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Energía nuclear basada en torio

Una muestra de torio La generación de energía nuclear basada en torio se alimenta principalmente de la fisión nuclear del isótopo uranio-233, producido a partir del elemento fér...

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Una muestra de torio

La generación de energía nuclear basada en torio se alimenta principalmente de la fisión nuclear del isótopo uranio-233, producido a partir del elemento fértil torio . Un ciclo de combustible de torio puede ofrecer varias ventajas potenciales sobre un ciclo de combustible de uranio [ Nota 1 ] , incluyendo la mayor abundancia de torio en la Tierra, propiedades físicas y de combustible nuclear superiores, y una menor producción de residuos nucleares. El combustible de torio también tiene un menor potencial de armamento, ya que es difícil convertir en armas el uranio-233 que se produce en el reactor. El plutonio-239 se produce en niveles mucho menores y puede consumirse en reactores de torio.

El torio se utilizó por primera vez en un reactor comercial en 1962, en el Indian Point Energy Center . [ 1 ] [ 2 ] Desde entonces, varios otros reactores comerciales han sido alimentados con torio, incluidos reactores de agua ligera y reactores de gas de alta temperatura . [ 3 ] La viabilidad de un ciclo de combustible de torio a gran escala se demostró a través del diseño, construcción y operación exitosa del núcleo del reactor reproductor de agua ligera (LWBR) basado en torio instalado en la central nuclear de Shippingport . [ 4 ] El reactor de esta central eléctrica fue diseñado para albergar diferentes núcleos. El núcleo de torio tenía una potencia nominal de 60  MW(e), produjo energía desde 1977 hasta 1982 (produciendo más de 2.1 mil millones de kilovatios-hora de electricidad) y convirtió suficiente torio-232 en uranio-233 para lograr una relación de reproducción de 1.014. Los reactores de agua pesada de la India han utilizado durante mucho tiempo combustible que contiene torio junto con uranio y plutonio. [ 5 ]

Entre las décadas de 1950 y 1970, hubo un interés considerable en utilizar torio en lugar de uranio, especialmente en Estados Unidos y Alemania, para complementar las limitadas reservas de uranio. Sin embargo, el entusiasmo disminuyó en gran medida debido al descubrimiento de grandes depósitos de uranio. [ 6 ] El interés mundial en los ciclos de combustible de torio repuntó posteriormente debido al interés en los ciclos de combustible resistentes a la proliferación. [ 7 ] En 2009 , los científicos nucleares Ralph W. Moir y Edward Teller sugirieron que se reiniciara la investigación sobre reactores de sales fundidas alimentados con torio tras una paralización de tres décadas y que se construyera una pequeña planta prototipo. [ 8 ] Otros países han elaborado planes comerciales para centrales eléctricas basadas en torio a escala nacional. [ 9 ] [ 10 ] En 2024, el TMSR-LF1 chino se convirtió en el primer reactor de sales fundidas operativo en utilizar combustible de torio. [ 10 ]

En 2011, un grupo de científicos del Instituto Tecnológico de Georgia evaluó los reactores de sales fundidas alimentados con torio como "una solución de más de 1000 años o un puente de calidad con bajas emisiones de carbono hacia fuentes de energía verdaderamente sostenibles que resuelven una gran parte del impacto ambiental negativo de la humanidad". [ 11 ]

Historia

El uso de torio para producir uranio-233 ( ²³³U ) fue descubierto por primera vez en 1940 por Glenn Seaborg , a partir del bombardeo de neutrones de torio en un ciclotrón . [ 12 ] Durante el Proyecto Manhattan , tras la construcción del reactor de grafito X-10 , Seaborg se percató rápidamente del potencial del uranio-233 como material fisionable . La investigación continuó a lo largo del Proyecto Manhattan; sin embargo, fue relegada en gran medida al programa de armas en favor del plutonio . [ 12 ] Tras el fin de la guerra, los reactores de producción de armas en el Sitio de Hanford se cargaron con lingotes de torio para producir ²³³U . En Oak Ridge, se continuó trabajando en la separación de ²³³U para aplicaciones militares y civiles. [ 13 ]

La recién formada Comisión de Energía Atómica (AEC) comenzó a explorar la viabilidad de la energía nuclear comercial. En ese momento, la división de reactores navales de la AEC estaba desarrollando reactores de agua a presión (PWR) que utilizaban uranio enriquecido para su uso en la propulsión de submarinos nucleares. En 1954, la AEC inició un programa de desarrollo de reactores de potencia de cinco años para explorar reactores adecuados para la generación comercial de electricidad. [ 14 ] En marzo de 1954, el Subcomité de Investigación y Desarrollo de la AEC presentó a la Comisión un informe sobre el impulso de una industria nuclear comercial. El subcomité identificó cinco conceptos de reactor para su desarrollo, incluidos el PWR, el reactor de grafito sódico , el reactor de agua en ebullición , el reactor reproductor rápido y el reactor homogéneo . El reactor homogéneo, que iba a ser un reactor reproductor térmico alimentado con torio , fue considerado el concepto de reactor más prometedor para la energía nuclear económica debido a su diseño simple, la ausencia de fabricación de combustible y la facilidad de extracción de 233U . [ 15 ] El concepto de reactor de grafito de sodio también fue examinado por su capacidad para funcionar como un reactor reproductor de torio. [ 16 ]

