Reactorul plin de sare topită (în limba engleză Integral Molten Salt Reactor , SMI ) este un proiect de mic reactor nuclear modular al familiei reactoarelor de sare topită (RSF). Relativ mică, puterea sa trebuie să rămână mai mică de 300 MWe , în timp ce modularitatea sa ar permite livrarea prefabricată pe locul unei centrale nucleare.
Proiectarea IMSR se bazează îndeaproape pe cea a reactorului de sare topită denaturată (DMSR) de la Laboratorul Național Oak Ridge și încorporează, de asemenea, idei din reactorul modular avansat mic de temperatură ridicată (reactor mic modular avansat de temperatură înaltă sau SmAHTR), un proiectare ulterioară de la același laborator. IMSR este dezvoltat de Terrestrial Energy Inc. (TEI), o companie cu sediul în Oakville , Canada. IMSR este un reactor cu „arzător” care folosește combustibil lichid, în timp ce combustibilul este solid pentru reactoarele nucleare convenționale; acest lichid conține combustibil nuclear și servește și ca agent de răcire primar.
IMSR „integrează” într-o unitate de reactor nuclear compactă, sigilată și înlocuibilă (unitatea de bază IMSR) toate componentele primare ale reactorului nuclear care sunt în contact cu combustibil lichid sare fluorurată topită: moderator, schimbătoare de căldură. Căldură primară, pompe și bare de control.
IMSR este un mic reactor modular care aparține clasei de reactoare denaturate cu sare topită. Prin urmare, folosește combustibil nuclear în principal pe bază de uraniu cu obiectivul ciclului combustibilului unui convertor simplu (sau „arzător”). Acest lucru este diferit de majoritatea celorlalte modele de reactoare cu sare topită, care utilizează ciclul combustibilului de toriu , care necesită un obiectiv mai complex de reproducere . Prin urmare, designul folosește ciclul bine cunoscut al combustibilului pentru uraniu și combustibilul cu uraniu slab îmbogățit, la fel ca majoritatea reactoarelor care funcționează astăzi. Combustibilul IMSR în sine este sub formă de tetrafluorură de uraniu (UF 4 ). Acest combustibil este amestecat cu săruri purtătoare, care sunt, de asemenea, fluoruri, cum ar fi fluorura de litiu (LiF), fluorura de sodiu (NaF) și / sau fluorura de beriliu (BeF 2 ). Aceste săruri purtătoare cresc capacitatea termică a combustibilului (agent de răcire) și scad punctul de topire al combustibilului cu fluorură de uraniu.
Acest amestec lichid de combustibil și lichid de răcire este pompat printr-un nucleu critic al reactorului nuclear care este moderat de elemente de grafit, făcându-l un reactor termic cu neutroni . După ce au fost încălzite în miez, pompele forțează combustibilul lichid să treacă prin schimbătoarele de căldură plasate în interiorul vasului reactorului. Arhitectura „integrată” a reactorului (toate componentele primare, schimbătoarele de căldură etc. sunt poziționate în interiorul vasului reactorului) evită utilizarea conductelor externe care s-ar putea scurge sau rupe. Conductele din exteriorul vasului reactorului conțin o sare de răcire secundară neradioactivă. Această sare acționează ca o barieră de izolare și un radiator suplimentar și își transferă energia fie către o instalație standard de turbină cu abur de calitate industrială pentru a genera electricitate, fie prin utilizarea directă a căldurii din reactor sau o combinație a acestora.
Unitatea de bază IMSR este proiectată pentru a fi complet înlocuibilă în timpul funcționării normale. În timpul funcționării, loturi mici de săruri proaspete de combustibil sunt topite periodic și adăugate la sistemul reactorului. Acest proces de realimentare în linie evită echipamentul de realimentare mecanic necesar sistemelor de reactoare cu combustibil solid.
Aceste caracteristici de proiectare se bazează în mare parte pe două proiecte anterioare de reactoare de sare topită Oak Ridge National Laboratory (ORNL) - reactorul de sare topită denaturată din 1980 (DMSR) și reactorul modular mic de înaltă temperatură avansat (SmAHTR), un combustibil solid din 2010, dar răcit cu sare lichidă proiecta. DMSR, așa cum se practică în proiectul IMSR, propusese utilizarea combustibilului de sare topită și a unui moderator de grafit într-un design simplificat al convertorului, utilizând uraniu slab îmbogățit (LEU) (în combinație cu toriu, care ar putea fi utilizat în IMSR), cu adăugări periodice de combustibil UFE. Majoritatea propunerilor anterioare pentru reactoare cu sare topită au produs mai mult combustibil decât era necesar pentru funcționarea lor, deci au fost reactoare de reproducere . Reactoarele convertoare sau „arzătoarele” precum IMSR și DMSR pot utiliza, de asemenea, plutoniu, din combustibilul uzat existent, ca sursă de alimentare cu combustibil. Propunerea SmAHTR mai recentă a fost pentru un reactor modular mic, răcit cu săruri topite, dar alimentat cu combustibil solid TRISO.
