa skulle koeles voldsomt for at holde 50C med kun 11 mm materiale til 700C saltsmelte?

Er jeres spraynozzle ogsaa lavet i keramik og hvor tit skal den skiftes?

Hvordan pumper i saltsmelten rundt?

Bliver lyslederkablerne i oevrigt ikke uigennemsigtige naar de bliver bestraalet?

  • 7
  • 1