La AEC propuso entonces construir reactores de demostración para cada concepto, incluyendo la Central Nuclear Shippingport (PWR), el Reactor Experimental de Sodio (SGR), el Reactor Experimental de Agua en Ebullición (BWR), el Reactor Reproductor Experimental II (FBR) y el Reactor Homogéneo Experimental II (HR). La AEC también propuso una planta de demostración adicional y de mayor tamaño para el concepto de torio homogéneo, denominada provisionalmente Reactor de Torio Homogéneo (HTR), que demostraría la producción de 233U en una planta comercial. Se esperaba que el HTR de 16 MWe  comenzara a operar en 1959. [ 16 ] Westinghouse y la Pennsylvania Power & Light Company iniciaron estudios en 1955 y propusieron una planta prototipo en 1959; sin embargo, la planta no se construyó. [ 17 ]

La primera planta nuclear comercial que utilizó torio en su combustible fue la Unidad 1 de Indian Point , que alcanzó la criticidad en agosto de 1962. [ 1 ] [ 2 ] Indian Point se construyó para demostrar el ciclo del combustible de torio en un reactor comercial y se alimentó con una mezcla de torio y uranio altamente enriquecido (HEU). [ 14 ] De hecho, la planta se denominó originalmente Reactor de Torio Consolidated Edison. [ 17 ] Sin embargo, el alto costo del combustible HEU, combinado con el alto costo del reprocesamiento del torio, llevó al operador, Consolidated Edison , a cambiar a uranio de bajo enriquecimiento. El alto costo del reprocesamiento del torio se describió como un "desastre financiero", y el núcleo de torio se eliminó como residuo sin un reprocesamiento significativo. [ 18 ]

En 1963, Naval Reactors propuso el uso de un núcleo de manto semilla para permitir que los reactores de agua ligera funcionaran con un ciclo de combustible de torio. Dichos reactores serían capaces de una utilización de combustible altamente eficiente, incluyendo la posibilidad de reproducción. [ 19 ] Para 1964, las preocupaciones sobre el suministro de combustible nuclear llevaron a la AEC a priorizar una mejor utilización del uranio y el torio. La AEC inició un programa de convertidores avanzados, que identificó el reactor de agua pesada , el reactor de gas de alta temperatura (HTGR), el LWR de manto semilla de torio y el SGR como conceptos deseables. El programa de convertidores avanzados se centró posteriormente en el desarrollo de un reactor de agua pesada refrigerado orgánicamente alimentado con torio (HWOCR); sin embargo, la investigación sobre el HTGR y el reactor de manto semilla continuó. El HWOCR fue un proyecto conjunto con Atomic Energy of Canada Limited . Fue cancelado en 1967, ya que la AEC cambió su enfoque hacia las plantas reproductoras. [ 17 ]

La AEC promovió la construcción de reactores de gas de alta temperatura alimentados con torio y 233U . El primer reactor de este tipo, la Unidad 1 de Peach Bottom , utilizó una mezcla de torio y uranio altamente enriquecido (HEU). [ 20 ] Sirvió como prototipo para la posterior central nuclear de Fort Saint Vrain . [ 21 ] Fort Saint Vrain, que utilizó un combustible de torio similar, [ 22 ] sufrió problemas operativos no relacionados que llevaron a su cierre prematuro. [ 18 ] La central de Fort Saint Vrain estaba destinada a ser una demostración de futuras centrales de ciclo de combustible de torio de 1000 MW  con la posibilidad de operar como reproductores de torio. Varias empresas de servicios públicos habían realizado pedidos a General Atomics para construir varios de estos grandes reactores. Sin embargo, los problemas financieros en la industria de servicios públicos provocaron la cancelación de estas centrales. [ 17 ]

La AEC utilizó los reactores de producción de armas en Hanford para generar cantidades significativas de 233U a partir de torio para su uso tanto en armas nucleares como en investigación civil. [ 23 ] Varias toneladas de uranio-233 se generaron a partir de torio en reactores de la AEC, parte del cual se procesó en la planta de Rocky Flats . [ 23 ] El uranio-233 se utilizó en la prueba MET de la serie de ensayos nucleares Operación Teapot . Según Chuck Hansen , se evaluó el potencial del uranio-233 para sustituir el plutonio de alta pureza en armas nucleares; sin embargo, se consideró equivalente al plutonio en su utilidad. El perfeccionamiento de los diseños de armas, en particular el uso de armas de fisión potenciada que no requerían plutonio de tan alta pureza, redujo el interés militar en el 233U . Estados Unidos probó varias armas nucleares basadas en 233U entre 1955 y 1968. [ 13 ] : 275

Primer reactor nuclear basado en torio ( MSR ) en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge en la década de 1960.

