Un reactor de sal fundida ( MSR ) es una clase de reactor de fisión nuclear en el que el refrigerante del reactor nuclear primario y / o el combustible es una mezcla de sal fundida . Una característica clave de los MSR es su funcionamiento a presión atmosférica o cerca de ella , en lugar de la presión atmosférica de 75 a 150 veces superior a la de los reactores típicos de agua ligera.(LWR), reduciendo así las grandes y costosas estructuras de contención utilizadas para los LWR y eliminando el hidrógeno como fuente de riesgo de explosión. Otro beneficio importante de los MSR es que no producen gases de fisión peligrosos y radiactivos que están bajo presión, ya que se absorben naturalmente en la sal fundida. Este es un beneficio de seguridad clave, ya que elimina por completo la posibilidad de contaminar grandes áreas de tierra. Otra característica clave de los MSR son las temperaturas de funcionamiento más altas que un LWR tradicional, lo que proporciona una mayor eficiencia de generación de electricidad, la posibilidad de instalaciones de almacenamiento en la red, producción económica de hidrógeno y, en algunos casos, oportunidades de calor de proceso. Los desafíos de diseño relevantes incluyen la corrosividad de las sales calientes y la composición química cambiante de la sal a medida que se transmuta por la radiación del reactor . Las estimaciones de costos de MSR son inciertas pero comparables o más baratas que las de LWR. [1] En el caso específico del reactor de sal estable (SSR) donde el combustible radiactivo está contenido como una sal fundida dentro de los pasadores de combustible y el circuito primario no es radiactivo, es probable que los costos operativos sean menores y los problemas de corrosión sean más fáciles de eliminar. [2]
Si bien se han propuesto muchas variantes de diseño, hay tres categorías principales con respecto al papel de la sal fundida:
Categoría | Ejemplos de |
---|---|
Combustible de sal fundida - circulante | SON • MSRE • DMSR • MSFR • LFTR • IMSR • AWB, CMSR • EVOL • DFR • TMSR-500 |
Combustible de sal fundida - estático | SSR |
Solo refrigerante de sal fundida | TMSR • FHR |
(El uso de sal fundida como combustible y como refrigerante son opciones de diseño independientes: el MSRE de sal de combustible circulante original y el SSR de sal de combustible estático más reciente usan sal como combustible y sal como refrigerante; el DFR usa sal como combustible pero metal como refrigerante; y el FHR tiene combustible sólido pero sal como refrigerante).
Los MSR ofrecen múltiples ventajas sobre las centrales nucleares convencionales, aunque por razones históricas [3] no se han implementado.
El concepto se estableció por primera vez en la década de 1950. El primer experimento del reactor de aeronave estuvo motivado principalmente por el tamaño compacto que ofrece la técnica, mientras que el experimento del reactor de sal fundida tenía como objetivo probar el concepto de una planta de energía nuclear que implementa un ciclo de combustible de torio en un reactor reproductor . El aumento de la investigación sobre los diseños de reactores de la IV Generación comenzó a renovar el interés en la tecnología. [4]
Historia
Experimento del reactor de aeronave
La investigación de MSR comenzó con el Experimento de Reactores de Aeronaves de EE. UU. (ARE) en apoyo del programa de Propulsión Nuclear de Aeronaves de EE. UU . ARE era un MW 2,5 º experimento reactor nuclear diseñado para alcanzar un alto densidad de energía para su uso como un motor en un bombardero nuclear-powered.
El proyecto incluyó experimentos, incluidas pruebas de alta temperatura y de motores, denominados colectivamente Experimentos de reactores de transferencia de calor: HTRE-1, HTRE-2 y HTRE-3 en la Estación Nacional de Pruebas de Reactores (ahora Laboratorio Nacional de Idaho ), así como una prueba experimental de alta temperatura. reactor de sal fundida en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge - el ARE.
Se utilizan sal fluorada fundida NaF-ZrF 4 -UF 4 (53-41-6% en moles) como combustible, moderada por óxido de berilio (BeO). El sodio líquido era un refrigerante secundario.
El experimento tuvo una temperatura máxima de 860 ° C. Produjo 100 MWh durante nueve días en 1954. Este experimento utilizó la aleación Inconel 600 para la estructura metálica y las tuberías. [5]
En 1957 se hizo funcionar un MSR en la Instalación de Experimentos Críticos del Laboratorio Nacional de Oak Ridge. Formaba parte del programa de reactores de combustible circulante de Pratt & Whitney Aircraft Company (PWAC). Esto se llamó Pratt and Whitney Aircraft Reactor-1 (PWAR-1). El experimento se llevó a cabo durante algunas semanas y prácticamente a cero potencia, aunque alcanzó un grado crítico. La temperatura de funcionamiento se mantuvo constante a aproximadamente 675 ° C (1250 ° F). El PWAR-1 utilizó NaF-ZrF 4 -UF 4 como combustible y refrigerante principal. Fue uno de los tres MSR críticos jamás construidos. [6]
Experimento del reactor de sal fundida
El Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) tomó la iniciativa en la investigación de los MSR durante la década de 1960. Gran parte de su trabajo culminó con el Experimento del reactor de sales fundidas (MSRE). MSRE era un 7,4 MW º reactor de ensayo que simula la neutrónico "kernel" de un tipo de epitermal torio reactor reproductor sal fundida llamado el reactor de torio fluoruro líquido (LFTR). La gran capa de reproducción (cara) de sal de torio se omitió en favor de las mediciones de neutrones.
