Sulasuolareaktorien toimintaperiaate ja kehitys

Abstract

Tämä kandidaatintyö on kirjallisuusselvitys sulasuolareaktoreihin, niiden toimintaperiaatteeseen ja niiden parissa tehtyyn kehitystyöhön 1940-luvulta nykyhetkeen. Sulasuolareaktori on neljännen sukupolven reaktorityyppi, joka käyttää nestemäisessä muodossa olevaa suolasulaseosta joko polttoaineenaan primääripiirissä tai jäähdytinaineena sekundääripiirissä tai molempia. Tässä kandidaatintyössä käsitellään sulaa polttoainetta hyödyntäviä sulasuolareaktoreita. Polttoaine-suolaan on voitu liuottaa joko fissiiliä tai sekä fissiiliä että fertiiliä ainetta. Polttoainesuola kiertää laitoksen primääripiirissä sydämen läpi, missä tapahtuu fissio. Fission seurauksena polttoainesuola lämpenee ja syntynyt lämpö siirretään suolasulasta lämmönvaihtimien avulla sekundääripiiriin. Sekundääripiiristä lämpö siirretään edelleen tertiääripiiriin, jossa siitä generoidaan sähköä. Työ on koottu käyttäen lähteinä kansainvälisiä tutkimusartikkeleita, ydinenergian kirjallisuutta, kirjallisuusselvityksiä ja kansainvälisten järjestöjen tutkimuskoosteita. Tutkimusta aiheesta löytyy runsaasti sekä 1900-luvun projekteista että tuoreemmista 2000-luvulla suoritetuista kokeista ja tutkimuksista. Sulasuolareaktorien tutkimusta tehdään paljon Venäjällä ja Kiinassa. Sulasuolareaktorien parissa tehty tutkimustyö alkoi 1940-luvulla lentokonereaktorikoe AREn parissa. ARE oli menestyksekäs ja siitä saatiin paljon hyödyllistä tietoa sulasuolareaktoreista. ARE:een jälkeen ORNL:ssa aloitettiin sulasuolareaktorikoe. MSRE alkoi 1960-luvun taitteessa ja kokeen puitteissa rakennettiin 8 MW reaktori, joka osoitti, että hyödyntämällä sulasuolapolttoainetta on mahdollista tuottaa sähköä. MSRE:n jälkeen tutkittiin lyhyesti hyötöreaktoria, mutta rahoituksen loputtua ORNL:n tutkimukset sulasuolareaktoreihin päättyivät 1980-luvulla. Uusi kiinnostus MSR-konseptia kohtaan heräsi 2000-luvun alussa, kun GIF nimesi MSR:n yhdeksi neljännen sukupolven ydinreaktorikonseptiksi. Tutkimustyö elpyi ja lukuisia erilaisia sulasuolateknologiaa hyödyntäviä reaktoreita on kehitelty viimeisen 20 vuoden aikana. Useita tutkimushaasteita, joita sulasuolan käyttö aiheuttaa on tutkittu syvällisesti, mutta niiden implementointi teolliselle mittakaavalle on yhä tekemättä. Tutkimukset ovat edistyneet valtavasti, mutta työnsarkaa on vielä paljon jäljellä. Sulasuolareaktoreilla on useita ainutlaatuisia turvallisuusominaisuuksia. Verrattaessa MSR:ien turvallisuutta kevytvesireaktoreihin, voidaan todeta polttoaineen nestemäisen olomuodon olevan turvallisempaa hyödyntää kuin kiinteä polttoaine. Sulasuolareaktorien joustava polttoainekierto myös mahdollistaa toriumpolttoaineen käytön ja sen myötä tehokkaamman proliferaation vastustamisen, kuin uraanipolttoainetta hyödynnettäessä.