15.06.2026 von Aileen Sammler
Das Verständnis von Schmelzsalzen für die nächste Generation von Kernreaktoren
Einblicke des Idaho National Laboratory, USA in thermophysikalische Eigenschaftsmessungen für die Entwicklung von Flüssigsalzreaktoren
Ein Interview zu Flüssigsalzreaktoren
Flüssigsalzreaktoren (Molten Salt Reactors, MSR) gelten zunehmend als eines der vielversprechendsten Konzepte für die Zukunft der Kernenergie. Zu ihren potenziellen Vorteilen zählen erhöhte Sicherheit, hohe thermische Effizienz, flexible Brennstoffkonzepte sowie Einsatzmöglichkeiten von stationärer Energieversorgung bis hin zu maritimen Reaktorsystemen.
Doch bevor diese Reaktoren zuverlässig eingesetzt werden können, muss eine zentrale Herausforderung gelöst werden: das Verhalten von Schmelzsalzen unter realistischen Betriebsbedingungen zu verstehen.
Unsere NETZSCH-Expertin Melinda Tucker (Global Sector Manager Nuclear, Defense, Oil & Gas) besuchte das Idaho National Laboratory (INL) in den USA und sprach dort mit Dr. Toni Karlsson, leitende Wissenschaftlerin des Projekts „Molten Salt Thermophysical Examination“. Das Interview lieferte faszinierende Einblicke darüber, wie moderne Thermoanalyse und thermophysikalische Eigenschaftsmessungen die Entwicklung zukünftiger Flüssigsalzreaktoren unterstützen.
Warum Salzschmelze so wichtig sind
Im Gegensatz zu klassischen festen Kernbrennstoffen verwenden Flüssigsalzreaktoren (molten salt reactors, MSR) flüssige Salzsysteme als Brennstoffträger oder Kühlmittel. Diese Salze arbeiten bei hohen Temperaturen und bleiben gleichzeitig über einen breiten Temperaturbereich stabil in flüssiger Form.
Laut Dr. Karlsson macht genau dies MSR besonders attraktiv für moderne Reaktorkonzepte:
„Sie besitzen einen hohen Schmelzpunkt, aber gleichzeitig auch ein großes Betriebsfenster.“
Salzschmelze bieten außerdem:
- eine geringe Viskosität für effizientes Pumpen
- einen niedrigen Dampfdruck
- eine homogene Brennstoffverteilung
- eine hohe Thermische StabilitätEin Material ist thermisch stabil, wenn es sich unter Temperatureinfluss nicht zersetzt. Eine Möglichkeit, die thermische Stabilität einer Substanz zu bestimmen ist die Verwendung eines TGA (thermogravimetrischer Analysator).thermische Stabilität
- das Potenzial für sicherere Reaktorkonzepte
Diese Vorteile bringen jedoch gleichzeitig völlig neue Herausforderungen für die Materialcharakterisierung mit sich.
Die Vermessung komplexer Salzsysteme
Am INL untersuchen Forschende eine Vielzahl thermophysikalischer Eigenschaften von Salzschmelzen, darunter:
- Viskosität
- DichteDie Massen-Dichte ist definiert als Verhältnis zwischen Masse und Volumen.Dichte
- spezifische Wärme
- Schmelzverhalten
- Schmelztemperaturen und SchmelzenthalpienDie Schmelzenthalpie einer Substanz, auch bekannt als latente Wärme, stellt ein Maß der Energiezufuhr dar, typischerweise Wärme, welche notwendig ist, um eine Substanz vom festen in den flüssigen Zustand zu überführen. Der Schmelzpunkt einer Substanz ist die Temperatur, bei der die Substanz von einem festen (kristallinen) in den flüssigen Zustand (isotrope Schmelze) übergeht.Schmelzenthalpie
- thermische Ausdehnung
- Phasendiagramme
- Dampfdruck
Der Schwerpunkt liegt insbesondere auf aktinidhaltigen Salzsystemen mit Uran, Plutonium und Thorium in Chlorid- und Fluoridform.
Da diese Materialien radioaktiv und kommerziell kaum verfügbar sind, synthetisieren die Forschenden ihre Salze häufig selbst unter streng kontrollierten Bedingungen.
Warum Thermoanalyse unverzichtbar ist
Das Verständnis von Salzschmelzen erfordert weit mehr als das einfache Aufheizen einer Probe. Salze können:
- Feuchtigkeit und Sauerstoff aufnehmen
- stark korrosiv wirken
- während des Schmelzens KriechenKriechen beschreibt eine zeit- und temperaturabhängige plastische Verformung von Werkstoffen unter konstanter Kraft. Wird eine konstante Kraft z.B. auf eine Kautschukmischung aufgebracht, hat die die anfängliche Deformation, die durch diese Kraft erhalten wird, keinen festgelegten Wert.kriechen
- ihre Zusammensetzung verändern
- empfindlich auf Verunreinigungen reagieren
Deshalb ist die Thermoanalyse ein zentrales Werkzeug für die Reaktorentwicklung und die Sicherheitsbewertung.
