Un reattore nucleare a sali fusi (MSR, acronimo di Molten Salt Reactor) è un tipo di reattore nucleare a fissione dove il refrigerante primario, o persino il combustibile stesso è un miscuglio di sali fusi. I reattori nucleari a sali fusi operano a una temperatura superiore a quelli refrigerati ad acqua così da avere un rendimento termodinamico superiore, restando però a una pressione di vapore bassa.
Operare vicino alla pressione atmosferica riduce le sollecitazioni meccaniche, semplifica gli aspetti progettuali e migliora la sicurezza. Dovrebbe essere possibile costruire e far operare reattori a sali fusi in modo più economico rispetto alle centrali a carbone.
Il combustibile nucleare può essere solido o disciolto nel refrigerante stesso. In molti progetti il combustibile nucleare è disciolto come tetrafluoruro di uranio () in un refrigerante fatto di sali di fluoruro. Il fluido diventa critico in un nucleo di grafite che fa da moderatore. I reattori con combustibile allo stato solido utilizzano elementi ceramici dispersi in una matrice di grafite, il sale fuso rimuove il calore operando a bassa pressione e temperatura elevata. I sali sono molto più efficienti dell'acqua nel rimuovere il calore dal nucleo, riducendo la necessità di pompare il liquido, il diametro delle tubazioni e le dimensioni del nucleo.
Il primo reattore a sali fusi, l'Aircraft Reactor Experiment, era motivato soprattutto dalle dimensioni compatte che poteva fornire quest'ultimo, mentre il Molten-Salt Reactor Experiment (1965-1969) era un prototipo per una centrale nucleare autofertilizzante alimentata a torio. Un rinnovato interesse verso questa tecnologia si è avuto fin dai primi anni 2000 con lo sviluppo del concetto di Reattore nucleare di IV generazione che comprende una versione refrigerata a sali fusi; il progetto di riferimento iniziale prevedeva una potenza di 1000 MWe. http://www.inl.gov/research/molten-salt-reactor/d/molten-salt-reactor.pdf Si stima che i primi reattori di IV generazioni cominceranno a operare entro il 2030.
Un altro vantaggio di avere un nucleo piccolo è che ha una quantità minore di materiali che possono assorbire i neutroni. In un reattore che impiega torio come combustibile, un'eccellente economia neutronica favorisce una migliore fertilizzazione del torio-232 in uranio-233. Per tale motivo, il reattore a sali fusi risulta essere particolarmente adatto per il ciclo del combustibile nucleare del torio.
Storia L'Aircraft Reactor Experiment
La ricerca dettagliata sui reattori a sali fusi ebbe inizio con il progetto statunitense Aircraft Reactor Experiment (ARE) in funzione di supporto al programma statunitense Aircraft Nuclear Propulsion. L'ARE era un reattore nucleare sperimentale da 2,5 MW termici, progettato per raggiungere un'alta densità di potenza per il suo utilizzo da motore per un bombardiere ad alimentazione nucleare. Il progetto includeva diversi esperimenti tra cui prove di reattori e di motori ad alta temperatura chiamati insieme Heat Transfer Reactor Experiments: HTRE-1, HTRE-2 e HTRE-3. Queste prove furono svolte al National Reactor Test Station (adesso l'Idaho National Laboratory), mentre un reattore sperimentale a sali fusi ad alta temperatura venne costruito al Oak Ridge National Laboratory, l'ARE. L'ARE utilizzava la miscela di sali di fluoruro // (53-41-6 mol%) come combustibile, il moderatore era l'ossido di berillio (BeO), usava il sodio liquido come refrigerante secondario e aveva una temperatura di picco di 860 °C. Operò per 100 MWh durante un periodo di nove giorni nel 1954. Quest'esperimento usava la lega Inconel 600 per le strutture in metallo e i tubi.
Il Molten-Salt Reactor Experiment
L'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) assunse la direzione della ricerca sui reattori a sali fusi negli anni 1960 e molto di questo lavoro culminò con il Molten-Salt Reactor Experiment (MSRE). Il MSRE era una reattore sperimentale da 7,4 MW termici che simulava la produzione di neutroni del nocciolo di un particolare reattore alimentato a torio, a sali fusi, autofertilizzante e intrinsecamente sicuro chiamato Liquid fluoride thorium reactor.
