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reactor de lecho de guijarros

Esquema de un reactor de lecho de guijarros. Un reactor de lecho de guijarros ( PBR ) es un tipo de reactor nuclear donde el combustible nuclear está contenido dentro de un lech...

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Esquema de un reactor de lecho de guijarros.

Un reactor de lecho de guijarros ( PBR ) es un tipo de reactor nuclear donde el combustible nuclear está contenido dentro de un lecho de esferas de grafito pirolítico (guijarros), donde el grafito actúa como moderador de neutrones . [ 1 ] Los reactores de lecho de guijarros suelen ser reactores de alta temperatura refrigerados por gas (HTGR) y pueden recargarse durante su funcionamiento . [ 2 ] El diseño PBR refrigerado por helio se considera un tipo de reactor de muy alta temperatura (VHTR), una de las seis clases de reactores nucleares de la iniciativa Generación IV . [ 2 ]

Una esfera de combustible de grafito para un reactor de lecho de guijarros.

El diseño básico presenta elementos combustibles esféricos llamados guijarros. Estos elementos del tamaño de una pelota de tenis (aproximadamente 6,7 cm o 2,6 pulgadas de diámetro) están hechos de grafito pirolítico (que actúa como moderador) y contienen miles de partículas combustibles de 1 mm llamadas partículas triestructurales-isotrópicas (TRISO). [ 3 ] Estas partículas TRISO consisten en un material fisionable (como 235  U ) rodeado por un recubrimiento cerámico de carburo de silicio para integridad estructural y contención de productos de fisión. Miles de guijarros se acumulan para crear un núcleo de reactor . El núcleo se enfría mediante un gas que no reacciona químicamente con los elementos combustibles, como helio , nitrógeno o dióxido de carbono . Se han sugeridootros refrigerantes como FLiBe ( Li₂ (BeF₄ ) fundido ) . [ 1 ] [ 4 ]

El diseño de lecho de guijarros presenta características de seguridad pasiva . [ 5 ] Debido a que el reactor está diseñado para soportar altas temperaturas, puede enfriarse mediante circulación natural y sobrevivir a escenarios de accidente, que podrían elevar la temperatura del reactor a 1600  °C (2910  °F). Sus temperaturas normales de funcionamiento son más altas que las de las centrales nucleares tradicionales, lo que permite una mayor eficiencia térmica (hasta un 50 %). Además, los gases no disuelven contaminantes ni absorben neutrones como lo hace el agua, lo que resulta en una menor cantidad de fluidos radiactivos en el núcleo.

El concepto fue sugerido por primera vez por Farrington Daniels en la década de 1940, inspirado por el innovador diseño del quemador de Benghazi de las tropas británicas del desierto en la Segunda Guerra Mundial. El desarrollo comercial llegó en la década de 1960 a través del reactor AVR de Alemania Occidental diseñado por Rudolf Schulten . [ 6 ] Este sistema estuvo plagado de problemas y la tecnología fue abandonada. [ 7 ] El diseño AVR fue licenciado a Sudáfrica como PBMR y a China como HTR-10 . El prototipo HTR-10 se desarrolló en la planta de demostración HTR-PM de China , que conecta dos reactores a una sola turbina que produce 210 MW e , operando comercialmente desde 2023. Otros diseños están en desarrollo por el MIT , la Universidad de California en Berkeley , General Atomics (EE. UU.), la empresa holandesa Romawa BV, Adams Atomic Engines , el Laboratorio Nacional de Idaho , X-energy y Kairos Power . 

Diseño

Una central eléctrica de lecho de guijarros combina un núcleo refrigerado por gas y un novedoso sistema de empaquetado de combustible. [ 8 ]

Los combustibles nucleares de uranio , torio o plutonio se presentan en forma de cerámica (generalmente óxidos o carburos ) contenida dentro de esferas ligeramente más pequeñas que una pelota de tenis, hechas de grafito pirolítico, que actúa como moderador primario de neutrones . El diseño de las esferas es relativamente simple: cada esfera consta del combustible nuclear, la barrera de productos de fisión y el moderador (que en un reactor de agua tradicional serían componentes distintos). La agrupación de suficientes esferas con la geometría adecuada crea criticidad .