El concepto de reactor de torio homogéneo acuoso fue abandonado por la AEC a principios de la década de 1960 en favor del diseño relacionado de reactor de sales fundidas . [ 24 ] La AEC financió la construcción del Experimento de Reactor de Sales Fundidas , un prototipo de reactor de sales fundidas, que utilizaba combustible de uranio-233. El reactor MSRE, construido en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge , operó en estado crítico durante aproximadamente 15 000 horas desde 1965 hasta 1969 (a un nivel de potencia algo inferior a 8 MWth). En 1968, Glenn Seaborg , presidente de la AEC, anunció públicamente que se había desarrollado y probado con éxito un reactor basado en 233U. [ 25 ] [ 26 ] Para su último año de operación, el reactor fue alimentado brevemente con fluoruro de plutonio. [ 26 ] Los líderes del proyecto también propusieron una prueba utilizando combustible de plutonio, sin embargo, esta nunca se llevó a cabo debido a la cancelación del proyecto. [ 27 ] En 1969, Seaborg proclamó públicamente que, "...algún día el mundo tendrá reactores de potencia comerciales tanto del tipo uranio-plutonio como del tipo torio-uranio". [ 2 ]

En 1970, la División de Información Técnica de la AEC publicó un folleto, « El torio y el tercer combustible» , como parte de su serie educativa «Comprendiendo el átomo» , cuyo objetivo era aumentar la comprensión pública de la energía nuclear. El folleto afirmaba que era improbable que el torio sustituyera al uranio-235 o al plutonio como combustible principal de los reactores, pero predecía que probablemente se desarrollarían varios reactores que lo utilizaran. Destacaba el reactor reproductor de sales fundidas como quizás «...la perspectiva más prometedora para el uso del torio». [ 2 ]

A pesar del aparente éxito del proyecto, el MSRE fue clausurado en diciembre de 1969 debido a la presión de Milton Shaw , director de la División de Desarrollo y Pruebas de Reactores de la AEC. [ 28 ] En ese momento, el gobierno estadounidense estaba muy interesado en los reactores reproductores para satisfacer la demanda proyectada de combustible nuclear. Shaw presionó al equipo del MSRE, liderado por el director de Oak Ridge, Alvin Weinberg , para que pusiera fin al proyecto debido a su preferencia por el otro diseño de reactor reproductor competidor en ese momento, el reactor reproductor rápido de metal líquido. [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]

Para 1973, debido a la influencia de Shaw, [ 28 ] [ 30 ] el gobierno estadounidense se había decantado prácticamente por la tecnología del uranio y había suspendido en gran medida la investigación nuclear relacionada con el torio. Las razones eran que los reactores alimentados con uranio se consideraban más eficientes, la investigación sobre el uranio estaba probada y se creía que la tasa de reproducción del torio era insuficiente para producir suficiente combustible para sustentar el desarrollo de una industria nuclear comercial. Como escribieron posteriormente Moir y Teller: «La competencia se redujo a un reactor reproductor rápido de metal líquido (LMFBR) en el ciclo uranio-plutonio y un reactor térmico en el ciclo torio- 233U , el reactor reproductor de sales fundidas. El LMFBR tenía una tasa de reproducción mayor  ... y ganó la competencia». En su opinión, la decisión de detener el desarrollo de reactores de torio, al menos como opción de respaldo, «fue un error excusable». [ 8 ] El gobierno siguió adelante con el diseño del LMFBR con el Proyecto del Reactor Reproductor del Río Clinch que comenzó en 1970, sin embargo, el proyecto encontró una oposición política sustancial y finalmente fue cancelado en 1983.

En 2009, el divulgador científico Richard Martin afirmó que Weinberg, director de Oak Ridge y principal responsable del MSRE, perdió su puesto como director por defender el desarrollo de reactores de torio. [ 31 ] En aquel momento, Martin afirmó que la negativa de Weinberg a sacrificar la energía nuclear potencialmente segura en beneficio de usos militares lo obligó a jubilarse. [ 31 ] Sin embargo, en su libro SuperFuel de 2012 , Martin refutó la idea de que la AEC rechazara el torio debido al deseo de producir armas:

La teoría ahora es rechazada no solo por científicos más prudentes como Jess Gehin, gerente sénior de programas de tecnología de reactores en Oak Ridge, sino también por muchos en el movimiento del torio. La evidencia de que Shaw y la AEC cancelaron el MSBR específicamente porque no era un productor eficiente de plutonio apto para armas es escasa. Pero eso no viene al caso. [ 32 ] : 138

Otros, incluido el ingeniero nuclear Nick Touran, han coincidido en que el torio no fue relegado a un segundo plano debido al enfoque en la armamentización. Touran escribió que "cuando los reactores de sales fundidas (MSR) finalmente tuvieron su oportunidad en las décadas de 1950 y 1960, su (inexistente) incapacidad para fabricar bombas no fue la culpable de la cancelación". [ 33 ] Touran también criticó el artículo de Martin de 2009 por promover este mito. [ 33 ] De manera similar, Jess Gehin, gerente sénior en Oak Ridge y profesor en la Universidad de Tennessee , criticó el libro de Martin, SuperFuel, por confundir los beneficios del diseño del reactor de torio de fluoruro líquido con los beneficios intrínsecos al torio mismo y por muchas afirmaciones técnicas incorrectas. [ 34 ]

Incluso después de la cancelación del MSRE, la investigación sobre el torio continuó. El almirante Hyman Rickover , desarrollador de la propulsión nuclear naval y jefe de la oficina de reactores navales de EE. UU., había impulsado un proyecto de reactor reproductor alimentado con torio desde 1963 [ 35 ] y organizó la construcción de un proyecto de reactor reproductor de agua ligera (LWBR). Alcanzando la criticidad por primera vez el 26 de agosto de 1977, este proyecto convirtió con éxito la central nuclear de Shippingport, la primera central nuclear en tiempos de paz , en un reactor reproductor de demostración de 232Th - 233U . [ 35 ] Después de operar con éxito hasta 1982, se descubrió que el reactor tenía una relación de reproducción del 1,4%.

