combustible TRISO

El combustible isotrópico triestructural (TRISO) es un tipo de combustible nuclear de micropartículas . Cada partícula consta de un núcleo de dióxido de uranio (UO₂ ₎ (a veces denominado UC o UCO), recubierto con cuatro capas de tres materiales isotrópicos depositados mediante deposición química de vapor en lecho fluidizado . Las partículas de combustible TRISO están diseñadas para no agrietarse debido a tensiones térmicas o mecánicas a temperaturas de hasta 1600  °C, por lo que pueden contener los productos de fisión radiactivos incluso en caso de accidentes graves.

Cada partícula está recubierta con una capa amortiguadora porosa de carbono que absorbe los retrocesos de los productos de fisión, seguida de una densa capa interna de carbono pirolítico protector (PyC), seguida de una capa cerámica de carburo de silicio (SiC) para retener los productos de fisión a temperaturas elevadas y para dar a la partícula TRISO mayor integridad estructural, y sellada por una densa capa externa de PyC. ^{[ 1 ]} Las partículas TRISO terminadas se incrustan en una matriz de grafito para formar elementos combustibles esféricos o cilíndricos.

Históricamente, TRISO se ha utilizado en reactores de gas de alta temperatura (HTGR), tanto de bloques prismáticos como de lecho de guijarros . El primer reactor en utilizar TRISO fue el reactor Dragon, mientras que la primera central comercial fue la central nuclear de Fort Saint Vrain , un HTGR de bloques prismáticos. A partir de 2026, los compactos de combustible TRISO se utilizan en algunos reactores experimentales, como el HTR-10 en China y el reactor de prueba de ingeniería de alta temperatura en Japón, así como comercialmente en el HTGR de lecho de guijarros HTR-PM de 100 MW _{e .}

Los combustibles cerámicos de partículas recubiertas se desarrollaron inicialmente en el Reino Unido como parte del proyecto del reactor Dragon . ^{[ 1 ] [ 2 ]} Durante el desarrollo del reactor Dragon, sus diseñadores se preocuparon por la necesidad de purgar los productos de fisión gaseosos del núcleo del reactor y su posible migración a otras partes del mismo. ^{[ 2 ]} Esta preocupación llevó a la elección del combustible de partículas recubiertas, donde el combustible se formaría a partir de pequeñas partículas de uranio recubiertas con carbono pirolítico. La inclusión de carburo de silicio como barrera de difusión fue sugerida por primera vez por DT Livey en 1961, ^{[ 2 ]} con el fin de retener mejor los productos de fisión.

También se trabajó en combustibles de partículas recubiertas al mismo tiempo en los Estados Unidos en la Comisión de Energía Atómica . ^{[ 2 ]} La Unidad 1 de Fondo de Melocotón , un HTGR de demostración de 40  MW _e , utilizó combustible prismático de partículas recubiertas que consistía en carburo de uranio altamente enriquecido (HEU) mezclado con carburo de torio y recubierto en una sola capa de carbono pirolítico en su primer núcleo. ^{[ 3 ] : 29} Debido a la fractura de la capa de carbono pirolítico, se agregó una capa amortiguadora de carbono poroso de baja densidad antes de la capa densa de PyC para absorber los retrocesos de los productos de fisión y acomodar la expansión del gas de fisión. Este nuevo diseño se utilizó en el segundo núcleo del reactor, y el diseño de partículas de dos capas se denominó combustible amortiguador-isotrópico o biestructural-isotrópico (BISO). ^{[ 1 ] [ 3 ] : 8} En Alemania, el reactor experimental AVR utilizó combustible BISO ^{de 232} ThO ₂ - ²³⁵ UO ₂ , pero en forma de guijarro esférico en lugar de bloques prismáticos. Este fue reemplazado por TRISO a finales de la década de 1970. ^{[ 1 ]} El reactor comercial posterior THTR-300 utilizó un combustible BISO de óxido similar al AVR y funcionó de 1983 a 1988. ^{[ 1 ]}