Las tuberías, la cuba central y los componentes estructurales de MSRE se fabricaron con Hastelloy -N, moderado por grafito pirolítico . Se volvió crítico en 1965 y funcionó durante cuatro años. Su combustible era LiF-BeF 2 -ZrF 4 -UF 4 (65-29-5-1). El núcleo de grafito lo moderó. Su refrigerante secundario era FLiBe (2LiF-BeF 2 ). Alcanzó temperaturas de hasta 650 ° C y alcanzó el equivalente a aproximadamente 1,5 años de funcionamiento a plena potencia.
Reactor reproductor de sal fundida del Laboratorio Nacional Oak Ridge
La culminación de la investigación ORNL durante el período 1970-1976 resultó en un diseño de reactor reproductor de sales fundidas (MSBR). El combustible debía ser LiF-BeF 2 -ThF 4 -UF 4 (72-16-12-0.4) con moderador de grafito. El refrigerante secundario debía ser NaF-NaBF 4. Su temperatura máxima de funcionamiento debía ser 705 ° C. [8] Seguiría un programa de reemplazo de 4 años. El programa MSR se cerró a principios de la década de 1970 en favor del reactor reproductor rápido de metal líquido (LMFBR), [9] después de lo cual la investigación se estancó en los Estados Unidos. [10] [11] A partir de 2011[actualizar], ARE y MSRE siguieron siendo los únicos reactores de sales fundidas en funcionamiento.
El proyecto MSBR recibió financiación de 1968 a 1976 de (en dólares de 2019 [12] ) $ 66,4 millones. [13]
Oficialmente, el programa fue cancelado porque:
- El apoyo político y técnico para el programa en los Estados Unidos fue demasiado escaso geográficamente. Dentro de los Estados Unidos, la tecnología se entendía bien solo en Oak Ridge. [9]
- El programa MSR competía con el programa de mejoramiento rápido en ese momento, que comenzó temprano y tenía abundantes fondos de desarrollo del gobierno con contratos que beneficiaron a muchas partes del país. Cuando el programa de desarrollo de MSR había progresado lo suficiente como para justificar un programa ampliado que condujera al desarrollo comercial, la Comisión de Energía Atómica de los Estados Unidos (AEC) no pudo justificar la desviación de fondos sustanciales del LMFBR a un programa competidor. [9]
Reactor de sales fundidas desnaturalizadas del Laboratorio Nacional Oak Ridge (DMSR)
Engel et al 1980 "examinan la viabilidad conceptual de un reactor de energía de sal fundida alimentado con uranio 235 desnaturalizado (es decir, con uranio poco enriquecido) y operado con un mínimo de procesamiento químico". La principal prioridad detrás de las características del diseño fue la resistencia a la proliferación. [14] Aunque el DMSR teóricamente puede ser alimentado parcialmente por torio o plutonio, el abastecimiento de combustible únicamente con uranio poco enriquecido (LEU) ayuda a maximizar la resistencia a la proliferación.
Otros objetivos importantes del DMSR fueron minimizar la investigación y el desarrollo y maximizar la viabilidad. El Foro Internacional Generación IV (GIF) incluye el "procesamiento de sal" como una brecha tecnológica para los reactores de sales fundidas. [15] El DMSR requiere un procesamiento químico mínimo porque es un quemador más que un criador. Ambos reactores construidos en ORNL fueron diseños de quemadores. Además, las opciones para utilizar grafito para la moderación de neutrones y Hastelloy-N mejorado para las tuberías simplificaron el diseño y redujeron la I + D. [ cita requerida ]
Desarrollo en el Reino Unido
El Establecimiento de Investigación de Energía Atómica del Reino Unido (AERE) estaba desarrollando un diseño MSR alternativo en sus Laboratorios Nacionales en Harwell , Culham , Risley y Winfrith . AERE optó por centrarse en un concepto de reactor rápido de sal fundida (MSFR) de 2,5 GWe refrigerado con plomo utilizando un cloruro . [16] También investigaron el gas helio como refrigerante. [17] [18]
El MSFR del Reino Unido sería alimentado por plutonio , un combustible considerado "gratuito" por los científicos de investigación del programa, debido a las existencias de plutonio del Reino Unido.
A pesar de sus diferentes diseños, ORNL y AERE mantuvieron contacto durante este período con intercambio de información y visitas de expertos. El trabajo teórico sobre el concepto se llevó a cabo entre 1964 y 1966, mientras que el trabajo experimental estuvo en curso entre 1968 y 1973. El programa recibió una financiación gubernamental anual de alrededor de £ 100.000– £ 200.000 (equivalente a £ 2 millones– £ 3 millones en 2005). Esta financiación llegó a su fin en 1974, en parte debido al éxito del Prototype Fast Reactor en Dounreay, que se consideró una prioridad para la financiación ya que se volvió crítico en el mismo año. [dieciséis]
Desarrollo en la Unión Soviética
En la URSS, se inició un programa de investigación de reactores de sales fundidas en la segunda mitad de la década de 1970 en el Instituto Kurchatov . Incluyó estudios teóricos y experimentales, en particular la investigación de las propiedades mecánicas, de corrosión y de radiación de los materiales del recipiente de sales fundidas. Los principales hallazgos respaldaron la conclusión de que ningún obstáculo físico o tecnológico impidió la implementación práctica de los MSR. [19] [20] [21]
Siglo veintiuno
El interés de MSR se reanudó en el nuevo milenio con continuos retrasos en los programas de energía de fusión y otros programas de energía nuclear.