Los guijarros se encuentran en un recipiente, y un gas inerte (como helio, nitrógeno o dióxido de carbono) circula entre ellos para disipar el calor del reactor. Los reactores de lecho de guijarros deben evitar que el grafito de los guijarros se queme en presencia de aire si se perfora la pared del reactor (la inflamabilidad de los guijarros es objeto de debate ). El gas caliente se dirige directamente a una turbina . Sin embargo, si el gas del refrigerante primario puede volverse radiactivo por los neutrones del reactor, o si un defecto en el combustible pudiera contaminar el equipo de producción de energía, se puede llevar a un intercambiador de calor donde calienta otro gas o produce vapor. El escape de la turbina está caliente y puede utilizarse para calentar edificios o en otras aplicaciones.

Los reactores de lecho de guijarros se enfrían con gas, a veces a bajas presiones. Los espacios entre los guijarros sustituyen las tuberías de los reactores convencionales. Dado que no hay tuberías en el núcleo y el refrigerante no contiene hidrógeno, la fragilización no representa un riesgo de fallo. El gas preferido, el helio, no absorbe fácilmente neutrones ni impurezas. Por lo tanto, en comparación con el agua, es más eficiente y tiene menos probabilidades de volverse radiactivo.

Gran parte del coste de una central nuclear convencional refrigerada por agua se debe a la complejidad de su sistema de refrigeración, un factor que no se presenta en los reactores de lecho fijo. Las centrales convencionales requieren sistemas de seguridad complejos y sistemas de respaldo redundantes. Sus núcleos de reactor son mucho más grandes que sus sistemas de refrigeración. Además, el núcleo irradia el agua con neutrones, lo que provoca que tanto el agua como las impurezas disueltas en ella se vuelvan radiactivas. Las tuberías de alta presión en el lado primario acaban fragilizándose y requieren inspección y sustitución.

Algunos diseños se regulan mediante la temperatura en lugar de mediante barras de control . Estos reactores no necesitan funcionar correctamente con los perfiles de neutrones variables causados ​​por la retracción parcial de las barras de control.

Los reactores de lecho de guijarros (PBR) pueden utilizar guijarros de combustible fabricados con diversos combustibles en el mismo diseño (aunque quizás no simultáneamente). Sus defensores afirman que los reactores de lecho de guijarros pueden utilizar torio, plutonio y uranio natural no enriquecido, así como uranio enriquecido .

En la mayoría de los diseños estacionarios, el reemplazo del combustible es continuo. Los guijarros se colocan en un reactor con forma de contenedor. Los guijarros se desplazan desde la parte inferior hasta la superior unas diez veces a lo largo de varios años y se prueban después de cada recorrido. Los guijarros usados ​​se retiran al área de residuos nucleares y se reemplazan por uno nuevo.

Seguridad

Cuando la temperatura del reactor aumenta, los átomos del combustible se mueven rápidamente, provocando un ensanchamiento Doppler . El combustible experimenta entonces un rango más amplio de velocidades de neutrones. El uranio-238 , que constituye la mayor parte del uranio, es mucho más propenso a absorber neutrones rápidos o epitérmicos a temperaturas elevadas. Esto reduce la cantidad de neutrones disponibles para provocar la fisión y, por lo tanto, la potencia. El ensanchamiento Doppler genera, en consecuencia, una retroalimentación negativa: a medida que aumenta la temperatura del combustible, disminuye la potencia del reactor. Todos los reactores cuentan con mecanismos de retroalimentación de reactividad. El reactor de lecho de guijarros está diseñado de manera que este efecto sea relativamente fuerte, inherente al diseño y no dependa de piezas móviles. Esta retroalimentación negativa genera un control pasivo del proceso de reacción.

De este modo, los PBR reducen pasivamente su potencia a un nivel seguro en caso de accidente. Esta es la principal característica de seguridad pasiva del diseño.

