Reactor subcrítico impulsado por acelerador

Un reactor subcrítico impulsado por acelerador (ADSR) es un diseño de reactor nuclear formado por el acoplamiento de un núcleo de reactor nuclear sustancialmente subcrítico con un acelerador de protones o electrones de alta energía. Podría utilizar torio como combustible, que es más abundante que el uranio . ^{[ 1 ]}

Los neutrones necesarios para mantener el proceso de fisión serían proporcionados por un acelerador de partículas que los produce mediante espalación o fotoneutrones. Estos neutrones activan el torio, permitiendo la fisión sin necesidad de que el reactor alcance la criticidad. Una ventaja de estos reactores es la vida media relativamente corta de sus productos de desecho. En los aceleradores de protones, el haz de protones de alta energía impacta un blanco de plomo fundido dentro del núcleo, desprendiendo neutrones de los núcleos de plomo. Estos neutrones de espalación convierten el torio fértil en protactinio-233 y, después de 27 días, en uranio-233 fisionable , impulsando la reacción de fisión en el uranio. ^{[ 1 ]}

Los reactores de torio pueden generar energía a partir del residuo de plutonio que dejan los reactores de uranio. A diferencia del uranio, el torio no requiere un refinado significativo y tiene un mayor rendimiento de neutrones por neutrón absorbido.

El amplificador de energía utiliza primero un acelerador de partículas (por ejemplo, linac , sincrotrón , ciclotrón o FFAG ) para producir un haz de protones de alta energía (relativistas). El haz se dirige para colisionar con núcleos de un blanco de metal pesado, como plomo, torio o uranio. Las colisiones inelásticas entre el haz de protones y el blanco dan como resultado la espalación , que produce de veinte a treinta neutrones por evento. ^{[ 2 ]} Podría ser posible aumentar el flujo de neutrones mediante el uso de un amplificador de neutrones , una película delgada de material fisionable que rodea la fuente de espalación; se ha propuesto el uso de amplificación de neutrones en reactores CANDU . Si bien CANDU es un diseño crítico, muchos de los conceptos pueden aplicarse a un sistema subcrítico. ^{[ 3 ] [ 4 ]} Los núcleos de torio absorben neutrones, produciendo así uranio-233 fisionable , un isótopo de uranio que no se encuentra en la naturaleza. Los neutrones moderados producen la fisión del U-233, liberando energía.

Antes del concepto y la primera criticidad alcanzada en Chicago Pile-1 , los físicos de la Universidad de Columbia, Enrico Fermi y Herbert L. Anderson, trabajaron en la Universidad de Princeton con los físicos Robert R. Wilson y Edward Creutz , desarrollando el reactor A-12, un experimento subcrítico similar a un amplificador de energía. Nueve kilogramos de óxido de uranio se incrustaron en una columna de grafito de 490 kg, y la espalación de berilio por protones del ciclotrón de Princeton se utilizó como fuente de neutrones. La mayoría de los demás experimentos de reactores de este período, tanto en Estados Unidos como en Alemania, utilizaron emisores alfa como fuentes de radio-berilio o radón-berilio. ^{[ 5 ]}

El concepto se atribuye al científico italiano Carlo Rubbia , ^{[ 6 ]} físico de partículas ganador del Premio Nobel y exdirector del laboratorio internacional de física nuclear CERN de Europa . Publicó una propuesta para un reactor de potencia (apodado "Rubbiatron") basado en un acelerador ciclotrónico de protones con una energía de haz de 800 MeV a 1 GeV , y un blanco con torio como combustible y plomo como refrigerante. El esquema de Rubbia también toma prestadas ideas desarrolladas por un grupo liderado por el físico nuclear Charles Bowman del Laboratorio Nacional de Los Alamos ^{[ 7 ]} Anteriormente, el concepto general del amplificador de energía, es decir, un reactor subcrítico impulsado por acelerador , fue tratado en "The Second Nuclear Era" (1985) páginas 62-64, por Alvin M. Weinberg y otros.