En Alemania, el reactor de lecho de guijarros AVR utilizó combustible TRISO de óxido mixto 235 U − 232 Th y operó desde 1967 hasta 1988. [ 36 ] Basándose en el diseño del AVR, se construyó el Reactor de Alta Temperatura de Torio (THTR-300) , un reactor comercial de 300 MWe que comenzó a operar en 1985. Sin embargo, ambos reactores sufrieron problemas de diseño. El THTR-300 se cerró en 1989, después de solo cuatro años de operación.

En los Países Bajos, los laboratorios KEMA operaban un reactor homogéneo acuoso experimental llamado KEMA Suspension Test Reactor (KSTR). El KSTR de 1  MW t/ h estaba compuesto por  partículas de torio de 5 μm y óxido de uranio altamente enriquecido suspendidas en agua ligera. Fue diseñado como un reactor de prueba para centrales eléctricas AHR de ciclo de torio. [ 37 ]

La física de partículas turca Engin Arık contribuyó a la investigación sobre la aplicación de tecnologías de aceleradores al ciclo del combustible de torio. Además de su trabajo experimental en física de altas energías en el CERN, incluyendo colaboraciones en los experimentos OPAL, ATLAS y CAST, fue autora y coautora de publicaciones que examinaban los sistemas impulsados ​​por aceleradores (ADS) como medio para convertir el fértil torio-232 en uranio-233 fisionable a través del isótopo intermedio protactinio-233. Argumentó que los aceleradores de protones de alta intensidad y los reactores subcríticos podrían permitir la utilización eficiente de las reservas de torio de Turquía, al tiempo que mejorarían la seguridad de los reactores y reducirían los residuos radiactivos de larga vida. A través de sus publicaciones científicas, presentaciones en conferencias y liderazgo en la iniciativa del Centro Turco de Aceleradores (TAC), Arık desempeñó un papel fundamental en la promoción de la investigación sobre la energía del torio basada en aceleradores en Turquía. [ 38 ]

A pesar de la historia documentada de la energía nuclear de torio y la exitosa demostración de la reproducción basada en torio mediante la operación del núcleo LWBR en Shippingport, en 2009 muchos expertos nucleares aún la desconocían. Según Chemical & Engineering News , "la mayoría de la gente, incluidos los científicos, apenas ha oído hablar de este elemento de metal pesado y sabe poco sobre él", señalando un comentario de un asistente a una conferencia que decía que "es posible tener un doctorado en tecnología de reactores nucleares y no saber nada sobre la energía del torio". [ 39 ]

Otros, incluido el ex científico de la NASA y destacado defensor del torio Kirk Sorensen, coinciden en que "el torio era la vía alternativa". [ 40 ] [ 32 ] : 2 Según Sorensen, durante una entrevista documental, afirma que si Estados Unidos no hubiera interrumpido su investigación en 1974, podría haber "alcanzado la independencia energética alrededor del año 2000". [ 41 ]

El 18 de mayo de 2022, el senador estadounidense Tommy Tuberville presentó el proyecto de ley del Senado de los Estados Unidos S.4242, «Un proyecto de ley para proveer la preservación y el almacenamiento de uranio-233 para fomentar el desarrollo de reactores de sales fundidas de torio», la «Ley de Seguridad Energética del Torio». [ 42 ] Sin embargo, no fue aprobado por el Congreso.

