Reactor de prueba avanzado

El Reactor de Pruebas Avanzadas ( ATR ) es un reactor de investigación ubicado en el Laboratorio Nacional de Idaho , al este de Arco, Idaho . Este reactor fue diseñado y se utiliza para probar combustibles y materiales nucleares destinados a centrales eléctricas, propulsión naval, investigación y reactores avanzados. Puede operar a una potencia térmica máxima de 250 MW y cuenta con un diseño de núcleo en forma de trébol de cuatro hojas (similar a la rosa de Camunia ) que permite diversas ubicaciones de prueba. Este diseño único permite diferentes condiciones de flujo de neutrones (cantidad de neutrones que impactan un centímetro cuadrado por segundo) en distintas ubicaciones. Seis de las ubicaciones de prueba permiten aislar un experimento del sistema de refrigeración primario, proporcionando su propio entorno de temperatura, presión, flujo y composición química, replicando el entorno físico a la vez que se aceleran las condiciones nucleares.

El ATR es un reactor de agua ligera presurizado (LWR), que utiliza agua como refrigerante y moderador. El núcleo está rodeado por un reflector de neutrones de berilio para concentrar los neutrones en los experimentos y alberga múltiples posiciones experimentales. Opera a baja temperatura y presión, 71 °C (160 °F) y hasta 2,69 MPa de presión de agua. La vasija del reactor ATR es de acero inoxidable macizo, con 11 m (35 pies) de altura y 3,7 m (12 pies ) de diámetro. El núcleo mide aproximadamente 1,2 m (4 pies) de altura y 1,2 m (4 pies) de diámetro.      

Además de su función en la irradiación de combustibles y materiales nucleares, el ATR es la única fuente nacional de Estados Unidos de cobalto-60 ( ^⁶⁰Co ) de alta actividad específica (HSA) para aplicaciones médicas. El ^⁶⁰Co HSA se utiliza principalmente en el tratamiento del cáncer cerebral mediante radiocirugía con bisturí gamma . También se han producido otros isótopos médicos e industriales, y podrían volver a producirse, como el plutonio-238 ( ^²³⁸Pu ), útil para la propulsión de naves espaciales.

Desde 1951, se han construido cincuenta y dos reactores en los terrenos de lo que originalmente fue la Estación Nacional de Pruebas de Reactores de la Comisión de Energía Atómica, actualmente sede del Laboratorio Nacional de Idaho (INL) del Departamento de Energía de los Estados Unidos. Construido en 1967, el ATR es el segundo más antiguo de los tres reactores que aún operan en el sitio. ^{[ 2 ]} Su función principal es bombardear intensamente muestras de materiales y combustibles con neutrones para replicar la exposición prolongada a altos niveles de radiación , como la que se produciría tras años en un reactor nuclear comercial. El ATR es uno de los únicos cuatro reactores de prueba en el mundo con esta capacidad. ^{[ 3 ]} El reactor también produce isótopos raros para su uso en medicina e industria . ^{[ 4 ]}

En abril de 2007, el ATR fue designado Instalación Nacional de Usuarios Científicos, posteriormente renombrada como Instalación de Usuarios de Ciencia Nuclear (NSUF), para fomentar el uso del reactor por parte de universidades , laboratorios e industria. ^{[ 5 ]} Este estatus tiene como objetivo estimular experimentos para extender la vida útil de los reactores comerciales existentes y fomentar el desarrollo de la energía nuclear. Estos experimentos pondrán a prueba "materiales, combustible nuclear e instrumentos que operan en los reactores". ^{[ 3 ]} Bajo este programa, los experimentadores no tendrán que pagar para realizar experimentos en el reactor, pero están obligados a publicar sus hallazgos. A través del sistema NSUF, el ATR y las instalaciones asociadas han albergado 213 experimentos premiados de 42 instituciones diferentes (universidades, laboratorios nacionales e industria), lo que ha dado como resultado 178 publicaciones y presentaciones.

Los reactores de prueba son muy diferentes en apariencia y diseño a los reactores nucleares comerciales. Los reactores comerciales son grandes, operan a alta temperatura y presión , y requieren una gran cantidad de combustible nuclear. Un reactor comercial típico tiene un volumen de 48 metros cúbicos (1700 pies cúbicos ) con 5400 kilogramos (11 900 libras) de uranio a 288 °C (550 °F) y 177 atm. ^{[ 4 ]} Debido a su gran tamaño y energía almacenada, los reactores comerciales requieren una " estructura de contención " robusta para evitar la liberación de material radiactivo en caso de una situación de emergencia.      

Por el contrario, el ATR requiere una estructura de contención más pequeña: tiene un volumen de 1,4 metros cúbicos (49 pies cúbicos ) , contiene 43 kilogramos (95 libras) de uranio y opera a 60 °C (140 °F) y 26,5 atm (condiciones similares a las de un calentador de agua). ^{[ 4 ]} El recipiente del reactor en sí, que está hecho de acero inoxidable rodeado de hormigón que se extiende a más de 20 pies (6,1 m) bajo tierra, está reforzado contra daños accidentales o intencionales. Toda el área del reactor también está rodeada por una estructura de confinamiento (a diferencia de una "estructura de contención") diseñada para proteger aún más el entorno circundante de cualquier posible liberación de radiactividad.       

El núcleo del reactor ATR está diseñado para ofrecer la máxima flexibilidad en función de las necesidades de investigación . Puede conectarse y desconectarse de forma segura tantas veces como sea necesario para modificar experimentos o realizar tareas de mantenimiento. El reactor también se desconecta automáticamente en caso de condiciones experimentales anómalas o fallo eléctrico.

