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Simulación numérica de un TWR. Rojo: uranio-238, verde claro: plutonio-239, negro: productos de fisión. La intensidad del color azul entre las baldosas indica la densidad de neutrones

Un reactor de ondas viajeras ( TWR ) es un tipo propuesto de reactor de fisión nuclear que puede convertir material fértil en combustible utilizable a través de la transmutación nuclear , junto con la combustión del material fisible. Los TWR se diferencian de otros tipos de reactores reproductores y de neutrones rápidos en su capacidad para utilizar el combustible de forma eficiente sin enriquecimiento o reprocesamiento de uranio , [ dudoso - discutir ] en cambio utilizando directamente uranio empobrecido , uranio natural , torio ,combustible gastado extraído de reactores de agua ligera o alguna combinación de estos materiales. El concepto aún se encuentra en la etapa de desarrollo y nunca se han construido TWR.

El nombre se refiere al hecho de que la fisión permanece confinada a una zona límite en el núcleo del reactor que avanza lentamente con el tiempo. En teoría, los TWR podrían funcionar de forma autónoma durante décadas sin repostar o retirar el combustible gastado.

Historia [ editar ]

Los reactores de ondas viajeras se propusieron por primera vez en la década de 1950 y se han estudiado de forma intermitente. El concepto de un reactor que podría generar su propio combustible dentro del núcleo del reactor fue inicialmente propuesto y estudiado en 1958 por Savely Moiseevich Feinberg , quien lo llamó reactor de "reproducción y combustión". [1] Michael Driscoll publicó más investigaciones sobre el concepto en 1979, [2] al igual que Lev Feoktistov en 1988, [3] Edward Teller / Lowell Wood en 1995, [4] Hugo van Dam en 2000 [5] e Hiroshi Sekimoto en 2001. [6]

El TWR se debatió en los simposios de Sistemas Innovadores de Energía Nuclear (INES) en 2004, 2006 y 2010 en Japón, donde se denominó Reactor "CANDLE", una abreviatura de Forma axial constante del flujo de neutrones, densidades de nucleidos y forma de potencia durante la vida de la energía. producción . [7] En 2010, Popa-Simil discutió el caso de las micro-heteroestructuras, [8] más detalladamente en el documento "Plutonium Breeding In Micro-Hetero Structures Enhances the Fuel Cycle", describiendo una TWR con quemado profundo mejorado por plutonio [ 9] canales de combustible y flujo de combustible múltiple. En 2012 se demostró que las ondas de fisión [10] son una forma de fenómeno de difusión de reacción biestable. [11]

Aún no se ha construido ningún TWR, pero en 2006 Intellectual Ventures lanzó una empresa derivada llamada TerraPower para modelar y comercializar un diseño funcional de dicho reactor, que más tarde se denominó "reactor de onda viajera". TerraPower ha desarrollado diseños TWR para instalaciones de generación de baja a media (300 MWe) y de alta potencia (~ 1000 MWe). [12] Bill Gates presentó a TerraPower en su charla TED de 2010 . [13]

En 2010, un grupo de TerraPower solicitó la patente EP 2324480 A1 siguiendo el documento WO2010019199A1 "Enfriamiento del reactor de onda de deflagración por fisión nuclear de tubería de calor". La solicitud se consideró retirada en 2014 [14].

En septiembre de 2015, TerraPower y China National Nuclear Corporation (CNNC) firmaron un memorando de entendimiento para desarrollar conjuntamente un TWR. TerraPower planeaba construir una planta de demostración de 600 MWe, la TWR-P, para 2018-2022, seguida de plantas comerciales más grandes de 1150 MWe a fines de la década de 2020. [15] Sin embargo, en enero de 2019 se anunció que el proyecto había sido abandonado debido a las limitaciones de transferencia de tecnología impuestas por la administración Trump . [dieciséis]

Física del reactor [ editar ]

Los artículos y presentaciones sobre TWR de TerraPower [17] [18] [19] describen un reactor tipo piscina enfriado por sodio líquido. El reactor se alimenta principalmente con "combustible fértil" de uranio-238 empobrecido, pero requiere una pequeña cantidad de uranio-235 enriquecido u otro "combustible fisible" para iniciar la fisión . Algunos de los neutrones de espectro rápido producidos por la fisión son absorbidos por la captura de neutrones en el combustible fértil adyacente (es decir, el uranio empobrecido no fisible), que se "cría" en plutonio mediante la reacción nuclear:

Inicialmente, el núcleo se carga con material fértil, con algunas barras de combustible fisible concentradas en la región central. Una vez que se pone en marcha el reactor, se forman cuatro zonas dentro del núcleo: la zona agotada, que contiene principalmente productos de fisión y combustible sobrante; la zona de fisión, donde tiene lugar la fisión del combustible obtenido; la zona de reproducción, donde se crea material fisionable por captura de neutrones; y la zona fresca, que contiene material fértil sin reaccionar . La zona de fisión generadora de energía avanza constantemente a través del núcleo, consumiendo efectivamente material fértil frente a él y dejando atrás el combustible gastado. Mientras tanto, el calor liberado por la fisión es absorbido por el sodio fundido y posteriormente transferido a un circuito acuoso de ciclo cerrado, donde la energía eléctrica es generada por turbinas de vapor. [18]

Combustible [ editar ]

Los TWR utilizan sólo una pequeña cantidad (~ 10%) de uranio-235 enriquecido u otro combustible fisible para "iniciar" la reacción nuclear. El resto del combustible consiste en uranio 238 natural o empobrecido, que puede generar energía de forma continua durante 40 años o más y permanece sellado en la vasija del reactor durante ese tiempo. [19] Los TWR requieren sustancialmente menos combustible por kilovatio-hora de electricidad que los reactores de agua ligera.(LWR), debido al mayor consumo de combustible, densidad de energía y eficiencia térmica de los TWR. Un TWR también realiza la mayor parte de su reprocesamiento dentro del núcleo del reactor. El combustible gastado se puede reciclar después de un simple "refinado por fusión", sin la separación química del plutonio que requieren otros tipos de reactores reproductores. Estas características reducen en gran medida los volúmenes de combustible y desechos al tiempo que mejoran la resistencia a la proliferación. [18]

El uranio empobrecido está ampliamente disponible como materia prima. Las existencias en los Estados Unidos contienen actualmente aproximadamente 700,000 toneladas métricas, que es un subproducto del proceso de enriquecimiento . [20] TerraPower ha estimado que la reserva de la instalación de enriquecimiento de Paducah por sí sola representa un recurso energético equivalente a 100 billones de dólares en electricidad. [19] TerraPower también ha estimado que un amplio despliegue de TWR podría permitir que las reservas mundiales proyectadas de uranio empobrecido sostengan al 80% de la población mundial con el uso de energía per cápita de los Estados Unidos durante más de un milenio. [21]

En principio, los TWR son capaces de quemar combustible gastado de los LWR, que actualmente se descarta como residuo radiactivo. El combustible LWR gastado es principalmente uranio poco enriquecido (LEU) y, en un espectro de neutrones rápidos TWR, la sección transversal de absorción de neutrones de los productos de fisión es varios órdenes de magnitud más pequeña que en un espectro de neutrones térmicos LWR. Si bien un enfoque de este tipo podría realmente producir una reducción general de las existencias de desechos nucleares, se requiere un desarrollo técnico adicional para realizar esta capacidad.

Los TWR también son capaces, en principio, de reutilizar su propio combustible. En cualquier ciclo de funcionamiento, sólo el 20-35% del combustible se convierte en una forma inutilizable; el metal restante constituye material fisible utilizable. Este combustible reciclado, refundido y vuelto a montar en nuevos gránulos impulsores sin separaciones químicas, se puede utilizar para iniciar la fisión en ciclos de funcionamiento posteriores, lo que elimina la necesidad de enriquecer uranio por completo.