Beneficios

  • Abundancia. El torio es tres veces más abundante que el uranio y casi tan abundante como el plomo y el galio en la corteza terrestre. [ 43 ] [ 5 ] Los depósitos de minerales de tierras raras también contienen cantidades significativas de torio, que luego se extrae como subproducto de la minería de tierras raras. [ 6 ] [ 44 ] Los depósitos de torio también están distribuidos de manera más uniforme en el mundo que los depósitos de uranio. Esto impide que unos pocos países ejerzan un dominio sobre los precios del torio y garantiza la estabilidad de precios para los combustibles de torio. [ 44 ]
  • Menos apto para bombas. Es difícil fabricar una bomba nuclear práctica a partir de los subproductos de un reactor de torio, lo que permite a los gobiernos potencialmente desarrollar más energía nuclear sin agravar la proliferación de armas nucleares . El torio no es fisionable como el uranio, por lo que los núcleos de torio compactos no se dividirán ni explotarán. Sin embargo, el uranio-233 utilizado en el ciclo es fisionable y, por lo tanto, puede utilizarse para crear un arma nuclear, aunque la producción de plutonio se reduce. Según Alvin Radkowsky , diseñador de la primera central eléctrica atómica a gran escala del mundo, "la tasa de producción de plutonio de un reactor de torio sería inferior al 2 % de la de un reactor estándar, y el contenido isotópico del plutonio lo haría inadecuado para una detonación nuclear". [ 32 ] : 11 [ 45 ] Se han probado varias bombas de uranio-233, pero la presencia de uranio-232 tendía a "envenenar" el uranio-233 de dos maneras: la intensa radiación del uranio-232 hacía que el material fuera difícil de manipular, y el uranio-232 provocaba una posible predetonación. Separar el uranio-232 del uranio-233 resultó muy difícil, aunque las nuevas técnicas de separación de isótopos por láser podrían facilitar ese proceso. [ 46 ] [ 47 ] En Estados Unidos, la AEC y el DOE procesaron varios kilogramos de uranio-233 en Rocky Flats y utilizaron con éxito múltiples pasos de aislamiento químico para aislar los productos de desintegración del uranio-232. [ 23 ]
  • Menos residuos nucleares. El ciclo del combustible de torio produce menos residuos nucleares de alta actividad que el ciclo del combustible de uranio de un solo paso. Esto se debe a que el ciclo del torio produce menos actínidos menores (p. ej. , neptunio , americio , californio ) y plutonio que los ciclos que utilizan 238U . La radiotoxicidad y la larga vida útil de los residuos de alta actividad están dominadas por los actínidos menores y el plutonio. Por lo tanto, los combustibles del ciclo del torio reducen la vida útil y los requisitos de almacenamiento de los residuos de alta actividad. [ 6 ] Sin embargo, el ciclo del torio también produce otros actínidos de larga vida, como 231Pa , 229Th y 230U , que también pueden contribuir a la radiotoxicidad de larga vida. La producción de productos de activación y productos de fisión también es, en general, similar entre los ciclos de combustible basados ​​en torio y uranio. [ 6 ]
  • Recolección de plutonio apto para armas. El combustible de óxido mixto de torio-plutonio es más atractivo para destruir el exceso de plutonio apto para armas (WPu) en un ciclo único, en comparación con el combustible de uranio-plutonio, ya que el primero no genera más plutonio durante su funcionamiento. Un reactor de neutrones rápidos alimentado con torio podría quemar eficazmente el exceso de plutonio sin generar plutonio adicional en el proceso, a diferencia de un reactor rápido de uranio-plutonio. El combustible de plutonio podría usarse en lugar de 233U para arrancar un reactor reproductor de torio. Por lo tanto, la transición al torio podría realizarse mediante la incineración de plutonio apto para armas (WPu) o plutonio civil. [ 6 ]
  • Extracción más sencilla. La extracción de torio es más segura y eficiente que la de uranio. El mineral de torio, la monacita , generalmente contiene concentraciones más altas de torio que el porcentaje de uranio presente en su respectivo mineral. Esto convierte al torio en una fuente de combustible más rentable y menos perjudicial para el medio ambiente. La extracción de torio también es más sencilla y menos peligrosa que la de uranio, ya que se trata de una mina a cielo abierto, que no requiere ventilación, a diferencia de las minas subterráneas de uranio, donde los niveles de radón pueden ser potencialmente dañinos. [ 6 ]

Desventajas

  • Se requerirían pruebas, análisis y licencias importantes y costosas, que exigirían el apoyo de empresas y gobiernos. [ 5 ] En un informe de 2012 sobre el uso de combustible de torio con reactores refrigerados por agua existentes, el Bulletin of the Atomic Scientists sugirió que "requeriría una inversión demasiado grande y no proporcionaría una recompensa clara", y que "desde el punto de vista de las empresas de servicios públicos, el único impulsor legítimo capaz de motivar la búsqueda del torio es la economía". [ 48 ]
  • El costo de fabricación y reprocesamiento es mayor que el del uso de barras de combustible sólido tradicionales. [ 5 ] [ 44 ]
  • Cuando se irradia para su uso en reactores, el torio produce uranio-232, que emite rayos gamma. Este proceso de irradiación puede modificarse ligeramente eliminando el protactinio-233 . La desintegración del protactinio-233 generaría entonces uranio-233 en lugar de uranio-232 para su uso en armas nucleares, convirtiendo así al torio en un combustible de doble propósito. [ 49 ] [ 50 ]
  • El punto de fusión del dióxido de torio (3350  °C) es mayor que el del dióxido de uranio (2800  °C), lo que conlleva la necesidad de aumentar la temperatura de sinterización o añadir aditivos de sinterización no reactivos para producir combustible a base de dióxido de torio. [ 6 ] : 2
  • El torio es un material fértil , no fisionable. Esto significa que el combustible debe usarse junto con un material fisionable aparte, como uranio o plutonio, para iniciar y mantener la reacción en cadena necesaria para generar energía. [ 5 ] [ 51 ]
  • El torio tiene una aplicabilidad relativamente baja en entornos de generación de energía no nuclear, lo que resulta en una demanda muy pequeña para la exploración de reservas de torio. [ 6 ]

Defensores

El premio Nobel de Física y exdirector del CERN , Carlo Rubbia, ha sido durante mucho tiempo un defensor del torio. Según Rubbia, «Para que la energía nuclear pueda seguir desarrollándose con vigor, debe modificarse profundamente». [ 52 ]

Hans Blix , exdirector general del Organismo Internacional de Energía Atómica , ha declarado: «El combustible de torio genera residuos de menor volumen, menos tóxicos y de vida mucho más corta que los residuos resultantes del combustible de uranio». [ 53 ]

