El reactor integral de sales fundidas y los beneficios de tener un reactor de fisión líquida

May 21, 2023

Aunque para la mayoría el término 'reactor de fisión' trae a la mente algo parecido a los reactores de agua ligera (LWR, por sus siglas en inglés) comúnmente operados que funcionan con agua corriente (H2O) como refrigerante y con neutrones térmicos lentos, hay una cantidad vertiginosa de otros diseños posible. Algunos de estos han estado en uso durante décadas, como los reactores de agua pesada (D2O) de Canadá (CANDU), mientras que otros recién ahora están comenzando a dar su primer paso hacia la comercialización.

Estos incluyen reactores de alta temperatura enfriados con helio como el HTR-PM de China, pero también un tipo relativamente poco común desarrollado por Terrestrial Energy, llamado Reactor Integral de Sal Fundida (IMSR). Esta empresa canadiense pasó recientemente la fase 2 de la revisión de proveedores de licencias previas de la Comisión Canadiense de Seguridad Nuclear (CNSC). Lo que hace que el IMSR sea tan interesante es que, como sugiere el nombre, utiliza sales fundidas: tanto para el refrigerante como para el combustible de uranio poco enriquecido, al mismo tiempo que genera combustible a partir de isótopos fértiles que dejarían un LWR como parte de su combustible gastado.

Entonces, ¿por qué querría que su combustible fuera fluido en lugar de una pastilla sólida como en la mayoría de los reactores de hoy?

Aunque muchos diseños de reactores recién autorizados o a punto de obtener la licencia en la década de 2020 suenan futuristas, prácticamente todos ellos se han conceptualizado de alguna forma antes de la década de 1960, y muchos han tenido prototipos construidos. Lo mismo ocurre con los reactores de sal fundida (MSR), en los que el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) creó una serie de prototipos, a partir de 1954, cuando el Experimento del Reactor de Aeronaves (ARE) alcanzó la primera criticidad. ARE fue una rama del programa Aircraft Nuclear Propulsion (ANP) que tuvo sus raíces en la Fuerza Aérea de los EE. UU., antes de que fuera transferido a la Comisión de Energía Atómica (AEC).

A partir de ahí, el proyecto terminó en ORNL, donde el diseño original de combustible sólido se cambió a una mezcla de sal fundida/combustible debido a preocupaciones sobre la estabilidad de la reacción a altas temperaturas, que el diseño MSR podría resolver. Después de la cancelación del programa ANP, las tecnologías MSR de ARE y los diseños posteriores se utilizaron para un proyecto puramente civil: el Experimento del Reactor de Sal Fundida (MSRE).

Al igual que el ARE, el MSRE utilizaba combustible fundido, aunque con una composición diferente. ARE usó 53,09 % molar de NaF, 40,73 % molar de ZrF4 y 6,18 % molar de UF4 para su mezcla de sal y combustible, con uranio-235 como material fisionable. El moderador de neutrones también cambió de óxido de berilio (BeO) en ARE a grafito pirolítico en MSRE.

MSRE usó 7LiF – BeF2 – ZrF4 – UF4 (65 – 29,1 – 5-0,9 mol %) siguiendo las lecciones aprendidas de la mezcla de sal ARE. Inicialmente, se utilizó un 33 % de uranio-235 (enriquecido) en su mezcla primaria de refrigerante/combustible, antes de pasar a utilizar uranio-233 obtenido a partir del torio en los reactores reproductores. Aunque habría sido posible configurar MSRE para usar sales de torio para generar su propio combustible, esto se omitió para los experimentos, y en su lugar se realizaron mediciones de neutrones. Sin embargo, esto toca uno de los beneficios de un MSR, ya que puede ser un reactor de neutrones rápidos a diferencia de un LWR moderado por agua, lo que los hace capaces de generar su propio combustible a partir de isótopos fértiles, incluidos los transuránicos y actínidos resultantes del original. combustible de uranio La otra ventaja de los MSR es que pueden operar a temperaturas muy altas (820 °C para ARE, 650 °C para MSRE) debido a la alta estabilidad térmica y capacidad calorífica del refrigerante, sin requerir las presiones que se ven con agua ligera a presión. reactores (PWR), que suelen presentar una temperatura de salida de alrededor de 300 °C.

La temperatura de funcionamiento determina en última instancia con qué procesos y turbinas es compatible, ya que los procesos industriales a menudo requieren temperaturas muy por encima de lo que pueden ofrecer los LWR. Un MSR capaz de proporcionar una fuente constante de calor de >600 °C sería sumamente práctico para estas aplicaciones, además de aumentar la eficiencia térmica de la generación de electricidad a través de turbinas de vapor.

A lo largo de los cinco años de vida útil del MSRE, proporcionó información importante sobre el comportamiento del combustible 235U y 233U, así como sobre la producción y el manejo del gas xenón (un veneno de neutrones), la estabilidad del moderador de grafito y la inmunidad de la sal usada a cualquier tipo de radiación a la que estuvo expuesta. También validó la nueva aleación de metal desarrollada en ORNL para resistir los efectos corrosivos de la sal caliente, que es un níquel-cromo-molibdeno llamado Hastelloy N.

Cuando el MSRE se cerró en 1969 para su desmantelamiento, un hallazgo inesperado fue la fragilización del metal expuesto a la sal, que se remonta al telurio, uno de los productos de fisión. Este hallazgo condujo a un ajuste de la aleación Hastelloy N, para contrarrestar estos efectos. Sin embargo, a pesar de estos éxitos, EE. UU. prácticamente abandonaría un mayor desarrollo de MSR, a pesar de que ORNL creó una serie de diseños de seguimiento.

