reactor subcrítico

Un reactor subcrítico es un concepto de reactor de fisión nuclear que produce fisión sin alcanzar la criticidad . En lugar de mantener una reacción en cadena , un reactor subcrítico utiliza neutrones adicionales de una fuente externa. Existen dos clases generales de estos dispositivos. Una utiliza neutrones proporcionados por una máquina de fusión nuclear , un concepto conocido como híbrido fusión-fisión . La otra utiliza neutrones creados mediante la espalación de núcleos pesados ​​por partículas cargadas, como protones acelerados por un acelerador de partículas , un concepto conocido como sistema impulsado por acelerador (ADS) o reactor subcrítico impulsado por acelerador .

Un reactor subcrítico puede utilizarse para destruir isótopos pesados ​​presentes en el combustible gastado de un reactor nuclear convencional, a la vez que genera electricidad. Los elementos transuránicos de larga vida presentes en los residuos nucleares pueden, en principio , fisionarse , liberando energía en el proceso y dejando tras de sí productos de fisión de vida más corta. Esto reduciría considerablemente el tiempo de eliminación de los residuos radiactivos . Sin embargo, algunos isótopos tienen secciones transversales de fisión umbral y, por lo tanto, requieren un reactor rápido para su fisión. Si bien pueden transmutarse en material fisionable con neutrones térmicos, algunos nucleidos necesitan hasta tres reacciones sucesivas de captura de neutrones para alcanzar un isótopo fisionable y, posteriormente, otro neutrón para fisionarse. Además, liberan, en promedio, muy pocos neutrones nuevos por fisión, de modo que con un combustible que contiene una alta proporción de ellos, no se puede alcanzar la criticidad. El reactor impulsado por acelerador es independiente de este parámetro y, por lo tanto, puede utilizar estos nucleidos. Los tres isótopos radiactivos de larga duración más importantes que podrían manejarse ventajosamente de esa manera son el neptunio-237 , el americio-241 y el americio-243 . El plutonio-239, material para armas nucleares, también es adecuado, aunque puede utilizarse de forma más económica como combustible MOX o dentro de reactores rápidos existentes .

Además de la incineración de residuos nucleares, existe interés en este tipo de reactor porque se percibe como intrínsecamente seguro , a diferencia de un reactor convencional. En la mayoría de los reactores críticos, existen circunstancias en las que la tasa de fisión puede aumentar rápidamente, dañando o destruyendo el reactor y permitiendo la fuga de material radiactivo (véase SL-1 o el desastre de Chernóbil ). Con un reactor subcrítico, la reacción cesará a menos que se le suministren neutrones continuamente desde una fuente externa. Sin embargo, el problema de la generación de calor incluso después de finalizar la reacción en cadena persiste, por lo que el enfriamiento continuo de dicho reactor durante un período considerable después del apagado sigue siendo vital para evitar el sobrecalentamiento. No obstante, incluso el problema del calor residual puede minimizarse, ya que un reactor subcrítico no necesita acumular una masa crítica de material fisionable y, por lo tanto, puede construirse con un tamaño (casi) arbitrariamente pequeño y, por consiguiente, reducir la masa térmica requerida de un sistema de refrigeración de emergencia capaz de absorber todo el calor generado en las horas o días posteriores a una parada de emergencia .