Proyectos energéticos

La investigación y el desarrollo de reactores nucleares basados ​​en torio, principalmente el reactor de torio de fluoruro líquido (LFTR), diseño MSR , se ha llevado a cabo o se está llevando a cabo actualmente en Estados Unidos, Reino Unido , Alemania, Brasil, India, Indonesia , China, Francia, República Checa , Japón, Rusia, Canadá , Israel, Dinamarca y Países Bajos . [ 54 ] [ 32 ] Se celebran conferencias con expertos de hasta 32 países, incluida una de la Organización Europea para la Investigación Nuclear ( CERN ) en 2013, que se centra en el torio como tecnología nuclear alternativa sin necesidad de producir residuos nucleares. [ 55 ] Entre otros expertos reconocidos, Hans Blix , exdirector del Organismo Internacional de Energía Atómica , pide un mayor apoyo a la nueva tecnología de energía nuclear y afirma: «La opción del torio ofrece al mundo no solo un nuevo suministro sostenible de combustible para la energía nuclear, sino también uno que aprovecha mejor el contenido energético del combustible». [ 56 ]

Evaluaciones recientes de agencias internacionales y grupos industriales describen los ciclos de combustible basados ​​en torio como una posible opción a largo plazo para la generación de energía de base con bajas emisiones de carbono, señalando ventajas potenciales en la abundancia de combustible, el alto grado de quemado y algunas características de los residuos, al tiempo que enfatizan que la mayoría de los diseños aún se encuentran en la etapa de investigación, prueba o demostración temprana. [ 51 ] [ 5 ]

Canadá

Los reactores CANDU son capaces de utilizar torio. [ 57 ] [ 58 ] En 2018, la Corporación de Soluciones Energéticas de Nuevo Brunswick anunció la participación de Moltex Energy en el clúster de investigación nuclear que trabajará en la investigación y el desarrollo de tecnología de reactores modulares pequeños. [ 59 ] [ 60 ] [ 61 ]

Porcelana

En la conferencia anual de 2011 de la Academia China de Ciencias , se anunció que "China ha iniciado un proyecto de investigación y desarrollo en tecnología MSR de torio". [ 62 ] La Asociación Nuclear Mundial señala que la Academia China de Ciencias anunció en enero de 2011 su programa de I+D, "afirmando tener el mayor esfuerzo nacional del mundo en ello, con la esperanza de obtener plenos derechos de propiedad intelectual sobre la tecnología". [ 5 ] Según Martin, "China ha dejado clara su intención de ir sola", añadiendo que China ya tiene el monopolio de la mayoría de los minerales de tierras raras del mundo . [ 32 ] : 157 [ 63 ]

A principios de 2012, se informó que China, utilizando componentes producidos por Occidente y Rusia, planeaba construir dos prototipos, uno de ellos un reactor de lecho de guijarros refrigerado por sales fundidas para 2015, [ 64 ] : minuto 1:37 [ 64 ] : minuto 44:20 y un reactor de investigación de sales fundidas [ 64 ] : minuto 54:00 para 2017, [ 64 ] había presupuestado el proyecto en 400 millones de dólares y requería 400 trabajadores. [ 32 ] China también finalizó un acuerdo con una empresa canadiense de tecnología nuclear para desarrollar reactores CANDU mejorados que utilizan torio y uranio como combustible. [ 65 ]

El Dr. Jiang Mianheng , hijo del exlíder chino Jiang Zemin , encabezó una delegación sobre torio en conversaciones confidenciales en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge , Tennessee, y a finales de 2013 China se asoció oficialmente con Oak Ridge para ayudar a China en su propio desarrollo. [ 66 ] [ 67 ]

En marzo de 2014, al haberse convertido su dependencia de la energía generada con carbón en una de las principales causas de su actual "crisis de contaminación atmosférica", redujeron su objetivo original de construir un reactor operativo de 25 años a 10. "Antes, el gobierno estaba interesado en la energía nuclear debido a la escasez energética. Ahora está más interesado debido a la contaminación atmosférica", dijo el profesor Li Zhong, científico que trabaja en el proyecto. "Sin duda, esto es una carrera", añadió. [ 68 ]

Para 2019, dos de los reactores estaban en construcción en el desierto de Gobi, y se esperaba su finalización alrededor de 2025. China espera poner en funcionamiento comercial los reactores de torio para 2030. [ 69 ] Está previsto que el reactor de 60  MWt se complete en 2029. Parte de la energía térmica, 10  MW, se utilizará para generar energía eléctrica; el resto se utilizará para producir hidrógeno mediante la disociación de moléculas de agua a alta temperatura. [ 70 ]

TMSR-LF1

Uno de los prototipos de torio de  2 MWt estaba cerca de completarse en 2021. [ 71 ] [ 72 ] El 24 de junio de 2021, China informó que el reactor de sales fundidas de Gobi se completaría según lo programado y que las pruebas comenzarían en septiembre de 2021. El nuevo reactor es parte del impulso del líder chino Xi Jinping para lograr que China sea neutra en carbono para 2060. [ 73 ] China espera completar el primer reactor comercial de torio del mundo para 2030 y ha planeado construir más centrales eléctricas de torio en los desiertos y llanuras poco pobladas del oeste de China, así como en hasta 30 naciones involucradas en la Iniciativa de la Franja y la Ruta de China . [ 38 ] [ 71 ] [ 74 ]

En agosto de 2022, el Ministerio de Ecología y Medio Ambiente de China informó al Instituto de Física Aplicada de Shanghái (SINAP) que su plan de puesta en marcha para el LF1 había sido aprobado. [ 10 ]

El 16 de junio de 2023, la Administración Nacional de Seguridad Nuclear de China otorgó una licencia al Instituto de Física Aplicada de Shanghái (SINAP) de la Academia China de Ciencias para operar el TMSR-LF1, un  reactor de 2 MWt. [ 75 ] [ 76 ] [ 77 ]

