A Thorium Molten Salt Reactor When and Where You Need It

ThorConIsle ist ein Offshore-500-MWe-Thorium-Salzschmelze-Reaktor, der im Schiffsrumpf eingebaut ist und Strom aus schiffbaren Wasserstraßen liefern kann. Der ThorCon-Topf arbeitet mit einem Druck von 3 bar, ähnlich dem Druck im Gartenschlauch, hat ein bewegliches Teil – das Pumpenlaufrad – und verwendet einen Dampfkreislauf mit vier Kreisläufen, der einen Wirkungsgrad von 45% erreicht. Das Design könnte die Nuklearindustrie grundlegend verändern.

Beim Screening von Kandidatenstandorten für den Bau und Betrieb eines Kernkraftwerks an Land werden zahlreiche Faktoren berücksichtigt. Wichtige Standortmerkmale (wie der Zugang zu Kühlwasser, Entfernungen zu großen Bevölkerungszentren und seismische Aktivitäten in der Region) werden durch Feldaufklärung überprüft, und Gewichtungsfaktoren werden mit Entscheidungsanalysemethoden kombiniert, um akzeptable Standorte zu unterscheiden und auszuwählen. Der Prozess scheint unkompliziert zu sein, aber die subjektive Natur des Abwägens von Umwelteinflüssen mit Wirtschaftlichkeit, Sozialleistungen und anderen Agenden kann zu unbestimmten Verzögerungen führen. Eine vernünftige Alternative, um diese gewünschten Standortmerkmale zu berücksichtigen, besteht darin, offshore zu schauen.

ThorConIsle

POWER hat bereits über das Interesse Indonesiens an ThorCons Thorium-Salzschmelze-Reaktoren berichtet (siehe „Indonesien betrachtet Thorium-Salzschmelze-Reaktoren“ in der Ausgabe vom Mai 2017 und online unter powermag.com). Der Mitbegründer von ThorCon, Robert Hargraves, sprach kürzlich mit POWER und gab ein Update zu ThorConIsle, einem Offshore-Kernkraftwerk mit 500 MWe (Abbildung 1).

1. Diese Draufsicht auf ThorConIsle (mit Abmessungen in Metern) zeigt die Spaltinsel auf der linken Seite, die etwa ein Drittel der Gesamtlänge des Schiffes einnimmt, die Turbinenhalle in der Mitte und die GIS-Halle (Gas Insulated Switchgear) das Recht. Vorgefertigte, modulare Kraftblöcke werden mithilfe eines Montageprozesses im Werftstil im Rumpf eingekapselt. Mit freundlicher Genehmigung von ThorCon

Offshore-Kernkraftwerke an der Oberfläche und unter Wasser werden seit Jahrzehnten betrieben, insbesondere unter anderem von der Flotte von Flugzeugträgern und U-Booten der US Navy. Ein ziviles Beispiel ist das schwimmende Kernkraftwerk Academik Lomonosov, das in Pevek, Russland, zur Stromversorgung eingesetzt wird (siehe „Neuartige schwimmende Kraftwerke am Horizont“ in der Dezemberausgabe 2018).

Es gibt auch eine lange Geschichte mit natriumgekühlten Reaktoren. Das Los Alamos-Experiment für geschmolzenen Plutoniumreaktoren (LAMPRE) und die USS Seawolf (SSN-575) bieten einige Beispiele. Daher benötigt das ThorCon-Design keine neue Technologie und spiegelt eine vergrößerte Version des Experiments mit geschmolzenem Salzreaktor wider, das in den 1960er Jahren im Oak Ridge National Laboratory in Tennessee durchgeführt wurde (siehe „Salzschmelze-Reaktoren: Militärische Anwendungen hinter den Energieversprechen“ in) die Dezember 2018 Ausgabe).

ThorConIsle kann auf schiffbaren Wasserstraßen lokalisiert werden, wobei die elektrische Energie an eine landgestützte Schaltstation übertragen wird. Dies ist insofern von Bedeutung, als die Hälfte der Weltbevölkerung in einem Umkreis von 100 Kilometern um das Meer lebt und daher die Nachfrage nach Küstenenergie hoch ist. Ein Wellenbrecher und eine Wassertiefe schützen vor Seekollisionen bzw. Tsunamis.

