Experimento de reactor moderado orgánico

El Experimento de Reactor Moderado Orgánico (OMRE) fue un reactor nuclear orgánico experimental de 16 MWt que operó en la Estación Nacional de Pruebas de Reactores desde 1957 hasta 1963 para explorar el uso de hidrocarburos como refrigerantes , moderadores y materiales reflectores en condiciones de reactores de potencia. ^{[ 1 ]} Dichos fluidos orgánicos no son corrosivos, no se activan en gran medida bajo irradiación y pueden operar a baja presión y temperatura moderada. Estas características se consideraron prometedoras para lograr la energía nuclear comercial económica. ^{[ 2 ]}

La información proporcionada por OMRE estableció la credibilidad del concepto de reactor nuclear orgánico y condujo a la demostración comercial en la central nuclear de Piqua . Más recientemente, se ha citado a OMRE como fuente clave de información e inspiración para los diseños modernos de dichos sistemas, con el objetivo de ayudar a mejorar el rendimiento de las centrales nucleares nuevas y avanzadas para alcanzar los objetivos de mitigación del cambio climático . ^{[ 3 ] [ 4 ]}

Los esfuerzos de diseño del OMRE comenzaron en julio de 1955. ^{[ 6 ]} Originalmente se pretendía que funcionara durante 1 año. ^{[ 7 ]}

Los objetivos del programa OMRE fueron obtener la siguiente información experimental ^{[ 7 ] : 9} :

1. Tasa de daño por radiación y neutrones térmicos al hidrocarburo en el reactor.
2. Efecto de este daño en el funcionamiento del reactor
3. Métodos adecuados para garantizar un funcionamiento satisfactorio del reactor en presencia de hidrocarburos dañados.

No se trataba de una planta piloto ni de un prototipo, sino de una instalación experimental de coste mínimo diseñada para investigar la viabilidad del concepto orgánico para alimentar reactores. No disponía de un sistema de conversión de energía eléctrica .

OMRE fue diseñado para proporcionar información operativa sobre la respuesta del difenilo a la radiación nuclear alta y al flujo de neutrones térmicos , con flexibilidad para probar otros polifenilos como el terfenilo . ^{[ 7 ]}

Los criterios de diseño establecidos incluían: ^{[ 7 ] [ 5 ]}

1. Temperatura máxima de la superficie del combustible entre 750 °F (400 °C) y 800 °F (430 °C).
2. Temperatura del refrigerante principal entre 500 °F (260 °C) y 700 °F (370 °C)
3. Velocidad del refrigerante en las placas de combustible de hasta 15 pies/s (4,6 m/s).
4. Capacidad de rechazo de calor de 16 MWt
5. 25 elementos combustibles que representan un total de 20,6 kg de U ²³⁵
6. Consumo de combustible del 11,2% de U ²³⁵
7. Flujo promedio de neutrones térmicos en el combustible de 2 × ^10¹³ n/cm² ^/ s a 500 °F (260 °C)
8. Presión del sistema del reactor de 300  psi (21 bar)

El elemento combustible era una caja de acero inoxidable en la que se alojaban 16 placas de combustible activas en ranuras longitudinales. Cada placa de combustible consistía en un núcleo de partículas de uranio altamente enriquecido uniformemente dispersas en una matriz de acero inoxidable, ^{[ 8 ]} revestida con acero inoxidable 304 y laminada en una placa de combustible de 0,030 pulgadas (0,76 mm) de espesor, 2,760 pulgadas (70 mm) de ancho y 37 pulgadas (940 mm). ^{[ 5 ]} Las dimensiones del núcleo rectangular del reactor eran de 57 centímetros por 69 centímetros por 91 centímetros. ^{[ 9 ]}

El recipiente del reactor se llenó con difenilo para obtener 14 pies de blindaje contra la radiación sobre el núcleo del reactor a 250 °F (120 °C). Se presurizó hasta 300 psi con nitrógeno inerte presurizado a 200  psi (14 bar) para evitar la ebullición del hidrocarburo. ^{[ 7 ]} El nitrógeno se purgó continuamente del sistema para eliminar cualquier hidrógeno y gases de hidrocarburos ligeros, como metano o etano , producidos por la descomposición del refrigerante-moderador debido a la pirólisis y radiólisis , y descargarlos por la chimenea. ^{[ 1 ]}

Se bombeó refrigerante a 7200  galones estadounidenses por minuto (27 metros cúbicos por minuto) a través de un intercambiador de calor de aire forzado para disipar el calor del núcleo a la atmósfera. ^{[ 7 ]} No se utilizó un sistema de vapor ni un sistema de conversión de energía para simplificar la construcción y el funcionamiento del experimento del reactor.

A altas temperaturas y bajo irradiación, los hidrocarburos se descomponen y forman cadenas más largas con un peso molecular creciente . Esto degrada gradualmente la transferencia de calor y las características de flujo del fluido. Para mitigar este efecto, se implementó un sistema continuo de purificación del refrigerante-moderador para eliminar los hidrocarburos dañados por el calor o la radiación. Este proceso se realizó mediante un sistema de destilación a baja presión .

Todos los sistemas se construyeron con acero al carbono , excepto el recipiente del reactor. Todos los sistemas contaban con calentadores (incluidos calentamiento por inducción , calentamiento por resistencia y un calentador de aceite en los intercambiadores de calor de aire comprimido) para elevar la temperatura del sistema por encima del punto de fusión del refrigerante moderador.

