Reactor integral de sales fundidas

El reactor IMSR utiliza un sistema de reabastecimiento de combustible en línea. Durante su funcionamiento, se añaden periódicamente pequeñas cantidades de sales de combustible fresco al sistema del reactor. Dado que el reactor utiliza combustible líquido circulante, este proceso no requiere maquinaria compleja de reabastecimiento mecánico. El recipiente del reactor nunca se abre, lo que garantiza un entorno operativo limpio. Durante los siete años de funcionamiento, no se extrae combustible del reactor; esto difiere de los reactores de combustible sólido, que deben extraer combustible para dar cabida a nuevos conjuntos de combustible, lo que limita su utilización.

Los reactores nucleares requieren control sobre la reacción crítica en cadena nuclear . Por lo tanto, el diseño debe proporcionar un control preciso sobre la velocidad de reacción del núcleo y permitir una parada fiable cuando sea necesario. En operaciones rutinarias, el IMSR se basa en la estabilidad intrínseca para el control de la reactividad; no hay barras de control. Este comportamiento se conoce como retroalimentación negativa de potencia : el reactor se autoestabiliza en potencia y temperatura, y se caracteriza como un reactor de seguimiento de carga. La potencia del reactor se controla mediante la cantidad de calor extraído. Una mayor extracción de calor produce una caída en la temperatura de la sal combustible, lo que resulta en una mayor reactividad y, por consiguiente, en una mayor potencia. Por el contrario, una menor extracción de calor aumentará inicialmente la temperatura del reactor, disminuyendo la reactividad y, posteriormente, reduciendo la potencia del reactor. Si se pierde toda la extracción de calor, la potencia del reactor caerá a un nivel muy bajo.

Como método de respaldo (y de parada para mantenimiento), el IMSR emplea barras de parada rellenas de absorbente de neutrones . Estas barras normalmente se mantienen fuera de la región crítica por la presión ascendente de la sal bombeada en circulación, pero caerán a su posición para detener la criticidad si se pierde la circulación de bombeo debido a un corte de energía o una falla en la bomba.

A diferencia de muchos diseños de reactores de sales fundidas, el IMSR no cuenta con un tanque de drenaje como mecanismo de parada. La sal se puede bombear fuera del reactor durante el desmantelamiento de una unidad para su reemplazo.

Un reactor nuclear es un sistema de energía térmica : genera calor , lo transporta y, finalmente, lo convierte en energía mecánica en una máquina térmica , en este caso una turbina de vapor . Estos sistemas requieren que el calor se extraiga, transporte y convierta al mismo ritmo en que se genera.

Un problema fundamental para los reactores nucleares es que, incluso cuando se detiene el proceso de fisión nuclear, la desintegración radiactiva de los productos de fisión continúa generando calor en niveles significativos durante días o meses. Este calor residual es el principal factor de seguridad que justifica la refrigeración de los reactores nucleares, ya que debe eliminarse. En los reactores convencionales de agua ligera, el flujo de agua de refrigeración debe mantenerse en todas las circunstancias previsibles; de lo contrario, pueden producirse daños y la fusión del combustible (sólido). Los reactores de agua ligera funcionan con un refrigerante volátil , lo que requiere un funcionamiento a alta presión y la despresurización en caso de emergencia.

El IMSR utiliza combustible líquido a baja presión. No requiere la introducción de refrigerante en el reactor ni la despresurización del mismo, sino que emplea refrigeración pasiva. El calor se disipa continuamente desde el núcleo. Aunque no se dispone de detalles técnicos, se sabe que implica la circulación natural de una sal refrigerante independiente que transfiere el calor desde el interior del núcleo del IMSR a intercambiadores de calor externos, liberando el calor residual a la atmósfera. Estos sistemas se conocen generalmente como DRACS (Sistemas de Refrigeración Auxiliar Directa del Reactor).

Las sales fundidas son excelentes fluidos de transferencia de calor, ^{[ 15 ]} con capacidades caloríficas volumétricas cercanas a las del agua, junto con una alta conductividad térmica .