El diseño del LFTR fue fuertemente apoyado por Alvin Weinberg , quien patentó el reactor de agua ligera y fue director del Laboratorio Nacional Oak Ridge de EE. UU. En 2016, el físico ganador del premio Nobel Carlo Rubbia , ex director general del CERN , afirmó que una de las principales razones por las que se cortó la investigación es que el torio es difícil de convertir en un arma nuclear . [3]
El torio no es para mañana, pero a menos que hagas algún desarrollo, no llegará allí.
- Dr. Carlo Rubbia , premio Nobel y ex director general del CERN , enero de 2016 [3]
Proyectos comerciales / nacionales / internacionales
Canadá
Terrestrial Energy , una empresa canadiense, está desarrollando un diseño de DMSR llamado Reactor Integral de Sal Fundida (IMSR). El IMSR está diseñado para ser desplegado como un pequeño reactor modular (SMR). Su diseño actualmente en proceso de licencia es de 400MW térmico (190MW eléctrico). Con altas temperaturas de funcionamiento, el IMSR tiene aplicaciones en los mercados de calor industrial, así como en los mercados de energía tradicionales. Las principales características de diseño incluyen la moderación de neutrones a partir del grafito, la alimentación con uranio poco enriquecido y una unidad central compacta y reemplazable. El calor de descomposición se elimina de forma pasiva utilizando nitrógeno (con aire como alternativa de emergencia). Esta última característica permite la simplicidad operativa necesaria para el despliegue industrial. [22]
Terrestrial completó la primera fase de una revisión previa a la licencia por parte de la Comisión Canadiense de Seguridad Nuclear en 2017, que proporcionó una opinión reglamentaria de que las características de diseño son generalmente lo suficientemente seguras como para obtener finalmente una licencia para construir el reactor. [23]
porcelana
China inició un proyecto de investigación de reactores de sales fundidas de torio en enero de 2011. [24] Un demostrador de 100 MW de la versión de combustible sólido (TMSR-SF), basado en la tecnología de lecho de guijarros , estaba previsto que estuviera listo para 2024. Inicialmente, un demostrador de 10 MW El piloto y un demostrador más grande de la variante de combustible líquido (TMSR-LF) fueron el objetivo para 2024 y 2035, respectivamente. [25] [26] China luego aceleró su programa para construir dos reactores subterráneos de 12 MW en las instalaciones de investigación de Wuwei en la provincia de Gansu para 2020, [27] comenzando con el prototipo TMSR-LF1 . [28] El calor de la reacción de la sal fundida de torio se utilizaría para producir electricidad, hidrógeno, productos químicos industriales, desalinización y minerales. [27] El proyecto también busca probar nuevos materiales resistentes a la corrosión. [27]
En 2017, ANSTO / Instituto de Física Aplicada de Shanghai anunció la creación de una aleación de NiMo-SiC para su uso en MSR. [29] [30]
Dinamarca
Copenhagen Atomics es una empresa danesa de tecnología de sales fundidas que desarrolla reactores de sales fundidas fabricables en masa. El Copenhagen Atomics Waste Burner es un reactor de sal fundida controlado de forma autónoma y de espectro térmico de un solo fluido, moderado con agua pesada, a base de fluoruro. Está diseñado para caber dentro de un contenedor de envío de acero inoxidable hermético de 40 pies. El moderador de agua pesada está aislado térmicamente de la sal y continuamente drenado y enfriado por debajo de 50 ° C. También se está investigando una versión moderadora de deuteróxido de litio-7 fundido ( 7 LiOD). El reactor utiliza el ciclo del combustible de torio utilizando plutonio separado del combustible nuclear gastado como carga fisionable inicial para la primera generación de reactores, y finalmente pasa a un generador de torio. [31] Copenhagen Atomics está desarrollando y probando activamente válvulas, bombas, intercambiadores de calor, sistemas de medición, química de la sal y sistemas de purificación, y sistemas de control y software para aplicaciones de sales fundidas. [32]
Seaborg Technologies está desarrollando el núcleo de un reactor compacto de sales fundidas (CMSR). El CMSR es un MSR térmico de sal simple de alta temperatura diseñado para ser crítico con uranio poco enriquecido disponible comercialmente . El diseño del CMSR es modular y utiliza un moderador de NaOH patentado. [33] Se estima que el núcleo del reactor se sustituirá cada 12 años. Durante la operación, el combustible no será reemplazado y se quemará durante los 12 años de vida útil del reactor. La primera versión del núcleo Seaborg está prevista para producir 250 MW º potencia y 100 MW e poder. Como planta de energía, el CMSR podrá suministrar electricidad, agua potable y calefacción / refrigeración a alrededor de 200.000 hogares. [34]
Francia
El proyecto EVOL (Evaluación y viabilidad del sistema de reactor rápido de combustible líquido) del CNRS , con el objetivo de proponer un diseño del reactor rápido de sales fundidas (MSFR), [35] publicó su informe final en 2014. [36] Varios proyectos de MSR como FHR, MOSART, MSFR y TMSR tienen temas comunes de investigación y desarrollo. [37]
El proyecto EVOL continuará con el proyecto Safety Assessment of the Molten Salt Fast Reactor (SAMOFAR), financiado por la UE, en el que colaboran varios institutos de investigación y universidades europeos. [38]
Alemania
El Instituto Alemán de Física Nuclear de Estado Sólido en Berlín ha propuesto el reactor de fluido dual como un concepto para un MSR de generación rápida refrigerado por plomo. El concepto original de MSR utilizaba la sal fluida para proporcionar los materiales de fisión y también para eliminar el calor. Por lo tanto, tuvo problemas con la velocidad de flujo necesaria. Usar 2 fluidos diferentes en círculos separados resuelve el problema. [ cita requerida ]
India
En 2015, investigadores indios publicaron un diseño de MSR, [39] como una ruta alternativa a los reactores a base de torio, según el programa de energía nuclear de tres etapas de la India . [40]
Indonesia
Thorcon está desarrollando el reactor de sal fundida TMSR-500 para el mercado indonesio.