Machbarkeitsstudie: Indonesien

Indonesien ist ein Archipel mit 18.000 Inseln in Südostasien. Der Großteil des Stroms des Landes stammt aus der Kohleverbrennung (56% im Jahr 2015), wobei Erdgas (25%), Öl (9%), Wasserkraft (6%) und Geothermie (4%) ebenfalls im Mix enthalten sind. Eine Verpflichtung zur Reduzierung der Emissionen um 29% wird bis 2030 erwartet.

Indonesien wird voraussichtlich bis 2030 die fünftgrößte Volkswirtschaft der Welt sein. Obwohl bis 2026 22 GW von unabhängigen Stromerzeugern gestrichen wurden – der größte Teil davon sind kombinierte Gasturbinen- und erneuerbare Projekte -, werden voraussichtlich erhebliche Investitionen in die Stromerzeugung erforderlich sein. Eine 2016 durchgeführte öffentliche Meinungsumfrage ergab, dass 77,5% der Bevölkerung die Kernenergie befürworteten.

Es wird erwartet, dass der empfohlene ThorConIsle-Standort vor äußeren Gefahren wie tropischen Wirbelstürmen und Tsunami-Wellen durch historische tektonische Erdbeben und Krakatoa-Vulkanaktivität geschützt ist. Regulierungsrichtlinien werden von der Internationalen Atomenergiebehörde und verschiedenen indonesischen Institutionen eingeholt.

Die ThorCon-Dose: Ein Topf, eine Pumpe und ein Standbild

ThorConIsle ist in zwei 250-MWe-Leistungsmodule für insgesamt 500 MWe unterteilt. Jedes Modul enthält zwei austauschbare Reaktoren in versiegelten „Dosen“, die in Silos sitzen. Jede Dose ist 11,6 Meter hoch, 7,3 Meter im Durchmesser und wiegt 400 Tonnen. Die Einheiten haben nur ein bewegliches Teil: das Pumpenlaufrad (Abbildung 2).

2. Dieses Bild zeigt das ThorCon-Kerndampfversorgungssystem und Sicherheitsmerkmale. Die “Dose” enthält alles innerhalb des roten Volumens. Mit freundlicher Genehmigung von ThorCon

Die Dose kapselt den Reaktor ein, der als “Topf” bezeichnet wird und geschmolzenes Brennstoffsalz enthält – eine homogene Mischung aus Natrium-, Beryllium- und Thoriumfluoriden mit niedrig angereichertem (19,7%) Uran-235 (LEU). Der Topf arbeitet mit einem Überdruck von 3 bar, ähnlich einem typischen Gartenschlauch. Versteckt hinter dem Ausgleichsbehälter (in Abbildung 2 blau gefärbt) zirkuliert die Primärkreislaufpumpe das Brennstoffsalz (3.000 Kilogramm / s bei 565 ° C) in den Topf, der Graphit-Moderatorplatten enthält, die Neutronen zur Spaltung von Uran verlangsamen. Das Brennstoffsalz wird erhitzt, wenn es durch den Topf nach oben fließt.

ThorCon verwendet vier Kreisläufe – den gleichen Dampfkreislauf wie in vielen modernen Kohlekraftwerken – und wandelt Spaltwärme in Elektrizität um. Das erhitzte Brennstoffsalz (704C) wandert durch die Rohrleitungen durch den Primärkreislaufwärmetauscher (PHX) zu den Sekundärsalzrohren (in Abbildung 2 grün gefärbt) und führt zu einem Sekundärwärmetauscher.

