Alvin Martin Weinberg američki fizičar (Chicago, 20. IV. 1915 – Oak Ridge, 18. X. 2006). Studirao je u Chicagu, gdje je i doktorirao iz matematičke biofizike (1939). Nakon doktorata radio je u Metalurškom laboratoriju Sveučilišta u Chicagu, a od 1945. u Nacionalnom laboratoriju u Oak Ridgeu (danas Clinton Laboratory) bio je vodeći američki energetičar i specijalist za nuklearne reaktore. Pod njegovim vodstvom (ravnatelj Nacionalnoga laboratorija od 1955) odvijao se niz godina gotovo sav istraživački rad u vezi s nuklearnom energijom u SAD-u. Zajedno s E. P. Wignerom autor je temeljnoga djela Fizikalna teorija reaktora s neutronskom lančanom reakcijom (The Physical Theory of Neutron Chain Reactors, 1958). Alvin Martin Weinberg izradio je 1960-tih prvi nuklearni reaktor hlađen tekućim solima MSR (Molten Salt Reactor).

Nakon Drugog svjetskog rata, američka vlada izgradila je eksperimentalni reaktor rastaljene soli MSR koristeći gorivo U-233, fisijski materijal stvoren bombardiranjem neutrinima torija. Reaktor, izgrađen u Nacionalnom laboratoriju Oak Ridge (Oak Ridge, Tennessee), radio je kritično oko 15.000 sati od 1965. do 1969. godine.

Za to vrijeme Alvin M. Weinberg bio je upravitelj Nacionalnog laboratorija Oak Ridge (ORNL). On je inovirao prve generacije dizajna koji se danas koriste u većini komercijalnih reaktora. Weinberg je prepoznao prednosti tekućeg torija u odnosu na dizajne lakih vodenih reaktora (LWR), ali je dobio čvrsto protivljenje političkih snaga u Washingtonu za uvođenjem nove tehnologije MSR reaktora. 

Unatoč nedostacima, inženjeri u ORNL-u 1960-ih uspjeli su savladati sve prepreke i uspješno su izgraditi prvi torijski reaktor. Reaktor je radio nekoliko godina prije nego što je 70-ih godina bio stavljen izvan pogona. Nažalost Nixonova administracija je odlučila odgoditi ovaj program MSR-a jer ovaj reaktor neće proizvoditi materijal za izradu nuklearnih oružja. MSR reaktori su energetski reaktori bez mogućnosti generiranja goriva za nuklearna oružja jer svo nuklearno gorivo izgore.

Pedesetih godina prošlog stoljeća američki su istraživači razvili alternativnu tehnologiju nuklearnog reaktora koja bi potencijalno mogla riješiti sve zemaljske energetske probleme u sljedećih milijun godina: reaktor tekuće soli MSR. Izgrađena su dva prototipa. Međutim, kako ova tehnologija nije mogla pomoći potrebama SAD-a za nuklearnim oružjem, američka vlada odlučila je blokirati nastavak projekta MSR-a. Posljednji od dva prototipa isključen je 1969. godine.

Međutim, posljednjih se godina u Kini, Indiji, Japanu, Kanadi i nekim privatnim tvrtkama u SAD-u ponovno ukazalo zanimanje za tu tehnologiju. Zanimljivo je da su se mnogi pokretači zaštite okoliša pridružili ovom pokretu, prepoznajući da su koristi MSR-a daleko veće od troškova i potencijalnog utjecaja na okoliš.

 

 

Povratak LFTR nuklearnih reaktora Kirk Sorensen
Torijski reaktor s tekućim fluoridom (akronim LFTR; izgovara se kao podizač) tip je reaktora za toplinske uzgajivače. LFTRs koriste gorivi ciklus torija s tekućom soli za gorivo na bazi fluorida. Može postići visoke radne temperature pri atmosferskom tlaku.