El reactor se enfría mediante un gas inerte e ignífugo que no experimenta transiciones de fase ; siempre se encuentra en estado gaseoso. El moderador es carbono sólido; no actúa como refrigerante, ni se mueve, ni cambia de fase.

La convección del gas, impulsada por el calor de los guijarros, asegura que estos se enfríen pasivamente. [ 9 ]

Incluso en caso de que falle toda la maquinaria de apoyo, el reactor no se agrietará, fundirá, explotará ni liberará residuos peligrosos. Se calienta hasta una temperatura de reposo predefinida y se mantiene a esa temperatura. En reposo, el recipiente del reactor irradia calor, pero tanto el recipiente como las esferas de combustible permanecen intactos y sin daños. La maquinaria puede repararse o el combustible puede extraerse.

En una prueba de seguridad realizada con el reactor alemán AVR, se retiraron todas las barras de control y se interrumpió el flujo de refrigerante. El combustible permaneció intacto. [ 10 ]

Los reactores fotovoltaicos ( PBR) se operan intencionalmente por encima de la temperatura de recocido del grafito de 250 °C (482 °F) , para evitar la acumulación de energía de Wigner . Esto resuelve un problema detectado en el incendio de Windscale . Un reactor (que no era un PBR) se incendió debido a la liberación de energía almacenada como dislocaciones cristalinas (energía de Wigner) en el grafito. Las dislocaciones son causadas por el paso de neutrones a través del grafito. Windscale recocía regularmente el grafito para liberar la energía de Wigner acumulada. Sin embargo, este efecto no se anticipó y, dado que el reactor se enfriaba con aire ambiente en un ciclo abierto, el proceso no pudo controlarse de manera fiable, lo que provocó el incendio.  

El profesor de Berkeley, Richard A. Muller, describió los PBR como "en todos los sentidos... más seguros que los reactores nucleares actuales". [ 11 ]

Contención

La mayoría de los diseños de PBR incluyen múltiples niveles de contención reforzados para evitar el contacto entre los materiales radiactivos y la biosfera:

  • La mayoría de los reactores están encerrados en un edificio de contención diseñado para resistir accidentes aéreos y terremotos.
  • El reactor suele estar ubicado en una sala con paredes de dos metros de espesor, puertas que se pueden cerrar y cámaras de refrigeración que se pueden llenar de agua.
  • El recipiente del reactor suele estar sellado.
  • Cada guijarro, dentro del recipiente, es una esfera hueca de 60 milímetros (2,4 pulgadas) de grafito pirolítico, envuelta en carburo de silicio ignífugo. 
  • Carbono pirolítico poroso de baja densidad, carbono pirolítico no poroso de alta densidad
  • El combustible de fisión se presenta en forma de óxidos o carburos metálicos.

El grafito pirolítico es el principal material estructural de los guijarros. Se sublima a 4000 °C (7230 °F) , más del doble de la temperatura de diseño de la mayoría de los reactores. Ralentiza los neutrones eficazmente, es resistente, económico y tiene una larga historia de uso en reactores y otras aplicaciones de alta temperatura. Por ejemplo, el grafito pirolítico también se utiliza, sin refuerzo, para construir ojivas de reentrada de misiles y grandes toberas de cohetes sólidos. [ 12 ] Su resistencia y dureza provienen de sus cristales anisotrópicos.  

El carbono pirolítico puede arder en el aire cuando la reacción es catalizada por un radical hidroxilo (por ejemplo, del agua). [ 9 ] Ejemplos tristemente célebres incluyen los accidentes de Windscale y Chernóbil , ambos reactores moderados por grafito. Sin embargo, los reactores de lecho fijo se enfrían con gases inertes para prevenir incendios. Todos los diseños cuentan con al menos una capa de carburo de silicio que actúa como barrera contra incendios y sello.