Die Wärme wird in einen „Sonnensalzkreislauf“ übertragen, der ein Natrium-Kaliumnitrat-Gemisch enthält. Diese Mischung wird als Sonnensalz bezeichnet, da sie in einigen Solaranlagen als Energiespeichermedium verwendet wird. Der Solarsalzkreislauf überträgt seine Wärme dann auf einen überkritischen Dampfturbinenkreislauf mit einfacher Wiedererwärmung, was einen Anlagenwirkungsgrad von 45% und eine Reduzierung des Kühlwasserverbrauchs um 60% im Vergleich zu Leichtwasserreaktoren (LWR) ergibt.

Konstruktionen mit geschmolzenem Salz verwenden typischerweise einen Spezialstahl mit niedrigem Chromgehalt und hohem Nickelgehalt, der als Legierung N bezeichnet wird, für Oberflächen, die mit Fluoridsalzen in Kontakt kommen. Im ThorCon-Design bestehen jedoch alle vier Kreisläufe, Wärmetauscher und Pumpen aus einem Standard-Edelstahl – SUS316Ti. Zu den Vorteilen der Auswahl von SUS316Ti zählen die kommerzielle Verfügbarkeit, das reichliche Angebot, die Haltbarkeit gegen Felder mit hoher Strahlung und keine speziellen Fertigungsanforderungen. Eine ausreichende Bauteildicke, einschließlich einer Dicke, die Korrosion berücksichtigt, ermöglicht eine geeignete Funktionsleistung über die gesamte Lebensdauer der Konstruktion.

Direkt unter der Dose befindet sich ein heliumgekühlter Gefrierventilstopfen (in Abbildung 2 grau gefärbt). Wenn die Kraftstoffsalztemperatur im Primärkreislauf über die Betriebsgrenzen steigt, taut der Stopfen auf und leitet das Kraftstoffsalz in den vertikalen, nicht moderierten Kraftstoffsalz-Abwassertank mit 32 Segmenten ab, der passiv gekühlt wird, indem Wärme an die kalte Silowand abgegeben wird.

Der passive Kühlprozess ist sabotagebeständig und erfordert weder Eingriffe des Bedieners noch externe Stromversorgung. Die Dose wird durch Wärmestrahlung auf die aus zwei konzentrischen Stahlzylindern bestehende Silokaltwand gekühlt. Wasser im Hohlraum wird auf natürliche Weise zu einem Kühlturm zirkuliert, kondensiert und zurückgeführt. Während der Reaktor über eine Schwarzstartfähigkeit verfügt, dh die Stromversorgung ohne externes Übertragungsnetz wiederherstellt, ist die Dose so ausgelegt, dass sie sicher bleibt, wenn sie ein Jahr lang unbeaufsichtigt bleibt.

Designvorteile

Das robuste Rumpfdesign von ThorConIsle (25-Millimeter-Doppelstahlwände und 3-Meter-Hohlraum mit Sand gefüllt) und das Deck (25-Millimeter-Stahl) können einem vertikalen 777-Flugzeugschlag standhalten. Das Silo-, Dosen- und Topfbarrieren-System erzeugt mehrere unabhängige und redundante Tiefenverteidigungsschichten. Wenn sich das Brennstoffsalz erwärmt, verlangsamt sich die Spaltung aufgrund des negativen Temperaturkoeffizienten, der als Doppler-Effekt bezeichnet wird. Diese negative Rückkopplung stabilisiert den Reaktor und stoppt passiv die Spaltung, falls der Reaktor jemals überhitzt. Darüber hinaus verhindert der große Abstand zwischen der Betriebstemperatur des Brennstoffsalzes (704 ° C) und der Siedetemperatur (1.430 ° C) Exkursionen der Brennstoffsalztemperatur, die Phasenänderungen und katastrophale Energiefreisetzungen verursachen.

Das Kraftstoffsalz hat gegenüber LWR-Kraftstoff mehrere Vorteile. Sie beinhalten:

    ■ Es bindet die wichtigsten Radionuklide Strontium-90, Iod-131 und Cäsium-137 chemisch.
    ■ Natriumfluorid eliminiert elementare Natrium-Sauerstoff-Wechselwirkungen, die bei natriumgekühlten schnellen Reaktoren auftreten, was mögliche Natriumbrände ausschließt.
    ■ Ein sechsstufiges Abgassystem entfernt Edelgasspaltungsprodukte, Xenon und Krypton. Tritium wird von Akkumulatoren in der Silohalle, dem sekundären Wärmetauschermodul und dem Sonnensalz aufgefangen.
    ■ Gebiete mit hoher Strahlung und die Bildung proliferationsresistenter Radionuklide (wie LEU und mit Thorium verdünntes Plutonium) machen es zu unattraktivem Waffenmaterial.

