Schmelzsalzreaktoren (MSRs) können eine Schlüsselrolle in zukünftigen Kernenergiesystemen spielen, indem sie große Vorteile in Bezug auf Sicherheit und Effizienz bieten. Fortschrittliche Forschung, Technologieentwicklung und Lizenzierung in mehreren Ländern können möglicherweise den kurzfristigen Einsatz dieser innovativen Technologie ermöglichen.Die IAEO, die die Entwicklung und den Einsatz von Kernkrafttechnologie unterstützt, wird am 27. August ein Webinar über Salzschmelzenreaktoren veranstalten: Ein Game Changer in der Atomindustrie. MSRs und ihre einzigartigen Vorteile bei der Bewältigung der Herausforderungen der Energiewende werden auch auf dem jährlichen wissenschaftlichen Forum der IAEO vom 22. bis 23. September während der 64. IAEO-Generalkonferenz erörtert.MSRs arbeiten nach dem gleichen Grundprinzip wie aktuelle Kernkraftreaktoren — kontrollierte Spaltung zur Erzeugung von Dampf, der stromerzeugende Turbinen antreibt. Sie haben jedoch einen grundlegenden Unterschied: Geschmolzene Salze spielen eine Schlüsselrolle im Reaktorkern, auch als Kühlmittel anstelle von Wasser, wie es von den meisten derzeit betriebenen Reaktoren verwendet wird. Und anstelle von Brennstäben beinhalten die meisten MSR-Konstruktionen Kernbrennstoff, der im Kühlmittel gelöst ist.

Diese Funktionen bieten Vorteile wie eine deutlich verbesserte Effizienz, Lastnachführung und die Fähigkeit, bei hohen Temperaturen zu arbeiten, wodurch sie für nichtelektrische Anwendungen geeignet sind, die eine hohe Wärmezufuhr erfordern.“Verbesserte Effizienz und passive Sicherheitsmerkmale sind entscheidend für die Nachhaltigkeit der Kernenergie, und MSRs passen in beide Bereiche“, sagte Gerardo Martinez-Guridi, ein IAEO-Nuklearingenieur. „Viele MSRs, die Flüssigbrennstoff verwenden, können sich automatisch abschalten, wenn ihre Temperatur zu hoch wird, da sie die Leistung schnell reduzieren, falls sie zu viel Wärme erzeugen. Diese Eigenschaft macht MSRs ideal für die Deckung des dynamischen Strombedarfs, indem sie schnelle Leistungsanpassungen ermöglicht.“ Einige MSRs können auch verwendet werden, um abgebrannten Kernbrennstoff (SNF) aus aktuellen Leistungsreaktoren zu verbrennen, wodurch die Menge an radioaktivem Abfall reduziert wird, der gelagert werden muss“, fügte er hinzu.

Das MSR-Konzept ist nicht neu. Das Oak Ridge National Laboratory (ORNL) in den Vereinigten Staaten betrieb von 1965 bis 1969 einen experimentellen 7,34 MW (th) MSR in einem Versuch, der als Molten-Salt Reactor Experiment (MSRE) bekannt ist. Dies demonstrierte die Machbarkeit von flüssigbetriebenen Reaktoren, die durch geschmolzene Salze gekühlt wurden, und half, Probleme wie die Notwendigkeit von Flüssig-Flüssig-chemischen Extraktionsmethoden für die Verarbeitung von geschmolzenem Salzbrennstoff zu identifizieren und später zu lösen.

Während die Arbeit an MSRs in den letzten Jahrzehnten in mehreren Ländern fortgesetzt wurde, sind kommerzielle Implementierungen unerreichbar geblieben. Dies war auf eine Reihe von Problemen zurückzuführen, darunter regulatorische Herausforderungen wie das Fehlen von MSR-Lizenzstandards sowie Schwierigkeiten in der Lieferkette bei der Beschaffung spezialisierter Komponenten.

Jetzt nähern sich mehrere MSR-Designs der Einsatzbereitschaft in verschiedenen Ländern, darunter die USA und Kanada sowie Thorium-basierte MSRs in China. Letztere verwenden Brennstoff, der eine Mischung aus Thorium und Uran ist, mit dem Zweck, spaltbares Uran-233 aus dem Thorium im Reaktorkern zu züchten. Dieses transmutierte Uran-233 wird dann als Brennstoff verbrannt. Einige MSRs können mit Plutonium in Reaktorqualität betrieben werden, das aus SNF-Beständen recycelt wird, Dies hat das Potenzial, die mit der Lagerung von SNF verbundene Belastung erheblich zu verringern, Einige davon bleiben seit Tausenden von Jahren radioaktiv.