La mayoría de los diseños actuales de ADS proponen un acelerador de protones de alta intensidad con una energía de aproximadamente 1 GeV , dirigido hacia un blanco de espalación o una fuente de neutrones de espalación. La fuente, ubicada en el corazón del núcleo del reactor, contiene metal líquido que es impactado por el haz, liberando neutrones, y se enfría mediante la circulación del metal líquido, como plomo - bismuto , hacia un intercambiador de calor. El núcleo del reactor nuclear que rodea la fuente de neutrones de espalación contiene las barras de combustible, que pueden ser cualquier mezcla de actínidos fisionables o fértiles, preferiblemente con una cierta cantidad de material fisionable para no tener que operar a criticidad cero durante el arranque. De esta manera, por cada protón que incide en el blanco de espalación, se liberan un promedio de 20 neutrones que fisionan la parte fisionable circundante del combustible y transmutan átomos en la parte fértil, generando nuevo material fisionable. Si se asume un valor de 20 neutrones por GeV gastado, un neutrón "cuesta" 50 MeV, mientras que la fisión (que requiere un neutrón) libera del orden de 200 MeV por átomo de actínido que se divide. La eficiencia puede incrementarse reduciendo la energía necesaria para producir un neutrón, aumentando la proporción de energía útil extraída de la fisión (si se utiliza un proceso térmico, la eficiencia de Carnot dicta que se necesitan temperaturas más altas para aumentar la eficiencia) y, finalmente, acercando la criticidad cada vez más a 1 sin dejar de estar por debajo de ella. Un factor importante tanto en la eficiencia como en la seguridad es el grado de subcrítica del reactor. Para simplificar, el valor de k(efectivo) que se utiliza para dar la criticidad de un reactor (incluidos los neutrones retardados) puede interpretarse como la cantidad de neutrones de cada "generación" que fisionan más núcleos. Si k(efectivo) es 1, por cada 1000 neutrones introducidos, se producen 1000 neutrones que también fisionan más núcleos. Obviamente, la tasa de reacción aumentaría constantemente en ese caso debido a que se suministran cada vez más neutrones desde la fuente de neutrones. Si k(efectivo) es ligeramente inferior a 1, se deben suministrar pocos neutrones desde fuera del reactor para mantener la reacción en un estado estacionario, aumentando la eficiencia. Por otro lado, en el caso extremo de "criticidad cero", es decir, k(efectivo)=0 (por ejemplo, si el reactor funciona solo para transmutación), todos los neutrones se "consumen" y no se produce ninguno dentro del combustible. Sin embargo, como la neutrónicaDado que solo se puede conocer con cierto grado de precisión, el reactor debe, en la práctica, permitir un margen de seguridad por debajo de la criticidad que depende de cuán bien se conozcan los datos neutrónicos y del efecto del crecimiento de nucleidos que se desintegran mediante fisión espontánea con emisión de neutrones, como el californio-252 , o de nucleidos que se desintegran mediante emisión de neutrones .

El balance de neutrones se puede regular o incluso interrumpir ajustando la potencia del acelerador para que el reactor esté por debajo de la criticidad . Los neutrones adicionales proporcionados por la fuente de neutrones por espalación ofrecen el mismo grado de control que los neutrones retardados en un reactor nuclear convencional , con la diferencia de que los neutrones generados por la fuente de neutrones por espalación se controlan fácilmente mediante el acelerador. La principal ventaja es la seguridad inherente . El combustible nuclear de un reactor nuclear convencional posee propiedades de autorregulación, como el efecto Doppler o el efecto de vacío, que hacen que estos reactores nucleares sean seguros. Además de estas propiedades físicas de los reactores convencionales, en el reactor subcrítico, cuando se apaga la fuente de neutrones, la reacción de fisión cesa y solo queda el calor residual.

Existen dificultades técnicas que superar antes de que el ADS pueda ser económico y eventualmente integrarse en la gestión futura de residuos nucleares. El acelerador debe proporcionar una alta intensidad y ser altamente fiable; cada parada del acelerador, además de provocar una parada de emergencia, someterá al sistema a un estrés térmico inmenso . Existen preocupaciones sobre la ventana que separa los protones del blanco de espalación, que se espera que esté expuesta a estrés en condiciones extremas. Sin embargo, la experiencia reciente con la fuente de espalación de neutrones de metal líquido MEGAPIE, probada en el Instituto Paul Scherrer, ha demostrado una ventana de haz funcional bajo un haz de protones intenso de 0,78 MW. La separación química de los elementos transuránicos y la fabricación del combustible, así como los materiales de la estructura, son cuestiones importantes. Finalmente, la falta de datos nucleares a altas energías de neutrones limita la eficiencia del diseño. Este último problema puede superarse introduciendo un moderador de neutrones entre la fuente de neutrones y el combustible, pero esto puede provocar un aumento de las fugas, ya que el moderador también dispersará los neutrones lejos del combustible. Cambiar la geometría del reactor puede reducir, pero nunca eliminar, las fugas. La fuga de neutrones también es motivo de preocupación debido a los productos de activación que generan y al daño físico que la irradiación de neutrones puede causar a los materiales. Además, el espectro de neutrones rápidos presenta ciertas ventajas que no se pueden obtener con neutrones térmicos, ya que estos últimos son el resultado de un moderador. Por otro lado, los reactores de neutrones térmicos son el tipo de reactor nuclear más común y mejor comprendido, y los neutrones térmicos también ofrecen ventajas sobre los neutrones rápidos.