Energia terestră lucrează în prezent la 3 dimensiuni unitare diferite, 80 megawatti termici (MWth), 300 MWth și 600 MWth, generând respectiv 33, 141 și 291 megawatti electrici (MWe) de electricitate, utilizând turbine industriale cu abur de calitate standard. CHP este de asemenea posibilă.
Obiectivul TEI este ca IMSR să fie acreditat și pregătit pentru implementare comercială în prima jumătate a anilor 2020.
Prima fază a revizuirii conceptului de către autoritatea de reglementare canadiană a fost finalizată în noiembrie 2017. Energia terestră a fost atunci primul reactor care a obținut o opinie oficială de reglementare de la un organism de reglementare occidental pentru generația IV . IMSR este, înoctombrie 2018, primul concept din generația IV care a intrat în a doua fază a acestui proces: cel al pre-licențierii , a cărui finalizare va deschide calea cererilor de licență a site-ului. Energia terestră speră să pună în funcțiune primele sale reactoare până la sfârșitul anilor 2020.
Un element cheie al designului IMSR propus este unitatea de bază înlocuibilă. În loc să deschidă vasul reactorului, să înlocuiască grafitul și alte componente care alcătuiesc miezul reactorului nuclear și apoi să închidă vasul, unitatea de bază IMSR este înlocuită ca întreg. Acesta include pompele, motoarele pompei, bara de control și schimbătoarele de căldură, toate acestea fie în interiorul rezervorului, fie direct atașate.
Pentru a facilita înlocuirea, există două silozuri de reactor în clădirea reactorului, unul cu o unitate centrală în funcțiune, iar celălalt în repaus sau răcire. După 7 ani de funcționare, unitatea centrală este oprită și lăsată să se răcească. În același timp, o nouă unitate centrală este activată în al doilea siloz de reactor neexploatat anterior. Aceasta implică conectarea la conducta de sare de răcire secundară, plasarea capacului de izolare cu ecranul său biologic și încărcarea cu sare proaspătă de combustibil. Capacul de izolare asigură o a doua barieră de izolare (prima fiind chiar vasul de reactor sigilat). Noua unitate de bază își poate începe acum cei 7 ani de funcționare electrică, în timp ce unitatea funcționată anterior în silozul de lângă ușă se răcește pentru a permite degradarea radionuclizilor de scurtă durată.
După această perioadă de răcire, unitatea de bază uzată este îndepărtată și înlocuită, permițând ciclului să revină la primul siloz, 7 ani mai târziu, pentru operațiuni de alimentare. Funcționează deoarece IMSR, cu combustibilul său lichid, beneficiază de realimentare în linie. În timpul perioadei de funcționare electrică, mici loturi de sare proaspătă de combustibil sunt topite periodic și adăugate la sistemul reactorului. Cu un reactor cu combustibil lichid, acest proces nu necesită echipamente de realimentare mecanică. Datorită unităților de bază înlocuibile și realimentării în linie, vasul reactorului IMSR nu este niciodată deschis, asigurând astfel un mediu de lucru curat. Fabrica IMSR acumulează pe loc unități sigilate de miez și rezervoare de sare combustibil uzat în silozuri sub nivelul solului. Acest mod de funcționare ajută, de asemenea, la reducerea incertitudinilor cu privire la durata de viață pe termen lung a materialelor și echipamentelor, înlocuindu-le prin proiectare, mai degrabă decât permițând acumularea problemelor legate de îmbătrânire, cum ar fi fluarea sau coroziunea .
Reactoarele cu energie nucleară au un număr mare de cerințe de siguranță de bază, care pot fi clasificate în trei categorii: control, răcire și limitare.
Cerința cea mai evidentă pentru un reactor nuclear este menținerea controlului asupra criticitate al reacției în lanț nuclear . Astfel, proiectarea trebuie să prevadă un control precis al reactivității miezului reactorului și trebuie să asigure oprirea fiabilă atunci când este necesar. În condiții normale de funcționare, IMSR se bazează pe stabilitate intrinsecă pentru controlul reactivității sale. Acesta este un feedback negativ al comportamentului de putere (sau împotriva reacției ): cu o autoreglare a puterii de ieșire și a temperaturii, reactorul este caracterizat ca un reactor de monitorizare a sarcinii. Sistemul de rezervă al IMSR este o tijă de control controlată de debit, care coboară în miez dacă pierde debitul pompat. O a doua protecție este asigurată de o cutie de siguranțe plasată în interiorul unității de bază și umplută cu o otravă neutronică foarte puternică care se topește și închide definitiv o unitate de bază dacă este supraîncălzită.
