Uitdagingen
Het continue schoonmaken/bewerken van het gesmoltenzoutmengsel
Het vloeibare zoutmengsel is het belangrijkste thorium MSR-kenmerk. De online opwerking of reiniging van het zout kan essentieel zijn om de voordelen van de thoriumcyclus volledig te realiseren. De processen om dit te bereiken zijn op dit moment nog in volle ontwikkeling of in ontwikkeling.
Om reiniging/manipulatie mogelijk te maken, heeft de thorium MSR een chemische verwerkingsinstallatie nodig parallel aan de kernreactor. Hoewel het reinigen van brandstof ook deel uitmaakte van het Molten Salt Reactor-experiment dat in de jaren zestig in Oak Ridge werd uitgevoerd, werd dit bereikt in een afzonderlijke installatie en gebeurde dit per batch in plaats van continu, wat nodig zou kunnen zijn in sommige van de huidige MSR ontwerpen.
Er is meer onderzoek nodig om een chemische verwerkingsinstallatie verder te ontwikkelen die geschikt is voor grootschalige, stroomopwekkende thorium-MSR’s. Veel van de noodzakelijke technische, chemische en veiligheidsprocessen en -procedures moeten nog worden ontwikkeld, getest en gereguleerd.
Dat betekent niet dat dit een onoverkomelijk obstakel is. Gesmolten zouten zijn bekende technologie en worden routinematig gebruikt in andere industrieën, zoals de productie van aluminium. Er is tijd, geld en onderzoek nodig om uit te zoeken wat er nodig is om de chemische verwerkingsinstallatie te bouwen.
Een veelbelovende manier om ongewenste splijtingsproducten (geen actiniden) te verwijderen, is een proces dat “heliumborrelen” wordt genoemd, een techniek waarbij heliumgas door het zoutmengsel wordt geleid, waardoor vaste deeltjes van splijtingsbijproducten uit het zoutmengsel worden “geduwd”.
(Uhlir, 2007), (Delpech, et al., 2009), (Hargraves & Moir, 2010), (Serp, et al., 2014), (Journée, 2014).
Materialen
Een ander aandachtspunt is het materiaal dat moet worden gebruikt voor het bevatten van het vloeibare fluoridemengsel. Het mengsel is zeer giftig, bijtend, heet en radioactief, waardoor een materiaal nodig is dat jarenlang bestand is tegen al deze invloeden.
Het materiaal dat werd gebruikt in het Oak Ridge Molten Salt Reactor Experiment was de ongelooflijk duurzame legering “Hastelloy-N”. Afgezien van enkele kleine aanpassingen aan het materiaal om de stralingsweerstand te verbeteren die later werden aangebracht, presteerde de legering bevredigend. De Hastelloy-N was echter onderhevig aan stralingsverharding en telluriumcorrosie. Dat laatste is opgelost, maar de oplossing is niet getest door Oak Ridge-onderzoekers. Desalniettemin blijven er materiële zorgen bestaan in het licht van een gewenste reactorlevensduur van 30-60 jaar en de barre omstandigheden in een MSR-systeem, zoals geïllustreerd door Prof. Dr. Sietsma (2015). Sommige MSR-startups hanteren daarom een tijdige vervangingsstrategie voor systeemcomponenten, of het systeem als geheel.
Moderne verhoogde veiligheidsmaatregelen zullen waarschijnlijk hernieuwde rigoureuze tests vereisen en de ontwikkeling van fysieke modellen om het gedrag van het materiaal over decennia te voorspellen, maar waarschijnlijk kan een geschikt materiaal worden gevonden. Om een legering geschikt te maken, is het belangrijk dat deze zo min mogelijk elementen bevat die kunnen worden “geactiveerd” (Macpherson 1985), (LeBlanc, 2009), (Sietsma, 2015).
Beryllium
FLiBe, één van de kandidaatzouten, bevat het element beryllium, dat zeer giftig is. Het vereist daarom een zorgvuldige behandeling en een onfeilbare verpakking. Dit type behandeling wordt routinematig uitgevoerd in industrieën zoals aluminiumproductie. Het is dus mogelijk, maar het zal de beveiligingseisen verhogen en de algehele complexiteit vergroten. Daarom is het wenselijk zijn om ook een alternatief voor beryllium te bedenken. Een mogelijkheid is FliNAK, een LiF-NaF-KF-mengsel, dat het smeltpunt iets verhoogt maar ook andere voordelen heeft (Leblanc, 2009, p. 1655), (Merle-Lucotte, et al., 2012, p. 2).