Japón
El reactor de sal fundida de Fuji es un LFTR de 100 a 200 MW e , que utiliza tecnología similar al proyecto Oak Ridge. Un consorcio que incluye miembros de Japón, Estados Unidos y Rusia está desarrollando el proyecto. El proyecto probablemente tardaría 20 años en desarrollar un reactor de tamaño completo, [41] pero el proyecto parece carecer de financiación. [42]
Rusia
En 2020 Rosatom ha anunciado planes para construir 10 MW º FLiBe quemador MSR. Sería alimentado por plutonio procedente de combustible nuclear gastado VVER reprocesado y fluoruros de actínidos menores . Se espera que se lance en 2031 en Mining and Chemical Combine . [43] [44]
Reino Unido
La Fundación Alvin Weinberg es una organización británica sin fines de lucro fundada en 2011, dedicada a crear conciencia sobre el potencial de la energía del torio y LFTR. Fue lanzado formalmente en la Cámara de los Lores el 8 de septiembre de 2011. [45] [46] [47] Lleva el nombre del físico nuclear estadounidense Alvin M. Weinberg , pionero en la investigación de torio MSR.
El reactor de sal estable, diseñado por Moltex Energy, fue seleccionado como el más adecuado de seis diseños de MSR para la implementación en el Reino Unido en un estudio de 2015 encargado por la agencia de innovación del Reino Unido, Innovate UK . [48] El apoyo del gobierno del Reino Unido ha sido escaso, [49] pero Moltex ha obtenido el apoyo de New Brunswick Power para el desarrollo de una planta piloto en Point Lepreau, Canadá, [50] y el respaldo financiero de IDOM (una empresa internacional de ingeniería) [ 51] y actualmente participa en el proceso de revisión de diseño de proveedores canadienses. [52]
Estados Unidos
El Laboratorio Nacional de Idaho diseñó un reactor alimentado con sales fundidas y enfriado con sales fundidas con una producción prospectiva de 1000 MW e . [53]
Kirk Sorensen, ex científico de la NASA y jefe de tecnología nuclear en Teledyne Brown Engineering , es un promotor desde hace mucho tiempo del ciclo del combustible de torio , acuñando el término reactor de torio de fluoruro líquido . En 2011, Sorensen fundó Flibe Energy, una empresa destinada a desarrollar diseños de reactores LFTR de 20 a 50 MW para alimentar bases militares. (Es más fácil aprobar diseños militares novedosos que diseños de centrales eléctricas civiles en el entorno regulatorio nuclear de EE. UU.). [54] [55] [56] [57]
Transatomic Power utilizó lo que denominó un reactor de sales fundidas que aniquila los desechos (WAMSR), destinado a consumir el combustible nuclear gastado existente , [58] desde 2011 hasta que dejó de funcionar en 2018. [59]
En enero de 2016, el Departamento de Energía de los Estados Unidos anunció un fondo de adjudicación de 80 millones de dólares para desarrollar diseños de reactores de IV Generación . [60] Uno de los dos beneficiarios, Southern Company , utilizará los fondos para desarrollar un reactor rápido de cloruro fundido (MCFR), un tipo de MSR desarrollado anteriormente por científicos británicos. [dieciséis]
En 2021 , la Autoridad del Valle de Tennessee (TVA) y Kairos Power anunciaron que se desplegaría en Oak Ridge, Tennessee, un reactor de prueba de 50MWt refrigerado con sal de fluoruro y alimentado con TRISO . [61]
Diseño
Los reactores nucleares se pueden clasificar de varias formas. Los diseños de MSR participan en muchas de esas categorías. Los MSR pueden ser quemadores o reproductores. Pueden ser rápidos o térmicos o epitermales . [62] Los reactores térmicos suelen emplear un moderador (generalmente grafito) para reducir la velocidad de los neutrones y moderar la temperatura. Pueden aceptar una variedad de combustibles (uranio poco enriquecido, torio, uranio empobrecido , productos de desecho) [63] y refrigerantes (fluoruro, cloruro, litio, berilio, mixto). El ciclo de combustible puede ser cerrado o de un solo paso. [62] Pueden ser monolíticos o modulares, grandes o pequeños. El reactor puede adoptar una configuración en bucle, modular o integral. Las variaciones incluyen:
Reactor de sal líquida de muy alta temperatura
(También denominado "reactor de alta temperatura enfriado con sal de fluoruro" (FHR). [64] )
Este enfoque implica el uso de una sal de fluoruro como refrigerante. Tanto el MSR tradicional como el reactor de muy alta temperatura (VHTR) fueron seleccionados como diseños potenciales para su estudio en el marco de la Iniciativa de la Cuarta Generación (GEN-IV). Una versión del VHTR en estudio fue el reactor de sal líquida de muy alta temperatura (LS-VHTR), también llamado comúnmente reactor avanzado de alta temperatura (AHTR). [ cita requerida ]
Utiliza sal líquida como refrigerante en el circuito primario, en lugar de un circuito de helio único. Se basa en combustible " TRISO " disperso en grafito. Las primeras investigaciones de AHTR se centraron en el grafito en forma de varillas de grafito que se insertarían en bloques de grafito moderadores hexagonales, pero los estudios actuales se centran principalmente en el combustible de tipo guijarro. [ cita requerida ] El LS-VHTR puede funcionar a temperaturas muy altas (el punto de ebullición de la mayoría de los candidatos a sales fundidas es> 1400 ° C); refrigeración a baja presión que se puede utilizar para adaptarse a las condiciones de las instalaciones de producción de hidrógeno (la mayoría de los ciclos termoquímicos requieren temperaturas superiores a 750 ° C); mejor eficiencia de conversión eléctrica que un VHTR enfriado con helio que opera en condiciones similares; sistemas de seguridad pasiva y mejor retención de los productos de fisión en caso de accidente. [ cita requerida ]