Il combustibile fuso sperimentato ha una singola catena di decadimento, ciò minimizza i rifiuti prodotti. La temperatura del reattore di 650 °C avrebbe potuto alimentare motori termici ad alta efficienza come i motori a gas a ciclo chiuso. Il grande, costoso mantello di sale di torio da fertilizzare fu omesso, in alternativa, si scelse di misurare la produzione di neutroni.
Il MSRE si trovava all'ORNL. I suoi tubi, il serbatoio del nocciolo e vari componenti strutturali erano realizzati in lega Hastelloy-N e il suo moderatore era di grafite pirolitica. Raggiunse la sua prima criticità nel 1965 e operò per quattro anni. Il combustibile per il MSRE era una miscela di /// (65-29-5-1 mol%), la struttura interna in grafite lo moderava, il suo refrigerante secondario era FLiBe (2LiF•BeF2). Raggiunse temperature fino a 650 °C e operò per l'equivalente di circa 1,5 anni di potenza massima.
Oak Ridge National Laboratory Molten Salt Breeder Reactor Gli sforzi della ricerca dell'Oak Ridge National Laboratory tra gli anni 1970-1976 risultarono nel progetto del Molten Salt Breeder Reactor (MSBR) che avrebbe utilizzato /// (72-16-12-0.4 mol%) come combustibile, grafite, da sostituire ogni 4 anni, come moderatore, / come refrigerante secondario e con una temperatura massima di esercizio di 705 °C.
Il reattore ai sali fusi offriva molti vantaggi teorici:
Una sicurezza intrinseca (dovuta a componenti passivi e il coefficiente di temperatura fortemente negativo).
L'utilizzo di abbondanti riserve di torio per produrre l'uranio-233 combustibile.
Molto più ecologico: con un ciclo del combustibile chiuso, le scorie sono fatte principalmente da prodotti di fissione, la maggior parte delle quali ha un tempo di dimezzamento breve rispetto agli elementi attinoidi. Questo può portare a una riduzione consistente del periodo di stoccaggio geologico richiesto (300 anni invece di decine di migliaia).
La natura fluida del combustibile permette non solo di estrarre i prodotti di fissione, ma anche di separarli tra loro, questo rende possibile la raccolta e vendita di prodotti di fissione potenzialmente utili.
Può «bruciare» alcuni rifiuti radioattivi problematici (assieme agli elementi transuranici dai tradizionali reattori nucleari a combustibile solido)
Utilizzabile anche in versioni piccole, anche da 2-8 MW termici o da 1-3 MW elettrici. Sono possibili reattori per sottomarini o aeromobili.
Può reagire alle variazioni di carico in meno di 60 secondi (a differenza dei tradizionali reattori a combustibile solido).
Il progetto Molten Salt Breeder Reactor ricevette fondi fino al 1976. Correggendo per l'inflazione, in termini di dollari del 1991, il progetto ricevette $38,9 milioni dal 1968 al 1976; per confronto, la ricerca sul LMFBR ricevette $1459,6 milioni durante lo stesso periodo, anche qui correggendo per l'inflazione (circa 37,5 volte tanto).
Seguono le ragioni per la cancellazione del progetto:
Negli Stati Uniti il supporto tecnico e politico per il progetto era geograficamente insufficiente. Solo a Oak Ridge, Tennessee, la tecnologia era ben capita.
Il progetto MSR era in competizione con il progetto di sviluppo dei reattori autofertilizzanti a neutroni veloci LMFBR, quest'ultimi ebbero un inizio di successo e per il loro sviluppo venivano spesi ingenti fondi governativi in molte parti degli Stati Uniti.
Quando il progetto di sviluppo MSR progredì a tal punto da giustificare un programma notevolmente ampliato, portandolo allo sviluppo commerciale, l'AEC non poteva giustificare il dirottamento di somme consistenti dai LMFBR a un programma concorrente.