El acelerador EMMA (modelo electrónico de muchas aplicaciones ) era un nuevo tipo de acelerador de partículas capaz de soportar un ADSR (reactor de dispersión de electrones). El prototipo se construyó en el Laboratorio Daresbury en Cheshire, Reino Unido. EMMA era un híbrido único de ciclotrón y sincrotrón , que combinaba sus ventajas en un formato compacto y económico. EMMA era un acelerador de gradiente alterno de campo fijo (FFAG ) sin escalado . El prototipo aceleraba electrones de 10 a 20 MeV, utilizando el acelerador ALICE existente como inyector. En los aceleradores FFAG, el campo magnético en los imanes de curvatura es constante durante la aceleración, lo que provoca que el haz de partículas se mueva radialmente hacia afuera a medida que aumenta su momento. Un FFAG sin escalado permite que una magnitud conocida como " sintonización betatrónica " varíe sin control. En un sincrotrón convencional, dicha variación produce pérdidas de haz cuando la sintonía alcanza diversas condiciones de resonancia. Sin embargo, en EMMA, el haz cruza estas resonancias tan rápidamente que se mantiene intacto. El prototipo acelera electrones en lugar de protones, pero se pueden construir generadores de protones utilizando los mismos principios. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

El grupo noruego Aker Solutions compró la patente estadounidense 5774514  "Amplificador de energía para la producción de energía nuclear impulsado por un acelerador de haz de partículas", propiedad del físico ganador del Premio Nobel Carlo Rubbia , y en 2013 trabajaba en un reactor de torio. La empresa propone una red de pequeños reactores de 600 megavatios ubicados bajo tierra que pueden abastecer pequeñas redes y no requieren una instalación enorme para seguridad. Los costos del primer reactor se estiman en 2 mil millones de libras esterlinas. ^{[ 10 ]} Richard Garwin y Georges Charpak describen el amplificador de energía en detalle en su libro "Megawatts and Megatons: A Turning Point in the Nuclear Age?" (2001) en las páginas 153 a 163. Anteriormente, el concepto general del amplificador de energía , es decir, un reactor subcrítico impulsado por acelerador, se trató en "The Second Nuclear Era" (1985), un libro de Alvin M. Weinberg y otros.

El proyecto OMEGA ( opción de obtención de ganancias adicionales a partir de actínidos y productos de fisión (オメガ計画) ) se está estudiando como una de las metodologías de los sistemas impulsados ​​por aceleradores (ADS) en Japón. ^{[ 11 ]}

Este concepto presenta varias ventajas potenciales sobre los reactores de fisión nuclear convencionales :

• A diferencia del uranio-235, el torio no es fisionable, lo que significa que un neutrón incidente debe transportar una cantidad significativa de energía para producir un evento de fisión. El torio tampoco tiende a desintegrarse por sí solo, exhibiendo una vida media de 14.05 mil millones de años (20 veces la del U-235). El proceso de fisión se detiene cuando se interrumpe el haz de protones, como cuando se pierde la energía, ya que el reactor es subcrítico. Se producen cantidades microscópicas de plutonio, que luego se queman en el mismo reactor. ^{[ 1 ]} Sin embargo, podría ocurrir una fusión si se perdiera la capacidad de enfriar el núcleo.
• El torio es un elemento abundante —mucho más que el uranio— , lo que reduce los problemas estratégicos y políticos de suministro y elimina la costosa y energéticamente intensiva separación de isótopos . Hay suficiente torio para generar energía durante al menos varios miles de años a las tasas de consumo actuales. ^{[ 12 ]}
• El amplificador de energía produciría muy poco plutonio , por lo que se cree que el diseño es más resistente a la proliferación que la energía nuclear convencional (aunque la cuestión del uranio -233 como material para armas nucleares debe evaluarse cuidadosamente).
• Existe la posibilidad de utilizar el reactor para consumir plutonio, reduciendo así las reservas mundiales de este elemento de muy larga vida.
• Se producen residuos radiactivos de menor duración : el material de desecho se desintegraría después de 500 años hasta alcanzar el nivel de radiactividad de las cenizas de carbón .
• No se requiere ningún avance científico; las tecnologías para construir el amplificador de energía ya han sido demostradas. La construcción de un amplificador de energía solo requiere esfuerzo de ingeniería , no investigación fundamental (a diferencia de las propuestas de fusión nuclear ).
• La generación de energía podría resultar económica en comparación con los diseños actuales de reactores nucleares si se tienen en cuenta el ciclo completo del combustible y los costes de desmantelamiento .
• El diseño podría funcionar a una escala relativamente pequeña y tiene el potencial de adaptarse a la carga modulando el haz de protones, lo que lo hace más adecuado para países que no cuentan con un sistema de red eléctrica bien desarrollado .
• La seguridad inherente y el transporte seguro de combustible podrían hacer que la tecnología sea más adecuada tanto para los países en desarrollo como para las zonas densamente pobladas.
• La transmutación nuclear deseada podría emplearse deliberadamente (en lugar de como una consecuencia inevitable de la fisión nuclear y la irradiación de neutrones) para transmutar residuos de alta actividad (como productos de fisión de larga vida o actínidos menores ) en sustancias menos dañinas, para producir radionúclidos para su uso en medicina nuclear o para producir metales preciosos a partir de materias primas de bajo coste.
• La fracción más baja de neutrones retardados en la fisión del ²³⁹Pu comparado con ²³⁵El U , que dificulta el uso de combustibles que contienen plutonio en reactores críticos (que necesitan operar en la estrecha banda de flujo de neutrones entre la criticidad inmediata y la crítica retardada ), no es motivo de preocupación ya que no se alcanza ni se necesita ningún tipo de criticidad.
• Si bien el reprocesamiento nuclear se enfrenta al problema de que el combustible MOX no se puede reciclar más para su uso en los reactores de agua ligera actuales , ya que no se alcanza la concentración de plutonio de grado reactor de isótopos fisionables debido a ²⁴⁰Si las impurezas de Pu superan los niveles aceptables, todos los isótopos fisionables y fértiles de los actinoides pueden "quemarse" en un reactor subcrítico, cerrando así el ciclo del combustible nuclear sin necesidad de reactores reproductores rápidos.

