Il reattore multisala (MSR) rappresenta una classe trasformativa di sistemi di fissione nucleare in cui il combustibile viene dissolto direttamente in una miscela di sale circolante. Questo progetto elimina la necessità di pellets e rivestimento solidi, semplifica la rielaborazione del combustibile e consente caratteristiche di sicurezza eccezionali.

Ruolo e Fisica della Moderazione Neutron in MSRs

In ogni reattore nucleare la maggior parte dell'energia viene rilasciata attraverso la fissione di isotopi pesanti come l'uranio-235 o il plutonio-239. I neutroni rilasciati dalla fissione hanno un'energia media di circa 2 MeV (termoni veloci). Per essere efficacemente catturati da nuclei fissionabili, questi neutroni devono essere rallentati alle energie termiche (circa 0,025 eV a temperatura ambiente) o, in alcuni progetti, in collisioni di luce incrociata.

Termico-Spectrum vs. Fast‐Spectrum MSRs

Il sistema di misurazione del consumo di energia elettrica è un sistema di controllo del consumo di energia elettrica e di energia elettrica.

Materiali per moderatore chiave per MSRs

Sono stati considerati diversi materiali, e in alcuni casi testati, per la moderazione dei neutroni in ambienti di sale fuso, e ogni candidato ha una combinazione unica di proprietà nucleari, termiche, chimiche e meccaniche.

Grafite

Il microprocessore di misurazione del grado di avanzamento dei neutroni è molto più elevato, mentre il microprocessore di avanzamento termico è più lungo.

Beryllium

La berillio (Be) e il suo ossido (BeO) sono potenti moderatori a causa della bassa massa atomica e dell'assorbimento dei neutroni (~0.007 barni per BeO, 0.009 barni per BeO).

Acqua leggera e pesante

L'acqua è un moderatore comune in LWRs, il suo utilizzo in MSRs è limitato dall'alta temperatura di funzionamento del sale (tipicamente 500 – 700 °C). L'acqua pressurizzata richiedeva pesanti vasi murati e introduce un rischio di reazioni chimiche al sale vapore (idrolisi).

Materiali Moderatori emergenti

I ricercatori stanno attivamente indagando i moderatori alternativi che potrebbero superare i limiti della grafite e del berillio.

  • Idridi metallici[] (ad esempio, zirconio idruro, ZrH): questi hanno una densità di idrogeno elevata e un'eccellente efficienza di moderazione, ma sono inclini alla perdita di idrogeno a temperature superiori a 500 °C e possono essere attaccati chimicamente dai sali di fluoro.
  • Yttria-stabilized zirconia (YSZ)[: Una ceramica con buona stabilità chimica e basso assorbimento di neutroni, anche se la sua potenza moderante è molto più debole della grafite o del berillio. YSZ potrebbe essere utilizzato come riflettore rapido o in disegni ibridi.
  • composito a base di carbonio[]: Mentre il boro assorbe fortemente i neutroni, materiali come B4C possono essere utilizzati come veleni bruciabili o come elemento di controllo, non come moderatore permanente.

Sfide core per i moderatori Neutron in MSRs

La sfida più importante per i moderatori MSR è l'ambiente ostile in cui devono funzionare: una temperatura elevata, bombata a raggi infrarossi, che scorre sale fuso chimicamente aggressivo.

Compatibilità dei materiali con i sali Molten

Molti materiali di moderatore che svolgono bene in reattori a combustibile solido (ad esempio, grafite ad alta temperatura) sono vulnerabili ad attacchi di sale o di cloruro.

Radiazioni di Danni e Variazioni dimensionali

Il rapporto di interconnessione dei neutroni e dei raggi gamma, che provoca un aumento del flusso di calore (effetto del fluido) che può provocare dei blocchi di moderatore e distorcere la geometria del nucleo.

