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安定塩炉（SSR）は、カナダ、米国、英国に拠点を置くMoltex Energy Canada Inc. [ 1 ]とその子会社であるMoltex Energy USA LLC、および英国に拠点を置くMoltexFLEX Ltd.によって開発中の原子炉設計です。
Moltex Energy Canada Inc.が開発しているSSR設計は、溶融塩炉の要素を取り入れた安定塩炉・廃棄物燃焼炉（SSR-W）であり、従来の軽水炉に比べて安全性（本質安全）と経済性（LCOEが45米ドル/MWh以下）の向上を目指している。
SSRは、事故発生時に放射性物質の放出を緩和するための高価な封じ込め構造物や部品を必要としないように設計されています。この設計では、チェルノブイリや福島の事故で発生したような広範囲にわたる放射性汚染を防ぐことができます。なぜなら、そうでなければ空気中に拡散する可能性のある有害な同位体は、冷却材に化学的に結合するからです。[ 2 ]さらに、モジュール設計により、部品を工場で生産し、通常の道路輸送で現場に配送できるため、コストと建設期間を削減できます。
燃料設計は、軽水炉燃料集合体と、燃料を冷却材と混合する従来の溶融塩炉方式のハイブリッド型である。液体塩燃料混合物は、現在の軽水炉技術と非常によく似た燃料集合体内に収容される。そして、これらの燃料集合体は液体塩冷却材のプールに浸される。
Moltex Energy Canada Inc. は、NB Power と提携して、カナダのニューブランズウィック州に SSR-W および関連する廃棄物リサイクル施設を展開する計画です。[ 3 ]同社は、カナダ連邦政府、[ 4 ]ニューブランズウィック州政府、[ 5 ] NB Power、Ontario Power Generation、[ 6 ] ARPA-E、[ 7 ] [ 8 ] IDOM、[ 9 ] SNC Lavalin から支援と資金提供を受けています。[ 10 ]
原子炉炉心の基本単位は燃料集合体である。SSR-Wでは、各燃料集合体は直径10mmの燃料管約300本で構成され、燃料塩が高さ1.8mまで充填されている。燃料管の上部には、核分裂生成ガスを排出するための「潜水鐘」型のガスベントが設けられている。燃料集合体は炉心に垂直に装填され、新しい燃料集合体はエアロックを通って搬入され、燃料装填機によって炉心に挿入される。
SSRの燃料は、塩化ナトリウム（食塩）が3分の2、ランタニド／アクチニド三塩化物が3分の1を占める。初期原子炉の燃料は、既存の従来型原子炉から転用された使用済み核燃料を使用する予定である。英国では、 PUREXの民生用二酸化プルトニウムの備蓄を希釈・転用し、核拡散の懸念を軽減するために塩化物不純物を添加することで燃料を供給する可能性がある。
塩化三物は対応するフッ化物塩よりも熱力学的に安定であるため、SSR-Wの燃料管にコーティングとして、または内部に挿入された犠牲核グレードジルコニウム金属と接触させることで、強い還元状態を維持できます。その結果、この特許取得済みの方法を用いることで、燃料管を腐食のリスクなしに標準的な核認証鋼で作ることができます。原子炉は高速スペクトルで運転されるため、チューブは非常に高い中性子束にさらされ、チューブ寿命中に100～200 dpaと推定される高いレベルの放射線損傷を受けます。そのため、チューブには中性子損傷耐性の高い鋼材であるPE16が使用されます。現地のサプライチェーンの能力によっては、高速中性子耐性のある他の鋼材（T9、NF616、15-15Tiなど）も使用できます。
SSR-W原子炉タンク内の冷却塩は、塩化物系冷却塩である。この冷却塩には酸化還元電位を低下させる添加剤も含まれており、標準的な鋼材に対して実質的に腐食性を示さない。そのため、原子炉タンク、支持構造物、熱交換器は、標準的な316Lステンレス鋼で製造することができる。
冷却塩は、各モジュール内の熱交換器に取り付けられた3台のポンプによって原子炉炉心内を循環する。流量は控えめ（約1m/s）であるため、ポンプの動力要件は低い。冗長化設計により、ポンプが故障した場合でも運転を継続できる。
SSRは、本質安全特性を第一の防御線として設計されています。原子炉を安全かつ安定した状態に維持するために、運転員や能動的なシステムは必要ありません。以下は、SSRの主な本質安全特性です。
SSRは自己制御型であるため、機械的な制御は不要です。これは、高い負の反応度温度係数と、燃料管から継続的に熱を抽出できる能力の組み合わせによって可能になります。システムから熱が除去されると温度が低下し、反応度が上昇します。逆に、原子炉が加熱されると反応度が低下します。これにより、反応度挿入事故などのあらゆる過出力シナリオに対する安全性が確保されます。SSR-Wでは、重力駆動式の炭化ホウ素制御棒のアレイによって、多様かつ冗長な安全性も提供されます。[ 12 ]
適切な化学組成の溶融塩燃料を使用することで、危険な揮発性ヨウ素とセシウムが除去され、重大事故シナリオで放射性プルームの大気拡散を防ぐための多層封じ込めが不要になります。SSR-Wの場合、希ガスであるキセノンとクリプトンは、通常運転時には原子炉炉心から放出されますが、放射性同位体が崩壊するまで閉じ込められるため、事故時に放出される量はごくわずかです。[ 2 ]