En octubre de 2023, el reactor alcanzó la criticidad; [ 78 ] en junio de 2024, el reactor alcanzó su potencia máxima (2 MWt); [ 78 ] en octubre de 2024, el torio fresco reabasteció el combustible de sales fundidas del reactor, por primera vez. [ 78 ]

Dinamarca

Copenhagen Atomics es una empresa danesa de tecnología de sales fundidas que desarrolla reactores de sales fundidas para la fabricación en masa . El Copenhagen Atomics Waste Burner es un reactor de sales fundidas de un solo fluido, moderado por agua pesada, basado en fluoruro, con espectro térmico y control autónomo. Está diseñado para caber dentro de un contenedor de envío de acero inoxidable hermético de 12 m (40 pies) . El moderador de agua pesada está aislado térmicamente de la sal y se drena y enfría continuamente a menos de 50 °C (122 °F) . También se está investigando una versión con moderador de óxido de litio-7 fundido (7LiOD). El reactor utiliza el ciclo de combustible de torio, empleando plutonio separado del combustible nuclear gastado como carga fisible inicial para la primera generación de reactores, para luego pasar a un reactor reproductor de torio. [ 79 ] Copenhagen Atomics está desarrollando y probando activamente válvulas, bombas, intercambiadores de calor, sistemas de medición, sistemas de química y purificación de sales, y sistemas de control y software para aplicaciones de sales fundidas. [ 80 ]   

En julio de 2024, Copenhagen Atomics anunció que su reactor está listo para ser probado en un escenario de la vida real con un experimento crítico en el Instituto Paul Scherrer en Suiza en 2026. [ 81 ]

Alemania, década de 1980

La central eléctrica alemana THTR-300 fue un prototipo de central comercial que utilizaba torio como combustible fértil y uranio-235 altamente enriquecido como combustible fisionable. Aunque se denominó reactor de alta temperatura de torio, la fisión se produjo principalmente en forma de U-235. El THTR-300 era un reactor de alta temperatura refrigerado por helio con un núcleo de lecho de guijarros compuesto por aproximadamente 670 000 compactos de combustible esféricos de 6 centímetros (2,4  pulgadas) de diámetro cada uno, con partículas de uranio-235 y torio-232 incrustadas en una matriz de grafito. Suministró energía a la red eléctrica alemana durante 432 días a finales de la década de 1980, antes de ser clausurada por motivos de coste, mecánicos y de otra índole.

India

India posee las mayores reservas de torio del mundo, con cantidades comparativamente escasas de uranio. Su gobierno ha proyectado cubrir hasta el 30% de su demanda eléctrica con torio para 2050. [ 82 ]

India se encuentra entre un puñado de países en el mundo con un plan detallado, financiado y aprobado por el gobierno para centrarse en la energía nuclear basada en torio. Actualmente, el país obtiene menos del 2% de su electricidad de la energía nuclear, mientras que el resto proviene del carbón (60%), la energía hidroeléctrica (16%), otras fuentes renovables (12%) y el gas natural (9%). [ 83 ] En 2012, el gobierno esperaba eventualmente producir alrededor del 25% de su electricidad a partir de la energía nuclear. [ 32 ] En 2009, el presidente de la Comisión de Energía Atómica de la India dijo que India tiene un "objetivo a largo plazo de lograr la independencia energética basada en sus vastos recursos de torio para satisfacer las ambiciones económicas de India". [ 84 ] [ 85 ]

KAMINI (Mini reactor de Kalpakkam) es el único reactor experimental de la India basado en torio. Produce 30  kW de energía térmica a plena potencia. [ 86 ] KAMINI se enfría y modera con agua ligera y se alimenta con uranio-233 metálico producido por el ciclo de combustible de torio aprovechado por el reactor FBTR vecino .

Reactor reproductor rápido prototipo

El reactor reproductor rápido prototipo  (PFBR) de 500 MWe , un prototipo comercial del reactor rápido FBR-600 , inicialmente se planeó que se completara en septiembre de 2010, pero sufrió varios retrasos. [ 87 ] Alcanzó la criticidad, produciendo más energía de la que consumía, el 6 de abril de 2026. [ 88 ] [ 89 ]

A finales de junio de 2012, India anunció que su "primer reactor rápido comercial" estaba casi terminado. "Tenemos enormes reservas de torio. El desafío es desarrollar la tecnología para convertirlo en material fisionable", declaró Srikumar Banerjee , expresidente de la Comisión de Energía Atómica de la India. [ 90 ] Esa visión de usar torio en lugar de uranio fue planteada en la década de 1950 por el físico Homi Bhabha . [ 91 ] [ 92 ] [ 93 ] [ 94 ]

Reactor avanzado de agua pesada

En febrero de 2014, el Centro de Investigación Atómica Bhabha (BARC), en Mumbai, India, presentó su último diseño para un "reactor nuclear de próxima generación" que utiliza torio como combustible, denominándolo Reactor Avanzado de Agua Pesada (AHWR). Estimaron que el reactor podría funcionar sin operador durante 120 días. [ 95 ] La validación de la física del núcleo del reactor estaba en marcha a finales de 2017. [ 96 ] Según Ratan Kumar Sinha , presidente de la Comisión de Energía Atómica de la India , "Esto reducirá nuestra dependencia de los combustibles fósiles, en su mayoría importados, y será una contribución importante a los esfuerzos mundiales para combatir el cambio climático ". Debido a su seguridad inherente, esperan que diseños similares puedan instalarse "dentro" de ciudades pobladas, como Mumbai o Delhi . [ 95 ]

 En 2013, se programó la construcción del reactor de agua pesada presurizada (AHWR) de 300 MWe de la India en una ubicación no revelada. [ 97 ] El diseño prevé un arranque con plutonio de grado reactor que genera U-233 a partir de Th-232. Posteriormente, el torio será el único combustible. [ 98 ] En 2017, el diseño se encontraba en las etapas finales de validación. [ 99 ] Sin embargo, a fecha de 2026, no se ha iniciado la construcción de ningún reactor AHWR.

