Aralık 2022’de Rosatom’un bir parçası olan N. Dollezhal Araştırma ve Geliştirme Enstitüsü (NIKIET), erimiş tuz araştırma reaktörü (MSRR) için bir taslak tasarım sundu. Yeni reaktör, tam ölçekli bir küçük aktinit brülörü için teknolojileri onaylamak üzere test tesisi olarak tasarlandı.
Çalışmanın amacı ve prensipleri
Erimiş tuz reaktörlerinde, nükleer yakıt, homojen bir reaktör çekirdeği oluşturan tuz-yakıt karışımı ile bir soğutucu olarak da hizmet eden metal florür tuzu ortamında çözülüyor.
Erimiş yakıt tuzu reaktörleri bariz bazı avantajlar da sunuyor. Bunlardan ilki, erimiş yakıt tuzu reaktörlerinin heterojen reaktörlerin aksine yakıt çubuklarına veya yakıt tertibatlarına ihtiyaç duymaması.
İkincisi, erimiş tuz reaktörleri, bölünebilir ortamın hem sıcaklığı hem de yoğunluğu için negatif reaktivite geri bildirimi nedeniyle çok daha güvenli olması. Söz konusu reaktörler, sıcaklık ve boşluk katsayıları negatif olduğu için ciddi kaza riski taşımıyor. Yakıt devresindeki basınç düşük olsa da bu, erimiş tuz ortamını pompalamak için yeterli. Düşük basınç, devrenin hasar görmesi veya bozulması durumunda açığa çıkabilecek potansiyel enerji miktarının en aza indirilmesini sağlıyor. Devredeki sıcaklığın tehlikeli bir seviyeye yükselmesi durumunda pasif eylemi doğal fizik yasalarına dayanan bir tahliye vanası tetikleniyor.
Erimiş tuz reaktörünün asıl amacı, termal nötron reaktörlerinden kullanılmış nükleer yakıtta bulunan minör aktinitlerin sürekli dönüşümünü veya “yanmasını” sağlamak. Erimiş tuz reaktörleri bunu mümkün kıldığından Rusya uzun bir aradan sonra bu konsepte geri döndü (Rusya’da erimiş tuz reaktörleriyle ilgili araştırma faaliyetleri 1990’ların başında askıya alınmıştı). Erimiş tuz reaktörleri artık kapalı nükleer yakıt döngüsünün bir parçası ve kullanılmış nükleer yakıtı yeniden işleme ve bertaraf etme teknolojisinin önemli bir bileşeni olarak görülüyor. MSRR’nin, Krasnoyarsk Bölgesi’nde bulunan ve Rosatom’un bir parçası olan Madencilik ve Kimya Tesisi (MCP) arazisine inşa edilmesi planlanıyor. MCP, kullanılmış nükleer yakıt yönetiminin ve nükleer hizmetten çıkarmanın son aşamasında uzman.
MSRR projesinin zaman çizelgesi
MSRR’ye yönelik mühendislik çalışmaları ve hesaplamalar 2019’un sonlarında başladı. Şimdiye kadar, projenin Ar-Ge programı onaylandı ve bu programın bir parçası olarak MSRR yapısal malzemeleri, reaktör ünitesi, kullanılmış yakıt yeniden işleme modülü ve diğer ekipmanların yanı sıra yakıt ve yıkama tuzlarının hazırlanması ve diğer işlemler için teknolojiye yönelik fizibilite çalışmaları başlatıldı. NIKIET Araştırma ve İzotop Reaktörleri Baş Tasarımcısı Igor Tretyakov, “Şu anda, belirli düzenekler için teknik çözümleri iyileştirmek ve bu yenilikçi reaktör ünitesi için yazılım kodlarını doğrulamak üzere benzersiz yüksek sıcaklık test düzenekleri üretöel için çalışıyoruz” dedi.
Taslak tasarımın bir parçası olarak mühendisler, reaktör ünitesi ve içereceği ekipman için temel teknik, yapısal, şematik ve yerleşim çözümleri geliştirdiler. Yatırımların temeli, reaktör ve yeniden işleme modülü için detaylı tasarımın geliştirilmesi, Ar-Ge programının tamamlanması ve son olarak ayrıntılı teknik belgelerin geliştirilmesi ve lisanslama konularının da dahil olduğu başlangıç aşaması mühendisliği aşamaları ilerlemeye devam ediyor. MCP, bu yılın sonlarında bir MSRR santrali olarak lisans almayı planlıyor. Igor Tretyakov, konuya ilişkin olarak “Bu, Ar-Ge fizibilite çalışmalarının önemli bir bölümünün 2024’ten önce yapılması gerektiği anlamına geliyor” dedi. MCP’nin 2027 yılına kadar inşaat ruhsatı alması ve MSRR’nin 2031 yılına kadar inşa edilmesi planlanıyor.