El concepto TWR no se limita a quemar uranio con plutonio-239 como "iniciador" en un ciclo de 238 U- 239 Pu, sino que también puede quemar torio con uranio-233 como "iniciador" en un ciclo de 232 Th a 233 U. [22]

Onda progresiva frente a onda estacionaria [ editar ]

La onda de combustión en el diseño TWR de TerraPower no se mueve de un extremo al otro del reactor [23] sino gradualmente desde el centro hacia afuera. Además, a medida que la composición del combustible cambia a través de la transmutación nuclear, las barras de combustible se reorganizan continuamente dentro del núcleo para optimizar el flujo de neutrones y el uso de combustible a lo largo del tiempo. Por tanto, en lugar de permitir que la onda se propague a través del combustible, el propio combustible se mueve a través de una onda de combustión en gran parte estacionaria. Esto es contrario a muchos informes de los medios, [24] que han popularizado el concepto como un reactor en forma de vela con una región de combustión que baja por una barra de combustible. Reemplazando una configuración de núcleo estático con una "onda estacionaria" o " solitón " gestionada activamente", sin embargo, el diseño de TerraPower evita el problema de enfriar una región de combustión en movimiento. En este escenario, la reconfiguración de las barras de combustible se logra de forma remota mediante dispositivos robóticos; el recipiente de contención permanece cerrado durante el procedimiento, sin tiempo de inactividad asociado.

Referencias [ editar ]

  1. ^ SM Feinberg, "Comentario de discusión", Rec. de Proc. Sesión B-10, ICPUAE, Naciones Unidas, Ginebra, Suiza (1958).
  2. ^ MJ Driscoll, B. Atefi, DD Lanning, "Una evaluación del concepto de reactor rápido Breed / Burn", MITNE-229 (diciembre de 1979).
  3. ^ LP Feoktistov, "Análisis de un concepto de reactor físicamente seguro", Preprint IAE-4605/4, en ruso, (1988).
  4. ^ E. Teller, M. Ishikawa y L. Wood, " Reactores nucleares completamente automatizados para operaciones a largo plazo" (Parte I) , Proc. del Simposio de Fronteras en Física , la Sociedad Estadounidense de Física y la Asociación Estadounidense de Profesores de Física Reunión de Texas, Lubbock, Texas, Estados Unidos (1995); Edward Teller, Muriel Ishikawa, Lowell Wood, Roderick Hyde, John Nuckolls, " Reactores nucleares completamente automatizados para operaciones a largo plazo II: Hacia un diseño puntual a nivel de concepto de un sistema de central eléctrica de alta temperatura refrigerado por gas (Parte II) ", Proc. En t. Conf. Sistemas emergentes de energía nuclear, ICENES'96, Obninsk, Rusia (1996) UCRL-JC-122708-RT2.
  5. ^ H. van Dam, "El reactor de ondas de criticidad autoestabilizante", Proc. De la Décima Conferencia Internacional sobre Sistemas Emergentes de Energía Nuclear (ICENES 2000) , pág. 188, NRG, Petten, Países Bajos (2000).
  6. ^ H. Sekimoto, K. Ryu e Y. Yoshimura, "VELA: La nueva estrategia de quemado", Ingeniería y ciencia nuclear , 139, 1-12 (2001).
  7. ^ según lo propuesto por Sekimoto en 2001 y 2005 publicado en Progress in Nuclear Energy
  8. ^ "Reactor nuclear avanzado de la ficción a la realidad", de Popa-Simil, publicado en el procedimiento INES-3
  9. ^ L. Popa_Simil, Liviu. "Plutonio Futuros El cultivo de plutonio en estructuras microhetero mejora el ciclo del combustible" . Futuros de plutonio 2010 .
  10. ^ L. Popa-Simil. "Reactor de onda singular mejorado para potencia de superficie" .
  11. ^ AG Osborne, GD Recktenwald, MR Deinert, "Propagación de una onda de fisión solitaria", Caos, 22, 0231480 (2012).
