כור מלח מותך

כור מלח מותך הוא כור גרעיני המיועד להפקת אנרגיה כאשר מלח מותך משמש כנוזל הקירור. כורים מסוג זה שייכים לדור הרביעי ומתאפיינים בבטיחות פאסיבית, וטמפרטורת עבודה ויעילות תרמודינמית גבוהות מכורים המשתמשים במים לצורך קירור. כורים מסוג זה מחליפים את המים או מים כבדים ששימשו כנוזל הקירור האופייני בדורות הקודמים, בתערובת מלחים שמאפשרת טמפרטורת רתיחה גבוהה בהרבה מזו של מים, ובכך מספקים מספר יתרונות:

• טמפרטורת יציאה גבוהה בהרבה המביאה ליעילות תרמודינמית גבוהה יותר ומאפשרת מגוון תהליכי ניצול חום.
• היעדר קיטור וכתוצאה מכך ירידת הלחץ במערכת ללחץ אטמוספירי, וכתוצאה מכך שיפור בבטיחות הכור וירידה בדרישות לחץ גבוה ממרכיבי הכור.

איור מופשט של כור מלח מותך

בכור מלח מותך הדלק הגרעיני יכול להיות מומס במלח עצמו או בצורת מוצק (מוטות דלק). השליטה בכור מתבצעת על ידי הכנסת והוצאת מוטות גרפיט מהליבה ששולטים בקצב תגובת השרשרת.

היסטוריה

כור מוטס

הרעיון נהגה בשנות ה-50 כפתרון להנעת המטוס הגרעיני קונבאייר X-6 והחיפוש אחר כור בעל צפיפות אנרגיה גבוהה. כדי לחקור את הרעיון נבנו שתי מעבדות, האחת באיידהו, שעסקה בכור מקורר במתכות קלות, והשנייה באוק-רידג' טנסי שעסקה בכור בו החומר הבקיע – הדלק הגרעיני – היה חלק מהמלחים שהומסו בכור. הכור הניסיוני הראשון נקרא ARE, מבוסס אורניום שכלל מאט נייטרונים (Neutron moderator) מתחמוצת בריליום ומעגל קירור מבוסס נתרן, הפיק בשנת 1954 100MW בטמפרטורת שיא של 860°C. עבור כור זה פותחו סגסוגות מתכות ייחודיות עמידות לשיתוך (קורוזיה). הצלחתו פתחה את הדלת לכור ניסיוני נוסף בשם PWAR שהפיק בשנת 1957 טמפרטורה יציבה של 675°C.

MSRE

חוקרי מעבדת אוק-רידג' הרחיבו את תשתיות ניסוי הכור המוטס ויצרו בשנות ה-60 את ה-MSRE – כור מלח מותך מבוסס אורניום שכלל גרפיט כמאט ומלח מותך לקירור, והפיק 7.4MW וטמפרטורה של 650°C. הכור עבד כשנה וחצי ואפשר הפריה של תוריום אף על פי שאפשרות זו נזנחה לצורכי מחקר. כור זה היה הכור הבטוח פאסיבי הראשון ובמהלך סופי השבוע כובה והושאר ללא השגחה.

MSBR

השלב הבא שהציעה מעבדת אוק-רידג' בתחילת שנות ה-70 היה MSBR – הרחבה של ה-MSRE, החלפת הדלק הגרעיני בתוריום, עדכון של מעגל הקירור והמלח המשמש אותו והוספת יכולת הפריה. כור זה לא נבנה, בין השאר מטעמים פוליטיים: הממשל בוושינגטון העדיף ליצור מקומות עבודה במדינת קליפורניה בתוכנית הכור המפרה המהיר, ולכן בניית ה-MSBR לא תוקצבה, והתוכנית נסגרה.