Reactor de fluoruro de torio líquido
Los reactores que contienen sal de torio fundida, llamados reactores de torio de fluoruro líquido (LFTR), aprovecharían el ciclo del combustible del torio . Empresas privadas de Japón, Rusia, Australia y Estados Unidos, y el gobierno chino, han expresado interés en desarrollar esta tecnología. [24] [42] [54]
Los defensores estiman que quinientas toneladas métricas de torio podrían satisfacer las necesidades energéticas de Estados Unidos durante un año. [65] El Servicio Geológico de EE. UU. Estima que el depósito de torio más grande conocido de EE. UU., El distrito de Lemhi Pass en la frontera de Montana e Idaho , contiene reservas de torio de 64.000 toneladas métricas. [66]
Tradicionalmente, estos reactores se conocían como reactores reproductores de sales fundidas (MSBR) o reactores de sales fundidas de torio (TMSR), pero el nombre LFTR fue promovido como un cambio de marca a principios de la década de 2000 por Kirk Sorensen.
Reactor de sal estable
El reactor de sal estable es un concepto relativamente reciente que mantiene el combustible de sal fundida estáticamente en los pasadores de combustible LWR tradicionales. El bombeo de la sal de combustible y todos los problemas de corrosión / deposición / mantenimiento / contención que surgen de la circulación de un fluido altamente radiactivo, caliente y químicamente complejo, ya no son necesarios. Los pasadores de combustible están sumergidos en una sal de fluoruro separada, no fisionable, que actúa como refrigerante primario.
Refrigerante
Los MSR se pueden enfriar de varias formas, incluido el uso de sales fundidas.
Los reactores de combustible sólido refrigerados por sales fundidas se denominan de forma diversa "sistema de reactor de sales fundidas" en la propuesta de la Generación IV, reactores convertidores de sales fundidas (MSCR), reactores avanzados de alta temperatura (AHTR) o reactores de fluoruro de alta temperatura (FHR, designación DOE preferida ). [67]
Los FHR no pueden reprocesar el combustible fácilmente y tienen barras de combustible que deben fabricarse y validarse, lo que requiere hasta veinte años [ cita requerida ] desde el inicio del proyecto. FHR conserva las ventajas de seguridad y costo de un refrigerante de baja presión y alta temperatura, que también comparten los reactores refrigerados por metal líquido . En particular, el vapor no se crea en el núcleo (como está presente en los BWR) y no hay un recipiente de presión de acero grande y costoso (como se requiere para los PWR). Dado que puede funcionar a altas temperaturas, la conversión del calor en electricidad puede utilizar una turbina de gas de ciclo Brayton liviana y eficiente .
Gran parte de la investigación actual sobre FHR se centra en intercambiadores de calor pequeños y compactos que reducen los volúmenes de sales fundidas y los costos asociados. [68]
Las sales fundidas pueden ser muy corrosivas y la corrosividad aumenta con la temperatura. Para el circuito de enfriamiento primario, se necesita un material que pueda resistir la corrosión a altas temperaturas y radiación intensa . Los experimentos muestran que Hastelloy-N y aleaciones similares son adecuadas para estas tareas a temperaturas de funcionamiento de hasta aproximadamente 700 ° C. Sin embargo, la experiencia operativa es limitada. Son deseables temperaturas de funcionamiento aún más elevadas: a 850 ° C es posible la producción termoquímica de hidrógeno . Los materiales para este rango de temperatura no han sido validados, aunque los compuestos de carbono , aleaciones de molibdeno (por ejemplo, TZM), carburos y aleaciones a base de metal refractario o SAO podrían ser factibles.
Una solución alternativa sugerida por un investigador privado es utilizar las nuevas aleaciones de beta-titanio Au, ya que esto también permitiría el funcionamiento a temperaturas extremas y aumentaría el margen de seguridad. [ cita requerida ]
Reactores de sales fundidas de fluido dual
Un ejemplo prototípico de un reactor de fluido dual es el reactor alimentado con sal y refrigerado por plomo.
Selección de sal fundida
Las mezclas de sal se eligen para que el reactor sea más seguro y práctico.
Flúor
El flúor tiene un solo isótopo estable (F-19) y no se vuelve radiactivo fácilmente bajo el bombardeo de neutrones. En comparación con el cloro y otros haluros, el flúor también absorbe menos neutrones y ralentiza (" modera ") los neutrones mejor. Los fluoruros de baja valencia hierven a altas temperaturas, aunque muchos pentafluoruros y hexafluoruros hierven a bajas temperaturas. Deben estar muy calientes antes de descomponerse en sus elementos constituyentes. Estas sales fundidas son "químicamente estables" cuando se mantienen muy por debajo de sus puntos de ebullición. Las sales de fluoruro se disuelven poco en agua y no forman hidrógeno combustible.
