El Advanced Test Reactor ( ATR ) es un reactor de investigación en el Laboratorio Nacional de Idaho , ubicado al este de Arco, Idaho . Este reactor fue diseñado y se utiliza para probar combustibles y materiales nucleares para su uso en centrales eléctricas, propulsión naval, investigación y reactores avanzados. Puede operar a una potencia térmica máxima de 250 MW y tiene un diseño de núcleo de "Trébol de cuatro hojas" (similar a la rosa Camunian ) que permite una variedad de ubicaciones de prueba. El diseño único permite diferentes flujos de neutrones(número de neutrones que impactan un centímetro cuadrado por segundo) condiciones en varios lugares. Seis de las ubicaciones de prueba permiten aislar un experimento del sistema de enfriamiento primario, proporcionando su propio entorno para temperatura, presión, flujo y química, replicando el entorno físico mientras acelera las condiciones nucleares.
Reactor de prueba avanzado | |
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Laboratorio Nacional de Idaho | |
Institución operativa | Laboratorio Nacional de Idaho |
Localización | Condado de Butte , cerca de Arco, Idaho , Estados Unidos |
Coordenadas | 43 ° 35′09 ″ N 112 ° 57′55 ″ O / 43.585833 ° N 112.965278 ° WCoordenadas : 43 ° 35′09 ″ N 112 ° 57′55 ″ O / 43.585833 ° N 112.965278 ° W |
Energía | 250 MW |
Construcción y mantenimiento | |
Comenzó la construcción | 1967 |
Especificaciones técnicas | |
Flujo térmico máximo | 10 15 s −1 cm −2 |
Flujo rápido máximo | 5 · 10 14 s −1 cm −2 |
Enfriamiento | Agua ligera |
Moderador de neutrones | Agua ligera |
Reflector de neutrones | Berilio |
Material de revestimiento | Acero inoxidable y hormigón |
El ATR es un reactor de agua ligera presurizada (LWR), que utiliza agua como refrigerante y moderador. El núcleo está rodeado por un reflector de neutrones de berilio para concentrar neutrones en experimentos, y también alberga múltiples posiciones de experimentos. Funciona a baja temperatura y presión de 71 ° C (160 ° F) y hasta 2,69 MPa de presión de agua. La vasija del reactor ATR es de acero inoxidable sólido, de 35 pies (11 m) de alto por 12 pies (3,7 m) de ancho. El núcleo mide aproximadamente 4 pies (1,2 m) de alto por 4 pies (1,2 m) de ancho.
Además de su función en la irradiación de combustibles y materiales nucleares, el ATR es la única fuente nacional de cobalto-60 ( 60 Co) de alta actividad específica (HSA) de los Estados Unidos para aplicaciones médicas. HSA 60 Co se utiliza principalmente en el tratamiento del cáncer de cerebro con bisturí de rayos gamma . También se han producido otros isótopos médicos e industriales, y podrían volver a producirse, incluido el plutonio-238 ( 238 Pu), que es útil para impulsar naves espaciales.
Historia
Desde 1951, se han construido cincuenta y dos reactores en los terrenos de lo que originalmente era la Estación Nacional de Pruebas de Reactores de la Comisión de Energía Atómica, actualmente la ubicación del Laboratorio Nacional de Idaho (INL) del Departamento de Energía de EE. UU. Construido en 1967, el ATR es el segundo más antiguo de los tres reactores que todavía están en funcionamiento en el lugar. [2] Su función principal es bombardear intensamente muestras de materiales y combustibles con neutrones para replicar la exposición a largo plazo a altos niveles de radiación , como estaría presente después de años en un reactor nuclear comercial. El ATR es uno de los cuatro únicos reactores de prueba en el mundo con esta capacidad. [3] El reactor también produce isótopos raros para uso en medicina e industria . [4]
Facilidad Nacional de Usuarios Científicos
En abril de 2007, el ATR fue designado Instalación Nacional de Usuarios Científicos, que desde entonces pasó a llamarse Instalación de Usuarios de Ciencias Nucleares (NSUF), para alentar el uso del reactor por parte de universidades , laboratorios e industria. [5] Este estatus está destinado a estimular experimentos para prolongar la vida útil de los reactores comerciales existentes y fomentar el desarrollo de la energía nucleoeléctrica. Estos experimentos probarán "materiales, combustible nuclear e instrumentos que operan en los reactores". [3] Bajo este programa, los experimentadores no tendrán que pagar para realizar experimentos en el reactor, pero están obligados a publicar sus hallazgos. A través del sistema NSUF, ATR y las instalaciones asociadas han albergado 213 experimentos premiados de 42 instituciones diferentes (universidades, laboratorios nacionales e industria), lo que ha dado lugar a 178 publicaciones y presentaciones.
ATR en comparación con reactores comerciales
Los reactores de prueba son muy diferentes en apariencia y diseño de los reactores de energía nuclear comerciales. Los reactores comerciales son grandes, operan a alta temperatura y presión y requieren una gran cantidad de combustible nuclear. Un reactor comercial típico tiene un volumen de 48 metros cúbicos (1.700 pies cúbicos) con 5.400 kilogramos (11.900 lb) de uranio a 288 ° C (550 ° F) y 177 atm. [4] Debido a su gran tamaño y energía almacenada, los reactores comerciales requieren una " estructura de contención " robusta para evitar la liberación de material radiactivo en caso de una situación de emergencia.
Por el contrario, el ATR requiere una estructura de contención más pequeña: tiene un volumen de 1,4 metros cúbicos (49 pies cúbicos), contiene 43 kilogramos (95 lb) de uranio y funciona a 60 ° C (140 ° F) y 26,5 atm ( condiciones similares a un calentador de agua). [4] La propia vasija del reactor, que está hecha de acero inoxidable rodeada de hormigón que se extiende más de 20 pies (6,1 m) bajo tierra, está endurecida contra daños accidentales o intencionales. Toda el área del reactor también está rodeada por una estructura de confinamiento (a diferencia de una "estructura de contención") diseñada para proteger aún más el medio ambiente circundante de cualquier posible liberación de radiactividad.
Diseño de reactores y capacidades experimentales
El núcleo ATR está diseñado para ser lo más flexible posible para las necesidades de investigación . Puede conectarse y desconectarse de forma segura tantas veces como sea necesario para cambiar experimentos o realizar tareas de mantenimiento. El reactor también se apaga automáticamente en caso de condiciones experimentales anormales o corte de energía.
Los componentes del núcleo del reactor se reemplazan cada 7 a 10 años para evitar la fatiga debido a la exposición a la radiación y para garantizar que los experimentadores siempre tengan un nuevo reactor con el que trabajar. El flujo de neutrones proporcionado por el reactor puede ser constante o variable, y cada lóbulo del diseño de trébol de cuatro hojas se puede controlar de forma independiente para producir hasta 10 15 neutrones térmicos por segundo por centímetro cuadrado o 5 · 10 14 neutrones rápidos s −1 cm −2 . [6] Hay 77 ubicaciones de prueba diferentes dentro del reflector y otras 34 ubicaciones de baja intensidad fuera del núcleo, lo que permite que muchos experimentos se ejecuten simultáneamente en diferentes entornos de prueba. [7] Se pueden acomodar volúmenes de prueba de hasta 5.0 pulgadas (130 mm) de diámetro y 4 pies (1.2 m) de largo. Los experimentos se cambian en promedio cada siete semanas, y el reactor está en operación nominal (110 MW) el 75% del año. [8]
Se pueden realizar tres tipos de experimentos en el reactor: [8]
- Experimento de cápsula estática: El material a ensayar se coloca en un tubo sellado de aluminio , acero inoxidable o zircaloy , que luego se inserta en la ubicación deseada del reactor. Si el tubo tiene menos de la altura total del reactor de 48 pulgadas, se pueden apilar varias cápsulas. En algunos casos, es deseable probar materiales (tales como elementos combustibles) en contacto directo con el refrigerante del reactor , en cuyo caso, la cápsula de prueba no está sellada. Hay disponible un monitoreo y control de temperatura muy limitados para la configuración de la cápsula estática, y cualquier instancia tendría que integrarse en el experimento de la cápsula (como cables de fusión de temperatura o un espacio de aire aislante).
- Experimento principal instrumentado: similar a la configuración de la cápsula estática, este tipo de experimento permite el monitoreo en tiempo real de la temperatura y las condiciones del gas dentro de la cápsula. Un umbilical conecta la cápsula de prueba a una estación de control para informar las condiciones de la prueba. La estación de control regula automáticamente la temperatura dentro de la cápsula de prueba según se desee bombeando una combinación de gases de helio (conductores) y neón o argón (no conductores) a través de la cápsula. El gas en circulación se puede examinar mediante cromatografía de gas-líquido para probar si el material que se está probando falla o se oxida .