Un reactor nuclear generează căldură , o transportă și, în cele din urmă, transformă căldura în mișcare într-o turbină cu abur . Astfel de sisteme necesită eliminarea căldurii generate din sistem. O problemă fundamentală a reactoarelor nucleare este aceea că, chiar și atunci când procesul de fisiune nucleară este oprit, căldura considerabilă continuă să fie generată de degradarea radioactivă a produselor de fisiune , timp de zile și chiar luni după oprire. Această putere reziduală este principala problemă de siguranță pentru răcirea reactoarelor nucleare, deoarece este imposibil să o stingem. Pentru reactoarele convenționale cu apă ușoară , prezența acestei puteri reziduale înseamnă că, în toate circumstanțele, un flux de apă de răcire este esențial pentru a evita deteriorarea și topirea combustibilului solid. Reactoarele cu apă ușoară funcționează cu un agent de răcire volatil , necesitând funcționarea la presiune ridicată și depresurizarea în caz de urgență. IMSR folosește în schimb combustibil lichid de joasă presiune. IMSR nu depinde de alimentarea cu lichid de răcire a reactorului și nici de depresurizarea acestuia: se bazează pe un singur sistem de răcire pasiv. Unitatea de bază este supusă pierderilor constante de căldură. În funcționare normală, aceste pierderi sunt limitate de utilizarea unui izolator fuzibil, sub forma unei săruri tampon în mod normal solide. Sarea tampon este plasată într-un rezervor inelar care înconjoară reactorul pe toate părțile, cu excepția vârfului. La oprirea pompelor de sare primare, reactorul se oprește pasiv, dar se poate încălzi încet din cauza puterii reziduale mici, dar constante, așa cum s-a descris anterior. Această încălzire va topi sarea tampon și, astfel, va absorbi puterea reziduală inițial de căldura latentă de fuziune , apoi o răcire prin convecție prin sarea tampon, acum lichidă. În afara rezervorului inelar de sare tampon există o serie de țevi de răcire umplute cu apă: mantaua de răcire. Cu sarea tampon topită, există o rezistență termică mult mai redusă, iar sarea tampon devine un agent de răcire natural prin convecție care transportă căldura către coajă. Acest lucru determină evaporarea apei în mantaua de răcire. Este suficientă apă în plic pentru mai mult de 7 zile de răcire prin evaporare. Dincolo de această perioadă, pierderile de căldură în aer și în sol corespund generării de energie reziduală și este evitată necesitatea de a alimenta apa de răcire. Per total, dinamica termică și inerția întregului sistem de unități de bază IMSR în silozul de izolare sunt suficiente pentru a absorbi și dispersa puterea reziduală.
IMSR este un tip de reactor de sare topită . Toate reactoarele de sare topită au o serie de caracteristici care contribuie la o izolare sigură , în special în ceea ce privește proprietățile sării în sine. Sărurile sunt inerte chimic . Nu ard și nu generează niciun material combustibil. Sarea are, de asemenea, o volatilitate redusă , ceea ce permite o presiune de funcționare foarte mică a rezervorului și bucle de răcire. Cu alte cuvinte, sărurile au puncte de fierbere extrem de ridicate, în jur de 1400 ° C. Aceasta oferă o marjă foarte mare la temperatura normală de funcționare de aproximativ 600 ° C până la 700 ° C. Astfel, este posibilă funcționarea la presiune scăzută, fără riscul fierberii combustibilului / lichidului de răcire. În plus, stabilitatea chimică ridicată a sării previne reacțiile chimice energetice , cum ar fi generarea și detonarea hidrogenului gazos și arderea de sodiu , care reprezintă provocări pentru proiectarea și funcționarea altor tipuri de reactoare. În termeni tehnici, există o lipsă de energie potențială stocată, chimică sau fizică. Sarea de fluor în sine limitează mulți produse de fisiune ca fluoruri nevolatile și stabile chimic, cum ar fi fluorura de cesiu . La fel, alți produse de fisiune cu risc ridicat, cum ar fi iodul, se dizolvă în sare combustibilă, unde rămân legate ca sare de iod.
În plus față de izolare asigurată de proprietățile sării, IMSR are mai multe bariere fizice de izolare. Unitatea de bază IMSR este o unitate de reactor integrată, complet sigilată, cu o probabilitate foarte mică de scurgeri. Este înconjurat de rezervorul de sare tampon, el însuși o unitate complet sigilată, înconjurat de oțel structural și beton. Unitatea de bază IMSR este acoperită de sus de un capac de reținere din oțel care este el însuși acoperit de plăci groase de oțel rotunde. Plăcile servesc drept ecran de protecție împotriva radiațiilor, dar protejează și împotriva agresiunilor externe, cum ar fi explozii sau pătrunderea în urma unui accident de avion. Clădirea reactorului oferă un strat suplimentar de protecție împotriva acestor riscuri externe, cu o zonă de izolare controlată și filtrată.
Majoritatea reactoarelor cu sare topită utilizează un rezervor de scurgere gravitațional pentru stocarea de rezervă a sării combustibile topite. IMSR evită în mod deliberat acest rezervor cu bazele sale de îngrijorare de siguranță, deoarece controlul reactorului sau răcirea de urgență se bazează pe celelalte metode descrise deja. Acest lucru simplifică proiectarea și elimină linia de scurgere și riscurile asociate cu o deschidere în partea inferioară a rezervorului. Rezultatul este un design mai compact și robust, cu mai puține piese și mai puține scenarii de defecțiune.