MSRR’nin özellikleri
Birincil yapısal malzemesi %80 nikel içeren bir alaşım olacak olan MSRR’nin termal kapasitesi 10 MW. Bu alaşımın bir reaktör basınçlı kabı, yakıt boruları (daha bilinen bir ifadeyle birincil soğutucu) devresi ve termal ekipman yapımında kullanılması planlanıyor. Igor Tretyakov, konuya ilişkin şunları belirtti: “Araştırmacılar, bu malzemenin yakıt tuzu ile nasıl reaksiyona girdiğini ve korozyon davranışını incelediler ve şu an için bu malzemede karar kıldılar. Mühendislik tasarımı için son tarih çok yakın, bu yüzden en kısa yoldan gitmemiz gerekiyor. Yine de Ar-Ge sonuçlarının bizi diğer malzemeleri ve diğer tuzları düşünmeye itmesi de mümkün.”
Erimiş tuzun yaklaşık %10’unun belirli aralıklarla yakıt devresinden çekileceği ve bunun yerine yeni bir yakıt karışımı ekleneceği varsayılıyor. Teorik olarak, yakıt ikmali için reaktörün kapatılması gerekli olmasa da bunun henüz araştırılması, analiz edilmesi ve deneysel olarak kanıtlanması gerekiyor.
Reaktörün MCP’nin yer altı bölümünde inşa edilmesi planlanıyor. Kaya masifi reaktörü çevreden izole edecek. Ayrıca, yakıt devresi ve diğer bazı ekipman parçaları, güvenlik bariyeri görevi gören kapalı bir kutu içinde muhafaza edilecek.
Personelin korunması tedbirleri kapsamında MSRR’deki bakım çalışmalarının büyük bir kısmının geliştirilmekte olan robotik mekanizmalarla yapılması planlanıyor.
Yakıta dair birkaç bilgi
MSRR yakıtı ve yeniden işleme yöntemleri, Rosatom’un bir parçası olan A. Bochvar Rus İnorganik Malzemeler Araştırma Enstitüsü’nde (VNIINM) geliştirildi. MSRR, yakıt olarak çeşitli metallerin erimiş florürlerini kullanacak. Eriyik içindeki bölünebilir malzeme, dönüştürülecek minör aktinitlerin florürlerini ve açık bir şekilde operasyonun ilk aşamasında plütonyum içerecek.
VNIINM’nin görevlerden biri, minör aktinit florürlere yönelik üretim teknolojisi. VNIINM Baş Araştırmacısı Alexey Ananyev, Strana Rosatom kurumsal gazetesine verdiği röportajda şunları kaydetti: “Florürlerin sentezi zor değil, yöntemler uzun zamandır biliniyor. Ancak bu bileşiklerin MSRR’de yakıt olarak kullanılması için öncelikle oksijen içeriği açısından katı teknik gereklilikleri karşılamaları gerekiyor.”
VNIINM, yakıt bileşimi için bir baz olarak lityum ve berilyum florürleri kullanmayı planlıyor. Yapısal malzemelere karşı sodyum, lityum ve potasyum florürlere (FLiNaK) göre daha az reaktif olma özelliği taşıyor. Gerekli kalitede tuzların elde edilmesi VNIINM’nin ikinci görevini teşkil ediyor.
VNIINM’nin üçüncü görevi, ışınlama sırasında lityumdan oluşan tritiyumun uzaklaştırılması. VNIINM, trityum ekstraksiyonu için sorbentleri zaten seçmişti ve bir gaz arıtma sistemi için bir taslak tasarım geliştirmişti. Dolaysıyla şu anda deneyler yapılıyor. Bu arada tasarımcılar, yakıt hazırlama ve yeniden işleme modülleri ve gaz arıtma sistemleri için proses ekipmanı geliştiriyorlar.
MSRR ve yakıtı yeniden işleme modülünü oluşturma çalışmaları, her yeni teknolojinin doğasında var olan zorluklara rağmen ilerliyor. MSRR, kullanılmış nükleer yakıttan minör aktinitleri yakma teknolojisinin geliştirilmesine katkıda bulunacak deneyler için kullanılacak ve bu, nükleer yakıt döngüsünü kapatmak için büyük bir adım olacak.