Bevor weiterführende Messungen durchgeführt werden, bewertet das Team zunächst die Stabilität der Salze mittels thermogravimetrischer Analyse (TG). Diese Untersuchungen zeigen, ob während des Aufheizens Massenänderungen auftreten und ob die Salze im vorgesehenen Temperaturbereich stabil bleiben.
Die dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) wird anschließend eingesetzt zur:
- Bestimmung von Schmelztemperaturen und SchmelzenthalpienDie Schmelzenthalpie einer Substanz, auch bekannt als latente Wärme, stellt ein Maß der Energiezufuhr dar, typischerweise Wärme, welche notwendig ist, um eine Substanz vom festen in den flüssigen Zustand zu überführen. Der Schmelzpunkt einer Substanz ist die Temperatur, bei der die Substanz von einem festen (kristallinen) in den flüssigen Zustand (isotrope Schmelze) übergeht.Schmelztemperaturen
- Bestimmung der spezifischen Wärmekapazität
- Analyse der Schmelzenthalpie
- Untersuchung von Phasenübergängen
Für viele Messungen verwendet das INL speziell vorbereitete Glaskohlenstoff-Tiegel, da diese die Migration des Salzes minimieren und die Reproduzierbarkeit verbessern.
Wenn Verunreinigungen alles verändern
Eine besonders interessante Erkenntnis aus dem Interview betrifft Plutoniumchlorid-Systeme.
Die Forschenden stellten fest, dass bereits kleine Abweichungen in der Salzreinheit erhebliche Auswirkungen auf das Phasendiagramm und das Schmelzverhalten haben.
Hier sehen Sie das vollständige Interview (Sprache Englisch):
Aufbau der Zukunft: Die MISTEC-Anlage
Zur Unterstützung zukünftiger Entwicklungen von Flüssigsalzreaktoren baute das Idaho National Laboratory die Molten Salt Thermophysical Examination Capability (MISTEC)
Diese abgeschirmte Kombination aus Glovebox- und Hot-Cell-Anlage wurde speziell entwickelt für:
- Untersuchungen bestrahlter Salze
- aktinidhaltige Salzsysteme
- oxidische Systeme
- Unterstützung der Reaktorlizenzierung
- Langzeituntersuchungen zum Burnup-Verhalten
Die Anlage ermöglicht es, bestrahlte Schmelzsalze unter realistischen Bedingungen zu charakterisieren — ein entscheidender Schritt für die kommerzielle Nutzung von MSR-Technologien.
Mehr dazu erfahren Sie ebenfalls im Interview: https://youtu.be/l_zyTxUykAg?t=2964
Von der Materialcharakterisierung zur nuklearen Sicherheit
Das Interview zeigt eindrucksvoll, dass moderne thermophysikalische Eigenschaftsmessungen weit mehr sind als akademische Grundlagenforschung.
Sie unterstützen direkt:
- Reaktordesign und kommerzielle Entwicklung
- Sicherheitsanalysen
- Brennstoffentwicklung
- Lizenzierungsstrategien
- langfristige Betriebssicherheit
Mit der weltweit steigenden Aufmerksamkeit für Flüssigsalzreaktoren werden präzise Thermoanalyse und rheologische Charakterisierung immer wichtiger, um diese hochkomplexen Materialsysteme zu verstehen.
Sehen Sie sich das vollständige Interview-Webinar an
Das komplette Gespräch zwischen Melinda Tucker und Dr. Toni Karlsson liefert noch tiefere Einblicke in:
- Charakterisierungstechniken für Schmelzsalze
- Herausforderungen bei aktinidhaltigen Salzsystemen
- Sicherheitsaspekte von Reaktoren
- zukünftige Forschungsinfrastruktur für Flüssigsalzreaktoren
- moderne Thermoanalyse-Ansätze für nukleare Anwendungen
Hier sehen Sie das ganze Interview (Sprache Englisch): : https://youtu.be/l_zyTxUykAg?t=2964
Schauen Sie ebenfalls unser Webinar: Salt Systems Exploring Experimental Limits (Englisch)
Salzsysteme bilden neben Oxiden und Metallen eine eigene Materialgruppe. Einige Salzmischungen können metastabile Phasen bilden, die vom Temperaturprogramm oder anderen Parametern der Versuchsanordnung abhängen können.
Diese Herausforderungen und mögliche Lösungen für die Untersuchung von Salzsystemen mit NETZSCH TG/DTA/DSC/TMA/LFA-Analysegeräten werden in unserem englischsprachigen Webinar diskutiert.