שנות ה-80 והלאה

היו מאמצים נוספים אך לא משמעותיים בתחום, והוא נשכח עד הופעת הדרישות לדור הרביעי, שכוללות שיפורי בטיחות, יעילות וצמצום פסולת גרעינית, מניעת הפצת נשק גרעיני והוזלת עלות הפקת האנרגיה. כורי מלח מותך עונים על דרישות אלה, ולכן חברות וממשלות בארצות הברית, בריטניה, דנמרק, הודו, יפן, סין, צרפת, קנדה ורוסיה עוסקות בפיתוח כורים מסוג זה.

מבנה ועקרון פעולה

כור גרעיני הוא מערכת המפיקה אנרגיה וכוללת ליבה שבה הדלק הגרעיני יוצר חום, מערכת בקרה ומערכת הסעת חום. בכורי מלח מותך משמש המלח לקירור הליבה ובחלק מהכורים הוא משמש בתמיסה המכילה דלק גרעיני.

ליבה

כאמור ישנם שני סוגים של כור מלח מותך, כור בו הדלק הגרעיני נמצא בתמיסה עם המלח וכור בו המלח משמש רק לקירור הדלק הגרעיני. בכור בו המלח משמש לקירור בלבד, ליבת הכור היא האזור בו מתרחש הביקוע הגרעיני. הביקוע גורם לפליטת אנרגיה באמצעות חום וקרינה רדיואקטיבית שמחממת את המלח, הדלק הגרעיני בליבה נמצא בצינורות, הקרויים מוטות דלק, בדומה לכור מים קלים ומגיע למצב של תגובת שרשרת רק לאחר האטה של הניטרונים באמצעות החדרת חומר מאט כדוגמת גרפיט. מערכת הבקרה שולטת על מידת ההאטה ובכך שולטת על קצב הביקוע הרצוי (בפיצוץ גרעיני אין מערכת שליטה לכן תגובת השרשרת לא מרוסנת והיא מתחזקת כל עוד יש חומר לביקוע). בכור בו הדלק הגרעיני נמצא בתמיסה עם המלח, התמיסה נכנסת לליבה, הניטרונים שבדלק הגרעיני מואטים בגלל הגרפיט בליבה ולכן נוצרת תגובת שרשרת שמחממת את המלח בתמיסה. לאחר שהתמיסה החמה יוצאת מהליבה תגובת השרשרת נפסקת (אך הרדיואקטיביות נמשכת).

מערכת הבקרה

תפקידה של מערכת הבקרה היא לאפשר לשלוט בקצב ולהפסיק את תגובת השרשרת הגרעינית. תגובת השרשרת הגרעינית היא תהליך בו ניטרון נפלט מגרעין של אטום, פוגע בגרעין של אטום אחר, מבקע אותו ויוצר אטומים קטנים יותר, ולפחות שני ניטרונים חדשים שיכולים להמשיך ולהרחיב את התהליך. בכורים בהם הדלק הגרעיני לא מרוכז, כדוגמת אורניום לא מועשר, על מנת שניטרון יוכל לפגוע בגרעין אטום אחר יש צורך להאט אותו. מערכת הבקרה מבצעת את התפקיד הזה – אם נדרש לעצור את תגובת השרשרת, תפקיד מערכת הבקרה הוא לעצור את הניטרונים. מערכת הבקרה משתמשת בחומרים שמאיטים ניטרונים, כגון גרפיט, כדי לשלוט בקצב תגובת השרשרת. כמות רבה של גרפיט בליבה תעצור את התהליך מכיוון שהניטרונים יאטו מדי. כמות מעטה של גרפיט בליבה תגרום להאצה של הניטרונים ועצירת תגובת השרשרת.

