In depth: DIMOS and LUMOS

In May 2017, a group of scientists and nuclear specialists launched the DIMOS plan, the Dutch Initiative on Molten Salts. (The full plan you find here, a short version is available here– presently in Dutch only.) DIMOS is the plan for an ambitious development project, shaped around the unique opportunity the Dutch have to drastically speed up the international molten salt reactor development.

At the basis is a historic coincidence: the presence of a so called ‘pool side facility’ in Petten’s High Flux Reactor (HFR). This makes the HFR suited for a crucial experiment with what one could call a miniature molten salt reactor, called LUMOS, that will be placed in the radiation field right next to the HFR’s reactor core.

Starting point for DIMOS was the need to speed up the design process of a responsible energy system, based on a technology that was successfully demonstrated 50 years ago. The perspective of a clean, abundant and affordable energy source has been firmly established, but its implementation demands further development. DIMOS’ approach will generate technology spin-offs for European industries, soon after its start – think of new metal alloys, machine manufacturing, chemical industry, automation and robotics. To realize this, top experts, researchers and students will be recruited in this worldwide emerging field of research.

The Dutch initiative intends to provide a theoretical and experimental foundation for essential design choices. It also aims at educating highly qualified scientists, engineers and technicians.

Of crucial importance is the nuclear qualification of all salts and structural materials needed. The purification processes of the salts will need to be demonstrated. All safety principles and components will need to be tested in conjunction, under representative temperature and radiation conditions – for which the HFR offers unique features. The ultimate goal is to develop a concept design for a future proof thorium-MSR.

While other programs choose to work on the reactor design first, DIMOS expressly chooses a different order.

From previous experience with reactor designs, it became clear that all materials – which are often well-known, but their behavior in the conditions prevailing in a molten salt reactor is unknown – have what you could call ‘a bandwidth’, that needs to be established: what are the limits for this material if we expose it to high temperature, corrosive components and radiation, simultaneously. This can only be assessed in realistic reactor conditions. Only then, it becomes possible to design the reactor system.

If the order is reversed, there is the very real risk that the design imposes demands on the materials that are on the edge of what they can handle. Or maybe over the edge. In that case it is back to the drawing board, and valuable time is lost. The team that is working on molten salt reactors is convinced the DIMOS route will prove to be the fasted route to a responsible energy system that will meet future demands. It is no coincidence that this is also the chosen routefor the development of the Molten Chloride Fast Reactor of Terrapower, the nuclear company of Bill Gates – although Terrapower’s loop test does not include neutronics. Also, Terrapower at this time does not seem to pursue the thorium cycle – meaning that DIMOS at present seems the only initiative that proposes a feasible route to a molten salt reactor that is able to start the thorium cycle. Starting the thorium cycle is one of the ultimate goals of the DIMOS plan. The fact that the HFR test-reactor and the Pool Side Facility are already available, means a substantial reduction of the time that is required for development and a substantial cost saving.

LUMOS

At the heart of the DIMOS initiative is the design and construction of what could be called a miniature molten salt reactor[1], named LUMOS (Learning to Use MOlten Salt). In its essence, LUMOS is a loop-shaped tube, in which a nuclear fuel salt circulates within a radiation field. The construction will be build and tested in a non-nuclear environment first. Once LUMOS has successfully completed all tests, it will be placed on the HFR’s unique ‘Pool Side Facility’, a test platform in the radiation field right next to the reactor core of the High Flux Reactor.

The loop containing the fission salts consists of three separate layers: closest to the salt is Hastelloy, a nickel alloy, next is steel, and the outer layer is aluminum. of a nickel alloy. This not only provides redundant safety layers, the construction also makes it possible that the salt in the inner loop will be far hotter than the lukewarm water of the reactor pool, that is in contact with outer tube.

The neutrons from the HFR will start fission reactions in the fuel salt. Thus, important experiments can be performed under realistic conditions in a relatively straightforward manner. Precise measuring equipment will register everything. In this way, LUMOS will allow the scientists to build up essential knowledge of a working nuclear system. This method will save much time and cost in the development process of a molten salt reactor.

At this moment, NRG, the Dutch Nuclear Research and Consulting Group in Petten, Netherlands, is in the process of designing the LUMOS setup. Experiments with irradiation of fuel salts and structural materials have already started: in August 2017, the first molten salt samples have been placed in the reactor core of the HFR, a series of tests with the name SALIENT. First results are expected in 2019.

The scanty research budget that the researchers presently have, is by no means sufficient for building the LUMOS facility. Execution of the DIMOS-initiative will require an estimated yearly budget of 20 million euro’s. For this small budget, we could make a crucial step towards a truly clean worldwide energy system.