• Cada reactor necesita su propia instalación ( acelerador de partículas ) para generar el haz de protones de alta energía, lo cual es muy costoso. Aparte de los aceleradores lineales de partículas , que son muy caros, nunca se ha construido un acelerador de protones con la potencia y energía suficientes (> ~12 MW a 1 GeV) . Actualmente, la Fuente de Neutrones por Espalación utiliza un haz de protones de 1,44 MW para producir sus neutrones, con mejoras previstas hasta 5 MW. ^{[ 13 ]} Su costo de 1.100 millones de USD incluía equipo de investigación no necesario para un reactor comercial. Las economías de escala podrían entrar en juego si los aceleradores de partículas (que actualmente rara vez se construyen con las potencias mencionadas anteriormente y solo para fines de investigación) se convierten en una tecnología más "cotidiana". Un efecto similar puede observarse al comparar el costo del Proyecto Manhattan hasta la construcción de Chicago Pile-1 con los costos de los reactores de investigación o de potencia posteriores.
• El material combustible debe elegirse cuidadosamente para evitar reacciones nucleares no deseadas. Esto implica una planta de reprocesamiento nuclear a gran escala asociada con el amplificador de energía. ^{[ 14 ]}
• Si, por cualquier motivo, el flujo de neutrones excede las especificaciones de diseño lo suficiente como para que el conjunto alcance la criticidad , puede ocurrir un accidente de criticidad o una excursión de potencia. ^{[ 15 ]} A diferencia de un reactor "normal", el mecanismo de parada de emergencia solo requiere el "apagado" de la fuente de neutrones, lo cual no ayudaría si se producen constantemente más neutrones de los que se consumen (es decir, criticidad), ya que no hay ninguna disposición para aumentar rápidamente el consumo de neutrones, por ejemplo, mediante la introducción de un veneno neutrónico . ^{[ 16 ]}
• El uso de plomo como refrigerante presenta desventajas similares a las descritas en el artículo sobre reactores rápidos refrigerados con plomo.
• Muchas de las fuentes de neutrones por espalación utilizadas actualmente en investigación son pulsadas, es decir, suministran flujos de neutrones muy altos durante periodos de tiempo muy cortos. Para un reactor de potencia, se desea un flujo de neutrones menor pero más constante. La Fuente Europea de Espalación será la fuente de neutrones más potente del mundo (medida por el flujo máximo de neutrones), pero solo podrá generar pulsos muy cortos (del orden de milisegundos). ^{[ 17 ]} Esto se debe principalmente a su diseño, no a una limitación física. Se están construyendo aceleradores de onda continua de esta escala, lo que no representa un factor limitante desde el punto de vista técnico. ^{[ 18 ]}

• reactor de fluoruro líquido de torio
• Amplificador de energía
• MIRRA
• Energía alternativa
• Ciclo del combustible de torio
• Reactor reproductor , otro tipo de reactor nuclear que busca obtener beneficios energéticos mediante la creación de más material fisionable del que consume.
• Energía nuclear basada en torio
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• Transmutación nuclear

• Nueva Era Nuclear: artículo sobre amplificadores de energía | Revista Cosmos
• Patente estadounidense 5160696  : Bowman, C (1992) "Aparato para la transmutación nuclear y la producción de energía mediante un flujo intenso de neutrones térmicos generado por un acelerador".
• Hacia un futuro nuclear alternativo, por el profesor Robert Cywinski en YouTube.