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Nucleare, la tecnolgia dei reattori a sali fusi (MSR). Dal periodico dell' ASME

Von: Alessandro (miaposta_33@virgilio.it) [Profil]
Datum: 14.05.2010 22:56
Message-ID: <4bedb8ff$0$31371$4fafbaef@reader1.news.tin.it>
Newsgroup: it.scienza it.scienza.ambiente
http://memagazine.asme.org/Articles/2010/May/Too_Good_Leave_Shelf.cfm

Un interessante articolo sui reattori a sali fusi (molten salt reactors, o
MSR), ed in particolare su una particolare configurazione di questi, è stato
pubblicato sulla rivista del ASME dal fisico canadese David LeBlanc. Siccome
credo che buona parte della gente (e persino dei tecnici) non conosca
assolutamente nulla delle enormi potenzialità di questa tecnologia, ho
ritenuto opportuno segnalarlo.

Interessante come lo sviluppo dei reattori a combustibile fluido fu
originato dalla idea un pò folle di dotare gli aerei Usa, in periodo di
guerra
fredda, di reattori capaci di alimentare le turbine a gas, quindi di
lavorare alle temperature ben superiori (2 o 3 volte maggiori) a quelle dei
reattori ad acqua. A seguito di ciò furono costruiti ed operati con successo
due prototipi ovvero l' ARE (aircraft reactor experiment, ancora
oggi il reattore ad aver lavorato alle temperature più alte in una
tecnologia nucleare) di qualche MW  e il MSRE (Molten salt reactor
experiment) di quasi 10 MW,
http://en.wikipedia.org/wiki/Molten_salt_reactor
purtroppo succesisvamente il loro sviluppo venne interrotto per dare
priorità ai reattori all' uranio (i MSR furono concepiti come semplici ed
efficienti autofertilizzanti al torio, altro combustibile nucleare) e al
plutonio, come potete ben immaginare più per priorità politiche di ordine
militare che di tipo tecnologico ed economico

Ma veniamo al punto. I MSR consistono in una miscela di fluoruri di uranio e
torio allo stato liquido, che fanno sia da combustibile che da refrigerante,
e a
pressione atmosferica, questa miscela è straordinariamente stabile all'
irraggiamento ed è non reattivo (a differenza del sodio, per es.) a contatto
con aria ed acqua. Inoltre, il fatto di essere sempre allo stato liquido, ne
permette un veloce ed efficiente trattamento delle scorie radioattive con
il reattore a piena potenza, senza la necessità di trattare le scorie
altrove in altri impianti

Mi limito infine ad incollare alcuni pezzi dell' articolo, la cui lettura
completa
cmq consiglio interamente,  insieme ad alcuni miei commenti

" MSRs run at low pressures and so don't need the large pressure vessels
common in today's reactors. They can run on a variety of fuels and can even
burn transuranic waste produced at other reactors. More intriguingly, molten
salt reactors can be designed to breed their own fuel without the need for
off-site processing. " (appunto, come si diceva, sfruttando un ciclo del
combustibile basato sul torio e non sull' uranio)

" Molten salt reactors (sometimes referred to as liquid fluoride reactors)
contain no fuel pellets. [quindi combustibile nucleare allo stato solido]
Instead, the fissile and fertile materials are
dissolved in a fluid medium. The fluid can be one of various fluorides of
uranium, thorium, or plutonium, which form low melting point eutectics when
combined with certain carrier salts such as 27LiF-BeF2, which is known as
flibe. When raised above the melting point (some 460 °C) this mixture
becomes a very stable liquid that can flow continuously between a simple
core (typically containing graphite moderator) and external heat exchangers.
Heat from the radioactive primary salt is transferred to a clean
intermediate salt that then transfers heat to either a steam or gas cycle."

" Molten fluoride salts are excellent coolants, with a 25 percent higher
volumetric heat capacity than pressurized water-and nearly five times that
of liquid sodium. That greater heat capacity results in more compact primary
loop components like pumps and heat exchangers.

Molten salt reactors run at near-atmospheric pressure, so the thick-walled
pressure vessels found in light-water reactors is unnecessary. Since there
is no water or sodium in the reactor fluids, there is zero possibility of a
steam explosion or hydrogen production within the containment "

" MSR designs have very strong negative temperature and void coefficients,
which act instantly, aiding safety and allowing automatic load following
operation. Also, the fluid nature of the fuel means meltdown is an
irrelevant term. In the case of emergency, the fuel salt is automatically
drained to passively cooled, critically safe drain tanks. Any salt
temperature above normal simply melts a frozen plug of salt like pulling the
plug on a bathtub."
Ovvero, alla base del reattore è presente un dispositivo
di congelamneto raffreddato elettricamente che è in caso di incidente o
mancanza di potenza o flusso nel reattore, scarica in maniera passiva,
ovvero senza
la necessità di alcun intervento umano, il combustibile fluido che viene
raccolto in serbatoi adatti, la cui geometria impedisce intrinsicamente la
reazione a catena di fissione autosostenuta

" Fissile material concentrations within an MSR are easily adjusted on a
continuous basis. Such adjustments eliminate excess reactivity and the need
for burnable poisons, which is common in solid-fuel reactors.

