El reactor de sal estable (SSR) es un diseño de reactor nuclear en desarrollo por Moltex Energy Ltd, [1] con sede en el Reino Unido y Canadá .
El SSR incorpora elementos del reactor de sal fundida y tiene como objetivo tener mejores características de seguridad ( intrínsecamente seguras ) y económicas ( LCOE de $ 45 / MWh o menos ) en comparación con los reactores tradicionales de agua ligera . Los reactores de sal estables no necesitarían costosas estructuras y componentes de contención para mitigar las emisiones radiactivas en escenarios de accidentes. El diseño del SSR excluiría el tipo de contaminación radiológica generalizada que ocurrió después del accidente de Chernobyl o Fukushima, ya que los isótopos peligrosos transportados por el aire están químicamente unidos al refrigerante. Además, el diseño modular permitiría la producción en fábrica de componentes y la entrega en el sitio mediante transporte por carretera estándar, lo que reduciría los costos y los plazos de construcción.
El diseño del combustible es un híbrido entre los conjuntos de combustible de los reactores de agua ligera y los enfoques tradicionales de los reactores de sal fundida en los que el combustible se mezcla con el refrigerante. En el diseño SSR, la mezcla de combustible de sal líquida está contenida dentro de conjuntos combustibles que son muy similares a la tecnología actual de los reactores de agua ligera. Los conjuntos de combustible se sumergen luego en una piscina de refrigerante salino líquido puro.
Tecnología
La unidad básica del núcleo del reactor es el conjunto de combustible. Cada conjunto contiene cerca de 400 tubos de combustible de 10 mm de diámetro con una envoltura de alambre helicoidal de 1 mm llena hasta una altura de 1,6 metros con sal de combustible. Los tubos tienen respiraderos de gas de campana de buceo en la parte superior para permitir que los gases de fisión escapen.
Una característica de diseño inusual del reactor es que su núcleo es de forma rectangular. Esto es neutrónicamente ineficiente en comparación con un núcleo cilíndrico, pero permite un movimiento más simple de los conjuntos de combustible y la extensión del núcleo según sea necesario simplemente agregando módulos adicionales.
Los conjuntos se mueven lateralmente a través del núcleo, con conjuntos nuevos que ingresan por los lados en direcciones opuestas, similar al reabastecimiento de combustible de los reactores CANDU . Se levantan solo un poco para moverlos a una ranura adyacente, permaneciendo en el refrigerante en todo momento.
Construcción modular
El núcleo del reactor está compuesto por módulos, cada uno con una potencia térmica de 375 MW, que contiene 10 filas de 10 conjuntos combustibles, rejillas de soporte superior e inferior, intercambiadores de calor, bombas, conjuntos de control e instrumentación. Dos o más de estos módulos se ensamblan uno al lado del otro en un tanque reactor rectangular. Un reactor de 1200 MWe es posible en un tanque que puede caber en la parte trasera de un camión, lo que hace que la tecnología sea significativamente más compacta que los reactores actuales. [ cita requerida ]
Está previsto que los módulos (sin conjuntos combustibles) se entreguen en el sitio de construcción premontados y probados como componentes individuales transportables por carretera. Se instalan en el depósito de acero inoxidable cuando finaliza la fase de obra civil durante la puesta en servicio.
La parte superior del reactor consta de una cúpula de contención de argón , que incorpora dos sistemas tipo grúa, un dispositivo de baja carga diseñado para mover conjuntos de combustible dentro del núcleo del reactor y un dispositivo de alta carga diseñado para subir y bajar conjuntos de combustible en el refrigerante. , y reemplazar módulos completos si fuera necesario. Está previsto que todo el mantenimiento del reactor se lleve a cabo de forma remota.
Combustible y materiales
El combustible en el SSR está compuesto por dos tercios de cloruro de sodio (sal de mesa) y un tercio de plutonio y tricloruros mixtos de lantánidos / actínidos . Se prevé que el combustible para los reactores iniciales provenga de combustible nuclear gastado convencional convertido de la flota actual de reactores, pero en el caso del Reino Unido, podría provenir de las existencias de dióxido de plutonio civil de PUREX mezclado y convertido en cloruro con impurezas añadidas para reducir cualquier riesgo. preocupaciones sobre la proliferación.