Algunos experimentos de laboratorio y numerosos estudios teóricos han demostrado la posibilidad teórica de una planta de este tipo. Carlo Rubbia , físico nuclear , premio Nobel y exdirector del CERN , fue uno de los primeros en concebir el diseño de un reactor subcrítico, el llamado " amplificador de energía ". En 2005, varios proyectos a gran escala se pusieron en marcha en Europa y Japón para seguir desarrollando la tecnología de reactores subcríticos. En 2012, científicos e ingenieros del CERN fundaron el Comité Internacional de Energía del Torio (iThEC), ^{[ 1 ]} una organización dedicada a perseguir este objetivo y que organizó la conferencia ThEC13 ^{[ 2 ]} sobre el tema.

Se han propuesto reactores subcríticos tanto para la generación de energía eléctrica como para la transmutación de residuos nucleares , por lo que el beneficio es doble. Sin embargo, se prevé que los costes de construcción, seguridad y mantenimiento de instalaciones tan complejas sean muy elevados, sin mencionar la cantidad de investigación necesaria para desarrollar un diseño práctico (véase más arriba). Existen conceptos de gestión de residuos más económicos y razonablemente seguros, como la transmutación en reactores de neutrones rápidos . No obstante, la solución de un reactor subcrítico podría gozar de una mayor aceptación pública , ya que se considera más aceptable incinerar los residuos que enterrarlos durante cientos de miles de años. Para la gestión futura de residuos, se podrían integrar algunos dispositivos de transmutación en un programa nuclear a gran escala, lo que, previsiblemente, solo incrementaría ligeramente los costes totales.

El principal desafío que enfrentan las operaciones de partición y transmutación es la necesidad de entrar en ciclos nucleares de duración extremadamente larga: alrededor de 200 años. ^{[ 3 ]} Otra desventaja es la generación de grandes cantidades de residuos radiactivos de vida larga de nivel intermedio (ILW) que también requerirán un almacenamiento geológico profundo para ser gestionados de forma segura. Un aspecto más positivo es la reducción esperada en el tamaño del repositorio, que se estimó en un orden de 4 a 6. Ambos aspectos positivos y negativos fueron examinados en un estudio de referencia internacional ^{[ 4 ]} coordinado por Forschungszentrum Jülich y financiado por la Unión Europea .

Si bien el sistema ADS se concibió originalmente como parte del diseño de un reactor de agua ligera , se han presentado otras propuestas que incorporan un ADS en otros conceptos de reactores de cuarta generación .

Una de estas propuestas contempla un reactor rápido refrigerado por gas , alimentado principalmente con plutonio y americio . Las propiedades neutrónicas del americio dificultan su uso en reactores críticos, ya que tiende a elevar el coeficiente de temperatura del moderador , disminuyendo la estabilidad. Sin embargo, la seguridad inherente de un sistema de almacenamiento de energía de americio (ADS) permitiría su combustión segura. Estos materiales también presentan una buena economía neutrónica, lo que permite una elevada relación paso-diámetro, mejorando así la circulación natural y la rentabilidad.

También se están desarrollando métodos subcríticos para su uso en la eliminación de residuos nucleares que no dependen de fuentes de neutrones. ^{[ 5 ]} Estos incluyen sistemas que se basan en el mecanismo de captura de muones , en el cual los muones (μ ⁻ ) producidos por una fuente compacta impulsada por acelerador transmutan isótopos radiactivos de larga vida en isótopos estables. ^{[ 6 ]}

Generalmente, el término "reactor subcrítico" se reserva para sistemas artificiales, pero también existen sistemas naturales: cualquier fuente natural de material fisionable expuesta a rayos cósmicos y gamma ( incluso del sol ) podría considerarse un reactor subcrítico. Esto incluye satélites espaciales con generadores termoeléctricos de radioisótopos, así como cualquier depósito expuesto a dichos rayos.

• Energía alternativa
• Espalación de rayos cósmicos
• Fuente de neutrones por espalación
• Fuente de neutrones ISIS
• fusión nuclear híbrida
• MIRRA

Notas

Fuentes