Sin embargo, el uso de sales como refrigerante continuaría en todo el mundo, principalmente para reactores de neutrones rápidos, con ejemplos como la serie rusa BN de reactores de neutrones rápidos enfriados por sodio como un excelente ejemplo de esto. Aunque utilizan combustible sólido, demuestran la viabilidad del uso a largo plazo de sal caliente corrosiva como refrigerante, con el BN-600 operando desde 1980. El EBR-II de EE. apagado a plena potencia, lo que demuestra la seguridad pasiva de estos reactores refrigerados por sodio tipo piscina, mucho de lo cual también se aplica a los MSR.

El IMSR de Terrestrial Energy es un MSR completamente autónomo, con la sal fundida, las bombas, el bucle primario y los moderadores de grafito contenidos dentro de lo que Terrestrial Energy llama la unidad central de IMSR. Una sola unidad central produce 440 MW térmicos (MWth) con una eficiencia térmica declarada del 44 % al generar energía eléctrica, debido a la temperatura de salida de 700 °C. Por lo tanto, una planta con una configuración típica de unidad central dual genera alrededor de 390 MWe, y es posible que el calor restante se utilice con fines de cogeneración (por ejemplo, calefacción), aunque Terrestrial Energy actualmente prevé dedicar una sola unidad central a la energía térmica, lo que genera 195 MWe. y 440 MWth de una planta dual IMSR que también se emplea para calor de proceso, almacenamiento térmico, etc.

Lo interesante del IMSR es que es un reactor de Generación IV de espectro puramente térmico, a pesar de utilizar combustible de sales fundidas. Este combustible en sí es uranio estándar de bajo enriquecimiento (LEU) a <5% 235U, el mismo que se usa en prácticamente todos los reactores comerciales que se usan en la actualidad. No se utilizan neutrones rápidos para generar combustible a partir de productos de fisión fértiles o sales de torio, con el moderador de grafito moderando todos los neutrones rápidos a neutrones térmicos, lo que lo hace muy similar a un LWR. Las ventajas de usar sal fundida aquí provienen principalmente de la capacidad de calor mucho más alta a presión ambiental, así como del reabastecimiento de combustible en línea, y se espera que cada unidad central permanezca en funcionamiento las 24 horas del día, los 7 días de la semana, durante siete años. Durante este tiempo, se agrega gradualmente combustible nuevo al circuito primario para mantener la reactividad.

Una vez finalizado el tiempo de funcionamiento, la unidad completa (sellada) se deja enfriar durante un tiempo antes de devolverla a la fábrica para su reciclaje. Esto significa requisitos mucho menos estrictos para el operador, ya que la unidad esencialmente no requiere mantenimiento, lo cual es parte del lanzamiento de Terrestrial Energy hacia la comercialización. Tal enfoque en la simplicidad de operación es popular entre los pequeños fabricantes de reactores modulares, incluido el BWRX-300 de GE-Hitachi, que es un reactor de agua en ebullición (BWR) más convencional tipo LWR, pero también con una gama de otros MSR futuros.

Quizás, como era de esperar, el IMSR no es el único MSR en la ciudad hoy en día, con algunos contendientes más que buscan comercializar sus propios diseños en los próximos años. Estos incluyen el reactor danés Seaborg compacto de sal fundida (CMSR), el reactor estable de sal Moltex (SSR) y una serie de diseños que también usan sal como refrigerante, pero con combustible sólido como TerraPower Natrium y Kairos Power KP-FHR. También es interesante lo único que es cada diseño.

El IMSR, por ejemplo, está diseñado para encajar con un ciclo de combustible de un solo paso más similar a LWR (siguiendo el diseño MSR desnaturalizado de ORNL), solo que mucho más conveniente, más compacto y con temperaturas mucho más altas. Mientras tanto, el CMSR no utiliza un moderador de grafito, sino hidróxido de sodio en tubos paralelos, lo que hace que el diseño sea aún más compacto y que el ajuste de la moderación de neutrones sea más fácil. El SSR no tiene como objetivo el uso de neutrones térmicos únicamente, sino también neutrones rápidos en su configuración SSR-W, para 'quemador de residuos'. Este utiliza barras de combustible líquido, suspendidas en una piscina de refrigerante de sal, que usaría restos de reprocesamiento de combustible gastado (como actínidos) para su combustible, junto con plutonio, combustible MOX, etc., acorde con el nombre.

Aunque los MSR tienen el potencial de recargarse continuamente sin apagarlos, esta aún no es una característica de diseño común. Aun así, es probable que los MSR y los reactores de alta temperatura similares se conviertan en algo común en los próximos años, con tipos de reactores más grandes en la escala de los LWR tradicionales (1+ GWe) una perspectiva interesante, especialmente si se operan en una configuración de neutrones rápidos. , capaz de utilizar combustible LWR gastado e isótopos fértiles como el torio.

Independientemente de la configuración exacta, los MSR tienen la característica de seguridad intrínseca de un coeficiente de temperatura del combustible negativo, lo que significa que la reactividad del proceso de fisión está inversamente relacionada con la temperatura del refrigerante salino. Esto hace que un MSR no solo sea intrínsecamente resistente a eventos de alta reactividad, sino también al seguimiento de carga, ya que la extracción de calor del circuito de enfriamiento secundario impacta inmediatamente en la reactividad del núcleo.

Es difícil creer que han pasado setenta y tantos años desde la primera ejecución de prueba de ARE, pero a medida que esta década docenas de MSR entren en servicio comercial, los investigadores de ORNL y sus colegas deberían sentirse como una validación por todo el trabajo que pusieron en hacer fundido trabajo de sal como refrigerante del reactor, así como combustible.

(Imagen de encabezado: planta IMSR imaginada por Terrestrial Energy. (Crédito: Terrestrial Energy))