Los tricloruros son termodinámicamente más estables que las correspondientes sales de fluoruro y, por lo tanto, pueden mantenerse en un estado fuertemente reductor por contacto con el metal de circonio de grado nuclear de sacrificio añadido como revestimiento o inserto dentro del tubo de combustible. Como resultado, el tubo de combustible se puede fabricar con acero certificado nuclear estándar sin riesgo de corrosión. Dado que el reactor opera en el espectro rápido, los tubos estarán expuestos a un flujo de neutrones muy alto y, por lo tanto, sufrirán altos niveles de daño por radiación estimados en 100-200 dpa durante la vida útil del tubo. Por lo tanto, para los tubos se utilizarán aceros altamente tolerantes al daño por neutrones, como el HT9. También se podrían utilizar otros aceros con tolerancia a neutrones rápidos dependiendo de las capacidades de la cadena de suministro local, como PE16, NF616 y 15-15Ti.
La densidad de potencia media en la sal combustible es de 150 kW / l, lo que permite un gran margen de temperatura por debajo del punto de ebullición de la sal. [ cita requerida ] La potencia máxima para duplicar este nivel durante períodos sustanciales no excedería las condiciones operativas seguras para el tubo de combustible. [ cita requerida ]
Refrigerante
La sal refrigerante en el tanque del reactor es una mezcla de fluoruro de circonio y sodio. El circonio no es de grado nuclear y todavía contiene ~ 2% de hafnio . Esto tiene un efecto mínimo sobre la reactividad del núcleo, pero hace que la sal refrigerante sea de bajo costo y un escudo de neutrones altamente efectivo. Un metro de refrigerante reduce el flujo de neutrones en cuatro órdenes de magnitud. Todos los componentes del SSR están protegidos por este protector de refrigerante.
El refrigerante también contiene 1% en moles de circonio metálico (que se disuelve formando 2% en moles de ZrF 2 ). Esto reduce su potencial redox a un nivel que lo hace prácticamente no corrosivo para los tipos estándar de acero. Por lo tanto, el tanque del reactor, las estructuras de soporte y los intercambiadores de calor se pueden construir con acero inoxidable 316L estándar .
La sal refrigerante se hace circular a través del núcleo del reactor mediante cuatro bombas conectadas a los intercambiadores de calor en cada módulo. Los caudales son modestos, aproximadamente 1 m / s, lo que resulta en un bajo requerimiento de potencia de la bomba. Hay redundancia para continuar la operación en caso de falla de la bomba.
Seguridad
El reactor de sal estable fue diseñado con características de seguridad intrínseca como primera línea de defensa. No se requiere ningún operador o sistema activo para mantener el reactor en un estado seguro y estable. Las siguientes son las principales características de seguridad intrínseca detrás del SSR:
Control de reactividad
El SSR es autocontrolado y no se requiere control mecánico. Esto es posible gracias a la combinación de un coeficiente de reactividad de alta temperatura negativa y la capacidad de extraer continuamente calor de los tubos de combustible. A medida que se extrae calor del sistema, la temperatura desciende, lo que hace que aumente la reactividad. Cuando el reactor se calienta, la reactividad disminuye. Una retroalimentación de reactividad negativa tan grande permite que el reactor esté siempre en un estado de parada (subcrítico) cuando a temperaturas superiores a 800 ° C. Esto proporciona seguridad contra todos los escenarios de sobrecarga, como un accidente de inserción de reactividad. La capacidad de parada se garantiza mediante la eliminación de los conjuntos de combustible a lo largo del borde del núcleo hasta su almacenamiento dentro del tanque del reactor. Esto hace que el sistema sea subcrítico. En aras de tener sistemas de seguridad diversos y redundantes, también existen cuatro hojas de control de boro de acción rápida. [2]
Material radiactivo no volátil
El uso de combustible de sales fundidas con la química adecuada elimina el yodo volátil y el cesio peligrosos, lo que hace que la contención de múltiples capas sea innecesaria para prevenir las columnas radiactivas en el aire en escenarios de accidentes graves. Los gases nobles xenón y criptón dejarían el núcleo del reactor en funcionamiento normal, pero quedarían atrapados hasta que sus isótopos radiactivos se desintegraran, por lo que sería muy poco lo que podría liberarse en un accidente. [3]
Sin presiones elevadas
Las altas presiones dentro de un reactor proporcionan una fuerza impulsora para la dispersión de materiales radiactivos de un reactor refrigerado por agua. Los combustibles y refrigerantes de sales fundidas tienen puntos de ebullición muy por encima de la temperatura de funcionamiento del SSR, por lo que su núcleo funciona a presión atmosférica. La separación física del sistema de generación de vapor del núcleo radiactivo por medio de un circuito de refrigerante secundario elimina esa fuerza impulsora del reactor. Las altas presiones dentro de los tubos de combustible se evitan expulsando los gases de fisión hacia la sal refrigerante circundante.
Baja reactividad química
El circonio en los reactores de agua a presión (PWR) y el sodio en los reactores rápidos crean el potencial de graves riesgos de explosión e incendio. No se utilizan materiales químicamente reactivos en el SSR.
