Liquid Salt Applications and Molten Salt Reactors

Les applications des sels liquides et les réacteurs à sels fondus

¹ ORNL- Oak Ridge National Laboratory, USA
² CEA, France
³ CNRS, France
⁴ KI, Russia

Abstract

In the last 5 years, there has been a rapid growth in interest in the use of high-temperature (700 to 1000°C) molten and liquid fluoride salts as coolants and for other functions in nuclear systems. This interest is a consequence of new applications for high-temperature heat and the development of new reactor concepts. These salts have melting points between 350 and 500ºC; thus, they are of use only in high-temperature systems. Nitrate salts with a peak operating temperature of ~600°C are the highest-temperature commercial liquid coolant available today; thus, the development of higher-temperature fluoride salts as coolants opens new nuclear and non-nuclear applications. These salts are being considered for intermediate heat transport loops between all types of hightemperature reactors (helium and salt cooled) and hydrogen production systems, oil refineries, and shale oil processing facilities. Historically, steam cycles with temperature limits of ~550°C have been the only efficient method to convert heat to electricity. This limitation produced few incentives to develop high-temperature reactors for electricity production. However, recent advances in Brayton gas-turbine technology now make it possible to convert higher-temperature heat efficiently into electricity and thus have created the enabling technology for more efficient cost-effective high-temperature reactors. The near-term advanced high-temperature reactor (AHTR) uses a graphite-matrix coated-particle fuel and a liquid salt coolant. There is the longer-term potential of a liquid-salt-cooled fast reactor (LSFR) that uses metal-clad fuel and a liquid salt coolant. The molten salt reactor (MSR), with the fuel dissolved in the molten salt coolant, is receiving increased attention because of (1) the advancing salt-coolant technology and Brayton cycles that improve the economics, (2) advances in salt chemistry that enable the development of fast-spectrum MSRs with the safety advantages of large negative void coefficients, and (3) the interest in actinide burning where MSRs avoid the need to fabricate fuel of highly active actinides. Last, there is a developing interest in liquid-wall fusion machines with much higher power densities than solid-wall fusion machines.

Résumé

Au cours des 5 dernières années, l'utilisation de sels de fluorure fondus à haute température (700 à 1000 °C) comme caloporteur et pour d’autres fonctions dans les systèmes nucléaires a suscité un intérêt croissant. Cet intérêt résulte de l’émergence de nouvelles applications pour la chaleur haute température et du développement de nouveaux concepts de réacteur. Le point de fusion de ces sels est compris entre 350 et 500 ºC ; par conséquent, ils ne sont intéressants à utiliser que dans les systèmes haute température. Les sels de nitrate, dont la température maximale d’exploitation est de ~ 600 °C, constituent aujourd’hui le caloporteur commercial présentant le plus fort potentiel dans le domaine des hautes températures ; par conséquent, le développement de sels de fluorure susceptibles d’être utilisés à des températures plus élevées pourrait ouvrir la voie à de nouvelles applications nucléaires et non-nucléaires. De tels sels sont actuellement envisagés pour les circuits intermédiaires entre tous les types de réacteurs haute température (refroidis à l’hélium et aux sels) et les systèmes de production d’hydrogène, les raffineries de pétrole, et les installations de traitement des schistes bitumineux. Historiquement, les cycles à vapeur, dont la limite en température est de ~ 550 °C, ont constitué la seule méthode réellement efficace pour convertir la chaleur en électricité. Cette limitation n’a guère incité au développement des réacteurs haute température pour la production d’électricité. Toutefois, les récentes avancées enregistrées par le cycle de Brayton (turbines à gaz) permettent désormais de convertir efficacement de la chaleur à plus haute température en électricité, et ont ainsi créé la technologie nécessaire pour des réacteurs haute température rentables, à fort rendement. Le AHTR (réacteur haute température avancé) propose pour le moyen terme un concept utilisant un combustible à particules enrobées et matrice en graphite, avec des sels liquides comme caloporteur. Le concept de réacteur rapide refroidi aux sels liquides (LSFR), mettant en oeuvre un combustible cylindrique gainé et un caloporteur sels liquides, présente un potentiel à plus long terme. Le réacteur à sels fondus (MSR), où le combustible est dissous dans le caloporteur sels fondus, suscite un intérêt de plus en plus vif en raison (1) d’avancées sur la technologie des sels fondus et sur le cycle de Brayton, améliorant la compétitivité, (2) des progrès réalisés sur la chimie des sels, permettant de développer des MSR à neutrons rapides avec l’avantage en matière de sûreté conféré par un coefficient de vide très négatif, et (3) de leur potentiel pour la transmutation des actinides où les MSR s’affranchissent du processus de fabrication d’un combustible porteur d’actinides à haute activité. Enfin, il y a un intérêt croissant pour les machines à fusion à couvertures liquides permettant des densités de puissance bien plus élevées que dans les concepts à couvertures solides.