Umjesto vode za hlađenje u reaktoru tekuće soli koristi se posebna otopina tekuće soli. Nuklearna goriva se miješaju s istim solima. Može se koristiti uranium, ali i torij. Jedna od najvećih prednosti takvih nuklearnih elektrana je ekonomski aspekt jer element ​torij obiluje na Zemlji. 1959. američki nuklearni fizičar Alvin Weinberg izračunao je da bi čovječanstvo moglo riješiti sve energetske probleme milijunima godina ako bi se koristio torij zemljine kore. Pored toga, potrebno je manje cijepljivi materijal jer se volumen otopine soli povećava pri zagrijavanju. Ove elektrane moguće je učiniti kompaktnijima i modularnima što sve dodatno smanjuje troškove.

Otkako je bivši NASA-in inženjer Kirk Sorensen oživio zaboravljenu tehnologiju reaktora s rastopljenim solima (MSR) u 2000-im, zanimanje za MSR tehnologiju brzo raste. Od 2011. godine, četiri odvojene tvrtke u Sjevernoj Americi objavile su planove za MSR-ove: Flibe Energy (pokrenuo ju je sam Sorenson), Transatomic Power (započela su ju dva nedavno diplomirana studenta MIT-a), Zemaljska energija (sa sjedištem u Kanadi, koja je nedavno bila u partnerstvu s Odjelom za energiju) Ridge National Laboratory) i Martingale, Inc., koji su nedavno objavili svoj dizajn za svoj ThorCon MSR.

Pored toga, u Japanu, Rusiji, Francuskoj i Kini sada postoji ponovno zanimanje za MSR-ove, a Kina je također objavila da je tehnologija MSR-a jedan od njegovih „pet inovacijskih centara koji će objediniti vodeće talente zemlje za istraživanje u naprednim poljima znanosti i tehnologije, prema Kineskoj akademiji znanosti. "

Zašto ovaj iznenadni interes za nuklearnu tehnologiju koji potiče iz pedesetih godina prošlog stoljeća? Odgovor leži u fenomenalnoj sigurnosti MSR-ova i njihovom potencijalu da pomognu u rješavanju mnogih današnjih problema vezanih uz energiju, od klimatskih promjena do energetskog siromaštva do isprekidane energije vjetra i Sunca. U stvari, MSR-ovi mogu djelovati tako sigurno, da mogu ublažiti strah javnosti od nuklearne energije. Prije nego što pogledamo potencijal MSR-a, korisno je prvo pogledati na visokoj razini što su i kako funkcioniraju.

Što je rastaljeni solni reaktor?
Reaktor rastaljene soli (MSR - Molten Salt Reactor) je vrsta nuklearnog reaktora koji koristi tekuće nulearno gorivo umjesto klasičnih štapova čvrstog nuklearnog goriva koji se koriste u uobičajenim nuklearnim reaktorima. Upotreba tekućeg goriva pruža brojne prednosti u pogledu sigurnosti i jednostavnosti dizajna. Kod tekućeg goriva oslobođeni plinovi u nuklearnim reakcijama prirodno uzgonom odlaze prema gore dok kod klasičnih reaktora generirani plinovi oštećuju nuklearne štapove nakon čega se prekida nuklearna reakcija zbog pada snage.

Reaktor sadrži "gorivu sol s otopljenim nuklearnim gorivom", a to je gorivo (poput urana-235) otopljeno u mješavini rastopljenih fluoridnih soli. Nakon što lančana reakcija fisije započne u reaktoru, brzina fisije se stabilizira kada sol goriva postane oko 700 stupnjeva Celzijusa. Ako reaktor postane topliji od 700 stupnjeva onda to rezultira širenjem soli goriva koja gura dio goriva u cirkulacijsku petlju. Promjena volumena zauzvrat dodatno smanjuje brzinu fisije budući da se fisija ne može održavati u petlji što potom djeluje na dodatno hlađenje goriva.

Za razliku od konvencionalnih reaktora, brzina fisije u MSR je inherentno stabilna. Unatoč tome, ako sol za gorivo postane previše vruća da bi mogla sigurno raditi, utikač za zamrzavanje (napravljen od soli koje čvrsto drže ventilator za hlađenje) ispod reaktora će se rastopiti, a tekući sadržaj reaktora će se spustiti u rezervoare za odlaganje u hitnim slučajevima, gdje se ne može nastaviti do fisije, omogućujući mu da se sigurno hladi.