Eliminación de calor por descomposición
Inmediatamente después de que un reactor nuclear se apaga, casi el 7% de su energía operativa anterior continúa siendo generada, a partir de la desintegración de los productos de fisión de vida media corta . En los reactores convencionales, eliminar este calor de desintegración de forma pasiva es un desafío debido a sus bajas temperaturas. El SSR funciona a temperaturas mucho más altas, por lo que este calor se puede transferir rápidamente fuera del núcleo. En el caso de una parada del reactor y falla de todos los sistemas activos de eliminación de calor en el SSR, el calor de descomposición del núcleo se disipa en los conductos de enfriamiento de aire alrededor del perímetro del tanque que operan continuamente. El principal mecanismo de transferencia de calor es radiativo. La transferencia de calor aumenta sustancialmente con la temperatura, por lo que es insignificante en condiciones de funcionamiento, pero es suficiente para eliminar el calor de descomposición a temperaturas de accidente más altas. Los componentes del reactor no se dañan durante este proceso y la planta puede reiniciarse posteriormente.
Una solución al legado de los desechos nucleares
La mayoría de los países que utilizan energía nuclear optan por almacenar el combustible nuclear gastado a gran profundidad hasta que su radiactividad se ha reducido a niveles similares a los del uranio natural. Actuando como un quemador de residuos, el SSR ofrece una forma diferente de gestionar estos residuos.
Al operar en el espectro rápido, el SSR es eficaz para transmutar actínidos de larga duración en isótopos más estables. Los reactores actuales que se alimentan con combustible gastado reprocesado necesitan plutonio de muy alta pureza para formar una pastilla estable. El SSR puede tener cualquier nivel de contaminación de lantánidos y actínidos en su combustible siempre que pueda volverse crítico. Este bajo nivel de pureza simplifica enormemente el método de reprocesamiento de los residuos existentes.
El método utilizado se basa en el piroprocesamiento y se conoce bien. Un informe de 2016 de los Canadian National Laboratories sobre el reprocesamiento de combustible CANDU estima que el piroprocesamiento sería aproximadamente la mitad del costo del reprocesamiento más convencional. El piroprocesamiento para el SSR utiliza solo un tercio de los pasos del piroprocesamiento convencional, lo que lo hará aún más barato. Es potencialmente competitivo con el costo de fabricación de combustible nuevo a partir de uranio extraído.
El flujo de desechos del SSR estará en forma de sal sólida en tubos. Esto se puede vitrificar y almacenar bajo tierra durante más de 100.000 años, como se planea hoy, o se puede reprocesar. En ese caso, los productos de fisión se separarían y almacenarían de manera segura a nivel del suelo durante los pocos cientos de años necesarios para que se descompusieran a niveles similares a los del mineral de uranio. Los problemáticos actínidos de larga duración y el combustible restante volverían al reactor donde se pueden quemar y transmutar en isótopos más estables.
Otros diseños de reactores de sal estable
La tecnología de reactores de sal estable es muy flexible y se puede adaptar a varios diseños de reactores diferentes. El uso de combustible de sal fundida en conjuntos combustibles estándar permite versiones Stable Salt de muchos de la gran variedad de reactores nucleares considerados para el desarrollo en todo el mundo. Sin embargo, el enfoque actual es permitir un rápido desarrollo y despliegue de reactores de bajo costo.
Moltex Energy se centra en el despliegue del SSR-Wasteburner de espectro rápido mencionado anteriormente. Esta decisión se debe principalmente a los menores desafíos técnicos y al menor costo previsto de este reactor.
A largo plazo, el avance fundamental de la sal de combustible fundida en los tubos abre otras opciones. Estos se han desarrollado a un nivel conceptual para confirmar su viabilidad. Incluyen:
- Quemador de uranio (SSR-U) Se trata de un reactor de espectro térmico que quema uranio poco enriquecido, que puede ser más adecuado para países sin una flota nuclear existente y sin preocupaciones sobre los desechos. Está moderado con grafito como parte del conjunto de combustible.
- Generador de torio (SSR-Th) Este reactor contiene torio en la sal refrigerante que puede generar nuevo combustible. El torio es una fuente de combustible abundante que puede proporcionar seguridad energética a las naciones sin reservas autóctonas de uranio.
Con esta gama de opciones de reactores y las grandes reservas mundiales de uranio y torio disponibles, el reactor de sal estable puede alimentar el planeta durante varios miles de años.