מערכת הסעת החום

בכור מלח מותך מערכת הסעת החום מבוססת על שתי לולאות נפרדות:

• לולאת הליבה בה מלח מותך מונע (באמצעות משאבה או בכבידה) דרך הליבה, מתחמם וממשיך אל מחליף חום – בו הוא מוֹסֵר חלק מהחום לנוזל אחר, לרוב גם כן מלח מותך – מתקרר וחוזר שוב אל הליבה, מתחמם וחוזר חלילה. מאחר שהחומר המשמש את לולאת הליבה הוא מלח, טמפרטורת הכור יכולה להיות גבוהה בהרבה מכור בו לולאת הליבה מבוססת על מים. מאחר שטמפרטורת הרתיחה של המלח גבוהה בהרבה, נפתר בכך הסיכון הבטיחותי הראשי בכור מים קלים, שהוא התפוצצות כתוצאה מלחץ. מחליף החום הוא מתקן מכני המאפשר חימום של נוזל אחד ללא מגע בנוזל שני ומבוסס על הגדלת שטח הפנים של הנוזלים כדי להקל על מעבר האנרגיה ביניהם. ככל שהפרש הטמפרטורה בין הנוזלים העוברים דרך מחליף החום גדול יותר, כך ניתן להשתמש במחליף חום קטן יותר. לולאת הליבה סגורה ורדיואקטיבית מאחר שהיא חשופה לתהליך הביקוע והמלח בה הוא חלק מהפסולת שנוצרת בתהליך.
• לולאה משנית היא הלולאה שמקררת את לולאת הליבה ונושאת את החום ממחליף החום לצרכן. מאחר שהלולאה המשנית מבוססת גם היא על מלח מותך, גם היא יכולה לעבוד בטמפרטורות גבוהות מעל 600°C ללא לחצים גבוהים, בשונה מכורי מים קלים בהם טמפרטורות היציאה היא סביב ה-350°C. הנוזל החם יכול לשמש ליצירת קיטור שיפעיל טורבינה שתייצר חשמל או כחום בתהליכים כימיים.

יתרונות

לכורי מלח מותך יש מספר יתרונות פוטנציאלים על כורי מים קלים:

1. בטיחות פאסיבית –
   1. בכור בו הדלק הגרעיני מומס בתמיסת המלח, עליית טמפרטורה מעל סף מסוים תגרום להתכה של פקק ולניקוז הדלק הנוזלי למיכל אחסון בו תגובת השרשרת לא מתרחשת, וכל זאת ללא התערבות חיצונית.
   2. ניתן לכבות כור ולהשאירו ללא השגחה, אם מרוקנים את הדלק למיכל אחסון.
   3. מאחר שנוזל הקירור הוא מלח בין אם מכיל דלק או לא, מימן לא נוצר בתהליך ולא מצטבר בכור (ראה האסון הגרעיני בפוקושימה).
   4. השימוש במלח מעלה את טמפרטורת הרתיחה ולכן מאפשר טווח טמפרטורות עבודה רחב בהרבה לעומת מים, שתחום העבודה שלהם הוא 100 מעלות בלבד בלחץ אטמוספירי. לכן כור מלח מותך עובד בלחץ אטמוספירי שמונע סיכון להתפוצצות כתוצאה מלחץ (כפי שאירע באסון צ'רנוביל).
2. יעילות –
   1. מאחר שנוזל הקירור הוא מלח, אין צורך במיכל שיכיל פיצוץ ואת הקיטור הרדיואקטיבי שעלול לנבוע מלחץ, ולכן הכור קטן בהרבה.
   2. טמפרטורת העבודה הגבוהה מאפשרת שימוש במחליפי חום קטנים יותר.
   3. טמפרטורת היציאה הגבוהה מאפשרת שימוש טורבינות קטנות יותר להפקת חשמל.
   4. שילוב הדלק בתמיסת המלח מאפשר שימוש בפסולת גרעינית כדלק, והפסולת המתקבלת מהשימוש היא בעלת מחצית חיים קצרה בהרבה מהפסולת של כור מים קלים.
   5. עיבוד המלח בזמן עבודת הכור יאפשר הוצאת פסולת במהלך הפעילות, מה שיאפשר פעולה רציפה, בשונה מכור מים קלים. תהליך זה עדיין דורש פיתוח.
   6. כור מלח מותך תוכנן כפתרון למטוס מונע גרעינית, ולכן מתאפיין במשקל וגודל קטן בהשוואה לכור מים קלים מקביל בהספקו, מה שמאפשר להשתמש בו לצורכי תעבורה ימית או יבשתית.
   7. הכור מגיב במהירות לשינויים בעומס ולא פגיע להרעלת קסנון הנובעת ממבנה מוטות הדלק בכור מים קלים.
3. כללית –
   1. הכור יכול לשמש ככור מפרה בתחום הטרמי
   2. הכור, לאחר עבודת פיתוח, יכול להשתמש בתוריום כדלק גרעיני, מה שמגדיל את היצע הדלקים הגרעיניים.

