Since the 1996 publications, starting from the designs of computer-simulated nuclear combustion wave reactors (GFR), and starting from the designs of molten salt reactors (MSR), I propose a combination of the two lines, so as to exploit completely spent Uranium nuclear fuel or new Thorium fuel, much more abundant in nature than Uranium.
This kind of reactors will be particularly interesting for those, like Switzerland, who have so far exploited ~ 5% of the energy potential, contained in their nuclear fuel composed mainly of Uranium; it will also be interesting for those who want to destroy their nuclear waste, not to leave it to their successors and descendants.
// Note (1) of 22.11.2020
Combustion wave nuclear reactor plant using molten salts.
To safely operate a combustion wave nuclear reactor using molten salts, the following principles will be adopted:
– The reactor will be located in a cave, deep enough to go at least to 4 times the thickness (of rocks) of total stopping of all the nuclear radiations escaping from the reactor (order of magnitude 25 meters). The goal is that a possible major accident remains without consequences other than at Lucens in 1969 or at Three Miles Island in 1979.
– Evacuation of the high-temperature production heat through inert gas pipes, the chemistry of the molten salts being very incompatible with water …
– For safety against breakdowns, the cooling system will be tripled completely, throughout the plant, including emergency power sources, concerning pumps and operation (e.g. for the chemical part of the plant ).
– Organization of the system in such a way that at least an annual review (by robot), with visual inspection and piping test is feasible. Recommendations:
– the gases chosen must be current, such as nitrogen, argon or CO2, the heat being communicated to them by exchangers, so that there is no radioactivity transported (and that helium or other rare and expensive gas is reserved presence especially in irradiated area).
– cooling should as far as possible include district heating (load of seasonal stocks of houses in the region) to limit the waste of heat in cooling towers, lakes or rivers.
André Bovay-Rohr, 25.11.2006, rév. 22.11.2020
// End note (1) of 22.11.2020
Thermosiphon reactor, designed in September 2004:
Thermosiphon reactor, zoom on the nuclear combustion wave zone
// Note (2) of 22.11.2020
Liquid and gas nuclear regulator, without mechanical parts.
The objective of this device is to fully automate the operation of a nuclear combustion wave reactor, using molten salts. In a fertile environment such as U 238 or Th 232, the regulator is intended to maintain the nuclear combustion wave within power limits compatible with the heat removal.
The active liquid presented for example is Lithium 6 (melting point 181 ° C, boiling point 1342 ° C, density of 0.534 at 20 ° C, coefficient of expansion 0.000046 K-1) and the elements “piston” and “return spring” are gas insoluble in liquid (a gas which is chemically inert and not a carrier of radioactivity, such as He).
The figure shows a U-shaped tube, but not a capillary, to provide the required operation without risk of failure due to accidental blockage. The shape of the tanks and the sensors will be summed up as a continuous tube of suitable shape: the drawing only symbolizes functions. The “piston” element is responsible for pushing the liquid into the area of the neutrons to be absorbed, if the heat rises in the sensor. If the pressure coming from the sensor exceeds the difference in height of the liquid (in the diagram, “maximum braking” situation), the gas can escape through the right siphon to prevent overpressure.
The “spring return” element is responsible for pushing the liquid out of the neutron area, if the heat drops in the sensor area. The branches of the U containing the “return spring” element are linked to one another and to a reservoir (located in a constant temperature zone), to provide a reference pressure. The volume geometry and this reference pressure are chosen so as to allow, in all the temperature ranges encountered, the liquid to enter and exit almost entirely from the area of the neutrons to be absorbed.
The connections between parts are designed in such a way that the active element (neutron absorber, liquid in the operating temperature range) cannot leave the U-tube under any circumstances. If the sensor goes outside the predefined operating range volumes and temperatures, the gas will escape to the reference pressure tank in the cold zone, through the liquid in the siphons (essential to obtain a purge of a horizontal part of the U-shaped tube). This process is reversible.
Initial conditions: the regulator must be delivered in the “Braking” position, U made of symmetrical liquid.
An additional device could be a tube containing a neutron absorber gas, such as argon, for example (to obtain an emergency stop).
André Bovay-Rohr, 8.1.2004, rev. 22.11.2020
// End of note (2) of 11/22/2020
In the thermosiphon reactor diagram, the regulator is placed in the area where the nuclear combustion wave and the fertile fuel are located (bottom of the steel vessel); the combustion wave would travel from the bottom up towards the liquid and up and down towards the layer of beads (gradually dissolving), fissioning the added nuclear fuel. The value of a nuclear combustion wave is to generate ~ 50% fissile fuel from the fertile metal, a breeder effect.