Kontrolne šipke na vrhu reaktora pružaju daljnju kontrolu brzine fisije apsorbiranjem neutrona koji u protivnom mogu izazvati reakciju fisije. Ispitivanje 1960-ih pokazalo je da MSR može i dalje sigurno raditi bez intervencije operatera, čak i nakon namjernog uklanjanja upravljačkog štapa tijekom punog rada.

Sol goriva cirkulira se kroz izmjenjivač topline, gdje se hladi drugom rastopljenom petljom soli koja ne sadrži radioaktivno gorivo i proizvode fisije. Toplina iz ove druge petlje može se koristiti za obavljanje poslova, kao što je zagrijavanje vode za uključivanje parne turbine za proizvodnju električne energije.

Sol goriva također cirkulira kroz postrojenje za kemijsku obradu. Ovo postrojenje koristi se za uklanjanje neželjenih produkata fisije i dodavanje više goriva u reaktor.

Zašto topljeni reaktori soli?
MSR-ovi su veliki odmak od konvencionalnih reaktora s kojima su mnogi ljudi upoznati. Ključne značajke uključuju:

MSR-ovi su izrazito sigurni. Ne mogu se rastopiti kao konvencionalni reaktori s krutim gorivima, jer po dizajnu koriste prethofno istopljeno nuklearno gorivo. Operator ne može čak ni prisiliti MSR da se pregrijava. Ako se MSR iz nekog razloga pregrijava, toplina bi rastopila zamrzivač na dnu reaktorske posude, a soli tekućeg goriva izlučile bi se u spremnike za hlađenje u nuždi, gdje bi se ohladile i očvrsle. Nije potrebna interakcija operatera, pa čak ni sigurnosni dodatni pogonski uređaji.

Reaktor tekuće soli također bi riješio dva važna problema s konvencionalnom nuklearnom tehnologijom. S jedne strane, već nastali nuklearni otpad može se sagorjeti kao gorivo i na taj način pružiti mogućnost razumnog zbrinjavanja radioaktivnog materijala. S druge strane, reaktor tekuće soli je mnogo sigurniji: elektrane imaju "kade". U slučaju GAU-a, uranij ili torij koji procuri skupljaju se u podzemnom sigurnosnom spremniku. Rizik od eksplozija elektrane je nepostojeći jer takve elektrane mogu raditi i pod atmosferskim tlakom zraka. Veća količina tekućeg goriva također otežava pregrijavanje reaktora. Taj se volumen povećava proporcionalno temperaturi, te se stoga samoregulira.

Dizajn reaktora rastopljene soli privlačni su jer su u osnovi imuni na otapanja reaktora poput onog kojeg smo vidjeli u Fukushimi. Standardna nuklearna elektrana s krutim gorivom hladi se vodom koja ključa znatno ispod 2000 Celzijevih stupnjeva u jezgri peleta s krutim nuklearnim gorivom. Fisija koja se događa u tim klasičnim reaktorima lančana je reakcija, što znači da traje sve dok je ne zaustavimo ili reaktor ostane bez goriva. Isključivanje jednog od ovih reaktora znači pumpanje vode dok se ne ohladi, što može potrajati jako dugo. Ako se to ne dogodi - jer ste možda morali pobjeći od zračenja - reakcija se nastavlja izvan kontrole i može doći do katastrofalnog topljenja jezgre reaktora.

Ono što teoretski djeluje, ispada da je u praksi teško. Nije lako, posebno nakon katastrofe u Fukušimi 2011. godine, pronaći dovoljno investitora za izgradnju reaktora za tekuću sol. Nuklearna energija je nestala, barem se čini. Zasad je upitno hoće li regenerativni izvori energije poput Sunca, vjetra i vode ovladati brzo rastućom potrošnjom energije. Reaktor tekuće soli mogao bi biti uvjerljiv i razmjerno siguran dodatak i djelovati kao prijelazna tehnologija dok čovječanstvo ne nađe bolje rješenje.