Also, many fission products quickly form stable fluorides that will stay
within the salt during any leak or accident. Others are volatile or
insoluble and can be passively and continuously removed. Xenon gas, which
represents almost half of all neutron absorptions to fission products in
most solid-fuel reactors, will just bubble out of the fuel salt and can be
stored outside the reactor loop."

"Some of the fission products must remain isolated for several hundred
years, but there is no need for Yucca Mountain-type repositories intended to
last millennia. It is plutonium and the other transuranic elements of light
water reactor spent fuel that are the real issue. MSRs produce them at much
lower rates and recycle them, thus the long-lived radiotoxocity of MSR waste
is one-ten-thousandth that of an LWR. "
Una interessante caratteristica è che, grazie al fatto che il combustibile è
sottoforma liquida facilmente
ritrattabile on-line e contiene torio (anche parzialmente miscelato con l'
uranio), le scorie a lunga vita (i transuranici) prodotte sono poche (meno
di un millesimo che un reattore tradizionale) e cmq possono essere
completamente riciclate
e distrutte (fissionate) nel reattore stesso, peraltro producendo altra
energia utile

" There are many design variations, which can be grouped into two main
categories. Breeder reactors produce their own fissile fuel after startup.
The typical plan for a breeder is to start with fertile thorium, which after
capturing a neutron decays to fissile uranium-233. This cycle is capable of
being a breeder in softer neutron spectrums where neutrons are slowed down,
typically by graphite; the familiar breeding cycle that converts uranium to
plutonium requires a harder or faster neutron spectrum.

The reactors don't have to be breeders, or be limited to a thorium cycle.
Without fuel processing, MSRs can run as simple converters with excellent
uranium utilization even on a once-through cycle. Converter designs, which
require annual additions of fissile material, can run excellently off even
low-enriched uranium. Converters and breeders each offer advantages, and the
main point of difference between the two is whether fission products are
actively processed out of the salt during operation."
Un MSR può essere costruito per essere un reattore autofertilizzante (che
produca un pò più combustibile fissile, ovvero uranio 233 e non 235 dal
torio 232, di quello che consuma) con il ciclo del torio, o con una minore
efficienza ma molto maggiore semplicità, per essere un
reattore ad alta conversione non autofertilizzante che usi una miscela di
torio ed uranio, ma con una elevatissima efficienza nello sfruttare l'
uranio
naturale, da 4 a 6 volte meglio che i reattori tradizionali. In quest'
ultimo
caso, l' autore spiega, allora :  1) non c'è praticamente bisogno di alcun
nuovo investimento in  R&S per
costruirlo oggi (si tratterebbe in pratica di replicare le stesse tecnologie
con minime variazioni dell' ARE
e il MSRE) e 2) occorrono appena 35 tonn di uranio naturale per
produrre un GWanno (= 8,76 TWh) di elettricità (contro più di 200 tonn/anno
per
i reattori
attuali), cosicchè occorerebbe che il prezzo di mercato dell' uranio
superasse di 10 volte il max livello mai raggiunto (ovvero 300 $/kg)
affinchè l' incidenza sul costo del kWh nucleare della materia prima
superasse il centesimo di $ per kWh elettrico.

Infine, "The amount of fissile material needed to start new reactors is also
very important, especially in terms of a rapid fleet expansion. The 1 GWe
DMSR was designed for 3.5 metric tons of U-235 (in easy-to-obtain
low-enriched uranium) which can be lowered if uranium costs go up. A new
PWR, by contrast, needs about 5 metric tons, whereas a sodium-cooled fast
breeder such as the PRISM design requires as much as 18 tons of either U-235
or spent fuel plutonium. Any liquid fluoride reactor can be started on
plutonium as well, but this turns out to be an expensive option, since
removing plutonium from spent fuel costs around $100,000 per kilogram."
Occorre molto meno uranio arricchito per avviare un GWe di MSR (nella
versione "denaturata" ad alta conversione/efficienza nell' uso dell' uranio
ma non autofertilizzante qui presentata) che un reattore tradizionale ad
acqua ed in particolare infinitamente meno che un reattore veloce al sodio

Altri interessanti articoli dello stesso autore o sullo stesso argomento :
http://www.thoriumenergyalliance.com/downloads/TEAC2_DavidLeBlanc.pdf
http://machinedesign.com/article/thorium-a-readily-available-and-slightly-radioactive-mine
ral-could-provide-the-world-with-sa
http://www.wired.com/magazine/2009/12/ff_new_nukes/
http://www.abc.net.au/rn/counterpoint/stories/2010/2852923.htm















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