חסרונות

1. עד היום הופעלו רק 3 כורי מלח מותך, ופיתוח הטכנולוגיה עצר לזמן רב בהשוואה לטכנולוגיות אחרות המוצעות לדור הרביעי, ולכן כל תהליך הרישוי מסובך וארוך בהשוואה לכורים אחרים.
2. הכור מצריך עיבוד כימי של תמיסת המלח כדי לשמור על יעילות הדלק.
3. הליבה והצנרת הייחודית סובלים מבלאי ודורשים החלפה, מה שלא נדרש מכורים אחרים. הפתרון לכך הוא מודולים של הכור אך פתרון זה יוצר מודול של כור שהוא פסולת רדיואקטיבית.
4. אם הכור ישמש להפריה, הסבה פשוטה יחסית של הכור תאפשר הפקת פלוטוניום לצורך ייצור נשק גרעיני.

חומרים

1. תערובות המלחים המשמשת כנוזל הקירור בלולאת הליבה צריכה לעבוד בתנאים של רדיואקטיביות חזקה מבלי להתפרק ומבלי להשתנות, לכן לרוב נבחר מלח מבוסס פלואור שמתאפיין באיזוטופ בודד ששטף ניטרונים לא יגרום לו לשינוי. על מנת לשלוט בטמפרטורת ההתכה של המלח נוספים אליו מלחים נוספים בעלי טמפרטורת התכה שונה.
2. המתכות המשמשות לבניית הצנרת וגוף הכור צריכות לעמוד בשיתוך מחד ושטף ניטרונים מאידך שדורש סגסוגות מתכת ייחודיות מבוססות ניקל מסוג אינקונל והסטלוי שפותחו לצורכי הכור.

מקורות

• Energy from Thorium's Document Repository
• Alvin M. Weinberg, The First Nuclear Era: The Life and Times of a Technological Fixer
• Bruce Hoglund's Eclectic Interests Home Page Nuclear Power, Thorium, Molten Salt reactors, etc
• Generation IV International Forum MSR website
• INL MSR workshop summary
• J.H. Devan et al, Material Considerations for Molten Salt Accelerator-based Plutonium Conversion Systems
• The Thorium Molten-Salt Reactor: Why Didn't This Happen (and why is now the right time?) YouTube

ראו גם

• כור גרעיני
• רדיואקטיביות
• אסון צ'רנוביל
• האסון הגרעיני בפוקושימה
• מים כבדים
• כור תרבית
• אורניום
• תוריום
• תגובת שרשרת גרעינית

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא כור מלח מותך בוויקישיתוף

• International Thorium Energy Organisation
• Idaho National Laboratory Molten Salt Reactor Fact Sheet
• Energy from Thorium Blog / Website
• Google TechTalks – Liquid Fluoride Thorium Reactor: What Fusion Wanted To Be by Dr. Joe Bonometti NASA / Naval Postgraduate School YouTube
• Pebble Bed Advanced High Temperature Reactor
• Thorium Remix LFTR in 5 Minutes and other LFTR Documentaries
• Kun Chen from Chinese Academy of Sciences on China Thorium Molten Salt Reactor TMSR Program
• Review of Molten Salt Reactor Technology
• Molten Salt Reactors – Ralph Moir
• Molten Salt Reactors - Dr Ian Scott Y YouTube