Note. The drawings are more symbolic than schematic: for example, the thermo-siphon should be sized so as not to have an area where the mass of waste would become critical, unless this is the desired effect to help destroy it more quickly – but this poses the problem of also regulating this reaction.
Bibliography
§ Generation IV International Forum in Wikipedia (from 2006 to 2020)
§ ICENES 96 text with ICENES 96 figures including texts.pdf
§ 1998_Stevens pg 41/en.pdf Source: Charles Stevens on Teller et al pg 41.pdf
§ Molten salt reactors (MSR) in Wikipedia (from 2008 to 2020)
§ Pr.Walter Seifritz Solitary burn-up Waves in a multiplying medium (2000)
§ Pr.Walter Seifritz The thermal neutronic soliton wave phenomenon in an infinite medium (1998)
————————————————————————————————————————
Comment
To maintain a double nuclear combustion wave, it will be necessary to add fresh fuel on both sides (below AND above), without disturbing too much the structure of the liquid-“solid” limit: the rhythm and the nature of the additions are to be calculated …
André Bovay-Rohr, Colombier, on 11/22/2020
————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————
Réacteurs nucléaires de IVème génération combinés
Depuis les publications de 1996, partant des designs de réacteurs à onde de combustion nucléaire (RNR-gaz) simulés en ordinateur, et partant des designs de réacteurs à sels fondus (RSF), je propose une combinaison des deux lignées, de sorte à exploiter complètement le combustible nucléaire d’Uranium usagé ou le combustible de Thorium neuf, beaucoup plus abondant dans la nature que l’Uranium. Cette sorte de réacteurs sera tout particulièrement intéressante pour ceux, qui comme la Suisse, ont exploité jusqu’ici ~ 5% du potentiel énergétique, contenu dans leur combustible nucléaire composé essentiellement d’Uranium; elle sera aussi intéressante pour ceux qui veulent détruire leurs déchets nucléaires, ne pas les laisser à leurs successeurs et descendants.
// Note (1) du 22.11.2020
Usine à réacteur nucléaire à onde de combustion et sels fondus.
Pour exploiter en sécurité un réacteur nucléaire à onde de combustion utilisant des sels fondus, on adoptera les principes suivants:
– Le réacteur sera implanté dans une caverne, assez profond pour aller au moins à 4 fois l’épaisseur (de roches) d’arrêt total de toutes les radiations nucléaires échappées du réacteur (ordre de grandeur 25 mètres). Le but est qu’un éventuel accident majeur reste sans autres conséquences qu’à Lucens en 1969 ou qu’à Three Miles Island en 1979.
– Organisation d’arrivées d’air froid et de cheminées pouvant évacuer – sans poussières, sans tritium et sans iode – la chaleur d’un incident autour (y compris au-dessus) de la caverne par thermo-siphon, et dans des canaux de la paroi en acier et en béton extérieure du réacteur, sans besoin d’aucun ventilateur.
– Evacuation de la chaleur haute température de production par conduites de gaz inerte, la chimie des sels fondus étant très incompatible avec l’eau …
– Pour sécurité contre les pannes, le système de refroidissement sera triplé complètement, d’un bout à l’autre de l’usine, y compris sources d’énergie de secours, des pompes et de l’exploitation (par exemple pour la partie chimique de l’usine).
– Organisation du système de telle façon qu’au minimum une révision annuelle (par robot), avec inspection visuelle et test des tuyauteries soit faisable. Recommandations:
– les gaz choisis devront être courants, comme azote, argon ou CO2, la chaleur leur étant communiquée par échangeurs, de telle façon qu’il n’y ait aucune radioactivité transportée (et que l’hélium ou autre gaz rare et cher soit réservé à la présence surtout en zone irradiée).
– le refroidissement devra autant que possible comporter du chauffage à distance (charge des stocks saisonniers des maisons de la région) pour limiter le gaspillage de chaleur dans des tours de refroidissements, des lacs ou des rivières.
André Bovay-Rohr, 25.11.2006, rév. 22.11.2020
// Fin de note (1) du 22.11.2020
Réacteur à thermo-siphon, imaginé en septembre 2004 :
Réacteur à thermo-siphon, zoom sur la zone de l’onde de combustion nucléaire
// Note (2) du 22.11.2020
Régulateur nucléaire à liquide et à gaz, sans parties mécaniques.