水冷式原子炉では、事故発生時に高い内部圧力が放射性物質の拡散を促進する原動力となります。一方、溶融塩燃料と冷却材の沸点は、SSRの運転温度をはるかに上回ります。そのため、炉心は大気圧下で運転されます。二次冷却ループによって蒸気発生系と放射性炉心を物理的に分離することで、原子炉内の高圧を解消しています。また、核分裂生成ガスを周囲の冷却塩に放出することで、燃料管内の高圧も回避しています。
加圧水型原子炉で使用されるジルコニウムと高速炉で使用されるナトリウムは、いずれも深刻な爆発や火災の危険性を孕んでいます。SSR（固体燃料反応炉）では、化学的に反応性の高い物質は一切使用されていません。
原子炉が停止した直後、半減期の短い核分裂生成物の崩壊により、以前の運転出力の約7%が引き続き発生します。従来の原子炉では、原子炉の温度が低いため、この崩壊熱を自然に除去することは困難です。SSRははるかに高い温度で運転されるため、この熱を炉心から迅速に除去できます。SSRで原子炉が停止し、すべての能動的な熱除去システムが故障した場合、炉心からの崩壊熱は、タンクの周囲にある常時稼働する空冷ダクトに放散されます。これは緊急熱除去システムとして知られています。主な熱伝達メカニズムは放射です。熱伝達は温度とともに大幅に増加するため、運転温度では無視できるほど小さいですが、高温の事故状態では十分な熱伝達が可能です。このプロセス中に原子炉コンポーネントが損傷することはなく、その後プラントを再稼働できます。
原子力発電を利用するほとんどの国は、使用済み核燃料の放射能が天然ウランと同程度のレベルまで低下するまで、地下深くに貯蔵する計画を立てている。SSR-W（固体廃棄物貯蔵施設）が核廃棄物を消費するにつれて、各国はそれらを利用して、長期貯蔵施設に送られる廃棄物の量を削減できる可能性がある。
高速スペクトルで動作するSSR-Wは、長寿命のアクチニドをより安定な同位体に変換するのに効果的です。現在、使用済み燃料を再処理して燃料とする原子炉は、安定したペレットを形成するために非常に高純度のプルトニウムを必要とします。一方、SSR-Wは、臨界状態に達する限り、燃料中のランタニドやアクチニドの汚染レベルは問いません。この低純度レベルにより、既存の廃棄物のリサイクル方法が大幅に簡素化されます。
確立されたリサイクル方法は、乾式再処理に基づいています。カナダ原子力研究所が2016年に発表したCANDU燃料のリサイクルに関する報告書では、乾式再処理のコストは従来型の再処理の約半分になると推定されています。SSR-W向けの乾式再処理は、従来型の乾式再処理の工程のわずか3分の1で済むため、さらに低コストになります。採掘されたウランから新しい燃料を製造するコストと十分に競争力を持つ可能性があります。
SSR-Wからの廃棄物は、チューブに入った固体塩の形をとります。これは、現在計画されているように、ガラス固化して地下に10万年以上保管することも、リサイクルすることも可能です。リサイクルの場合、核分裂生成物は分離され、ウラン鉱石と同程度の放射能レベルまで崩壊するのに必要な数百年間、地上に安全に保管されます。問題となる長寿命のアクチニドと残りの燃料は原子炉に戻され、そこで燃焼されてより安定した同位体に変換されます。
SSR-Wの設備投資額は、英国の独立系原子力エンジニアリング会社によって1,950米ドル/kWと見積もられた。 [ 13 ]比較のために、米国の最新の微粉炭火力発電所の設備投資額は3,250米ドル/kW、大規模原子力発電所のコストは5,500米ドル/kWである。[ 14 ]工場ベースのモジュール式建設により、このコストはさらに削減されると予想される。
この低い設備投資コストにより、均等化発電原価（LCOE）は44.64ドル/MWh米ドルとなり、SSRのシンプルさと本質的な安全性の高さから、さらなる削減の大きな可能性を秘めている。[ 15 ]
この技術は商業化前の段階にあるため、設備投資費用とLCOE（均等化発電原価）の数値は推定値であり、開発およびライセンス供与プロセスの完了に伴い、増減する可能性があります。
国際エネルギー機関は、原子力発電が世界のエネルギー供給において常に小さな役割を担い、2040年までの市場規模は219ギガワット（GWe）になると予測している。一方、モルテックス・エナジーは、SSR（原子力発電所）の経済性の向上により、2040年までに1,300ギガワットを超える市場に参入できる可能性があると予測している。
ポンプを使わない溶融塩燃料の使用に関する基本特許は、2014年にMoltex Energy Ltdに付与され[ 16 ]、その後、実施に関連する特許がさらに申請され、付与されている。
SSR-Wは、カナダ原子力安全委員会とのベンダー設計レビューフェーズ1 [ 17 ]レビューを完了しました。米国[ 18 ] [ 19 ]とカナダ[ 20 ] [ 21 ]の両政府は、SSR技術の要素の開発を支援しています。
上記のように米国政府とカナダ政府による開発支援の選定に加え、SSRは2020年のTractebelの分析で主要なSMR技術として特定されており[ 22 ]、NB Powerは90の候補の中から、SSR-Wをさらに進めるための2つのSMR候補の1つとして選定した[ 23 ] 。また、英国政府のフェーズ1先進モジュール炉コンペティションの一部として選定されたが、フェーズ2の資金提供には選ばれなかった[ 24 ] 。
ウィキメディア・コモンズにある安定塩原子炉に関するメディア