thorium energy bloghoved

Kritikalitets test af Oak Ridges Molten Salt Reactor Experiment

I 1964 byggede Oak Ridge National Laboratory (ORNL) en saltsmelte-testreaktor, kaldet Molten-Salt Reactor Experiment (MSRE). Reaktoren gik kritisk den 1. juni 1965, og blev opereret frem til 1969. MSRE reaktoren var designet til at have et termisk output på 10MW, begrænset af kølesystemets varmeafgivelse. Både kernen og pumpen var dog dimensioneret til en væsentlig højere termisk effekt, da det var af interesse for efterfølgende planlagte breeder-reaktorer.

Illustration: ORNL

MSRE’s kerne (Illustration: ORNL)

Reaktorens dræntanke blev først fyldt med 4,5 ton lithium7-beryllium-zirkonium fluorid salt og 0,25 ton lithium7-uran238 fluorid salt. Derefter blev den fertile salt cirkuleret i reaktoren mens kontrolstavene var helt ude og små mængder lithium7-uran235 blev tilsat salten med løbende målinger af neutron multiplikationsfaktorer, af neutroner fra en neutronkilde ved siden af kernen, mellem additioner af fissilt salt. Dette fortsatte over flere dage frem til uran235 indholdet var 1,5 kg under mængden for kritikalitet, hvorefter små kapsler med frossen fissilt salt (85 g uran235 hver) blev tilføjet en ad gangen. Den 1. juni ved 18 tiden gik reaktoren kritisk med en effekt på 10W og under 2% af saltens masse værende U235.

Illustration: ORNL

MSRE prøveudtagningskapsel og berigningskapsel. (Illustration: ORNL)

Over de følgende dage udførte operatørerne en række eksperimenter, hvor reaktorens karakteristik blev testet ved meget lav effekt, både med salten stationær og cirkulerende da dette har en effekt på mængden af forsinkede neutroner, der udskilles uden for kernen. Disse eksperimenter er detaljeret beskrevet i ORNL rapporten ORNL-4233 ‘Zero-Power Physics Experiments on the MSRE’ fra 1968. Frem til 1969 blev en lang række eksperimenter foretaget med MSRE, hvoraf resultaterne kan findes i de gamle ORNL rapporter, da en stor del er blevet afklassificeret.

For eksempel var de, udstyret med beskeden computerkraft, i stand til at forudsige reaktortransienten som vist i rapporten ORNL-TM-2997 ‘Experimental Dynamic Analysis of the MSRE with 233U Fuel’.

Illustration: ORNL

Reaktortransient efter et reaktivitetindskud. (Illustration: ORNL)

Dog var MSRE ikke tænkt til at være en såkaldt ‘benchmark’ reaktor, men derimod beregnet til at demonstrere mange af nøgleprincipperne for saltsmeltereaktorer og deres praktiske håndtering, yderligere viste reaktoren at have god overensstemmelse med teoretiske forudsigelser. Det skal dog ikke stoppe forskere i at bruge MSRE som en målestok af moderne saltsmeltereaktor-beregningsværktøjer. Rapporter som ORNL-4233 og ORNL-TM-2997 er fantastiske kilder for udviklingen af saltsmeltereaktor-simuleringsværktøj.

En af udfordringerne ligger dog i, at mange af detaljerne fra ORNL saltsmeltereaktor-programmet står i rapporter, som endnu ikke er afklassificeret og vi har derfor kun den information som står i de gængse rapporter. For eksempel er ORNL-TM-0728 rapporten ‘MSRE Design and Operations Report Part I: Description of Reactor Design‘ en af de få rapporter, der giver dimensioner på MSRE’s kerne.