  12. ^ K. Weaver, C. Ahlfeld, J. Gilleland, C. Whitmer y G. Zimmerman, "Ampliación del ciclo del combustible nuclear con reactores de onda viajera", Documento 9294, Actas de Global 2009 , París, Francia, 6-11 de septiembre , (2009).
  13. ^ Bill Gates . ¡Innovando hasta cero! . TED . Consultado el 13 de julio de 2010 .
  14. ^ Refrigeración del reactor de onda de deflagración de fisión nuclear de tubería de calor , obtenido el 14 de octubre de 2015
  15. ^ Noticias nucleares mundiales http://www.world-nuclear-news.org/NN-TerraPower-CNNC-team-up-on-travelling-wave-reactor-25091501.html
  16. ^ Xuewan, Chen; Yelin, Mo; Tan, Jason; Ziwei, Tao (5 de enero de 2019). "El ensayo de energía nuclear en China 'no procederá ' " . Caixin .
  17. ^ R. Michal y EM Blake, "John Gilleland: sobre el reactor de ondas viajeras", Nuclear News , págs. 30–32, septiembre (2009).
  18. ↑ a b c Wald, M. (24 de febrero de 2009). "10 tecnologías emergentes de 2009: reactor de ondas viajeras" . Revisión de tecnología del MIT . Consultado el 12 de abril de 2018 .
  19. ↑ a b c Gilleland, John (20 de abril de 2009). Iniciativa nuclear TerraPower, LLC . Universidad de California en Berkeley, Coloquio de primavera. Archivado desde el original el 31 de julio de 2009 . Consultado el 12 de abril de 2018 .
  20. ^ Departamento de energía de Estados Unidos, " Ubicaciones de almacenamiento y inventario de UF 6 agotados " Archivado el 27 de agosto de 2009 en la Wayback Machine . Consultado en octubre de 2009.
  21. ^ L. Wood, T. Ellis, N. Myhrvold y R. Petroski, "Explorando el nuevo mundo del navegante italiano: hacia recursos económicos, a gran escala, bajos en carbono, convenientemente disponibles, robustos para la proliferación, renovables", 42a sesión de los Seminarios Internacionales de Erice sobre Emergencias Planetarias, Erice, Italia, 19024 agosto (2009).
  22. ^ Rusov, VD; Linnik, EP; Tarasov, VA; Zelentsova, TN; Sharph, IV; Vaschenko, VN; Kosenko, SI; Beglaryan, ME; Chernezhenko, SA; Molchinikolov, PA; Saulenko, SI; Byegunova, OA (2011). "Reactor de onda viajera y condición de existencia de onda de tipo solitón ardiente nuclear en medios multiplicadores de neutrones" . Energías . 4 (12): 1337. doi : 10.3390 / en4091337 .
  23. ^ T. Ellis; R. Petroski; P. Hejzlar; G. Zimmerman; D. McAlees; C. Whitmer; N. Touran; J. Hejzlar; K. Weaver; J. Walter; J. McWhirter; C. Alhfeld; T. Burke; A. Odedra; R. Hyde; J. Gilleland; Y. Ishikawa; L. Wood; N. Myrvold; W. Gates III (14 de junio de 2010). Reactores de ondas viajeras: un recurso verdaderamente sostenible y a gran escala para las necesidades energéticas mundiales (PDF) . Sociedad Nuclear Estadounidense, Reunión de verano . Consultado el 12 de abril de 2018 .
  24. ↑ M. Wald (14 de junio de 2010). "Desarrollador de reactor novedoso gana infusión de $ 35 millones" . The New York Times . Consultado el 15 de junio de 2010 .

Lectura adicional [ editar ]

  • Arjun Makhijani (septiembre de 2013), " Reactores de ondas viajeras: ¿Oro enfriado con sodio al final de un arco iris nuclear? ", Instituto de Investigación Energética y Ambiental .

Enlaces externos [ editar ]

  • "Los reactores TerraPower se acercan al ideal nuclear" por Intellectual Ventures Lab.
  • TerraPower: Cómo funciona el reactor nuclear de onda progresiva , incluidos 4 diagramas de IV.
  • Sitio web de la empresa Terrapower.com
  • Rusov, VD; Tarasov, VA; Sharf, IV; Vaschenko, VM; Linnik, EP; Zelentsova, TN; Beglaryan, ME; Chernegenko, SA; Kosenko, SI; Smolyar, vicepresidente (2012). "Sobre algunas peculiaridades fundamentales del reactor de onda viajera". Ciencia y Tecnología de Instalaciones Nucleares . 2015 : 1–23. arXiv : 1207.3695 . Código Bibliográfico : 2012arXiv1207.3695R . doi : 10.1155 / 2015/703069 .