Čak i namjeran kvar MSR-a ne može uzrokovati značajno oslobađanje radioaktivnosti. Soli goriva za MSR djeluju pri normalnom atmosferskom tlaku, tako da bi kod oštećenja spremnika reaktora sol jednostavno iscurila te bi se sol nakon hlađenja očvrsnula. (Za usporedbu, oštećenje konvencionalnog reaktora s krutim solima dovodi do reakcije visokotlačnog i radioaktivnog vodenog rashladnog sredstva koje izlazi u atmosferu i potencijalno curi u okolna vodna tijela.) Uz to, radioaktivni nusprodukti fisije poput joda-131, cezija-134 i cezija- 137 (poput onih koje je ispuštalo u atmosferu i ocean raspadom Fukušime) fizički su vezani na očvrsnulo rashladno sredstvo i ne napuštaju mjesto reaktora.

Rješenje nuklearnog otpada i zalihe plutonija
Konvencionalni reaktori koriste čvrste keramičke gorivne šipke koje sadrže obogaćeni uran. Cijepanjem urana u gorivu oslobađaju se plinovi, poput ksenona, koji uzrokuje pucanje goriva. Ovo pucanje zauzvrat zahtijeva uklanjanje i zamjenu gorivnih šipki znatno prije nego što se većina aktinoida (elementi koji ostaju radioaktivni tisućama godina), poput urana, rasprsne. Zbog toga je nuklearni otpad radioaktivan vrlo dugo jer sadrži još dosta urana koji nije reagirao.

Međutim, aktinidi koji ostaju u napuklim šipkama goriva još uvijek su izvrstan izvor goriva za reaktore MSR. Francuska, na primjer, reciklira otpad, umjesto da ga sahrani, tako da se ti aktinidi mogu smjestiti u nove šipke za gorivo i upotrijebiti za proizvodnju više električne energije.

Budući da MSR-ovi koriste tekuće gorivo, oslobađanje plinova jednostavno se diže u mjehurićima, obično u jedinicu koja se nalazi van plina u petlji rashladnog sredstva gdje se oslobođeni plin xenon može ukloniti. Budući da na oslobađanje plina ne utječe tekuće gorivo, gorivo se može ostaviti u reaktoru sve dok se gotovo svi aktinidi ne rasprsnu, ostavljajući samo elemente koji su radioaktivni relativno kratko vrijeme (300 godina ili manje). Rezultat toga je da MSR nemaju dugoročno pitanje u vezi s nuklearnim otpadom jer sagore svo nuklearno gorivo.

Ne samo da MSR-ovi nemaju dugoročni problem otpada, već se mogu koristiti i za zbrinjavanje postojećih zaliha nuklearnog otpada koristeći te zalihe otpada kao gorivo. Čak se i zalihe plutonija mogu zbrinuti na ovaj način. U stvari, konvencionalni reaktori obično koriste samo 3 do 5% raspoložive energije u svojim šipkama za gorivo prije nego što se gorivo mora zamijeniti zbog pucanja šipki. MSR-ovi mogu potrošiti većinu ostatka dostupnog goriva u tim šipkama za proizvodnju električne energije. Korištenjem novim tehnologija MSR-a riješio bi se problem i preostalog nuklearnog otpada.

Napomena: Razlog zbog kojeg konvencionalni reaktori ne mogu potrošiti sve aktinoide u svojim šipkama za gorivo malo je složeniji od gore opisanog. Neutroni u konvencionalnim reaktorima kreću se dovoljno brzo da uzrokuju fisiju obogaćenog urana. Fisioniranje većine aktinoida zahtijeva mnogo brže pokretljive neutrone, što se može postići i u MSR-ovima i u reaktorima na kruto gorivo, kao što je GE Hitachi PRISM.

Obilna energija jeftinija od energije iz ugljena
Kako možemo postići da svih 8 milijardi ljudi na planeti (možda 9 milijardi do 2050. godine) drastično smanji emisiju CO2? Odgovor: učinite to svojim neposrednim interesom pružanjem jeftine energije bez CO2 - energije jeftinije nego što ju možete dobiti izgaranjem ugljena, zemnog plina ili nafte. Ekonomija i odnos cijena dvije tehnologije dugoročno nameće tržištu bolja i cijenom povoljnija tehnološka rješenja.

