Reactor reproductor experimental I

El Reactor Reproductor Experimental I ( EBR-I ) es un reactor de investigación fuera de servicio y Monumento Histórico Nacional de los Estados Unidos ubicado en el desierto a unos 29 km (18 millas ) al sureste de Arco, Idaho . Fue el primer reactor reproductor del mundo . ^{[ 3 ]} A la 1:50 p. m. del 20 de diciembre de 1951, se convirtió en una de las primeras centrales nucleares generadoras de electricidad del mundo al producir suficiente electricidad para iluminar cuatro bombillas de 200 vatios . ^{[ 4 ] [ 5 ]} El EBR-I pronto generó suficiente electricidad para alimentar su edificio y la ciudad de Arco, y continuó utilizándose para investigación experimental hasta su desmantelamiento en 1964. El museo está abierto al público desde el fin de semana del Día de los Caídos hasta el fin de semana del Día del Trabajo . ^{[ 6 ]}  

La construcción del EBR-I comenzó a finales de 1949. El reactor fue diseñado y construido por un equipo liderado por Walter Zinn en el sitio de Idaho del Laboratorio Nacional Argonne , ^{[ 7 ]} conocido como Argonne-West (desde 2005 parte del Laboratorio Nacional de Idaho ). En sus primeras etapas, la planta del reactor fue denominada Chicago Pile-4 (CP-4) y la "Pila Infernal" de Zinn. ^{[ 8 ]} La instalación del reactor en el EBR-I tuvo lugar a principios de 1951 (el primer reactor en Idaho) y comenzó a operar el 24 de agosto de 1951. El 20 de diciembre de ese año, el EBR-I produjo electricidad por primera vez. Al día siguiente, el reactor produjo suficiente energía para iluminar todo el edificio. El EBR-I produjo 200 kW de electricidad a partir de 1,4 MW de calor generado por el reactor. ^{[ 9 ]}

La producción de electricidad en EBR-I es la primera vez que un reactor generó electricidad disponible internamente, y a veces se la denomina erróneamente la primera vez que un reactor nuclear ha generado electricidad o alimentado una bombilla. Sin embargo, la primera electricidad del mundo producida por un reactor nuclear tuvo lugar durante un experimento tres años antes, en septiembre de 1948, en el reactor de grafito X-10 del Laboratorio Nacional de Oak Ridge en Tennessee. Una pequeña turbina de vapor permitió que ese reactor alimentara una sola bombilla. ^{[ 10 ]} Más tarde, en 1955, se alcanzó otro hito nuclear cuando una planta experimental de reactor de agua en ebullición llamada BORAX -III (también diseñada, construida y operada por el Laboratorio Nacional de Argonne) se conectó a cargas externas, suministrando energía a la cercana ciudad de Arco, Idaho , siendo la primera vez que una ciudad se abastecía exclusivamente de energía nuclear. ^{[ 11 ]}

El propósito del diseño del EBR-I no era producir electricidad, sino validar la teoría de la física nuclear que sugería la posibilidad de un reactor reproductor . El concepto proponía utilizar la radiación neutrónica del reactor para convertir o "reproducir" una capa de material fértil en nuevo material fisionable. La reacción empleada en el diseño del EBR-I fue la reproducción de uranio-238 en plutonio mediante neutrones rápidos .

${\displaystyle {\ce {{}^{238}_{92}U + {}^{1}_{0}n -> {}^{239}_{92}U ->[\beta^-][23.5\ {\ce {min}}] {}^{239}_{93}Np ->[\beta^-][2.356\ {\ce {d}}] {}^{239}_{94}Pu}}}$

Esta reacción ya se había utilizado en el reactor de grafito X-10 y en los reactores Hanford Site B, D, F y DR para producir plutonio para los pozos Gadget , Fat Man y otros . Sin embargo, los reactores de Hanford solo producirían alrededor del 0,025 % de ²³⁹ Pu fisionable, a partir del contenido de ²³⁵ U fisionable del 0,7 % en los bloques de combustible de uranio natural. Esto corresponde a una "relación de conversión" de 1/30. ^{[ 12 ]} El diseño del EBR-I tenía como objetivo aumentar esto limitando la pérdida de neutrones y manteniendo un espectro rápido , logrando una relación superior a uno. En el EBR-I, la relación se calculó experimentalmente como:

${\displaystyle {\text{coeficiente de conversión}}={\frac {\text{átomos fisionables creados}}{\text{átomos fisionables destruidos}}}={\frac {^{239}{\text{producción de Pu}}}{^{235}{\text{fisión de U}}\ +\ ^{236}{\text{producción de U}}}}}$