Illustration: ORNL

teknisk tegning af MSRE’s kerne (Illustration: ORNL)

Denne type offentligt tilgængelig information gør det muligt at genskabe en CAD model af MSRE kernen, som denne

Illustration: Aslak

CAD model af MSRE’s kerne (Illustration: Aslak Stubsgaard)

Dog er der mange dimensioner, man må skønne sig frem til. Samme problem havde en ph.d.-studerende fra Berkeley, der har prøvet at eftervise kritikalitetsresultaterne fra ORNL-4233 rapporten med Monte Carlo simuleringer. Da størstedelen af forsøgene i denne rapport er udført på stillestående isotermisk salt, er Monte Carlo simuleringsprogrammet, der er udviklet til at simulere fast brændselreaktorer, ikke noget dårligt udgangspunkt. Dog er det nævneværdigt, at modellen der blev brugt var simplificeret på adskillige punkter fra MSRE’s kernegeometri fordi modellen er opbygget med constructive solid geometry frem for moderne CAD baseret.

Vi havde egentlig en anden blog planlagt til i dag, men så så vi i går, at bloggeren PH havde skrevet et indslag om saltsmeltereaktorer, hvor kan konkluderer: “At ramme 14% ved siden af på en atomreaktors reaktivitet er slet ikke godt nok i denne sammenhæng, ingen får lov til at hælde fissile materialer i en MSR reaktor på dette grundlag.” https://ing.dk/blog/hvad-bliver-egentlig-molten-salt-reaktorer-235554 Den refererede artikel er nogle indledende resultater, publiceret af ph.d.-studenten fra Berkeley for to år siden, hvori en multiplikationsfaktor på 1,01276 blev udregnet. Det er altså 1,276% afvigelse fra den eksperimentelt observeret multiplikationsfaktor på 1 (+-0,005). Yderligere fik de et reaktivitetstab på 0,00224 fra cirkulering af salten, relativt til stationær salt, hvor den målte værdi var 0,00212, og hermed en afvigelse i reaktivitetstab på 6%, altså ikke 14%.

Siden vores CTO er independent reviewer på rapporten, der står til at blive tilføjet til IRPhE Håndbogen, kan vi informere om, at afvigelsen p.t. stadig er på godt 2% fra den eksperimentelt observeret multiplikationsfaktor. Dette er ikke en uvæsentlig uoverensstemmelse, men ikke noget der kommer til at stoppe saltsmeltereaktorer i at komme på markedet. Vi håber i øvrigt, at Berkeley fortsætter det gode arbejde, såvel som alle de andre grupper der arbejder på koblet neutron- og fluiddynamik saltsmeltereaktor-simuleringer.

Til dem der er mere interesseret, kan vi anbefale Dr. Ondrej Chvala presentation fra TEAC10. Dynamic System Modeling of Molten Salt Reactors (MSR)

er medstifter af Copenhagen Atomics.
sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

tak for de opklarende detaljer vedr. simuleringer. fagfolk med indsigt er nu langt mere interessante end en laegmands grovkornede spekulationer.

iaeas aris database viser at terrestials imsr-400 er baseret på onrl-eksperimenterne. https://aris.iaea.org/sites/MSR.html og https://aris.iaea.org/Publications/SMR-Boo...

har i kontakt til dem? det ser ud til at de er langt fremme med design og en plan for godkendelse i nordamerika. https://www.terrestrialenergy.com/2019/12/...

  • 19
  • 0

ser ud til at de er langt fremme

Så vidt vides så har Terrestrial ikke bygget noget endnu. De har valgt klassisk atom-industri vejen, med mange tons papir før man bygger noget. Det er måske hyggeligt, men ikke billigt. Ja vi har løbende dialog med dem. Vi tror mere på den vej som Wernher Von Braun, Wright Brothers, Steve Wozniak, Henry Ford og mange andre succeer valgte....

  • 14
  • 10

Men er det overhovedet en mulighed

Enig. Vi tror heller ikke på det er praktisk muligt at skaffe pengen nok til at bygge en helt ny reaktor type, hvis man vælger papirvejen som ved klassisk atom kraft. Det unikke ved thorium molten salt reactors er, at der formentlig er en anden vej. Det er den anden vej Copenhagen Atomics afsøger.