Producción de combustible

Todos los núcleos se precipitan a partir de un sol-gel , luego se lavan, se secan y se calcinan. Los núcleos estadounidenses utilizan carburo de uranio , mientras que los alemanes (AVR) utilizan dióxido de uranio . Los gránulos de combustible producidos en Alemania liberan aproximadamente 1000 veces menos gas radiactivo que sus equivalentes estadounidenses, debido a ese método de construcción. [ 13 ] [ 14 ]

Críticas al diseño

combustión de grafito

La principal crítica a los reactores de lecho de guijarros es que el recubrimiento de grafito para el combustible supone un peligro. El grafito puede arder en presencia de aire, lo que podría ocurrir si la vasija del reactor se ve comprometida. El fuego podría vaporizar el combustible, que luego podría liberarse al entorno. Los núcleos de combustible están recubiertos con una capa de carburo de silicio para aislar el grafito. Si bien el carburo de silicio es resistente a la abrasión y la compresión , tiene menor resistencia a la expansión y a las fuerzas de cizallamiento. Algunos productos de fisión, como el 133El xenón tiene una capacidad de absorción limitada en el carbono, por lo que algunos núcleos de combustible podrían acumular suficiente gas como para romper el carburo de silicio.

Edificio de contención

Algunos diseños no incluyen un edificio de contención. Sin embargo, la mayoría están rodeados por una estructura de contención de hormigón armado. [ 15 ]

Gestión de residuos

Los volúmenes de residuos de PBR son mucho mayores, pero presentan una radiactividad similar medida en becquerelios por kilovatio-hora . Estos residuos suelen ser menos peligrosos y más fáciles de manejar. La legislación estadounidense vigente exige que todos los residuos se almacenen de forma segura, lo que requiere instalaciones de almacenamiento. Los defectos en los guijarros pueden complicar el almacenamiento. Los guijarros de grafito son más difíciles de reprocesar debido a su composición.

Informe de 2008

En 2008, un informe [ 16 ] [ 17 ] sobre aspectos de seguridad del reactor AVR de Alemania y características generales del PBR atrajo la atención. Las afirmaciones son cuestionadas. [ 18 ] El informe citó:

  • Resulta imposible colocar equipos de medición estándar en el núcleo del reactor.
  • El circuito de refrigeración puede contaminarse con productos de fisión metálicos ( 90Sr. , 137Cs ) debido a la limitada capacidad de retención de guijarros para los productos de fisión metálicos. El informe afirmaba que incluso los elementos combustibles modernos no retienen suficientemente el estroncio y el cesio .
  • Temperaturas centrales elevadas (> 200 °C o 360 °F por encima de los valores calculados)  
  • Formación de polvo por fricción de guijarros bajo la brecha de guijarros (el polvo actúa como un portador móvil de productos de fisión, si los productos de fisión escapan de las partículas de combustible).

El autor del informe, Rainer Moormann , recomendó que la temperatura media del helio caliente se limitara a 800 °C (1470 °F) menos la incertidumbre de las temperaturas del núcleo (unos 200 °C o 360 °F ).    

Historia

Farrington Daniels concibió el concepto y le dio nombre en 1947 en Oak Ridge. [ 19 ] Rudolf Schulten desarrolló la idea en la década de 1950. La clave fue combinar combustible, estructura, contención y moderador de neutrones en una esfera pequeña y resistente. El concepto dependía de la disponibilidad de formas de carburo de silicio y carbono pirolítico diseñadas para ser resistentes.

AVR

AVR en Alemania.

En el Centro de Investigación de Jülich, en Jülich , Alemania Occidental , se construyó un reactor de demostración de 15 MWe , denominado Arbeitsgemeinschaft Versuchsreaktor ( Consorcio de Reactores Experimentales ) . El objetivo era adquirir experiencia operativa con un reactor de alta temperatura refrigerado por gas. El coste de construcción del AVR fue de 115 millones de marcos alemanes (1966), equivalentes a 180 millones de euros en 2010. La unidad alcanzó su primer punto crítico el 26 de agosto de 1966 y funcionó con éxito durante 21 años.