Sviluppi recenti Reattore a sale fuso a temperatura molto alta La ricerca sta riprendendo sui reattori che utilizzano il sale fuso come refrigerante. Sia i reattori a sali fusi tradizionali sia i reattori a temperatura molto alta o Very high temperature reactor (VHTR) sono stati presi in considerazione come reattori di IV generazione. Una versione del VHTR attualmente in fase di studio è il reattore a sale fuso a temperatura molto alta o Liquid Salt Very High Temperature Reactor (LS-VHTR), anche noto come reattore avanzato a temperatura molto alta o Advanced High Temperature Reactor (AHTR). È essenzialmente un VHTR tipico che usa sale fuso nel circuito primario, invece di un solo circuito di elio. Usa il combustibile TRISO disperso in grafite. Le prime ricerca sul AVHTR erano orientate sulla grafite sotto forma di barre di grafite inserite in blocchi esagonali moderatori di grafite ma la ricerca odierna si focalizza sul combustibile tipo pebble bed. Il LS-VHTR ha molte caratteristiche interessanti, tra cui: la capacità di lavorare a temperature molto elevate (il punto di ebollizione dei sali fusi è superiore ai 1400 °C), un raffreddamento a bassa pressione che può essere utilizzato per un impianto di produzione d'idrogeno (molti impianti richiedono temperature superiori a 750 °C), una migliore efficienza di conversione in elettricità rispetto ai reattori VHTR a elio, dei sistemi di sicurezza passiva e una migliore ritenzione dei prodotti di fissione in caso di un incidente. Adesso il concetto è chiamato Fluoride Salt Cooled High Tempreature Reactor (FHR)., Accessed 05/07/2011
Reattore a torio ai fluoruri fusi Un reattore contenente sali fusi di torio, chiamato Reattore a torio ai fluoruri fusi o Liquid Fluoride Thorium Reactor (LFTR), utilizza l'abbondante fonte di energia che è il ciclo del combustibile del torio. Aziende private in Giappone, Russia, Australia e negli Stati Uniti, e il governo cinese, hanno espresso interesse nello sviluppo di questa tecnologia.
I sostenitori di questa tecnologia stimano che 500 tonnellate di torio potrebbero fornire l'intero fabbisogno energetico annuale di tutti gli Stati Uniti. https://www.americanscientist.org/issues/feature/liquid-fluoride-thorium-reactors L'United States Geological Survey stima che il deposito più grande, nel distretto di Lemhi Pass sul confine Montana-Idaho, contiene riserve di 64.000 tonnellate di torio.
Il MSR Fuji Il MSR Fuji è un LFTR da 100 a 200 MW elettrici che usa una tecnologia simile al reattore del Oak Ridge National Laboratory. Il progetto è gestito da un consorzio che include membri dal Giappone, dagli Stati Uniti e dalla Russia. Probabilmente la realizzazione di un reattore di grandi dimensioni richiederà molto tempo Fuji Molten salt reactor , December 19, 2007 ma al progetto sembrano mancare i fondi. Fuji Molten Salt reactor, Ralph Moir Interviews and other nuclear news , March 19, 2008
Il progetto MSR al torio Cinese Sotto la direzione di Jiang Mianheng, la Repubblica Popolare Cinese ha avviato un progetto di ricerca sulla tecnologia dei reattori a sali fusi a torio. È stato annunciato ufficialmente in occasione della conferenza annuale dell'Accademia Cinese delle Scienze (ACS) nel gennaio 2011. Il suo fine ultimo è quello di sviluppare un reattore pilota a sali fusi a torio in 20 anni. http://www.cas.cn/xw/zyxw/ttxw/201101/t20110125_3067050.shtml
Flibe Energy Kirk Sorensen, ex-scienziato NASA, capo tecnico nucleare presso la Teledyne Brown Engineering e coniatore del termine LFTR, è da tempo un sostenitore del ciclo del combustibile del torio. Nel 2011 ha fondato Flibe Energy, una società finalizzata allo sviluppo dei reattori LFTR da 20-50 MW progettati per alimentare le basi militari. (È al momento più facile far approvare nuovi progetti militari rispetto a modelli civili di centrali elettriche per via del sistema normativo statunitense.) http://flibe-energy.com/
La Fondazione Weinberg