Cloro
El cloro tiene dos isótopos estables (35
Cl y37
Cl ), así como un isótopo de descomposición lenta entre ellos que facilita la absorción de neutrones por35
Cl .
Los cloruros permiten la construcción de reactores reproductores rápidos . Se ha investigado mucho menos sobre diseños de reactores que utilizan sales de cloruro. El cloro, a diferencia del flúor, debe purificarse para aislar el isótopo estable más pesado, el cloro-37, reduciendo así la producción de tetracloruro de azufre que ocurre cuando el cloro-35 absorbe un neutrón para convertirse en cloro-36, luego se degrada por desintegración beta a azufre-36.
Litio
El litio debe estar en forma de purificado7
Li , porque6
Li captura neutrones de manera efectiva y produce tritio . Incluso si se usa 7 Li puro , las sales que contienen litio provocan una producción significativa de tritio, comparable con los reactores de agua pesada.
Mezclas
Las sales de los reactores suelen estar cerca de las mezclas eutécticas para reducir su punto de fusión. Un punto de fusión bajo simplifica la fusión de la sal al inicio y reduce el riesgo de que la sal se congele a medida que se enfría en el intercambiador de calor.
Debido a la alta " ventana redox " de las sales de fluoruro fundidas, se puede cambiar el potencial redox del sistema de sales fundidas. Se puede usar flúor-litio-berilio (" FLiBe ") con adiciones de berilio para reducir el potencial redox y casi eliminar la corrosión. Sin embargo, dado que el berilio es extremadamente tóxico, se deben diseñar precauciones especiales en el diseño para evitar su liberación al medio ambiente. Muchas otras sales pueden causar corrosión en las tuberías, especialmente si el reactor está lo suficientemente caliente como para producir hidrógeno altamente reactivo.
Hasta la fecha, la mayoría de las investigaciones se han centrado en FLiBe, porque el litio y el berilio son moderadores razonablemente eficaces y forman una mezcla de sal eutéctica con un punto de fusión más bajo que cada una de las sales constituyentes. El berilio también realiza la duplicación de neutrones, mejorando la economía de neutrones. Este proceso ocurre cuando el núcleo de berilio emite dos neutrones después de absorber un solo neutrón. Para las sales portadoras de combustible, generalmente se agrega 1% o 2% (en moles ) de UF 4 . También se han utilizado fluoruros de torio y plutonio.
Material | Captura total de neutrones en relación con el grafito (por unidad de volumen) | Relación de moderación ( promedio de 0,1 a 10 eV) |
---|---|---|
Agua pesada | 0,2 | 11449 |
ZrH [70] [71] [72] | ~ 0,2 | ~ 0 si <0,14 eV, ~ 11449 si> 0,14 eV |
Agua ligera | 75 | 246 |
Grafito | 1 | 863 |
Sodio | 47 | 2 |
UCO | 285 | 2 |
UO 2 | 3583 | 0,1 |
2LiF – BeF 2 | 8 | 60 |
LiF – BeF 2 –ZrF 4 (64,5–30,5–5) | 8 | 54 |
NaF – BeF 2 (57–43) | 28 | 15 |
LiF – NaF – BeF 2 (31–31–38) | 20 | 22 |
LiF – ZrF 4 (51–49) | 9 | 29 |
NaF – ZrF 4 (59,5–40,5) | 24 | 10 |
LiF-NaF – ZrF 4 (26–37–37) | 20 | 13 |
KF – ZrF 4 (58–42) | 67 | 3 |
RbF – ZrF 4 (58–42) | 14 | 13 |
LiF – KF (50–50) | 97 | 2 |
LiF – RbF (44–56) | 19 | 9 |
LiF – NaF – KF (46,5–11,5–42) | 90 | 2 |
LiF – NaF – RbF (42–6–52) | 20 | 8 |
Purificación de sal fundida
Las técnicas para preparar y manipular sales fundidas se desarrollaron por primera vez en ORNL. [73] El propósito de la purificación de la sal es eliminar óxidos, azufre e impurezas metálicas. Los óxidos pueden resultar en la deposición de partículas sólidas en el funcionamiento del reactor. El azufre debe eliminarse debido a su ataque corrosivo sobre las aleaciones a base de níquel a temperatura operativa. Los metales estructurales como el cromo, el níquel y el hierro deben eliminarse para controlar la corrosión.
Se especificó una etapa de purificación de reducción del contenido de agua que utiliza HF y gas de barrido de helio para funcionar a 400 ° C. La contaminación por óxido y azufre en las mezclas de sal se eliminó mediante burbujeo de gas de la mezcla de HF - H 2 , con la sal calentada a 600ºC. [73] ( p8 ) La contaminación de metales estructurales en las mezclas de sal se eliminó mediante burbujeo de gas hidrógeno, a 700 ° C. [73] ( p26 ) Se propuso el hidrofluoruro de amonio sólido como una alternativa más segura para la eliminación de óxido. [74]
Procesamiento de sal fundida
La posibilidad de procesamiento en línea puede ser una ventaja de MSR. El procesamiento continuo reduciría el inventario de productos de fisión, controlaría la corrosión y mejoraría la economía de neutrones al eliminar los productos de fisión con una sección transversal de alta absorción de neutrones, especialmente xenón . Esto hace que el MSR sea especialmente adecuado para el ciclo del combustible de torio pobre en neutrones . El procesamiento de combustible en línea puede presentar riesgos de accidentes en el procesamiento de combustible, [75] ( p15 ) que pueden desencadenar la liberación de radioisótopos .