Myndighederne kræver at i laver papirarbejdet før...

Der findes endnu ikke nogen myndighed noget sted i verden, som er klar til at godkende molten salt reactors. De er ikke klar til at stille krav. Dette er både en ulempe og en mulighed. Vi har ikke råd til at betale for at "de" bliver klar.

  • 15
  • 8

nogensinde får lov at hælde Uran/Thorium på en reaktor?

nogensinde... det er lang tid. ;-)

Foregående korte svar blev lidt for upræcise. Det er ikke noget problem at få lov til at "hælde" fertilt materiaiale (uran og thorium) på en reaktor. Sådan en godkendelse kunne vi måske endda få i Danmark, selv om jeg ville forvente at det koster x10 mere her end i andre gode lande. Vi har allerede søgt om lov til at arbejde med thorium-salte i testsystemer i andre lande. Vi forventer at få alle del-godkendelserne på plads inden udgangen af året. Den dyre del er at få godkendet en hel reaktor samt at få adgang til fissilt materiale (kick starter fuel, indeholdende beriget uran eller plutonium). Det kan vi næppe i Danmark.

Vi forventer at det er en størrelsesorden dyrere at få en godkendlese til en kommerciel reaktor som skal køre i 4+ år, end hvis man starter med en lille (1 MW) test reaktor som kun skal kører i kort tid.

Vi vil foretrække at "købe" godkenselserne i et land, hvor flere andre allered har været igennem pre-approval fasen og er godt igang med approval af en kommerciel reaktor. Vi antager at dette bliver i 2023.

Apropos: Godkendelser af ny nuclear tech: Det er en udbredt opfattelse at thorium molten salt reactors kan laves mindst lige så sikkert, som de gængse fusion reaktorer vi ser rundt omkring i europa. Der er jo heller ingen af disse fusion reaktorer, som er blevet "godkendt" til kommerciel drift (af gode grunde). Måske kan vi tage samme rute.

Mange ved måske ikke at fusion reaktorer også er radioaktive og bl.a. bruger store mængder radioaktivt tritium gas. Copenhagen Atomics kan ikke undgå at producere tritium i vores reaktor. Det "kommer" fra lithium og deuterium. Måske kunne vi sælge dette til fusion folkene, så de ikke behøver hente det på månen, som nogle her på ing.dk har foreslået.

  • 11
  • 5

Tritium kan sælges til bl.a. fusions industrien, men det de stræber efter på månen er He-3. He-3 kombineret med deuterium, er vel den mest effektive fusions proces vi kan lave, med høj energi effektivitet, næsten ingen "affald" og radioaktivitet.

  • 0
  • 3

Tritium kan sælges til bl.a. fusions industrien, men det de stræber efter på månen er He-3. He-3 kombineret med deuterium, er vel den mest effektive fusions proces vi kan lave, med høj energi effektivitet, næsten ingen "affald" og radioaktivitet.

Tritium henfalder til He3 med en henfaldstid på 12 år. Mens man venter på det sidder det som Hydrogenatom i det tunge vand.

Det er sikkert upraktisk (dyrt) at lave isotopseperation af tritium - lettere at vente på henfald og se Helium dampe af.

  • 1
  • 0

Citat:

" Vi håber i øvrigt, at Berkeley fortsætter det gode arbejde, såvel som alle de andre grupper der arbejder på koblet neutron- og fluiddynamik saltsmeltereaktor-simuleringer."

De indlæg der har været hidtil om Molten Salt Reactors er ikke særligt informative.