Ciencias económicas
El costo de capital durante la noche del reactor de sal estable fue estimado en $ 1.950 / kW por una empresa independiente de ingeniería nuclear del Reino Unido. [4] A modo de comparación, el costo de capital de una moderna central eléctrica de carbón pulverizado en los Estados Unidos es de $ 3250 / kW y el costo de la energía nuclear a gran escala es de $ 5500 / kW. [5] Se esperan nuevas reducciones de este costo nocturno para la construcción modular basada en fábrica.
Este bajo costo de capital da como resultado un costo nivelado de la electricidad (LCOE) de $ 44,64 / MWh con un potencial sustancial para nuevas reducciones, debido a la mayor simplicidad y seguridad intrínseca del SSR. [ cita requerida ]
Dada la naturaleza precomercial de la tecnología, las cifras de costo de capital y LCOE son estimaciones, y la finalización del proceso de desarrollo y licenciamiento puede resultar en ajustes hacia arriba o hacia abajo.
La Agencia Internacional de Energía predice que la energía nuclear mantendrá un pequeño papel constante en el suministro de energía mundial con una oportunidad de mercado de 219 GWe hasta 2040. Con la mejora económica de la RSS, Moltex Energy predice que tiene el potencial de acceder a un mercado de más de 1.300 GWe para 2040.
Desarrollo
La patente fundamental sobre el uso de combustible de sales fundidas sin bombear se concedió en 2014, [6] y desde entonces se han solicitado y concedido otras patentes relacionadas con la implementación.
El SSR-W se encuentra actualmente en fase de revisión de diseño de proveedor 1 [7] revisión con la Comisión de Seguridad Nuclear de Canadá . Tanto los gobiernos de Estados Unidos [8] [9] como de Canadá [10] están apoyando el desarrollo de elementos de la tecnología SSR.
Moltex Energy construirá un reactor de sal estable de demostración (quemador de residuos) en el sitio de la planta de energía nuclear de Point Lepreau en Canadá en virtud de un acuerdo firmado con New Brunswick Energy Solutions Corporation y NB Power. [11]
Reconocimiento
Además de la selección para el apoyo al desarrollo por parte de los gobiernos de EE. UU. Y Canadá mencionada anteriormente, el SSR ha sido identificado como una tecnología SMR líder por un análisis de Tractebel de 2020 , [12] y el SSR fue seleccionado como uno de los dos candidatos a SMR para una mayor progresión por New Brunswick Power de un campo de 90 candidatos. [13] También ha sido seleccionado como parte del concurso de Reactores Modulares Avanzados de Fase 1 del gobierno del Reino Unido. [14]
enlaces externos
- Introducción a la tecnología del reactor de sal estable , video de YouTube
- Moltex Energy SSR Fly Through , video de YouTube
- [1] , Reactores modulares de sal estable: una forma más sencilla de utilizar combustible de sal fundida - Ian Scott Moltex Energy
- [2] , Cómo la nueva energía nuclear podría impulsar las energías renovables a un tercio del costo de Hinkley
Referencias
- ^ "Energía Moltex | Nuclear limpiador más barato más seguro | Reactores de sal estable | SSR" . Moltex Energy LLP . Consultado el 25 de enero de 2017 .
- ^ "Una introducción a la cartera de tecnología de energía Moltex" (PDF) . Moltex Energy . Consultado el 15 de octubre de 2019 .
- ^ "Productos de fisión gaseosos en el reactor de sal estable" (PDF) . Moltex Energy Ltd. Archivado desde el original (PDF) el 19 de junio de 2016 . Consultado el 25 de enero de 2017 .
- ^ Brooking, Jon (1 de enero de 2015). "Revisión de diseño y estudios hazop para reactor de sal estable" . Cite journal requiere
|journal=
( ayuda ) - ^ "Moltex Energy ve las licencias SMR del Reino Unido y Canadá como un trampolín hacia Asia" . Insider de la energía nuclear . 28 de junio de 2016 . Consultado el 25 de enero de 2017 .
- ^ "Patente GB2508537A" (PDF) .
- ^ "Revisión del diseño del proveedor de pre-licencia" .
- ^ "COST SSR (TECNOLOGÍAS ESTRUCTURALES COMPUESTAS PARA SSR)" .
- ^ "Argonne para explorar cómo los gemelos digitales pueden transformar la energía nuclear con $ 8 millones del programa GEMINA de ARPA-E" .
- ^ "Socio de CNL & Moltex Energy en la investigación de combustibles SMR" .
- ^ https://www.nextbigfuture.com/2018/07/moltex-molten-salt-reactor-being-built-in-new-brunswick-canada.html
- ^ "Evaluación comparativa de tecnologías SMR" (PDF) . 2020-01-28.
- ^ "IDOM invierte en Moltex Energy" .
- ^ "Proyecto de desarrollo y viabilidad del reactor modular avanzado (AMR)" .