Grafiet
Grafiet dient als moderator en neutronenreflector in de LFTR en wordt beschadigd onder invloed van snelle neutronen (Kasten, 1969, p. 1). Hierdoor krimpt en zwelt het materiaal, wordt het bros en verandert van eigenschappen. Een ander punt van zorg is de penetratie van zouten/actiniden/splijtingsproducten in het grafiet. Dit vereist een uitgebreide studie om het juiste grafiet te selecteren en de levensduur ervan zo groot mogelijk te maken. Het moet eens in de 20 jaar worden ververst en gebruikt grafiet moet worden opgeslagen.
Startbrandstof voor grootschalige toepassingen
Thorium is een ‘fertiel’ element, geen splijtbaar element. Dit betekent dat om de energie uit thorium te kunnen gebruiken, deze eerst moet worden omgezet in het wél splijtbare uranium-233 (233U). Voor deze transformatie moet het thorium eerst een neutron invangen. Voor deze neutronen is een andere reactorbrandstof nodig. Dit betekent dat een Thorium-MSR een opstart-uraanbrandstof nodig heeft om de kettingreactie op gang te brengen. Critici hebben hun bezorgdheid geuit dat er niet voldoende 233U is om binnen een redelijk tijdsbestek voldoende thorium-MSR’s te starten. Er zijn echter verschillende oplossingen voor dit probleem. Één daarvan is om 233U te kweken in bestaande reactoren. Een andere optie is het gebruik van brandstofmengsels op basis van 235U of plutonium, waarbij de MSR als kweker (‘breeder’) optreedt. Ook kan een MSR functioneren als een afvalverbrandingsreactor, een ‘burner’, die draait op niet-verglaasd nucleair afval zoals plutoniumvoorraden zoals voorgesteld door Transatomic Power (Haubenreich & Engel, 1969), (Rosenthal, et al., 1969), (Leblanc, 2009), (Hargraves & Moir, 2010).
Benodigde tijd voor deze ontwikkelingen
Hoewel een testreactor in de jaren zestig met succes werd gebruikt tijdens het Molten Salt Reactor Experiment, zal het nog heel wat tijd vergen eer het commercieel kan worden ingezet. Dit zal waarschijnlijk in de orde van 1 of 2 decennia zijn mits goed ondersteund.
Het Chinese MSR-ontwikkelingsprogramma schat de markttoetreding rond 2030, dus ongeveer 20 jaar vanaf 2011, toen het programma begon. TU Delft-hoogleraar Kloosterman schat dat het met voldoende steun technisch haalbaar is om binnen tien jaar een demonstratiereactor te bouwen. Zonder ervaren personeel en testfaciliteiten, zal de ontwikkeling waarschijnlijk langer zal duren.
De meest optimistische schattingen komen van MSR-startups, waarvan velen een voltooid prototype of commerciële implementatie voorzien in de jaren 2020-2030. Er moet echter worden opgemerkt dat deze bedrijven, hoewel ze werken aan ontwerpen voor gesmolten zoutreactoren, hun technologie meestal baseren op de uranium/plutonium-brandstofcyclus. Ze zijn dus in staat voort te bouwen op een cyclus die zeer goed bekend is en die geen starter brandstof nodig heeft. Deze ontwerpen zullen dan naar verwachting natuurlijk niet alle voordelen van de thorium MSR hebben.
Het Europese gesmolten zout-snelreactor project richt zich op een commerciële inzet rond 2045-2050. Dit is een gesmoltenzoutreactor met een snel neutronenspectrum. Dat is wellicht moeilijker te realiseren is dan de thermische MSR variant en zal dus meer tijd vergen. Het ontwerp is niettemin aantrekkelijk omdat het het voordeel biedt van een gesloten plutonium-uranium-cyclus. (Gen IV International Forum, 2014) (Adams, 2015) (LeBlanc, 2015) (Transatomic Power, 2016) (IThEO, 2015) (Kloosterman, 2016).