MSR-ovi se mogu napraviti jeftino jer su jednostavni u usporedbi s uobičajenim reaktorima koji imaju velike, kupole za zatvaranje pod pritiskom i mnogo konstruiranih (a nisu svojstveni) suvišnih sigurnosnih sustava. Imajući puno manje dijelova od klasičnih reaktora, MSR-ovi su po sebi jeftiniji. Ova jednostavnost također omogućuje da MSR-ovi budu mali, što ih zauzvrat čini idealnim za tvorničku masovnu proizvodnju (za razliku od konvencionalnih reaktora). Efikasnost troškova povezana s masovnom proizvodnjom dodatno smanjuje troškove i može znatno povećati povećanje nuklearne energije.

Usporedba energije Sunca i vjetra
Značajno ograničenje primjene energije Sunca i vjetra je njihova isprekidanost i nepouzdanost. Trenutno se tim pitanjima u SAD-u rješava brzo aktiviranje postrojenja za prirodni plin kako bi se pratila promjena generirane energije solarnih elektrana kao i vjetroelektrana. Drugim riječima, plinske elektrane moraju brzo pojačati izlaznu snagu kada je snaga vjetra i Sunca manja, i brzo spuštati snagu kad Sunce sija ili kada vjetar puše. Nažalost, ovo je neučinkovit način sagorijevanja prirodnog plina, što može rezultirati gotovo istim ispuštanjem CO2 iz plinskih postrojenja koje imaju oscilacije snage nego kad plinske elektrane jednostavno neprekidno rade. I naravno, daljnja upotreba prirodnog plina zahtijeva kontinuiranu potrošnju fosilnih goriva. (Iako se mnogi nadaju da će tehnologija skladištenja energije na razini mreže jednog dana negirati potrebu za korištenjem postrojenja za prirodni plin, nikakva ekonomska akumulacija nije na vidiku.)

Za razliku od klasičnih nuklearnih reaktora, karakteristika MSR-a čini ih dobrim kandidatima za opterećenje javne mreže bez emisije CO2 nakon što solarne i vjetroelektrane generiraju energiju. To je zato što usporavanje nuklearnih reakcija dovodi do povećanog oslobađanja plina ksenona. Kada to rade konvencionalni reaktori, moraju pričekati nekoliko dana da se ponovo pokrenu, dok se ksenonski plin raspada. Ovaj dodatni ksenon ne predstavlja problem za MSR-ove zbog njihovog off-gas sustava koji omogućava trenutno uklanjanje ksenona; stoga nije potrebno odgađanje nakon povećanja ili pada snage MSR-a.

Imajte na umu da konvencionalni reaktori mogu biti dizajnirani tako da slijede opterećenje, ali obično nisu bili tako konstruirani iz ekonomskih razloga (više energije možete ostvariti pokretanjem konvencionalnih reaktora s punom snagom za aplikacije baznog opterećenja).

Bogata energija milijunima godina
Iako se ponekad tvrdi da nuklearna energija nije održiva, istina je da na Zemlji postoji dovoljno nuklearnog goriva koje čovječanstvu može pružiti obilnu energiju milijunima godina. MSR-ovi se mogu pokretati na uranijumu i na postojećim zalihama plutonija te mogu koristiti i nuklearni otpad postojećih elektrana. Varijanta MSR-a, torijumski reaktor s tekućim fluoridom (LFTR), moći će koristiti obilan torij kao gorivo. Uz to, uzgajivački reaktori (koji uključuju neke vrste MSR-ova) omogućavaju korištenje urana-238 kao goriva, što čini 93,3% ukupnog prirodnog urana. Konvencionalni reaktori koriste samo uranij-235, koji čini samo 0,7% prirodnog urana.