Todos los reactores de sales fundidas poseen características que contribuyen a la seguridad de la contención. Estas características se relacionan principalmente con las propiedades de la sal en sí. Las sales son químicamente inertes ; no arden ni son combustibles. Su baja volatilidad (altos puntos de ebullición, alrededor de 1400  °C) permite una baja presión de operación en el núcleo y los circuitos de refrigeración. Esto proporciona un amplio margen por encima de la temperatura de operación normal, que oscila entre 600 y 700  °C. De esta manera, es posible operar a bajas presiones sin riesgo de ebullición del refrigerante o del combustible (un problema común en los reactores refrigerados por agua).

La alta estabilidad química de la sal impide reacciones químicas energéticas como la generación/ detonación de hidrógeno gaseoso y la combustión de sodio , que pueden plantear dificultades en el diseño y la operación de otros tipos de reactores. La sal de fluoruro reacciona con muchos productos de fisión para producir fluoruros químicamente estables y no volátiles , como el fluoruro de cesio . De manera similar, la mayoría de otros productos de fisión de alto riesgo, como el yodo , se disuelven en la sal combustible, unidos como sales de yoduro . Sin embargo, para el MSRE , "entre un cuarto y un tercio del yodo no se ha contabilizado adecuadamente". ^{[ 16 ]} Existe cierta incertidumbre sobre si se trata de un error de medición, ya que las concentraciones son pequeñas y otros productos de fisión también presentaron problemas de contabilización similares. Consulte el reactor de torio de fluoruro líquido y el reactor de sales fundidas para obtener más información.

El IMSR también cuenta con múltiples barreras de contención física. Utiliza una unidad de reactor integral sellada, la unidad central. Esta unidad está rodeada por el recipiente de protección en sus laterales e inferior, el cual a su vez está rodeado por un silo de acero estructural y hormigón hermético. La unidad central está cubierta en la parte superior por una cabeza de contención de acero, que a su vez está cubierta por gruesas placas redondas de acero y hormigón. Estas placas sirven como escudo contra la radiación y brindan protección contra riesgos externos como explosiones o la penetración de impactos aéreos. El edificio del reactor proporciona una capa adicional de protección contra dichos riesgos externos, así como un área de confinamiento con aire filtrado y controlado.

La mayoría de los reactores de sales fundidas utilizan un tanque de drenaje por gravedad como depósito de emergencia para la sal combustible fundida. El IMSR evita deliberadamente este tanque de drenaje. Su diseño es más sencillo y elimina la tubería de drenaje inferior y los riesgos asociados a las perforaciones en la parte inferior del recipiente. El resultado es un diseño más compacto y robusto, con menos componentes y menos escenarios de fallo. Sin embargo, la sal puede drenarse del reactor bombeándola por la parte superior.

En comparación con los reactores de agua ligera, la escala y el coste de capital del edificio de contención se reducen significativamente, ya que no es necesario lidiar con el riesgo de cambio de fase asociado a un refrigerante a base de agua.

Gran parte del coste de los reactores nucleares tradicionales está relacionado con la seguridad y los consiguientes requisitos de calidad y normativas que pueden incrementar los costes. El enfoque del IMSR consiste en basarse en características de seguridad inherentes y pasivas en lugar de sistemas activos complejos, lo que podría reducir los costes en este ámbito crucial sin comprometer la seguridad.

• Para el control, se utiliza el control inherente de la potencia del reactor mediante retroalimentación de reactividad, en lugar de un sistema de control del reactor con barras de control de posicionamiento activo.
• Para la refrigeración, el sistema de refrigeración pasiva, siempre activo y basado en la pérdida de calor, permite la eliminación del calor residual con un nivel de seguridad adecuado. A diferencia de los reactores convencionales, el mecanismo de refrigeración residual del IMSR no requiere energía eléctrica de respaldo.
• En lo que respecta a la contención, las propiedades de la sal constituyen una diferencia clave con respecto a los reactores refrigerados por agua. Estas sales presentan bajas presiones de vapor, altos puntos de ebullición y son químicamente estables. De este modo, se eliminan las altas presiones y las amenazas de hidrógeno del diseño de la contención, reduciendo el volumen requerido, la presión de diseño y los costes asociados. La alta retención de cesio de la sal reduce la fuente de emisión disponible en caso de accidente, disminuyendo aún más el perfil de riesgo fundamental.