Stress termico e meccanico

MSRs opera a temperature di 500 – 700 °C. I blocchi moderatori o i pebbles sperimentano gradienti di temperatura come il calore viene generato all'interno di essi (dalla temperatura di riscaldamento gamma e, in misura minore, da neutroni rallentamento-down). Questo stress termico, combinato con il moderatore-indotto strisciante e gonfiore, può portare a creparsi.

Neutron Economy e Assorbimento Parassita

Ogni moderatore assorbe alcuni neutroni, alcuni centesimi di un barno per la grafite e il berillio, ma molto più alti per i materiali contenenti idrogeno. Anche queste piccole perdite possono influenzare significativamente l'economia di neutroni di un MSR termico, che già soffre di una minore reattività in eccesso rispetto a una tipica LWR perché il combustibile è disciolto e continuamente circolato.

Avvelementi di prodotto di lesioni e il “problema di emissione”

In un MSR termico-spectrum, una parte dei prodotti fissili, in particolare xenon‐135, è nata e rimane nel sale. Xenon-135 ha un enorme assorbimento dei neutroni (2.7 × 106 fienili per neutroni termici).

Opportunità innovative e direzioni di ricerca

Nonostante gli ostacoli, i potenziali premi di un MSR di successo (incluso l'efficace allevamento di tori, i rifiuti ridotti e la sicurezza intrinseca) continuano a stimolare soluzioni creative.

Compositi e rivestimenti in grafite avanzate

Il moderatore economico del grafite è il più pratico, tanto sforzo è mirato a migliorare la sua stabilità del sale e la resistenza alle radiazioni. Un approccio utilizza uno strato di deposizione del vapore chimico (CVD) del carburo di silicio (SiC) sulla superficie della grafite per bloccare l’ingresso del sale.

Alternative Beryllium e Materiali Ibridi

Il reattore di tipo "cermet" (in inglese) è un reattore di tipo "certo" che viene utilizzato in una matrice di carburo di nichel o silicio, può ridurre l'inventario del berillio, mantenendo un certo vantaggio di moderazione.

Moderatori liquidi e disegni separati

Il moderatore MSLT, invece, è un moderatore solido, che può essere un sale fuso contenente composti idrogeno solubili (ad esempio, LiH disciolto in un sale fluoruro), sebbene tali miscele siano chimicamente aggressive e abbiano punti di fusione molto elevati.

Ottimizzazione del design attraverso i gemelli digitali e l'AI

I moderni strumenti di calcolo permettono ai progettisti di reattore di esplorare il vasto spazio di parametri della geometria del moderatore, del posizionamento e della composizione dei materiali più efficiente che mai. I codici Monte Carlo ad alta fedeltà accoppiati con modelli termici a elementi finiti possono simulare l'intera durata di un blocco grafite sotto l'irradiazione.

Considerazioni di sicurezza e di regolamentazione

Se un moderatore blocca le crepe o i cambiamenti, il rapporto di neutroni-moderazione può cambiare, potenzialmente causando un'escursione di potenza o un evento di criticità localizzato. Inoltre, se il materiale moderatore reagisce con il sale o con l'atmosfera (ad esempio, l'ossidazione grafite dopo un evento di dispersione nucleare), può generare gas infiammabili (CO, H2) o

Prospettive future: Il ruolo dei moderatori in disegni avanzati MSR

Alcuni, come il concetto di reattore ad alta temperatura raffreddato a fluoro (FHR), useranno i sassi di grafite solidi e rivestiti come moderatore e vettore di combustibile. Altri, come i disegni MSR alimentati a liquido da Eterosium Industries o i disegni basati su torio promossi da Copenhagen Atomics, possono optare per uno spettro di velocità di utilizzo.

In conclusione, i moderatori di neutroni sono una sfida tecnica di lunga data e una fonte di opportunità strategica per i reattori di sale fuso. Mentre introducono la compatibilità materiale, i danni alle radiazioni e i problemi di neutroni-poisoning, permettono anche l'uso efficiente del combustibile del torio, le fondazioni fissili inferiori, e il potenziale per le caratteristiche di sicurezza intrinseche.