En 1978, la central nuclear de AVR sufrió un accidente por entrada de agua/vapor de 30 toneladas métricas (30 toneladas largas; 33 toneladas cortas) , que provocó la contaminación del suelo y las aguas subterráneas con estroncio-90 y tritio. La fuga en el generador de vapor que originó este accidente probablemente se debió a las altas temperaturas del núcleo (véase la sección de críticas). El gobierno local anunció una nueva investigación del accidente en julio de 2010. [ 20 ]

El reactor AVR fue diseñado originalmente para producir uranio-233 a partir de torio-232 . Un reactor reproductor de torio práctico se consideraba una tecnología valiosa. Sin embargo, el diseño del combustible del AVR lo contenía tan bien que la extracción del combustible transmutado resultaba antieconómica ; era más barato utilizar uranio extraído y purificado.

El reactor AVR utilizaba helio como refrigerante , el cual tiene una baja sección transversal de neutrones . Dado que absorbe pocos neutrones, el refrigerante permanece menos radiactivo. Resulta práctico dirigir el refrigerante primario directamente a las turbinas de generación de energía. Si bien la generación de energía utilizaba refrigerante primario, se informó que el personal del AVR estaba expuesto a menos de una quinta parte de la radiación que un reactor típico de agua ligera.

Desmantelamiento

Fue desmantelada el 1 de diciembre de 1988, a raíz del desastre de Chernóbil y problemas operativos. Durante la extracción de los elementos combustibles, se hizo evidente que el reflector de neutrones bajo el núcleo de lecho de guijarros se había agrietado durante su funcionamiento. Unos cientos de elementos combustibles quedaron atrapados en la grieta. Durante este examen se reveló que la AVR era la instalación nuclear con mayor contaminación beta ( estroncio-90 ) del mundo y que esta contaminación se presentaba en forma de polvo (la forma más peligrosa). [ 21 ]

Las inestabilidades localizadas de la temperatura del combustible provocaron una grave contaminación del recipiente por Cs-137 y Sr-90 . El recipiente del reactor se llenó con hormigón ligero para fijar el polvo radiactivo y, en 2012, el recipiente del reactor de 2100 toneladas métricas (2100 toneladas largas; 2300 toneladas cortas) se trasladó a un depósito intermedio hasta que se encontrara una solución permanente. Los edificios del reactor se desmantelaron y el suelo y las aguas subterráneas se descontaminaron. Se esperaba que los costes de desmantelamiento del AVR superaran con creces sus costes de construcción. En agosto de 2010, el gobierno alemán estimó los costes de desmantelamiento del AVR, sin tener en cuenta el desmantelamiento del recipiente, en 600 millones de euros (750 millones de dólares, lo que correspondía a 0,4 euros (0,55 dólares) por kWh de electricidad generada por el AVR). Se construyó una contención separada para fines de desmantelamiento, como se ve en la imagen del AVR.

Reactor de alta temperatura de torio

Tras la experiencia con el reactor AVR, Alemania construyó una central eléctrica a gran escala (el reactor de alta temperatura de torio o THTR-300, con una potencia nominal de 300 MW), utilizando torio como combustible. El THTR-300 sufrió dificultades técnicas y, debido a estas y a acontecimientos políticos en Alemania, fue clausurado tras cuatro años de funcionamiento. Un incidente ocurrido el 4 de mayo de 1986, pocos días después del desastre de Chernóbil, permitió la liberación de parte del material radiactivo al medio ambiente. Si bien el impacto radiológico fue pequeño, tuvo consecuencias desproporcionadas. La liberación se debió a un error humano durante una obstrucción de guijarros en una tubería. Al intentar reactivar el movimiento de los guijarros aumentando el flujo de gas, se levantó polvo, siempre presente en los reactores de lecho fijo, que posteriormente se liberó al medio ambiente sin filtrar debido a una válvula que se abrió erróneamente.