En algunos escenarios de reproducción de torio, el producto intermedio protactinio 233
El Pa se eliminaría del reactor y se dejaría que se descompusiera en una alta pureza.233
U , un material atractivo para fabricar bombas. Los diseños más modernos proponen utilizar una potencia específica más baja o una manta de cría de torio separada. Esto diluye el protactinio hasta tal punto que pocos átomos de protactinio absorben un segundo neutrón o, a través de una reacción (n, 2n) (en la que un neutrón incidente no se absorbe sino que expulsa un neutrón del núcleo), genera232
T . Porque232
U tiene una vida media corta y su cadena de desintegración contiene emisores de rayos gamma duros , lo que hace que la mezcla isotópica de uranio sea menos atractiva para la fabricación de bombas. Este beneficio vendría con el gasto adicional de un inventario fisible más grande o un diseño de 2 fluidos con una gran cantidad de sal general.
Se ha demostrado la tecnología necesaria de reprocesamiento de sales de combustible, pero solo a escala de laboratorio. Un requisito previo para el diseño de un reactor comercial a gran escala es la I + D para diseñar un sistema de limpieza de sal de combustible económicamente competitivo.
Reprocesamiento de combustible
El reprocesamiento se refiere a la separación química del uranio fisionable y el plutonio del combustible gastado. [76] Esta recuperación podría aumentar el riesgo de proliferación nuclear . En los Estados Unidos, el régimen regulatorio ha variado drásticamente entre las administraciones. [76]
En la propuesta de reactor reproductor de sales fundidas de 1971, el reprocesamiento de uranio se programó cada diez días como parte de la operación del reactor. [77] ( p181 ) Posteriormente, se propuso un diseño de abastecimiento de combustible de un solo paso que limitaba el reprocesamiento de uranio a cada treinta años al final de la vida útil de la sal. [14] ( p98 ) Una mezcla con238
Se pidió a U para asegurarse de que el uranio recuperado no fuera apto para armas . Este diseño se conoce como reactor de sal fundida desnaturalizada. [78] Sin reprocesamiento, el uranio se eliminaría con otros productos de fisión.
Comparación con los reactores de agua ligera
Los MSR, especialmente aquellos con el combustible disuelto en la sal, difieren considerablemente de los reactores convencionales. La presión del núcleo del reactor puede ser baja y la temperatura mucho más alta. A este respecto, un MSR es más similar a un reactor refrigerado por metal líquido que a un reactor convencional refrigerado por agua ligera. Los MSR a menudo se planean como reactores de reproducción con un ciclo de combustible cerrado, a diferencia del combustible de un solo paso que se usa actualmente en los reactores nucleares de EE. UU.
Los conceptos de seguridad se basan en un coeficiente de temperatura negativo de reactividad y un gran aumento de temperatura posible para limitar las excursiones de reactividad. Como método adicional para la parada, se puede incluir un contenedor separado, enfriado pasivamente debajo del reactor. En caso de problemas y para el mantenimiento regular, el combustible se drena del reactor. Esto detiene la reacción nuclear y actúa como un segundo sistema de enfriamiento. Se han propuesto aceleradores productores de neutrones para algunos diseños experimentales subcríticos súper seguros. [79]
Las estimaciones de costos de la década de 1970 eran ligeramente inferiores a las de los reactores convencionales de agua ligera. [80]
Las temperaturas de algunos diseños propuestos son lo suficientemente altas como para producir calor de proceso para la producción de hidrógeno u otras reacciones químicas. Debido a esto, se incluyen en la hoja de ruta GEN-IV para su posterior estudio. [15]
Ventajas
Los MSR ofrecen muchas ventajas potenciales sobre los reactores de agua ligera actuales: [8]
- Como en todos los diseños de reactores de baja presión, la eliminación pasiva del calor de desintegración se logra en los MSR. En algunos diseños, el combustible y el refrigerante son el mismo fluido, por lo que una pérdida de refrigerante elimina el combustible del reactor, de manera similar a cómo la pérdida de refrigerante también elimina el moderador en los LWR. A diferencia del vapor, las sales de fluoruro se disuelven mal en agua y no forman hidrógeno combustible. A diferencia del acero y el óxido de uranio sólido, las sales fundidas no son dañadas por el bombardeo de neutrones del núcleo, aunque la vasija del reactor todavía lo está.
- Un MSR de baja presión carece del vapor radioactivo de alta presión de un BWR y, por lo tanto, no experimenta fugas de vapor radioactivo y agua de enfriamiento, ni del costoso contenedor de contención, recipiente con núcleo de acero, tuberías y equipo de seguridad necesarios para contener el vapor radioactivo. Sin embargo, la mayoría de los diseños de MSR requieren un fluido que contenga productos de fisión radiactivos en contacto directo con bombas e intercambiadores de calor.
- Los MSR pueden hacer que los ciclos cerrados del combustible nuclear sean más baratos porque pueden operar con neutrones lentos. Si se implementa por completo, cualquier reactor que cierre el ciclo del combustible nuclear reduce los impactos ambientales: la separación química convierte de nuevo los actínidos de larga duración en combustible del reactor. Los desechos vertidos son en su mayoría productos de fisión (cenizas nucleares) con vidas medias más cortas. Esto reduce la contención geológica necesaria a 300 años en lugar de las decenas de miles de años que necesita el combustible nuclear gastado de un reactor de agua ligera. También permite el uso de combustibles nucleares alternativos, como el torio.