En 1956, un informe de la AEC concluyó que la relación de conversión medida radioquímicamente era de 1,00 ± 0,04, y la relación medida físicamente era de 1,01 ± 0,05, lo que provisionalmente lo convertía en el primer reactor reproductor del mundo. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

El 29 de noviembre de 1955, el reactor del EBR-I sufrió una fusión parcial durante una prueba de flujo de refrigerante. La prueba buscaba determinar la causa de las respuestas inesperadas del reactor a los cambios en el flujo de refrigerante. Posteriormente, se reparó para realizar experimentos adicionales, los cuales determinaron que la expansión térmica de las barras de combustible y las placas gruesas que las sostenían fue la causa de la respuesta inesperada del reactor. ^{[ 15 ]}

Además de ser uno de los primeros reactores del mundo en generar electricidad a partir de energía atómica, el EBR-I fue también el primer reactor reproductor del mundo y el primero en utilizar combustible de plutonio para generar electricidad (véase también el reactor nuclear Clementine ). El propósito inicial del EBR-I era demostrar el principio de reproducción de combustible de Enrico Fermi , según el cual un reactor nuclear puede producir más átomos de combustible de los que consume. El EBR-I demostró este principio. ^{[ 16 ]}

Diseño

Como reactor reproductor, el EBR-I empleó un diseño de "semilla y manto ". La "semilla" del núcleo era de uranio altamente enriquecido al 90 % de uranio-235. El manto interior contenía barras de uranio natural con un contenido de uranio-235 del 0,7 %. Esta estructura estaba rodeada por el tanque de doble pared que contenía el refrigerante primario de NaK . Este tanque estaba rodeado por el manto exterior refrigerado por aire de uranio natural, utilizado por sus propiedades de reflexión de neutrones efectivas , y que también contenía las barras de control . El manto exterior era el componente móvil, ya que la técnica para mover piezas dentro del metal líquido se encontraba en sus primeras etapas. Sin embargo, la refrigeración por aire limitó considerablemente la potencia operativa máxima, que se alcanzó en 1,4 MWth. ^{[ 14 ] [ 17 ]}

El refrigerante primario de metal líquido fluye por gravedad desde el tanque de suministro a través del núcleo del reactor, donde absorbe calor. Luego, el refrigerante fluye para calentar el intercambiador, donde cede este calor al refrigerante secundario, otro metal líquido. El refrigerante primario regresa al tanque de suministro mediante una bomba electromagnética. El refrigerante secundario se bombea a la caldera, donde cede su calor al agua, generando vapor. Este vapor pasa a la turbina, que es donde se produce la electricidad. Este vapor luego se condensa y regresa a la caldera mediante una bomba de agua. ^{[ 18 ]} Este diseño de refrigerante fue compartido por el posterior reactor rápido de Dounreay, que alcanzó la criticidad por primera vez en 1959.

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  Placas en el sitio EBR-I
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  Ensamblaje del núcleo, 1951

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  La primera producción de electricidad en EBR-I tuvo lugar el 20 de diciembre de 1951, cuando se encendieron cuatro bombillas.
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  El reactor se encuentra en el edificio del centro; las dos estructuras situadas en la parte inferior izquierda son reactores del Proyecto de Propulsión Nuclear para Aeronaves .
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  Vista de EBR-I desde el estacionamiento.

• Calder Hall , Inglaterra, fue la primera central nuclear en suministrar energía a escala comercial.
• Chicago Pile-1 y -2
• Pila de Chicago-3
• Lista de monumentos históricos nacionales en Idaho
• Listados del Registro Nacional de Lugares Históricos en el condado de Butte, Idaho.
• La central nuclear de Obninsk , de 5 MWe, fue el primer reactor nuclear en suministrar electricidad a una red eléctrica.

Citas

Bibliografía

• Sitio web oficial
• Zinn, Informe de viabilidad: Pila de neutrones rápidos para una prueba de conversión, ANL-4356, 1949 , Descripción detallada del reactor
• "Un reactor genera electricidad" . Popular Mechanics . 97 (3): 105. Marzo de 1952.
• "Pioneros nucleares: Creación del reactor reproductor experimental 1" en YouTube. "Cómo se desarrolló el reactor a través de entrevistas con los investigadores originales" . Laboratorio Nacional de Idaho (INL). 13 de abril de 2011.
• Desmontaje del núcleo ERB-I tras la fusión del reactor.