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Sep 29, 2023

DOE: MARVEL-Mikroreaktor-Prototyp installiert, bereitet sich auf Tests vor

Ein vollwertiger elektrisch beheizter Prototyp des Department of Energy (DOEs)

Ein vollwertiger elektrisch beheizter Prototyp des 100 kW starken MARVEL-Kernmikroreaktors des US-Energieministeriums (DOE) wurde erfolgreich in einer Anlage in New Freedom, Pennsylvania, installiert und steht zum Testen bereit.

Das Idaho National Laboratory (INL) fertigte im Januar 2022 innerhalb von neun Monaten den vollständigen nichtnuklearen Prototyp – den sogenannten Primary Kühlmittel Apparate Test (PCAT). PCAT wurde dann auf einen LKW verladen und vom INL-Materials and Fuels Complex (MFC) in Idaho Falls zu einer Produktionsstätte des spezialisierten Ingenieurbüros Creative Engineers Inc. (CEI) in Pennsylvania transportiert. Der Einbau des Prototyps in einen zweistöckigen Rahmen sei nun abgeschlossen, teilte das Energieministerium am 22. Mai mit.

PCAT, das 12 Fuß hoch ist und etwa 2.000 Pfund wiegt, ist ein bedeutender Entwicklungsschritt im im April 2021 gestarteten Projekt Microreactor Applications Research Validation and Evaluation (MARVEL) des DOE. Unter der Leitung von INL besteht das Hauptziel des MARVEL-Projekts darin, einen 100-kW-Natrium-Kalium-gekühlten Reaktor in der Transient Reactor Test (TREAT)-Anlage des INL zu bauen und sicher zu betreiben. MARVEL ist auf dem besten Weg, den Betrieb bei TREAT bis Ende 2024 aufzunehmen.

„Wenn der MARVEL-Reaktor im nächsten Kalenderjahr ans Netz geht, ist es 50 Jahre her, dass wir an diesem Standort einen neuen Reaktor betrieben haben“, sagte INL-Direktor Dr. John Wagner gegenüber POWER während eines INL-Standortbesuchs im April. „Worüber wir hier sprechen, ist in den USA historisch und im Hinblick auf die Nachfrage nach sauberer Energie dringend.“

MARVEL, ein thermischer Spaltreaktor, wird einen Uran-Zirkoniumhydrid-Brennstoff (U-ZrHx) verwenden (enthält 30–40 Gew.-% Uran, angereichert mit 19,75 % U235). Der Treibstoff basiert auf einem bekannten TRIGA-Brennstoffmaterial (Training, Research, Isotopes, General Atomics). INL beabsichtigt, den Brennstoff mithilfe von Uran-Rohstofflagern herzustellen. Wenn INL den Brennstoff nicht herstellen kann, wird TRIGA International Brennstoff für den Mikroreaktor aus DOE-eigenen Rohstoffen herstellen, die bei INL gelagert werden, wie aus einer abschließenden Umweltverträglichkeitsprüfung vom Juni 2021 hervorgeht.

Der Reaktor wird mit einer natürlichen Zirkulation arbeiten und Natrium-Kalium-Eutektikum als Wärmeübertragungsflüssigkeit verwenden. Es wird bei Temperaturen zwischen 500 °C und 550 °C betrieben und nutzt handelsübliche Stirlingmotoren, um thermische Energie für etwa 20 kWe umzuwandeln. Das Energieministerium geht davon aus, dass der Kern des Systems für einen Dauerbetrieb von zwei Jahren ausgelegt ist, der Reaktor jedoch im Laufe seiner Lebensdauer wahrscheinlich mehrmals ein- und ausgeschaltet wird, um den Forschungsbedarf zu decken.

PCAT hingegen ist ein Prototyp im Originalmaßstab, der durch eine externe Stromversorgung statt durch Spaltung angetrieben wird und dazu dienen wird, wichtige Daten über die Temperaturen und den Kühlmittelfluss des Systems zu sammeln. Nach Angaben des Energieministeriums werden die Informationen die Genauigkeit der Modellierungs- und Simulationstools von MARVEL sicherstellen, was „ein wichtiger Schritt ist, um sicherzustellen, dass der Reaktor wie erwartet funktioniert“, sagte die Agentur.

Die Bemühungen zielen darauf ab, mehr Sicherheit dafür zu schaffen, dass der Endreaktor ein hohes Maß an Zuverlässigkeit und Zuverlässigkeit aufweist. bemerkte Yasir Arafat, Chefdesigner und Projektleiter von MARVEL. „Die Validierung unserer physikalischen Modelle ist für die nukleare Qualitätssicherung bei jedem neuen Reaktorentwicklungsprojekt von entscheidender Bedeutung“, sagte Arafat. „PCAT wird diese einzigartigen Daten zur Validierung unserer thermohydraulischen Simulationstools und zur Quantifizierung der Unsicherheit für thermische Flüssigmetallreaktoren wie MARVEL generieren.“

Nach Angaben des Energieministeriums könnten die PCAT-Tests „bereits im Juli“ beginnen. PCAT „wird wahrscheinlich am CEI bleiben, bis der Betrieb von MARVEL beginnt, um weitere Simulationen und Tests bereitzustellen“, stellte die Agentur fest. Sobald der MARVEL-Mikroreaktor wie erwartet im Jahr 2024 in Betrieb ist, könnte PCAT an INL zurückgegeben werden, um für zusätzliche Forschung zur Weiterentwicklung der Mikroreaktortechnologien verwendet zu werden, fügte die Agentur hinzu.

Die Entwicklung von MARVEL schreitet insbesondere parallel zum Projekt Pele voran, dem strategischen Projekt des Verteidigungsministeriums zur Entwicklung einer mobilen Mikroreaktortechnologie, dessen Prototyp bis 2024 am INL demonstriert werden soll. Projekt Pele, ein „einzelner Prototyp“, der 1 MWe liefern soll 5 MWe für mindestens drei Jahre Vollleistungsbetrieb wird ein Hochtemperatur-Gasreaktor sein, der Tristruktur-Isotropie-Brennstoff (TRISO) mit hochanalytischem niedrig angereichertem Uran (HALEU) verwenden wird.

Die Mission von MARVEL ist jedoch auf den Fortschritt der Branche ausgerichtet. Das Programm soll ein zentrales Instrument für die Prüfung, Entwicklung und Demonstration von Mikroreaktoren sein.

Als einzigartige Installation bietet MARVEL Einblicke in Probleme und Herausforderungen im Zusammenhang mit Herstellung, Montage, schneller Installation, Bereitstellung, Autorisierung und Betrieb. Dazu gehören Erkenntnisse, die behördliche Genehmigungsprozesse vorantreiben könnten, etwa die Standortwahl von Mikroreaktoren und Umweltprüfungen.

Wenn MARVEL in Betrieb ist, wird es auch autonome Betriebstechnologien erforschen und eine integrale Rolle als Teil des nuklearen Mikronetzes von INL spielen. Forschungs- und Entwicklungsbemühungen werden Anwendungen wie Lastverfolgung, Prozesswärme, Wasserstoffproduktion und Wasserreinigung untersuchen, so das DOE.

—Sonal Patelist leitender Mitherausgeber von POWER (@sonalcpatel, @POWERmagazine).

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