Los reactores nucleares convencionales, como los reactores de agua a presión y de agua en ebullición, utilizan agua como refrigerante. Debido a la alta presión de vapor del agua a temperaturas elevadas, su funcionamiento se limita a una temperatura relativamente baja, generalmente cercana a los 300  °C. Esto limita la eficiencia termodinámica, normalmente a un 32-34 %, y potencialmente menor en el caso de los reactores modulares pequeños (SMR) de agua ligera. En otras palabras, los reactores de potencia refrigerados por agua generan entre 32 y 34 vatios de electricidad por cada 100 vatios de potencia del reactor.

La mayor estabilidad térmica y la baja presión de vapor de la sal permiten operar a temperaturas más altas. El IMSR proporciona calor final a temperaturas de alrededor de 550–600  °C, lo que resulta en una eficiencia en el rango del 44–45 %. ^{[ 8 ]} El IMSR produce aproximadamente 1,5 veces más electricidad por unidad de calor de salida del reactor en comparación con los reactores comerciales convencionales de salida similar. Por lo tanto, genera alrededor de un 50 % más de ingresos a partir de la misma potencia del reactor. Esto tiene un gran impacto en la economía del proyecto. Además, la mayor temperatura del IMSR permite el uso de sistemas de turbinas más compactos y de menor costo, ya de uso común en centrales eléctricas de carbón, a diferencia de las centrales nucleares convencionales que generalmente necesitan turbinas especializadas de baja temperatura que no se utilizan en ningún otro lugar. Esto ayuda a reducir aún más el costo de capital. ^{[ 17 ]}

La eficiencia del combustible nuclear se define como la cantidad de combustible nuclear utilizado por unidad de electricidad generada. Si bien el uranio es relativamente económico, los costos del combustible en una central nuclear tradicional son significativos debido al alto costo de su fabricación. El reactor IMSR evita la mayor parte del costoso proceso de fabricación, por lo que se espera que el costo del combustible sea menor.

Un factor clave en el costo radica en la naturaleza del equipo utilizado. Los componentes estandarizados y fabricados en serie son más económicos que los componentes especializados o incluso los personalizados.

Las sales fundidas poseen una alta capacidad calorífica volumétrica, una baja presión de vapor y no generan hidrógeno, por lo que no se requieren grandes recipientes de alta presión para el reactor, la contención ni otras áreas de equipos. Esto reduce el tamaño del núcleo y la contención en comparación con los reactores refrigerados por agua. Asimismo, los intercambiadores de calor de sales fundidas son más compactos que los grandes generadores de vapor empleados en los reactores de agua presurizada (PWR).

La unidad central compacta constituye la base de la modularidad del sistema IMSR. Las unidades centrales son idénticas y lo suficientemente pequeñas como para fabricarse en un entorno controlado en interiores.

La alta presión supone un factor de coste para cualquier componente, ya que aumenta tanto los requisitos de calidad como la cantidad de materiales necesarios (espesor). Los componentes grandes y de alta presión requieren soldaduras y forjas pesadas, cuya disponibilidad es limitada. La presión de operación típica de un reactor de agua a presión (PWR) supera las 150 atmósferas. En el caso del IMSR, debido a la baja presión de vapor y al alto punto de ebullición de la sal, la unidad central opera a presión atmosférica o cercana a ella (salvo unas pocas atmósferas de presión debidas al peso hidrostático de la sal). Esto se logra a pesar de la mayor temperatura de operación. El resultado son componentes más ligeros y delgados, más fáciles de fabricar y modularizar.

Existen diversas aplicaciones no eléctricas con una gran demanda de energía: reformado con vapor , producción de papel y pulpa, industria química y de plásticos, etc. Los reactores convencionales refrigerados por agua no son adecuados para la mayoría de estos mercados debido a su baja temperatura de funcionamiento (alrededor de 300  °C) y a su gran tamaño, que impide cubrir las necesidades puntuales de calor industrial. El tamaño reducido y la mayor temperatura de funcionamiento del IMSR (alrededor de 700  °C en el reactor, hasta 600  °C suministrados) podrían abrir nuevos mercados en estas aplicaciones de calor para procesos industriales . Además, la cogeneración , es decir, la producción de calor y electricidad simultáneamente, también resulta atractiva.