An experiment comparable to LUMOS is presently prepared by Bill Gates’ Terrapower. The government of the United States contributes 28 million dollars to the total cost of about 50 million dollars. LUMOS is similar to the Terrapower loop, but not the same. For instance, LUMOS also focuses on the use of thorium as a fuel. Carrying out this experiment would be a huge step forward towards a clean energy system. However, LUMOS can only acquire its full meaning if the experiment will take place within the right context. That context can be created by executing the DIMOS initiative in an organization that can fully focus on this development. The Netherlands have the required knowledge and experience, and the right research climate to successfully start such an initiative. The existing ambition and the realization that this development can have a major impact internationally on the future global energy supply makes DIMOS an extremely relevant proposal enabling the transition to CO2-free energy production.DIMOS, Het Nederlandse versnellingspla

[1]Although operating in a neutron field, LUMOS is not a critical system, which distinguishes it from a real reactor.

 

In depth: DIMOS and LUMOS

 

In mei 2017 heeft een groep wetenschappers en nucleaire specialisten het plan DIMOS gelanceerd, het Dutch Initiative on MOlten Salts. (Het volledige plan vind u hier, een samenvatting vind u hier.) DIMOS is het plan voor een ambitieus ontwikkeltraject, opgebouwd rond de unieke mogelijkheid die Nederland heeft om het internationale gesmoltenzoutreactor-onderzoek drastisch te versnellen. Aan de basis hiervan ligt een historische toevalligheid: het feit dat Nederlands

Hoge Flux Reactor (HFR) in Petten over een zogenaamde Pool Side Facility beschikt. Dit maakt de HFR geschikt om een cruciaal experiment uit te voeren met een soort miniatuur-gesmoltenzoutreactor, genaamd LUMOS, die in het stralingsveld vlak naast de reactor wordt geplaatst.

Uitgangspunt van DIMOS is om snel een verantwoord energiesysteem te ontwerpen waarvoor de technologiebasis 50 jaar geleden al in een uitgebreid experiment is aangetoond. Het perspectief van een schone, overvloedige en betaalbare energiebron staat buiten kijf, maar de implementatie vergt nog ontwikkeling. De aanpak van DIMOS zal reeds op korte termijn tal van mogelijkheden bieden voor de Nederlandse industrie (denk aan metaalindustrie, machinebouw, chemische industrie, instrumentatie, automatisering, robotisering). Om dit te realiseren zullen de beste experts, onderzoekers en studenten van over de hele wereld worden aangetrokken.

Het Nederlandse initiatief wil een theoretische en experimentele onderbouwing geven van essentiële ontwerpkeuzes. Daarnaast wil het zich richten op het opleiden van hooggekwalificeerde wetenschappers, ingenieurs en technici.

Van cruciaal belang in het ontwikkeltraject is de nucleaire kwalificatie van alle benodigde zouten en structurele materialen. Ook de zuiveringsprocessen van de zouten zullen gedemonstreerd moeten worden. Alle veiligheidsprincipes en componenten zullen moeten worden getest, in onderlinge samenhang en onder realistische bestralingscondities – voor dat laatste biedt de HFR zoals gezegd unieke mogelijkheden. Dit alles zal uiteindelijk leiden tot een conceptontwerp voor een toekomstbestendige thorium-MSR.

Waar andere programma’s er voor kiezen om eerst aan het reactorontwerp te werken, kiest DIMOS uitdrukkelijk voor een andere volgorde. Uit eerdere ervaringen met reactorontwerpen kwam reeds duidelijk naar voren dat van alle constructiematerialen – die vaak wel bekend zijn, maar hun gedrag in de condities die heersen in een gesmoltenzoutreactor is niet bekend – eerst als het ware een ‘bandbreedte’ moet worden vastgesteld: wat zijn voor dit materiaal de limieten als we het blootstellen aan hoge temperatuur, corrosieve componenten en straling, en dat tegelijkertijd. Dat kan alleen worden uitgezocht door tests onder realistische reactor-condities. Pas daarna kan het ontwerp zinvol worden vastgesteld.