Det væsentlige i et simuleringsprogram for specielt disse typer af raktorer med smeltet salt med brændsel opløst i saltet er jo evnen til at kunne beregne samspillet mellem flow, temperatur og neutronikken i brændselets helt lokale reaktioner. Flowfeltet udvikles på grund af opvarmningen når brændselet modereres under pasagen gennem saltkanalerne tæt på grafit (eller andre moderatorer). De lokale flowfelter og neutronikken er gensidigt afhængige af hinanden - og det havde man ikke en jordisk chance for at beregne i 60erne - man har nok brugt nogle meget grove modeller af flow mm. som man kender det fra konventionelle reaktorer - de såkaldt termo-hydrauliske modeller.

Overordnet set ser det ud som de grove modeller virker nogenlunde når man skal beregne transienter og power output. Men lokale flow distributioner og reaktioner i brændselet er også afgørende for om man ikke får lokale problemer med saltets flow og neutronik.

Problemerne man møder er bl. a.

  1. der kan forekomme maldistribution af flowet - nogle kanaler vil se bedre flow end andre. Ydelrigere vil grafit udvide sig og skabe ændringer i geometrien af flowkanalerne med tiden. Det behøver ikke være ligelig fordelt over reaktotren - og vil give problemer med flow etc.
  2. der kan være vortexlignende zoner hvor man får problemer. Her vil flowet ikke være som forudsat i simple flowmodeller - og kan man ikke forhindre disse zoner har man måske problemer

Har man ovehovedet flow/neutronikkoder der kan beregne en stor rumlig detaljeret model i dag med tilstrækkelig lokal opløsning i modellen for kritiske regioner?

  • 3
  • 1

Tak for en fin gennemgang af det spændende program, som desværre blev skrottet for mang eår siden pga. manglende visioner, og fejlagtige ekspertvisioner. Historisk set skyldes den manglende interesse for denne reaktortype en eller anden tåbelig ide om at der ville blive mangel på uran, derfor satsede man målbevidst på formeringsreaktoren som fremtidens reaktortype. Det gjorde man egentlig også i Frankrig, hvor Phenix og Superphenix var topmodellen som skulle afløse trykvandsreaktorerne. Det blev som bekendt en fiasko, Superphenix kom i gang, men lidt kontakt mellem vand og flydende natrium ødelagde planerne, det var Frankrigst dyreste strøm. Det samme har man set i Japan, også fiasko her for formeringsreaktoren. Vi skal have en reel pris pr. produceret kWh for at bedømme fremtiden for denne spændende reaktortype, som dog sikkert ikke slår en PWR ud, den kan bruges i ubåde, hangarskibe, containerskibe, krydstogtsskibe mm. Det sker kun ved at bygge en del forsøgsmodeller af modulære reaktorer, her er MSR fortsat et godt bud på en fremtidens reaktortype.

  • 8
  • 10

Vi skal have en reel pris pr. produceret kWh for at bedømme fremtiden for denne spændende reaktortype, som dog sikkert ikke slår en PWR ud, den kan bruges i ubåde, hangarskibe, containerskibe, krydstogtsskibe mm. Det sker kun ved at bygge en del forsøgsmodeller af modulære reaktorer, her er MSR fortsat et godt bud på en fremtidens reaktortype.

Jeg har svært ved at se hvordan en MSR med Thorium skulle blive billigere end en PWR og så længe Uran er rigeligt og biligt er det svært at se hvad der retfærdiggør Thorium.

Derfor ikke sagt at det ikke er et interessant eksperiment.

  • 3
  • 3

Det er en meget interessant teknologi, der sammen med Power-to-X kan bidrage væstentlig til den samlede CO2 reduktion.

Jeg mener, at i vælger den helt rigtigt vej med udviklingen af masseproducert thorim saltsmelteatomkraft. Papirarbejdet og information til "godkendelsesmyndighederne" bør gennemføres parrallelt. Det gør hele godkendelsesprocessen lettere. Jeg håber virkelig, at Copenhagen Atomics får stor success med deres Molten Salt Reactor.

Tak for en fin præstentation på webinaret i går den 3 juni, 2020.

https://ing.dk/blog/copenhagen-atomics-paa...

  • 2
  • 2
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten