Un reactor nuclear refrigerado por metal líquido , un reactor rápido de metal líquido o LMFR es un tipo avanzado de reactor nuclear donde el refrigerante primario es un metal líquido . Los reactores refrigerados por metal líquido se adaptaron por primera vez para el uso de submarinos nucleares, pero también se han estudiado ampliamente para aplicaciones de generación de energía.
Los refrigerantes metálicos eliminan el calor más rápidamente y permiten una densidad de potencia mucho mayor . Esto los hace atractivos en situaciones en las que el tamaño y el peso son primordiales, como en barcos y submarinos. Para mejorar el enfriamiento con agua, la mayoría de los diseños de reactores están altamente presurizados para elevar el punto de ebullición , lo que presenta problemas de seguridad y mantenimiento de los que carecen los diseños de metal líquido. Además, la alta temperatura del metal líquido puede usarse para producir vapor a una temperatura más alta que en un reactor enfriado por agua, lo que conduce a una mayor eficiencia termodinámica. Esto los hace atractivos para mejorar la producción de energía en centrales nucleares convencionales.
Los metales líquidos, que son eléctricamente altamente conductores, pueden moverse mediante bombas electromagnéticas . [1] Las desventajas incluyen dificultades asociadas con la inspección y reparación de un reactor sumergido en metal fundido opaco y, según la elección del metal, el riesgo de incendio (para metales alcalinos ), la corrosión y / o la producción de productos de activación radiactiva pueden ser un problema. .
Diseño
En la práctica, todos los reactores refrigerados por metal líquido son reactores de neutrones rápidos y, hasta la fecha, la mayoría de los reactores de neutrones rápidos han sido reactores reproductores rápidos refrigerados por metal líquido ( LMFBR ) o unidades de propulsión naval. Los metales líquidos utilizados normalmente necesitan buenas características de transferencia de calor. Los núcleos de los reactores de neutrones rápidos tienden a generar mucho calor en un espacio pequeño en comparación con los reactores de otras clases. Una baja absorción de neutrones es deseable en cualquier refrigerante de reactor, pero es especialmente importante para un reactor rápido, ya que la buena economía de neutrones de un reactor rápido es una de sus principales ventajas. Dado que los neutrones más lentos se absorben más fácilmente, el refrigerante idealmente debería tener una moderación baja de neutrones. También es importante que el refrigerante no provoque una corrosión excesiva de los materiales estructurales y que sus puntos de fusión y ebullición sean adecuados para la temperatura de funcionamiento del reactor .
Idealmente, el refrigerante nunca debería hervir, ya que eso aumentaría la probabilidad de que se escape del sistema, lo que provocaría un accidente por pérdida de refrigerante . Por el contrario, si se puede evitar que el refrigerante hierva, esto permite que la presión en el sistema de enfriamiento permanezca en niveles neutrales, y esto reduce drásticamente la probabilidad de un accidente. Algunos diseños sumergen todo el reactor y los intercambiadores de calor en una piscina de refrigerante, eliminando virtualmente el riesgo de que se pierda el enfriamiento del circuito interno.
Propiedades del refrigerante
Si bien, en teoría, el agua presurizada podría usarse para un reactor rápido, tiende a ralentizar los neutrones y absorberlos. Esto limita la cantidad de agua que se puede permitir que fluya a través del núcleo del reactor y, dado que los reactores rápidos tienen una alta densidad de potencia, la mayoría de los diseños utilizan metales fundidos. El punto de ebullición del agua también es mucho más bajo que el de la mayoría de los metales, lo que exige que el sistema de enfriamiento se mantenga a alta presión para enfriar eficazmente el núcleo.
Refrigerante | Punto de fusion | Punto de ebullición |
---|---|---|
Sodio | 97,72 ° C (207,9 ° F) | 883 ° C, (1621 ° F) |
NaK | -11 ° C, (12 ° F) | 785 ° C, (1445 ° F) |
Mercurio | -38,83 ° C, (-37,89 ° F) | 356,73 ° C (674,11 ° F) |
Dirigir | 327,46 ° C (621,43 ° F) | 1749 ° C, (3180 ° F) |
Eutéctico de plomo-bismuto | 123,5 ° C, (254,3 ° F) | 1670 ° C, (3038 ° F) |
Estaño | 231,9 ° C, (449,5 ° F) | 2602 ° C, (4716 ° F) |
Mercurio
Clementine fue el primer reactor nuclear refrigerado por metal líquido y utilizó refrigerante de mercurio, que se cree que es la opción obvia ya que es líquido a temperatura ambiente. Sin embargo, debido a las desventajas que incluyen alta toxicidad, alta presión de vapor incluso a temperatura ambiente, bajo punto de ebullición que produce humos nocivos cuando se calienta, conductividad térmica relativamente baja, [2] y una sección transversal de neutrones alta [3] , se ha caído de favor.
Sodio y NaK
El sodio y el NaK (una aleación eutéctica de sodio y potasio) no corroen el acero en un grado significativo y son compatibles con muchos combustibles nucleares, lo que permite una amplia variedad de materiales estructurales. Sin embargo, se encienden espontáneamente al entrar en contacto con el aire y reaccionan violentamente con el agua, produciendo gas hidrógeno. Este fue el caso de la central nuclear de Monju en un accidente e incendio en 1995. La activación neutrónica del sodio también hace que estos líquidos se vuelvan intensamente radiactivos durante el funcionamiento, aunque la vida media es corta y, por lo tanto, su radiactividad no plantea un problema de eliminación adicional.
Hay dos propuestas para un LMFR Gen IV enfriado con sodio , una basada en combustible de óxido y la otra en el reactor rápido integral de combustible metálico .
Dirigir
El plomo tiene excelentes propiedades de neutrones (reflexión, baja absorción) y es un escudo de radiación muy potente contra los rayos gamma . El punto de ebullición más alto del plomo proporciona ventajas de seguridad, ya que puede enfriar el reactor de manera eficiente incluso si alcanza varios cientos de grados Celsius por encima de las condiciones normales de funcionamiento. Sin embargo, debido a que el plomo tiene un alto punto de fusión y una alta presión de vapor, es complicado repostar y dar servicio a un reactor enfriado por plomo. El punto de fusión se puede reducir aleando el plomo con bismuto , pero el eutéctico de plomo-bismuto es altamente corrosivo para la mayoría de los metales [4] utilizados para materiales estructurales.
Estaño
Aunque el estaño hoy en día no se usa como refrigerante para reactores en funcionamiento porque forma una costra, [5] puede ser un refrigerante adicional o de reemplazo útil en desastres nucleares o accidentes por pérdida de refrigerante .
Otras ventajas del estaño son el alto punto de ebullición y la capacidad de formar una costra incluso sobre el estaño líquido que ayuda a cubrir las fugas venenosas y mantiene el refrigerante dentro y en el reactor. El estaño hace que cualquier tipo de reactor sea inutilizable para el funcionamiento normal. Ha sido probado por investigadores ucranianos y se propuso convertir los reactores de agua hirviendo en el desastre nuclear de Fukushima Daiichi en reactores refrigerados con estaño líquido. [6]
Propulsión
Submarinos
El submarino soviético de la clase November K-27 y los siete submarinos de la clase Alfa utilizaron reactores enfriados por una aleación de plomo-bismuto ( reactores VT-1 en K-27 ; reactores BM-40A y OK-550 en otros). Tanto la armada soviética como la estadounidense habían construido prototipos de submarinos de ataque utilizando unidades de potencia LMFR.
El segundo submarino nuclear, el USS Seawolf, fue el único submarino estadounidense que tenía una planta de energía nuclear refrigerada por sodio. Se puso en servicio en 1957, pero tenía fugas en sus sobrecalentadores , que se pasaron por alto. Para estandarizar los reactores en la flota, [ cita requerida ] el reactor enfriado por sodio del submarino fue removido a partir de 1958 y reemplazado por un reactor de agua presurizada .
Aeronave nuclear
Los reactores refrigerados por metal líquido fueron estudiados por Pratt & Whitney para su uso en aviones nucleares como parte del programa Aircraft Nuclear Propulsion . [7]
Generación de energía
El Experimento del Reactor de Sodio fue un reactor nuclear experimental enfriado con sodio ubicado en una sección del Laboratorio de Campo de Santa Susana, entonces operado por la división Atomics International de North American Aviation . En julio de 1959, el Experimento del Reactor de Sodio sufrió un incidente grave que involucró el derretimiento parcial de 13 de 43 elementos combustibles y una liberación significativa de gases radiactivos . [8] El reactor fue reparado y volvió a funcionar en septiembre de 1960 y terminó su funcionamiento en 1964. El reactor produjo un total de 37 GW-h de electricidad.
Fermi 1 en el condado de Monroe, Michigan, fue un reactor reproductor rápido experimental refrigerado por sodio líquido que operó desde 1963 hasta 1972. Sufrió una fusión nuclear parcial en 1963 y fue dado de baja en 1975.
En Dounreay en Caithness, en el extremo norte de Escocia, la Autoridad de Energía Atómica del Reino Unido (UKAEA) operó el Reactor Rápido de Dounreay (DFR), utilizando NaK como refrigerante, de 1959 a 1977, exportando 600 GW-h de electricidad al país. cuadrícula durante ese período. Fue sucedido en el mismo sitio por PFR, el Prototype Fast Reactor , que operó de 1974 a 1994 y utilizó sodio líquido como refrigerante.
El BN-600 soviético se enfría con sodio. Las centrales nucleares BN-350 y US EBR-II se enfriaron con sodio. EBR-I usé una aleación de metal líquido, NaK , para enfriar. NaK es líquido a temperatura ambiente. El enfriamiento por metal líquido también se utiliza en la mayoría de los reactores de neutrones rápidos, incluidos los reactores reproductores rápidos , como el Reactor Rápido Integral .
Muchos estudios de reactores de IV Generación son refrigerados por metal líquido:
- Reactor rápido refrigerado por sodio (SFR)
- Reactor rápido refrigerado por plomo
Referencias
- ^ Bonin, Bernhard; Klein, Etienne (2012). Le nucléaire expliqué par des physiciens .
- ^ Bunker, Merle E. "Los primeros reactores de la caldera de agua de Fermi a nuevos prototipos de energía", un capítulo en Los Alamos Science - Edición de invierno / primavera de 1983, página 128. Publicado por el Laboratorio Nacional de Los Alamos y disponible aquí: http: //library.lanl .gov / cgi-bin / getfile? 00416628.pdf
- ^ http://www.ncnr.nist.gov/resources/n-lengths/elements/hg.html
- ^ http://www.osti.gov/energycitations/product.biblio.jsp?osti_id=4803122
- ^ CORROSIÓN ATMOSFÉRICA DE ESTAÑO Y ALEACIÓN DE ESTAÑO [ enlace muerto ]
- ^ Ucrania aconseja a Japón que utilice estaño para enfriar el reactor de Fukushima Kyivpost
- ^ La decadencia del programa de aviones de propulsión atómica
- ^ Ashley, RL; et al. (1961). SRE Fuel Element Damage, Informe final del Comité Ad Hoc de Atomics International (PDF) . NAA-SR-4488-supl. Archivado desde el original (PDF) el 10 de abril de 2009.