La construcción de OMRE comenzó el 17 de junio de 1956 ^{[ 10 ]} y se completó en mayo de 1957. ^{[ 6 ]} La contención del reactor se construyó parcialmente bajo tierra y consistía en una losa de hormigón y un cilindro de acero corrugado rodeado de tierra compactada para el blindaje contra la radiación. ^{[ 11 ] : 86}

La Oficina de Operaciones de Idaho y la Comisión de Energía Atómica realizaron en la Fase I de la construcción la limpieza, nivelación, caminos, senderos, drenaje, suministro de agua, subestación eléctrica, sistemas de residuos sanitarios y de proceso, cercado, iluminación de seguridad, puesto de vigilancia, sistema de comunicaciones, edificio de control y procesamiento, y excavación de los cimientos del reactor. ^{[ 10 ]} Se produjeron algunos retrasos debido a demoras en la asignación de fondos y una huelga de la industria siderúrgica.

El principal inconveniente fue el funcionamiento insatisfactorio del mecanismo de accionamiento de la barra de control. Durante las pruebas, se hizo evidente que el diseño original no funcionaría y que era necesario un nuevo enfoque.

Las tuberías de proceso se construyeron con acero al carbono de la serie 40 .

Los edificios y las instalaciones fueron construidos por Wadsworth & Arrington.

El OMRE alcanzó la criticidad por primera vez el 17 de septiembre de 1957 y llegó a plena potencia a principios de febrero de 1958. ^{[ 1 ]} El reactor operó en dos modos: sin el sistema de purificación y con el sistema de purificación. Se realizaron diecisiete pruebas con el primer núcleo del OMRE a lo largo de 1958 con una potencia del reactor entre 0 y 12 MWt.

Las tres primeras pruebas fueron pruebas de verificación del sistema, que abarcaron todos los sistemas principales. Las pruebas subsiguientes simularon las condiciones que se esperaban encontrar en la Central Nuclear de Piqua . La prueba 4 demostró que la tasa de descomposición pirolítica en las tuberías externas era insignificante. Las pruebas 5 a 11 midieron la tasa de descomposición y el efecto del daño por radiación en las características de transferencia de calor del refrigerante-moderador. Las pruebas 12 y 13 evaluaron la capacidad del sistema de purificación para reducir la concentración de materia particulada inorgánica, al tiempo que reducía la concentración en la caldera alta del 40 % al 8 %. ^{[ 1 ]}

Se produjeron tres fallos en los elementos combustibles durante la primera operación del núcleo. Dos ocurrieron en conjuntos experimentales de bajo enriquecimiento con revestimiento de aluminio aleteado debido a una filtración inadecuada del refrigerante, y el tercero fue causado por un asentamiento incorrecto del elemento. ^{[ 1 ]}

Al finalizar el primer año, el núcleo había generado 958 MW-día de energía y había estado en funcionamiento durante 5600 horas. Posteriormente, se realizó una parada prolongada para reemplazar el núcleo. ^{[ 1 ]}

Los problemas con la purificación del refrigerante complicaron el funcionamiento del reactor OMRE. La polimerización del refrigerante de terfenilo (Santowax OM, posteriormente Santowax R) provocó la obstrucción y el ensuciamiento de los canales de refrigerante y la instalación de un sistema de purificación de refrigerante en línea. ^{[ 12 ] [ 13 ]} Estas complicaciones y el progreso de la tecnología de reactores nucleares refrigerados por agua llevaron a la decisión de la Comisión de Energía Atómica de los Estados Unidos de reducir el programa estadounidense de reactores nucleares orgánicos el 10 de diciembre de 1962 y, finalmente, de cerrar el OMRE el 30 de junio de 1963. ^{[ 14 ]} El Reactor Experimental Refrigerado Orgánico (EOCR) se construyó junto al OMRE en previsión de un mayor desarrollo del concepto. Durante las etapas finales de su construcción, el EOCR también se puso en reserva y nunca se puso en funcionamiento. ^{[ 15 ] [ 16 ] [ 13 ]}

Inmediatamente después del cierre definitivo de OMRE, ^{[ 14 ] [ 11 ]} se retiraron el combustible nuclear y los componentes internos del recipiente del reactor, y el refrigerante orgánico Santowax R (nombre comercial de una mezcla de isómeros de terfenilo y difenilo) se drenó de todos los sistemas y permaneció en esta condición desactivada hasta 1977.

La instalación fue finalmente descontaminada y desmantelada entre octubre de 1977 y septiembre de 1979. ^{[ 11 ]} El proceso se complicó por la existencia de restos de Santowax-R y xileno tóxicos e inflamables , un recipiente radiactivo activado por neutrones que emitía 350 R/h y aislamiento de amianto . Además, debido a que el diseño no incluyó un blindaje contra neutrones suficiente, se eliminó una cantidad extraordinaria e inesperada de roca y suelo activados. ^{[ 11 ] : ii}

La radiación superficial del material de excavación y de relleno se redujo a 20 R /h o menos, y el contenido de nucleidos del suelo de relleno se redujo a menos de 0,5 pCi /g.

En 1977, se estimó inicialmente que el esfuerzo de desmantelamiento costaría 700 000 dólares (equivalente a 3 700 000 dólares en 2025) y duraría dos años, y se completó a tiempo y por debajo del presupuesto, con un costo total de 500 000 dólares (equivalente a 2 700 000 dólares en 2025). ^{[ 11 ] : 15}

• Experimento con reactor orgánico moderado (documental de 1958)
• Reactores orgánicos refrigerados: cinco datos clave (artículo de la Sociedad Nuclear Estadounidense de 2019)