reactor refrigerado por metal líquido

Clementine fue el primer reactor nuclear refrigerado por metal líquido y utilizó mercurio como refrigerante, considerado la opción obvia ya que es líquido a temperatura ambiente. Sin embargo, debido a desventajas como alta toxicidad, alta presión de vapor incluso a temperatura ambiente, bajo punto de ebullición que produce humos tóxicos al calentarse, conductividad térmica relativamente baja ^{[ 2 ]} y una alta ^{[ 3 ]} sección transversal de neutrones , ha caído en desuso.

El sodio y el NaK (una aleación eutéctica de sodio y potasio) no corroen el acero de forma significativa y son compatibles con muchos combustibles nucleares, lo que permite una amplia variedad de materiales estructurales. El NaK se utilizó como refrigerante en el primer prototipo de reactor reproductor, el Reactor Reproductor Experimental-1 , en 1951.

El sodio es un moderador de neutrones deficiente y permite que un reactor opere con un espectro de neutrones rápidos como en un reactor rápido refrigerado por sodio . También puede usarse como refrigerante en un reactor térmico cuando se combina con un moderador separado como el grafito, como en un reactor de sodio-grafito ( SGR ). Como reactores moderados por grafito, los SGR permiten el uso de combustible de uranio natural en lugar de uranio enriquecido , y su refrigerante de sodio permite la operación a alta temperatura y, por lo tanto, una alta eficiencia térmica. ^{[ 4 ]} Dado que el sodio líquido permanece a baja presión, los SGR evitan el costoso recipiente de presión del reactor y los sistemas de tuberías de los reactores de agua ligera . También presentan un coeficiente de temperatura de reactividad del combustible negativo fuerte y rápido , lo que hace que dichos reactores sean comparativamente fáciles de controlar. ^{[ 5 ]} Los SGR se experimentaron en la década de 1950 comenzando con el Experimento del Reactor de Sodio , pero pronto cayeron en desuso debido a problemas con su refrigerante de sodio y la competencia de diseños de reactores de agua ligera alternativos. ^{[ 4 ]}

El sodio y el NaK, sin embargo, se inflaman espontáneamente al contacto con el aire y reaccionan violentamente con el agua, produciendo gas hidrógeno. Este fue el caso en la central nuclear de Monju en un accidente e incendio en 1995. El sodio era el refrigerante utilizado en el reactor reproductor experimental II . En 1986, se demostró ante una audiencia internacional invitada que era seguro y que no requería intervención humana. El sodio también es el refrigerante utilizado en la serie de reactores rusos BN y en la serie china CFR que actualmente operan comercialmente. ^{[ 6 ] [ 7 ]} La activación neutrónica del sodio también hace que estos líquidos se vuelvan intensamente radiactivos durante su funcionamiento, aunque su vida media es corta y, por lo tanto, su radiactividad no plantea una preocupación adicional en cuanto a su eliminación.

Existen dos propuestas para un reactor LMFR de cuarta generación refrigerado por sodio: una basada en combustible de óxido y la otra en un reactor rápido integral alimentado con metal .

Un reactor GE Vernova Hitachi PRISM refrigerado por sodio formará parte del sistema Natrium que está construyendo TerraPower en Kemmerer, Wyoming .

El plomo posee excelentes propiedades neutrónicas (reflexión, baja absorción) y es un escudo de radiación muy potente contra los rayos gamma . Su alto punto de ebullición proporciona ventajas de seguridad, ya que puede enfriar el reactor de manera eficiente incluso si alcanza varios cientos de grados Celsius por encima de las condiciones normales de funcionamiento. Sin embargo, debido a que el plomo tiene un alto punto de fusión y una alta presión de vapor, es complicado recargar y dar servicio a un reactor refrigerado por plomo. El punto de fusión se puede reducir aleando el plomo con bismuto , pero el eutéctico plomo-bismuto es altamente corrosivo para la mayoría de los metales ^{[ 8 ] [ 9 ]} utilizados en materiales estructurales. La alta densidad y viscosidad del plomo resulta en un elevado coste de bombeo, lo que reduce la eficiencia general del sistema. La absorción de neutrones en el plomo y el bismuto produce isótopos radiactivos con vidas medias relativamente largas. El más peligroso de ellos es el polonio-210, que se utilizó para envenenar a Alexander Litvinenko el 1 de noviembre de 2006.

El eutéctico de plomo-bismuto permite el funcionamiento a temperaturas más bajas, evitando la congelación del refrigerante metálico en un rango de temperatura inferior ( punto eutéctico : 123,5 °C / 255,3 °F) . ^{[ 8 ] [ 10 ]}

Además de su carácter altamente corrosivo, ^{[ 8 ] [ 9 ]} su principal desventaja es la formación por activación neutrónica de ²⁰⁹Bi (y posterior desintegración beta ) de ²¹⁰Po ( T _{1 ⁄ 2} = 138,38 días), un emisor alfa volátil altamente radiotóxico (la radiotoxicidad más alta conocida , superior a la del plutonio ).

Aunque el estaño hoy en día no se usa como refrigerante para reactores en funcionamiento porque forma una costra, ^{[ 11 ]} puede ser un refrigerante adicional o de reemplazo útil en desastres nucleares o accidentes por pérdida de refrigerante . ^{[ 12 ]}

El submarino soviético de la clase November, el K-27 , y los siete submarinos de la clase Alfa utilizaban reactores refrigerados por una aleación eutéctica de plomo-bismuto y moderados con berilio como sistemas de propulsión. ( Reactores VT-1 en el K-27 ; reactores BM-40A y OK-550 en los demás).

El segundo submarino nuclear, el USS Seawolf,  fue el único submarino estadounidense con una planta de energía nuclear refrigerada por sodio y moderada por berilio . Entró en servicio en 1957, pero presentaba fugas en sus sobrecalentadores , que fueron desviados. Para estandarizar los reactores de la flota, el reactor refrigerado por sodio y moderado por berilio del submarino fue retirado a partir de 1958 y reemplazado por un reactor de agua a presión .

Pratt & Whitney estudió reactores refrigerados por metal líquido para su uso en aeronaves nucleares como parte del programa de propulsión nuclear para aeronaves . ^{[ 13 ]}