El primer HTGR comercial, y el primer reactor comercial en utilizar TRISO, fue la central nuclear de Fort Saint Vrain de 330 MW. Utilizó combustible de bloque prismático ₂₃₂  ThC ² - ₂₃₅ UC ² similar _a Peach Bottom, junto con elementos fértiles ²³² ThC ₂ en preparación para investigar un ciclo completo de combustible de torio utilizando ²³² Th - ²³³ U . ^{[ 4 ] [ 5 ] : A–41} Este combustible utilizó un recubrimiento TRISO completo de cuatro capas, y los elementos combustibles tuvieron un mejor desempeño del que anticiparon sus diseñadores. ^{[ 1 ]} Sin embargo, la planta sufrió serios problemas con sus componentes mecánicos, en particular con sus circuladores de helio, y logró una disponibilidad de solo el 14,6 %. ^{[ 5 ] : A–42} La experiencia en el programa estadounidense con combustible de carburo condujo a la transición a una mezcla de 80 % UO₂ , 20 % UC₂ , conocida como oxicarburo de uranio ( _UCO ), debido a su retención superior de productos de fisión en comparación con el carburo de uranio puro ₍ ^UC₂ ) . ^[ ₁ ^{] : 438}

El reactor experimental de prueba de alta temperatura en Japón, construido en 1998, utiliza combustible prismático UO ₂ TRISO. ^{[ 3 ] : 10} La Universidad de Tsinghua construyó un prototipo de HTGR de lecho de guijarros de 10 MW _{th , el} HTR-10 , en 2000. ^{[ 3 ] : 12} Utilizó guijarros UO ₂ TRISO que contenían uranio de bajo enriquecimiento y se utilizó como prototipo para el reactor modular pequeño HTR-PM de 100 MW _e más grande , que entró en funcionamiento en diciembre de 2021. A partir de 2026, es el único reactor alimentado con TRISO en operación comercial.  

En Estados Unidos, se está explorando el uso de TRISO en el concepto de reactor de muy alta temperatura , una de las seis clases de diseños de reactores en la iniciativa Generación IV que busca alcanzar temperaturas de salida de HTGR más altas. El HTGR de lecho de guijarros Xe-100 de X-energy planea usar guijarros esféricos que contienen partículas de TRISO con UCO, ^{[ 6 ] : 4} mientras que Kairos Power está construyendo un reactor de sales fundidas de lecho de guijarros de 50  MW _e que utiliza combustible TRISO con UCO que contiene uranio de bajo enriquecimiento de alto ensayo . ^{[ 7 ]}

combustible QUADRISO

El combustible QUADRISO es un concepto basado en TRISO que incorpora una capa de veneno neutrónico consumible ( óxido de europio , óxido de erbio o carburos ) que rodea el núcleo de combustible de partículas TRISO ordinarias para gestionar mejor el exceso de reactividad. Durante el funcionamiento del reactor, la irradiación neutrónica del veneno provoca su "consumo" o transmutación progresiva en isótopos no tóxicos, lo que reduce este efecto tóxico y deja cada vez más neutrones disponibles para mantener la reacción en cadena. Este mecanismo compensa la acumulación de venenos neutrónicos indeseables, que son una parte inevitable de los productos de fisión, así como el agotamiento normal del combustible fisionable. El concepto fue concebido en el Laboratorio Nacional Argonne . ^{[ 8 ]}

El combustible TRISO se fabrica comúnmente mediante el proceso sol-gel , desarrollado en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge en los Estados Unidos. ^{[ 1 ] [ 4 ] [ 9 ] [ 10 ]} Primero, el uranio o el torio se disuelven con ácido nítrico y se utiliza amoníaco para precipitar UO ₂ o ThO ₂ ("sol"). El sol se rocía a través de un líquido orgánico calentado, donde la tensión superficial forma pequeñas esferas de gel. ^{[ 4 ]} Para formar UCO, se dispersa carbono a través del gel para promover la formación de UC _2. Luego se utiliza la deposición química de vapor en lecho fluidizado en varias etapas para aplicar los recubrimientos de carbono poroso, PyC interno, SiC y PyC externo. Las partículas TRISO terminadas se incrustan en una matriz de grafito y resina, luego se calientan y se prensan. ^{[ 1 ]}

• Programa de demostración de reactores de potencia
• Energía nuclear basada en torio