Kraftstoffwechsel

ThorConIsle ist so konzipiert, dass alle wichtigen Teile regelmäßig ausgetauscht werden, während jede 500-MWe-Einheit wegen Wartungsarbeiten am Turbinengenerator außer Betrieb ist. Beispielsweise steht eine gebrauchte Dose im Leerlauf und wird alle vier Jahre ausgetauscht, wodurch die gesamte Primärschleife ersetzt wird.

Das Brennstoffsalz wird in ein Brennstoffsalzfass überführt, und ein spezielles CanShip überführt das Brennstoffsalzfass und die verwendete Dose in eine zentrale Recyclinganlage (CRF), die bis zu 50 ThorCon-Anlagen unterstützt. Daher werden Demontage, Dekontamination und Abfallbehandlung von der Anlage auf das CNI verlagert, wodurch eine Lebensdauer von bis zu 80 Jahren erreicht wird.

Es wird geschätzt, dass ThorCon 9 Meter 3 / GWe-Jahr hochradioaktiven Abfall erzeugt, der in trockenen Fässern gelagert wird. Der Recyclingplan sieht vor, wiedergewonnenes Salz mit LEU als neuem Kraftstoff wieder einzuspritzen. Bei einer Stilllegung können Komponenten gemäß den örtlichen Vorschriften für radioaktive Abfälle wiederverwendet, dekonstruiert oder vergraben werden.

Weg zum kommerziellen Betrieb

Die US-Gesetze beschränken den Transfer von Kernmaterial und -technologie, aber es gibt weniger Beschränkungen für Länder wie Indonesien, die den Nichtverbreitungsvertrag unterzeichnet und ratifiziert haben. Da das geistige Eigentum von ThorCon als Geschäftsgeheimnis geschützt wird, sind für diese Übertragung Geheimhaltungsvereinbarungen erforderlich.

Die National Nuclear Security Administration des US-Energieministeriums bestätigt, dass der Export von ThorCon-Informationen nach Indonesien gemäß Titel 8 Teil 810, Code of Federal Regulations, Unterstützung ausländischer Atomenergieaktivitäten, korrekt registriert ist. Dies stellt sicher, dass exportierte US-Nukleartechnologien für friedliche Zwecke eingesetzt werden.

Ein empfohlener ThorConIsle-Prototypstandort wird voraussichtlich 2019 von der Nationalen Nuklearenergiebehörde Indonesiens (BATAN) angekündigt. Anschließend wird ein schrittweiser Inbetriebnahmevorgang gemäß den vereinbarten Meilensteinen durchgeführt, um den kommerziellen Betrieb zu erreichen.

Hargraves erwartet, dass ThorCon innerhalb von vier Jahren einen kommerziellen Prototyp in Betrieb nehmen wird. Dies umfasst zwei Jahre für den Bau und das Testen einer vollständigen Testplattform vor der Spaltung. Sobald eine Werft die 500-MWe-Demonstrationsanlage gebaut hat, wird sie abgeschleppt, auf den Meeresboden geschichtet und an das Stromnetz angeschlossen. Danach werden zwei Jahre umfangreicher Anlagentests zu einem lizenzierten Design für die Massenproduktion führen. Mit prognostizierten Stromkosten von weniger als 5 ¢ / kWh könnte das ThorCon-Werk eine wichtige Rolle bei der Energieversorgung der Schwellenländer spielen. ■

– –James M. Hylko (([email protected]) ist auf Sicherheits-, Qualitäts- und Notfallmanagementfragen spezialisiert und trägt häufig zu POWER bei.

Comments are closed.