- La fase líquida del combustible podría ser piroprocesada para separar los productos de fisión (cenizas nucleares) de los combustibles actínidos. Esto puede tener ventajas sobre el reprocesamiento convencional, aunque todavía se necesita mucho desarrollo.
- No se requiere la fabricación de barras de combustible (se reemplaza con síntesis de sal de combustible).
- Algunos diseños son compatibles con el espectro de neutrones rápidos, que puede "quemar" elementos transuránicos problemáticos como Pu240, Pu241 y superiores (plutonio de grado de reactor) de los reactores nucleares tradicionales de agua ligera.
- Un MSR puede reaccionar a los cambios de carga en menos de 60 segundos (a diferencia de las plantas de energía nuclear de combustible sólido "tradicionales" que sufren intoxicación por xenón ).
- Los reactores de sales fundidas pueden funcionar a altas temperaturas, lo que produce una alta eficiencia térmica. Esto reduce el tamaño, los gastos y los impactos ambientales.
- Los MSR pueden ofrecer una alta "potencia específica", que es alta potencia a baja masa, como lo demuestra ARE. [5]
- Una economía de neutrones posiblemente buena hace que el MSR sea atractivo para el ciclo del combustible de torio con bajos niveles de neutrones
Desventajas
- Poco desarrollo en comparación con la mayoría de los diseños Gen IV
- En los diseños de sal de combustible circulante, los radionucleidos disueltos en el combustible entran en contacto con equipos importantes como bombas e intercambiadores de calor, lo que probablemente requiera un mantenimiento completamente remoto y posiblemente costoso.
- Planta química necesaria en el lugar para gestionar la mezcla de núcleos y eliminar los productos de fisión
- Cambios reglamentarios necesarios para hacer frente a características de diseño radicalmente diferentes
- Los diseños de MSR se basan en aleaciones a base de níquel para retener la sal fundida. Las aleaciones a base de níquel y hierro son propensas a la fragilización bajo un alto flujo de neutrones. [14] ( pág . 83 )
- Riesgo de corrosión. [81] Las sales fundidas requieren un manejo cuidadoso de su estado redox para manejar los riesgos de corrosión. Esto es particularmente difícil para los diseños de sal de combustible circulante, en los que una mezcla compleja de isótopos fisionables / fértiles y sus productos de transmutación / fisión / desintegración se hace circular a través del reactor. Los diseños de sal de combustible estática se benefician de modularizar el problema: la sal de combustible está contenida dentro de los pasadores de combustible, cuyo reemplazo regular, principalmente debido al daño por irradiación de neutrones, es parte del concepto operativo; mientras que la sal refrigerante tiene una composición química más simple y, bajo una gestión apropiada del estado redox, no presenta un riesgo de corrosión ni para las clavijas de combustible ni para la vasija del reactor. (Con respecto a la gestión del estado redox, consulte las descripciones del combustible y las sales refrigerantes del reactor de sal estable ). Los MSR desarrollados en ORNL en los años 60 solo fueron seguros para operar durante unos años, y funcionaron solo a unos 650 ° C. Los posibles riesgos de corrosión incluyen la disolución del cromo por sales de torio de fluoruro líquido a 700 + C, lo que pone en peligro los componentes de acero inoxidable. La radiación de neutrones también puede transmutar otros agentes de aleación comunes como el Co y el Ni, acortando la vida útil. Si usa sales de litio (por ejemplo, FLiBe), es preferible, si es caro, usar 7Li para reducir la generación de tritio (el tritio puede penetrar los aceros inoxidables, causar fragilización y escapar al medio ambiente). ORNL desarrolló Hastelloy N para ayudar a abordar estos problemas, y existe un esfuerzo para certificar otros aceros estructurales para su uso en reactores (316H, 800H, inco 617).
- Como reactor reproductor , un MSR modificado podría producir material nuclear apto para armas [82]
- El MSRE y los reactores nucleares de las aeronaves utilizaron niveles de enriquecimiento tan altos que se acercan a los niveles de las armas nucleares. Estos niveles serían ilegales en la mayoría de los regímenes regulatorios modernos para plantas de energía. Algunos diseños modernos evitan este problema. [83]
- El daño de los neutrones a los materiales moderadores sólidos puede limitar la vida útil del núcleo de un MSR que utiliza neutrones térmicos moderados. Por ejemplo, el MSRE fue diseñado para que sus palos moderadores de grafito tuvieran tolerancias muy flojas, por lo que el daño de los neutrones podría cambiar su tamaño sin daño. Los diseños de MSR de "dos fluidos" no pueden utilizar tuberías de grafito porque el grafito cambia de tamaño cuando es bombardeado con neutrones, y las tuberías de grafito se agrietan y tienen fugas. [8] La MSR que usa neutrones rápidos no puede usar grafito de todos modos para evitar la moderación.
- Los MSR térmicos tienen índices de reproducción más bajos que los reproductores de neutrones rápidos, aunque su tiempo de duplicación puede ser más corto.
Ver también
- Reactor acuoso homogéneo
- Reactor de IV generación
- Reactor rápido integral
- Reactor de fluoruro de torio líquido
- Reactor refrigerado por metal líquido
- Aeronave nuclear
- La energía nuclear
- Desperdicios nucleares
- Ciclo de combustible de torio
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- Reactor avanzado de alta temperatura de lecho de guijarros
- Thorium Remix LFTR en 5 minutos y otros documentales LFTR.
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