Los componentes del núcleo del reactor se reemplazan cada 7-10 años para evitar la fatiga debida a la exposición a la radiación y garantizar que los experimentadores siempre dispongan de un reactor nuevo. El flujo de neutrones proporcionado por el reactor puede ser constante o variable, y cada lóbulo del diseño de trébol de cuatro hojas puede controlarse de forma independiente para producir hasta 10¹⁵ ^neutrones térmicos por segundo por centímetro cuadrado o 5· ^10¹⁴ neutrones rápidos s⁻¹ ^cm⁻² . ^{[ 6 ] Hay} 77 ubicaciones de prueba diferentes dentro del reflector y otras 34 ubicaciones de baja intensidad fuera del núcleo, lo que permite que muchos experimentos se ejecuten simultáneamente en diferentes entornos de prueba. [ ^{7 ] Se} pueden acomodar volúmenes de prueba de hasta 5,0 pulgadas (130 mm) de diámetro y 4 pies (1,2 m) de longitud. Los experimentos se cambian en promedio cada siete semanas, y el reactor está en operación nominal (110 MW) el 75% del año. ^{[ 8 ]}   

En el reactor se pueden realizar tres tipos de experimentos: ^{[ 8 ]}

1. Experimento con cápsula estática: El material a ensayar se coloca en un tubo sellado de aluminio , acero inoxidable o zircaloy , que luego se inserta en la ubicación deseada del reactor. Si el tubo tiene menos de la altura total del reactor (48 pulgadas), se pueden apilar varias cápsulas. En algunos casos, es conveniente ensayar materiales (como elementos combustibles) en contacto directo con el refrigerante del reactor ; en tal caso, la cápsula de ensayo no está sellada. El control de temperatura y la monitorización disponibles para la configuración de cápsula estática son muy limitados, y cualquier medida adicional tendría que incorporarse al experimento (como cables termofusibles o una cámara de aire aislante).
2. Experimento con plomo instrumentado: Similar a la configuración de cápsula estática, este tipo de experimento permite la monitorización en tiempo real de la temperatura y las condiciones del gas dentro de la cápsula. Un cable umbilical conecta la cápsula de prueba a una estación de control para informar sobre las condiciones de la prueba. La estación de control regula automáticamente la temperatura dentro de la cápsula según se desee, bombeando una combinación de helio (conductor) y neón o argón (no conductor) a través de la cápsula. El gas circulante se puede analizar mediante cromatografía de gases para detectar fallos u oxidación del material sometido a prueba.
3. Experimento de circuito de agua a presión: Más complejo que la configuración de plomo instrumentado, este tipo de experimento solo está disponible en seis de los nueve tubos de flujo, denominados tubos internos (IPT). El material de prueba se aísla del refrigerante primario del reactor ATR mediante un sistema de refrigeración secundario, lo que permite simular con precisión las condiciones de un reactor comercial o naval. Los extensos sistemas de instrumentación y control de este tipo de experimento generan una gran cantidad de datos, que el experimentador tiene a su disposición en tiempo real para realizar los cambios necesarios.

Los experimentos de investigación que se realizan en el reactor incluyen:

• Cápsula de grafito avanzada: Este experimento pondrá a prueba los efectos de la radiación en varios tipos de grafito que se están considerando para el programa de la planta nuclear de próxima generación y que actualmente no tienen datos de temperatura de alto flujo disponibles. ^{[ 9 ]}
• Iniciativa de Ciclo de Combustible Avanzado / Reactor de Agua Ligera: El objetivo de la AFCI es transformar combustibles de mayor duración en combustibles de menor duración que puedan utilizarse en reactores comerciales de agua ligera, para reducir la cantidad de residuos que deben almacenarse y, al mismo tiempo, aumentar el combustible disponible para los reactores comerciales. ^{[ 9 ]}
• Producción de cobalto-60 : El uso actual menos complejo del Reactor de Pruebas Avanzado es la producción del radioisótopo 60Co ^para usos médicos. Se insertan discos de cobalto-59 de 1 mm de diámetro y 1 mm de espesor en el reactor (Experimento de Cápsula Estática), que bombardea la muestra con neutrones, produciendo cobalto-60. Se producen aproximadamente 200 kilocurios (7400 TBq ) al año, destinados íntegramente a usos médicos. ^{[ 9 ]}    

El Reactor de Pruebas Críticas Avanzado ( ATRC ) realiza funciones para el ATR similares a las de los reactores ARMF en relación con el MTR . Fue una valiosa herramienta auxiliar que estuvo en funcionamiento durante tres años antes de la puesta en marcha del ATR. Verificó para los diseñadores de reactores la eficacia de los mecanismos de control y para los físicos las predicciones de distribución de potencia en el gran núcleo del ATR. Las pruebas de baja potencia en el ATRC ahorraron un tiempo valioso para que el gran ATR pudiera irradiar experimentos a altos niveles de potencia. El ATRC también se utiliza para verificar la seguridad de un experimento propuesto antes de su colocación en el ATR. El ATRC comenzó a operar el 19 de mayo de 1964 y permanece en servicio. ^{[ 10 ]}

• Ficha informativa de ATR (PDF, 868 KB)
• Capacidades de ATR y planes operativos futuros (PDF, 800 KB)
• Instalaciones y capacidades de irradiación ATR (PDF, 2,4 MB)