- Experimento de circuito de agua presurizada: más complejo que la configuración de cable instrumentado, este tipo de experimento está disponible en solo seis de los nueve tubos de flujo, denominados Tubos Inpile (IPT). El material de prueba se aísla del refrigerante ATR primario mediante un sistema de refrigerante secundario, lo que permite simular las condiciones precisas de un reactor comercial o naval. Los amplios sistemas de instrumentación y control en este tipo de experimento generan una gran cantidad de datos, que están disponibles para el experimentador en tiempo real para que se puedan realizar cambios en el experimento según sea necesario.
Los experimentos de investigación en el reactor incluyen:
- Cápsula de grafito avanzada: este experimento probará los efectos de la radiación en varios tipos de grafito que se están considerando para el programa de la planta nuclear de próxima generación que actualmente no tienen datos de temperatura de alto flujo disponibles. [9]
- Iniciativa del ciclo del combustible avanzado / Reactor de agua ligera: el objetivo del AFCI es transmutar combustibles de mayor duración en combustibles de menor duración que podrían utilizarse en reactores comerciales de agua ligera, para reducir la cantidad de desechos que deben almacenarse mientras aumentando el combustible disponible para reactores comerciales. [9]
- Producción de cobalto-60 : el uso actual menos complejo del reactor de prueba avanzado es la producción del radioisótopo 60 Co para usos médicos. Se introducen en el reactor discos de cobalto-59 de 1 mm de diámetro por 1 mm de espesor (Experimento de Cápsula Estática), que bombardea la muestra con neutrones, produciendo cobalto-60. Aproximadamente 200 kilocurios (7.400 TBq ) se producen por año, íntegramente para usos médicos. [9]
Reactor de prueba avanzado crítico
El Advanced Test Reactor Critical (ATRC) realiza funciones para el ATR similares a las de los reactores ARMF en relación con el MTR . Fue una valiosa herramienta auxiliar que estuvo en funcionamiento durante tres años antes de la puesta en marcha del ATR. Verificó para los diseñadores de reactores la efectividad de los mecanismos de control y las predicciones de los físicos de la distribución de energía en el gran núcleo del ATR. Las pruebas de baja potencia en el ATRC ahorraron un tiempo valioso para que el ATR grande pudiera irradiar experimentos a altos niveles de potencia. El ATRC también se utiliza para verificar la seguridad de un experimento propuesto antes de colocarlo en el ATR. El ATRC comenzó a operar el 19 de mayo de 1964 y permanece en servicio. [10]
Referencias
- ^ Hadiseh Alaeian (15 de marzo de 2014). "Introducción a la radiación de Cherenkov" . Universidad de Stanford .
- ^ "52 Reactores de INL" . Laboratorio Nacional de Idaho. Archivado desde el original el 3 de julio de 2008 . Consultado el 28 de febrero de 2008 .
- ^ a b "Reactor de prueba de Idaho se abre a las universidades" . EE.UU. Hoy en día. 2007-12-08 . Consultado el 29 de febrero de 2008 .
- ^ a b c "Ficha técnica de ATR" (PDF) . Laboratorio Nacional de Idaho. Archivado desde el original (PDF) el 3 de julio de 2008 . Consultado el 28 de febrero de 2008 .
- ^ "Página de inicio de ATR" . Laboratorio Nacional de Idaho. Archivado desde el original el 23 de abril de 2008 . Consultado el 29 de febrero de 2008 .
- ^ "Experiencia avanzada de prueba de reactores de prueba: pasado, presente y futuro" (PDF) . Laboratorio Nacional de Idaho . Consultado el 28 de marzo de 2008 .
- ^ "Instalación de usuarios de ciencia nacional de ATR" . Laboratorio Nacional de Idaho. Archivado desde el original el 17 de mayo de 2008 . Consultado el 29 de febrero de 2008 .
- ^ a b Frances Marshall. "Instalaciones y capacidades de irradiación ATR" (PDF) . Laboratorio Nacional de Idaho. Archivado desde el original (PDF) el 8 de mayo de 2009 . Consultado el 29 de febrero de 2008 .
- ^ a b c Robert C. Howard. "Utilización del reactor para el reactor de prueba avanzado" (PDF) . Laboratorio Nacional de Idaho. Archivado desde el original (PDF) el 2009-05-09 . Consultado el 3 de abril de 2008 .
- ^ https://factsheets.inl.gov/FactSheets/PtP-appendices.pdf Stacy, Susan M. “Demostrando el principio - Apéndice B: Cincuenta años de reactores en el INEEL”. 2000.
enlaces externos
- Ficha técnica de ATR (PDF, 868 KB)
- Capacidades de ATR y planes operativos futuros (PDF, 800 KB)
- Instalaciones y capacidades de irradiación ATR (PDF, 2,4 MB)