IAEO-Unterstützung

Die IAEO unterstützt die Entwicklung von MSRs durch eine Vielzahl von Initiativen zum Wissensaustausch, darunter ein virtuelles Beratungstreffen, an dem im vergangenen Monat 21 Experten aus 13 Ländern teilnahmen. Sie arbeiteten an der Ausarbeitung einer IAEO-Publikation zum Status der MSR-Technologie, einschließlich R&D-Aktivitäten und Bereitstellungsherausforderungen sowie einer Taxonomie zur Klassifizierung der Haupttypen von MSRs. Die Veröffentlichung wird für 2021 erwartet. Derzeit sind 10 MSR-Designs in der Kategorie Small Modular Reactor (SMR) in einer IAEO-Publikation enthalten, die im September als Ergänzung zur ARIS-Datenbank (Advanced Reactors Information System) der IAEO veröffentlicht wird.

Das bevorstehende Webinar über MSRs, Teil der Webinar-Reihe über Durchbrüche in der Kerntechnologie für das 21.Jahrhundert, wird Referenten von Organisationen aus Frankreich und den Vereinigten Staaten umfassen, die an der Entwicklung der Technologie beteiligt sind.“Die US-amerikanischen MSR-Entwicklungsaktivitäten umfassen eine breite Palette kooperativer Aktivitäten der Privatwirtschaft und der Regierung, die von der Grundlagenforschung über die Technologieentwicklung bis hin zur Definition des regulatorischen Rahmens reichen“, sagte David Holcomb, angesehenes Mitglied des technischen Personals von ORNL, der an dem Beratungstreffen teilnahm und auf dem Webinar sprechen wird. „Diese Aktivitäten umfassen die Entwicklung von Modellierungswerkzeugen für das Radionuklid-Tracking in MSR-Anlagen und die Messung der thermophysikalischen und thermochemischen Eigenschaften von Brennstoffsalzen.“Die US Nuclear Regulatory Commission versucht, ein effektives Lizenzierungsverfahren für MSRs zu entwickeln, und mehrere in den USA ansässige MSR-Entwickler aus dem privaten Sektor haben ihre Absicht bekundet, MSRs innerhalb des nächsten Jahrzehnts einzusetzen“, fügte er hinzu.In Frankreich sind Studien im Gange, um die Machbarkeit eines schnellen Neutronen-MSR-Konzepts mit potenziellem Einsatz in den nächsten 10 bis 20 Jahren zu bestätigen, sagte Elsa Merle, Professorin am französischen Grenoble Institute of Technology und CNRS / IN2P3, die ebenfalls an dem Beratungstreffen teilnahm und auf dem Webinar sprechen wird.“Die Verwendung eines flüssigen Brennstoff-Kühlmittel-Gemisches in MSRs trägt zur Unterstützung der Eigenstabilität des Reaktorkerns bei, was einen einfachen Betrieb bei reduzierter Leistung ermöglicht und gleichzeitig die Sicherheit gewährleistet“, sagte Merle. „Solche Reaktoren können den Ausgleich des Stromnetzes unterstützen, was für den steigenden Anteil erneuerbarer Energien unerlässlich ist. Sie können auch verwendet werden, um den Abfall von derzeit betriebenen Reaktoren zu reduzieren.MSRs sind eine von sechs Reaktortechnologien, die vom Generation IV Forum (GIF) ausgewählt wurden, einer Initiative, an der 13 Länder beteiligt sind, die sich auf Kernkrafttechnologien der nächsten Generation konzentrieren, für weitere R&D. Auf einer Jahrestagung im Juli forderten die IAEO und GIF größere Anstrengungen, um den frühzeitigen Einsatz innovativer Reaktorsysteme zur Bekämpfung des Klimawandels zu unterstützen. MSRs und andere fortschrittliche und innovative Reaktoren werden auf dem Wissenschaftlichen Forum im nächsten Monat vorgestellt, das sich darauf konzentrieren wird, wie die wissenschaftlich fundierten Lösungen der Kernenergie den Übergang zu sauberen Energiesystemen vorantreiben können.