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.
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.
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’.
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.
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
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)