L’objectif de ce dispositif est d’automatiser entièrement le fonctionnement d’un réacteur nucléaire à onde de combustion, utilisant des sels fondus. Dans un milieu fertile comme U 238 ou Th 232, le régulateur est destiné à maintenir l’onde de combustion nucléaire dans des limites de puissance compatibles avec l’évacuation de chaleur.
Le liquide actif présenté par exemple est du Lithium 6 (point de fusion 181 °C, point d’ébullition 1342 °C, densité de 0.534 à 20°C, coefficient de dilatation 0.000046 K-1) et les éléments “piston” et “ressort de rappel” sont du gaz insoluble dans le liquide (gaz chimiquement inerte et non transporteur de radioactivité, comme He).
La figure représente un tube en U, mais pas un capillaire, pour assurer le fonctionnement requis, sans risque de pannes dûes à une obstruction accidentelle. La forme des réservoirs et des capteurs va se résumer à un tube continu de forme appropriée : le dessin ne fait que symboliser des fonctions. L’élément « piston » est chargé de pousser le liquide dans la zone des neutrons à absorber, si la chaleur monte dans le capteur. Si la pression venant du capteur dépasse la différence de hauteur du liquide (dans le schéma, situation “freinage maximal”), le gaz peut s’échapper par le siphon de droite pour éviter la surpression.
L’élément « ressort de rappel » est chargé de pousser le liquide hors de la zone des neutrons, si la chaleur baisse dans la zone du capteur. Les branches des U contenant de l’élément « ressort de rappel » sont liés entre eux et à un réservoir (situé en zone à température constante), pour fournir une pression de référence. La géométrie de volumes et cette pression de référence sont choisies de manière à permettre, dans toutes les plages de températures rencontrées, au liquide d’entrer et de sortir presque entièrement de la zone des neutrons à absorber.
Les liaisons entre parties sont conçues de manière à ce que l’élément actif (absorbeur de neutron, liquide dans la plage de températures de service) ne puisse en aucun cas quitter le tube en U. Si le capteur sort de la plage de service prédéfinie des volumes et températures, le gaz s’échappera vers le réservoir de pression de référence en zone froide, à travers le liquide des siphons (indispensables pour obtenir une purge d’une partie horizontale du tube en U). Ce processus est réversible.
Conditions initiales : le régulateur doit être livré en position “Freinage”, U fabriqué en liquide symétrique.
Un dispositif complémentaire pourra être un tube contenant un gaz absorbeur de neutrons, comme par exemple de l’argon (pour obtenir un arrêt d’urgence).
André Bovay-Rohr, 8.1.2004, rév. 22.11.2020
// Fin de note (2) du 22.11.2020
Dans le schéma de réacteur à thermo-siphon, le régulateur est placé dans la zone où se situent l’onde de combustion nucléaire et le carburant fertile (bas de la cuve d’acier); l’onde de combustion se déplacerait de bas en haut vers le liquide et de haut en bas vers la couche de billes (se dissolvant peu à peu), fissionnant le carburant nucléaire ajouté. L’intérêt d’une onde de combustion nucléaire est de générer ~ 50% de combustible fissile à partir du métal fertile, un effet surgénérateur.
Remarque. Les dessins sont plus symboliques que schématiques: par exemple, le thermo-siphon devra être dimensionné de sorte à ne pas avoir de zone où la masse de déchets deviendrait critique, sauf si c’est l’effet recherché pour contribuer à les détruire plus vite – mais cela pose le problème de réguler aussi cette réaction.
Bibliographie
§ Forum international Génération IV dans Wikipedia (de 2006 à 2020)
§ Détruire sans peur les déchets nucléaires ! Citation de Teller et al 1996 avec ICENES 96 figures y compris textes.pdf
§ 1998_Stevens pg 41/en.pdf Source: Charles Stevens sur Teller et al en anglais pg 41.pdf
§ 1998 Stevens/fr.pdf Source: Charles Stevens sur Teller et al en français.pdf
§ Réacteurs nucléaires à sels fondus dans Wikipedia (de 2008 à 2020)
§ Pr.Walter Seifritz Solitary burn-up Waves in a multiplying medium (2000)
§ Pr.Walter Seifritz The thermal neutronic soliton wave phenomenon in an infinite medium (1998)
André Bovay-Rohr, Colombier-sur-Morges, le 22 novembre 2020
Commentaire
Pour maintenir une onde de combustion nucléaire double, il faudra ajouter du combustible frais de part et d’autre (au-dessous ET au-dessus), sans pour autant trop perturber la structure de la limite liquide-“solide”: le rythme et la nature des ajouts sont à calculer …
André Bovay-Rohr, Colombier, le 22.11.2020