A pesar de la cantidad limitada de radiactividad liberada (0,1 GBq 60Co , 137Cs , 233Pa ), se nombró una comisión de investigación. Finalmente se determinó que la radiactividad en las proximidades del THTR-300 provenía en un 25 % de Chernóbil y en un 75 % del THTR-300. La gestión de este pequeño accidente dañó gravemente la credibilidad de la comunidad alemana de reactores de lecho de guijarros, que perdió apoyo en Alemania. [ 22 ]

El diseño excesivamente complejo del reactor, contrario al concepto general de reactores de torio auto-moderados diseñados en EE. UU., también sufrió la imprevista alta tasa de destrucción de guijarros durante la serie de pruebas y la consiguiente mayor contaminación de la estructura de contención. Los restos de guijarros y el polvo de grafito bloquearon algunos de los canales de refrigeración en el reflector inferior, como se descubrió durante la extracción del combustible después del apagado final. Un fallo en el aislamiento requirió paradas frecuentes del reactor para inspección, ya que el aislamiento no se podía reparar. Los componentes metálicos en el conducto de gases calientes fallaron en septiembre de 1988, probablemente debido a la fatiga térmica inducida por corrientes inesperadas de gases calientes. [ 23 ] Este fallo provocó una parada prolongada para inspecciones. En agosto de 1989, la empresa THTR estuvo a punto de quebrar, pero fue rescatada por el gobierno. Los inesperados altos costos de operación del THTR y el accidente acabaron con el interés en los reactores THTR. El gobierno decidió poner fin a la operación del reactor THTR a finales de septiembre de 1989. Este reactor en particular se construyó a pesar de las críticas recibidas durante la fase de diseño. La mayoría de esas críticas, formuladas por físicos alemanes y estadounidenses del Laboratorio Nacional, fueron ignoradas hasta su cierre. Casi todos los problemas que presentó el reactor THTR 300 fueron predichos por los mismos físicos que lo criticaron por ser "excesivamente complejo".

Porcelana

En 2004, China obtuvo la licencia de la tecnología AVR y desarrolló un reactor para la generación de energía. [ 24 ] El prototipo de 10 megavatios se llama HTR-10 . Es un diseño convencional de turbina de helio refrigerada por helio. En 2021, los chinos construyeron una unidad bruta HTR-PM  de 211 MW e , que incorpora dos reactores de 250 MW t . [ 25 ] A partir de 2021 Se estaban considerando cuatro emplazamientos para un sucesor de 6 reactores, el HTR-PM600. [ 25 ]

Otros diseños

Sudáfrica

En junio de 2004, se anunció que Eskom , la empresa eléctrica estatal, construiría un nuevo reactor PBMR en Koeberg, Sudáfrica, para operar a 940 ° C ( 1720 ° F ) . [ 26 ] El proyecto PBMR fue rechazado por grupos como Koeberg Alert y Earthlife Africa , este último demandando a Eskom. [ 27 ] El reactor nunca se completó y la instalación de pruebas fue desmantelada y puesta en "modo de cuidado y mantenimiento" para proteger la propiedad intelectual y los activos. [ 28 ]  

La empresa Stratek Global, con sede en Pretoria, creó una variante del reactor PBMR. El reactor Stratek HTMR-100 funciona a 750 °C (1380 °F) . Transfiere el calor al agua para generar vapor y se refrigera con helio. El reactor HTMR-100 produce una potencia de 35 MWe. [ 29 ]  

Energía X

X-Energy, Inc. es una empresa estadounidense de ingeniería de reactores nucleares y combustibles que cotiza en bolsa , con sede en Rockville, Maryland . Está desarrollando un reactor de lecho de guijarros refrigerado por gas de alta temperatura, el Xe-100, así como un tipo patentado de combustible TRISO llamado TRISO-X.

Véase también

Referencias

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  2. 1 2 Sol, Qi; Peng, Wei; Yu, Suyuan; Wang, Kaiyuan (15 de abril de 2020). "Una revisión de la investigación sobre el transporte de polvo de grafito HTGR". Ingeniería y Diseño Nuclear . 360 . doi : 10.1016/j.nucengdes.2019.110477 .
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