Zamjenjuje fosilna goriva gdje su vjetar i solarni problemi
MSR tehnologija ima puno veće mogućnosti za generiranje jeftine proizvodnje električne energije i bez emisije CO2. Na primjer, MSR-ovi bi se mogli upotrijebiti za zamjenu fosilnih goriva za industrijske procese visokih toplina, poput uklanjanja otpada iz vode, proizvodnje cementa i aluminija. (U SAD-u industrijski procesi obuhvaćaju nešto više od 5% stakleničkih plinova.) MSR-ovi mogu čak osigurati visoku toplinsku energiju za jeftinu proizvodnju sirovina za sintetička tekuća goriva bez CO2.

MSR-ovi bi se mogli koristiti i za napajanje velikih kontejnerskih brodova, koji trenutno rade na dizel. 15 najvećih ovakvih brodova dnevno generiraju zagađenje zraka koliko i svi automobili na planeti.

Zabrinutost za širenje oružja
Nijedan nuklearni reaktor ne može se dokazati proliferacijom, ali MSR imaju neke značajne prednosti za otpornost na širenje nuklearnog goriva u odnosu na klasične elektrane. Otpad iz MSR-a nije koristan za upotrebu u nuklearnom oružju, jer MSR-ovi dijele gotovo sve aktinide. MSR-ovi mogu koristiti postojeće zalihe nuklearnog otpada iz konvencionalnih reaktora, kao i postojeće zalihe plutonija, čineći ove materijale nedostupnima za upotrebu u nuklearnom oružju.

Vrlo kratka povijest MSR tehnologije
MSR su prvi put razvijeni u SAD-u pedesetih godina prošlog vijeka za upotrebu u zrakoplovu s nuklearnim motorom (ideja je bila da bi nuklearna bomba kao i avion mogao ostati u zraku neograničeno). Iako je mali eksperimentalni reaktor uspješno pokrenut, program je otkazan kada je postalo jasno da je dolijevanje goriva avionima u zraku održivo. Pod nadzorom Alvina Weinberga u 1960-ima, Nacionalni laboratorij Oak Ridge izgradio je eksperimentalni MSR koji je uspješno radio četiri godine. Weinberg je rano shvatio da su MSR-ovi idealan tip reaktora za civilnu upotrebu jer se oni ne mogu rastopiti. Na kraju ga je otpustila Nixonova uprava zbog zagovaranja korištenja MSR-ova. U 2000-ima, tadašnji NASA-in inženjer Kirk Sorenson, koji je imao zadatak smisliti kako napajati stanicu na Mjesecu, ustanovio je da su MSR-ovi najbolje rješenje. Shvatio je i da su MSR-ovi sjajno rješenje za svu potrebnu elektrinu energiju na Zemlji. Njegovo neumorno zalaganje za primjenom MSR-ova izazvalo je veliko zanimanje javnosti te znanstvene zajednice koja je već prethodno radila na ovom projektu.

Zaključak
Međuvladin panel za klimatske promjene, Međunarodna agencija za energetiku, Ujedinjene nacije, bivša Obamina administracija i čak preko 70% klimatologa slažu se da se moramo vratiti primjeni održive nuklearne energije MSR-a ako želimo zaustaviti klimatske promjene. Zbog svoje izuzetne sigurnosti i niskih troškova, tehnologija MSR je nuklearna tehnologija koju većina može prihvatiti.

Kina je trenutno prvenstveno uključena u razvoj reaktora na tekuću sol i svake godine troši nekoliko stotina milijuna američkih dolara na istraživanja i razvoj novih nuklearnih reaktora. Glavni razloga za ova istraživanja je činjenica da je uranij u Narodnoj Republici oskudan i stoga ga trebaju uvesti po visokoj cijeni, dok je nasuprot torij dostupan gotovo u neograničenim količinama. No, EU je pokrenula i četverogodišnji program pod nazivom "Procjena sigurnosti brzog reaktora rastopljene soli" (Samofar), na kojem je nekoliko istraživačkih instituta i sveučilišta poput nizozemskog tehničkog sveučilišta Delft, Centra National de la Recherche Scientifique iz Francuske i Zajednički istraživački centar Evropske komisije u Bruxellesu.