Werkt men in omgekeerde volgorde, dan is het risico groot dat een eenmaal uitgewerkt ontwerp eisen stelt die op de grens zitten van wat de materialen aankunnen. Of zelfs daaroverheen gaan. In dat geval is het terug naar de tekentafel, en kostbare tijd is verloren gegaan. Het team dat aan gesmoltenzoutreactoren werkt, is er daarom van overtuigd dat het traject dat DIMOS voorstelt uiteindelijk de snelste weg zal blijken te zijn naar een verantwoord en toekomstbestendig energiesysteem. Niet voor niets is dit ookde route die gekozenis bij de ontwikkeling van de Molten Chloride Fast Reactor van Terrapower, het nucleaire bedrijf van Bill Gates. Terrapower lijkt vooralsnog niet te kiezen voor de thoriumcyclus – DIMOS lijkt op dit moment wereldwijd het enige initiatief dat een haalbare route schetst naar een gesmoltenzoutreactor waarin de thoriumcyclus kan worden gestart. Starten van de thoriumcyclus is één van de doelen van het DIMOS-initiatief. Het feit dat de HFR-testreactor en de Pool Side Facility reeds beschikbaar zijn, betekent een aanzienlijke verkorting van de ontwikkeltijd en een forse besparing op de kosten.

LUMOS

De kern van DIMOS is het ontwerp en de bouw van een soort miniatuur-gesmoltenzoutreactor[1], genaamd LUMOS (Learning to Use MOlten Salt). LUMOS is in essentie een ringvormige buis waarin een splijtstofzout circuleert in een stralingsveld. De opstelling zal vooraf in een niet-nucleaire omgeving worden gebouwd en getest. Als LUMOS al deze tests succesvol heeft doorstaan wordt de constructie geplaatst op de unieke ‘pool-side facility’, een testplatform in het stralingsveld dicht tegen de reactorkern van de Hoge Flux Reactor.

De ring is in drie lagen uitgevoerd, waardoor als het ware een ring met drie wanden ontstaat: het splijtstofzout in een ring van Hastelloy, en nikkellegering, daar omheen een laag staal, en de buitenste laag is aluminium. Dit zorgt niet alleen voor meerdere veiligheidsbarrières, dankzij deze constructie is het ook mogelijk dat het zout in de binnenste ring veel heter kan worden dan het handwarme water van de HFR-poel, dat alleen met de buitenste wand in contact staat.

De neutronen van de HFR zorgen er voor dat in LUMOS de splijtingsreacties op gang komen. Zo kunnen op relatief eenvoudige wijze belangrijke experimenten worden uitgevoerd onder realistische condities. Nauwkeurige meetinstrumenten zullen alles registreren. Zo krijgen we de noodzakelijke kennis van een werkend nucleair systeem op basis van gesmolten zout, zonder dat hiervoor een demonstratiereactor hoeft te worden gebouwd. Door deze werkwijze kan veel tijd worden gewonnen bij de ontwikkeling van de MSR en veel geld worden bespaard.

NRG, de Nuclear Research and consultancy Group in Petten, werkt op dit moment reeds aan een conceptontwerp voor LUMOS. Experimenten met de bestraling van splijtstofzouten en structurele materialen zijn zelfs al begonnen: in augustus 2017 gingen de eerste zoutmonsters in bestraling, in een reeks experimenten met de naam SALIENT. De eerste resultaten hiervan worden in de loop van 2019 verwacht.

Het karige budget waarvan de onderzoekers op dit moment gebruik maken is bij lange na niet toereikend voor de bouw van LUMOS. Voor uitvoering van het hele DIMOS-initiatief is naar schatting gemiddeld per jaar zo’n 20 miljoen euro nodig. Met een relatief dus zeer gering bedrag kan een cruciale stap worden gezet in de richting van een schoon mondiaal energiesysteem.

Een experiment vergelijkbaar met LUMOS wordt momenteel in de Verenigde Staten voorbereid door het bedrijf Terrapowervan Bill Gates; de Amerikaanse overheid draagt zo´n 28 miljoen dollar bij aan de totale kosten van zo´n 50 miljoen dollar. LUMOS is vergelijkbaar, maar niet hetzelfde: het richt zich onder meer ook op de toepassing van thorium als brandstof. Uitvoeren van dit experiment zou een enorme stap voorwaarts zijn in de richting van een schoon energiesysteem. LUMOS krijgt echter pas zijn volle betekenis als het experiment plaatsvindt in de juiste context. Die kan worden gecreëerd door het uitvoeren van het DIMOS initiatief in een speciaal daarvoor op te richten organisatie die zich helemaal op deze ontwikkeling kan focussen. Nederland beschikt over de vereiste kennis en ervaring, en het juiste onderzoeksklimaat om een dergelijk initiatief succesvol op gang te brengen. De aanwezige ambitie en het besef dat deze ontwikkeling internationaal een grote impact kan hebben op de toekomstige mondiale energievoorziening maken DIMOS tot een uiterst relevant voorstel voor het haalbaar maken van de energietransitie.

[1]LUMOS staat in een neutronflux, maar is geen ‘kritisch’ systeem, daarin verschilt het van een echte reactor.