溶融塩が明日の原子力エネルギーの生命線になる方法
How Molten Salt Could Be the Lifeblood of Tomorrow’s Nuclear Energy
By Addison Arave
https://inl.gov/ 2023.06.19
アメリカエネルギー省アイダホ国立研究所のホームページ
塩はもはやポップコーンだけのものではない。実際、溶融塩は原子炉の冷却、エネルギー移動、燃料補給、核分裂生成物の吸収に理想的な作動流体として原子力産業の注目を集めている。検討されている塩の多くは、安価で毒性がなく、簡単に輸送できる。実際、食卓塩は、多くの原子炉開発者が使用することを選択している成分の1つである。
溶融塩反応器(MSR)への関心の高まりは、それらの研究開発への投資の増加につながっている。アイダホ国立研究所は、包括的な溶融塩能力を確立するための努力をすでに捧げている。今後数年間で、これらの取り組みにより溶融塩の特性評価施設が確立され、燃料塩が照射され、初めて溶融塩で稼働する実験的な「高速」原子炉が起動する。
「溶融塩の研究は原子力エネルギーの将来に不可欠であり、INLはこの分野の産業プロジェクトにとって理想的なリソースである。」と溶融塩の先端技術マネージャーのJohn Carterは述べている。MSRは将来の発電にとって魅力的な選択肢であり、本格的な運用に向けて大きく前進する準備ができている。」
なぜ塩？
溶融塩は冷却剤および核燃料として安全性、効率性、柔軟性に多くの利点をもたらす。興味深いことに、溶融塩燃料には固有の安全機能が付属している。塩が過熱すると、自然に膨張して核分裂反応の効果が低下し、原子炉が停止する。MSR炉心は、発電のための排熱に合わせて自然に出力レベルを変化させ、消費者の需要に適切に対応することができる。
もう1つの利点：燃料の柔軟性。ウラン、プルトニウム、トリウムはすべてMSRの燃料として使用できる塩を形成する。原子炉の運転温度では、塩は液体であるため、運動中に新しい燃料を導入し、使用中の燃料を洗浄、ろ過、管理することができる。これにより、給油停止の必要性がなくなる。
溶融塩燃料は原子炉設計者にまったく新しい可能性の世界を開く。MSRの特性上の高温は効率的な電力変換につながるが、低圧機能により、高価で肉厚のパイプやタンクが不要になる。
高速中性子の使用には、独自の利点もある。
高速中性子とは何か？
高速スペクトル原子炉は、高速で高エネルギーの中性子を使用して核反応を維持する。高速中性子は、特定の老廃物を消費する際に低速中性子よりも効果的である。これにより、環境から隔離しなければならない長寿命廃棄物の量が大幅に削減される。
高速スペクトル原子炉は、送電網用のクリーンで信頼性の高い電力を生成できるが、水の淡水化、アルミニウムと鉄鋼の生産、水素の生産、などの産業ニーズに熱エネルギーを提供することもできる。今日、これらのプロセスは化石燃料を燃やして高温の熱を発生させる。代わりに核分裂の力からその熱を得ることは、炭素ベースのエネルギー源への地球の依存をさらに減らすであろう。
これらの利点を念頭に置いて、高速スペクトルの塩ベースのMSR設計を採用する見通しは原子力産業、アメリカ、および国際政府にとって最優先事項である。
現在どのような研究が行われているか？
INLの研究者とエンジニアは、溶融塩反応器技術に関するいくつかの優れた質問に答えるのを支援している。例えば、INLの実験室主導の研究開発プロジェクトである溶融塩研究温度制御照射プロジェクトの一環として、研究者は最初の燃料含有溶融塩化物塩照射実験を設計した。この実験では、カプセル化された燃料塩を運動中の原子炉に配置して、塩化物燃料塩の特性が照射中にどのように変化するかをより良く理解する。テストは今年後半に予定されている。
別のプロジェクトである溶融塩熱物理検査能力は、研究者がシールド・グローブ・ボックス内の特殊な機器を使用して、照射された燃料塩を取り扱い、綿密に検査する最先端の施設である。研究者は、材料の密度、熱容量、粘度を観察することにより、動作条件下で材料がどのように振る舞うかを学びたいと考えている。チームは来年この国立原子炉革新センター・プロジェクトを完了する必要がある。
INLはまた、世界初の高速スペクトル溶融塩原子炉の運転を実証する6ヶ月にわたるサブスケール試験である溶融塩化物反応器実験を開発しているチームの一員でもある。INLはSouthern CompanyおよびTerraPowerと提携し、燃料塩の合成と処理、原子炉への装填と運転、および運動後の全ての非活性化および分解作業を実行する。このテストベッド実験はエネルギー省原子力局の新型炉実証プログラムの下、官民パートナーシップで実施されており、早ければ2027年に運転が開始される予定で、商用溶融塩化物高速炉のライセンス供与に向けて次のステップに進むために必要なデータが提供されることになる。
「溶融塩化物反応器実験(MCRE)プロジェクトのためにこれほど多くの知識と才能が集まるのを見るのは信じられないほどである。」とMCREプロジェクト・ディレクターのNick Smithは言った。「我々は燃料と原子炉のデモンストレーションにおけるINLの経験を活用し、それを業界パートナーの革新的なアイデアと切迫感を組み合わせて、これまで誰も構築したことのない技術のエンジニアリングに取り組んでいる。それは私が今まで参加した中で最もエキサイティングなことである。」
INLはまた、専用の計算モデリングの取り組みの助けを借りて、溶融塩の特性、リスクの軽減、溶融塩反応器条件の最適化に関連する研究をリードしている。
マルチフィジックス・コンピューター・モデリングとシミュレーションは、INLのオープン・ソースのマルチフィジックス・オブジェクト指向シミュレーション環境コードを使用して、溶融塩反応器専用に開発またはカスタマイズされている。このアプリケーションにより、研究者は複数のスケール、材料、研究分野にわたって正確なデジタルモデルを作成できる。実際の実験から得られたこれらの忠実度の高いシミュレーションは、溶融塩の特性、熱力学、および照射挙動を確実に予測することにより、研究者や業界が溶融塩反応器の安全性と性能を向上させるのに役立つ。
「INLで進行中の研究活動は、高度な溶融塩原子炉の技術的準備レベルを向上させるのに役立つ。」と研究科学者のToni Karlssonは述べている。「INLには、溶融塩への情熱と世界の何処にも見られないアクチニドおよび照射塩の独自の実験能力を備えた技術スタッフがいる。業界のパートナーとともに、我々は高度な原子炉開発から配備までのギャップを埋めている。」