Indonesia

En 2019, P3Tek, una agencia del Ministerio de Energía y Recursos Minerales de Indonesia, revisó un diseño de reactor de sales fundidas de torio de la empresa estadounidense Thorcon llamado TMSR-500 . [ 100 ] (El TMSR-500 fue renombrado posteriormente como Thorcon 500. [ 101 ] )

Israel

En mayo de 2010, investigadores de la Universidad Ben-Gurion del Negev en Israel y del Laboratorio Nacional Brookhaven en Nueva York comenzaron a colaborar en el desarrollo de reactores basados ​​en torio diseñados para tener una relación de reproducción de poco más de 1, [ 102 ] una característica que solo es posible para los reactores de agua ligera si utilizan combustible de uranio-233. [ 103 ]

Japón

En junio de 2012, la empresa eléctrica japonesa Chubu Electric Power escribió que considera al torio como "uno de los posibles recursos energéticos del futuro". [ 104 ]

Noruega

En 2010, Aker Solutions adquirió patentes del físico ganador del Premio Nobel Carlo Rubbia para el diseño de una central nuclear de torio basada en un acelerador de protones. [ 105 ] A finales de 2012, la empresa privada noruega Thor Energy, en colaboración con el gobierno y Westinghouse , anunció una prueba de cuatro años utilizando torio en un reactor nuclear existente. [ 106 ]

Sudáfrica

En Sudáfrica, el reactor HTMR-100 de 100 MW planificado por Steenkampskraal Thorium  se basa en una variante del reactor modular de lecho de guijarros . [ 107 ] [ 108 ]

Reino Unido

En Gran Bretaña, una organización que promueve o examina la investigación sobre centrales nucleares basadas en torio es la Fundación Alvin Weinberg . La miembro de la Cámara de los Lores, Bryony Worthington , promueve el torio, llamándolo "el combustible olvidado" que podría alterar los planes energéticos de Gran Bretaña. [ 109 ] Sin embargo, en 2010, el Laboratorio Nuclear Nacional del Reino Unido (NNL) concluyó que, a corto y medio plazo, "...el ciclo del combustible de torio no tiene actualmente un papel que desempeñar", ya que es "técnicamente inmaduro y requeriría una inversión financiera y un riesgo significativos sin beneficios claros", y concluyó que los beneficios se han "exagerado". [ 5 ] [ 44 ] Friends of the Earth UK considera que la investigación sobre el torio es "útil" como opción de reserva. [ 110 ]

Estados Unidos

Yacimientos de torio en Estados Unidos

En su informe de enero de 2012 al Secretario de Energía de los Estados Unidos , la Comisión de Alto Nivel sobre el Futuro de Estados Unidos señala que también se ha propuesto un reactor de sales fundidas que utiliza torio. [ 111 ] Ese mismo mes se informó que el Departamento de Energía de los Estados Unidos está colaborando discretamente con China en diseños de energía nuclear basados ​​en torio que utilizan un reactor de sales fundidas . [ 112 ]

Algunos expertos y políticos quieren que el torio sea "el pilar del futuro nuclear de EE. UU." [ 113 ] Los entonces senadores Harry Reid y Orrin Hatch apoyaron el uso de 250 millones de dólares en fondos federales de investigación para reactivar la investigación del ORNL . [ 11 ] En 2009, el congresista Joe Sestak intentó sin éxito obtener financiación para la investigación y el desarrollo de un reactor del tamaño de un destructor [un reactor del tamaño suficiente para alimentar un destructor] que utilizara combustible líquido a base de torio. [ 114 ]

Alvin Radkowsky , diseñador jefe de la segunda central eléctrica atómica a gran escala del mundo en Shippingport, Pensilvania , fundó en 1997 un proyecto conjunto entre Estados Unidos y Rusia para crear un reactor de torio, considerado un "avance creativo". [ 115 ] En 1992, mientras era profesor residente en Tel Aviv , Israel, fundó la empresa estadounidense Thorium Power Ltd., cerca de Washington, D.C., para construir reactores de torio. [ 115 ]

El combustible principal del proyecto de investigación HT 3 R propuesto cerca de Odessa, Texas , Estados Unidos, serán perlas de torio recubiertas de cerámica. La construcción del reactor aún no ha comenzado. [ 116 ] Las estimaciones para completar un reactor se fijaron originalmente en diez años en 2006 (con una fecha de operación propuesta para 2015). [ 117 ]

Sobre el potencial de investigación de la energía nuclear basada en torio, Richard L. Garwin , ganador de la Medalla Presidencial de la Libertad , y Georges Charpak aconsejan un estudio más profundo del amplificador de energía en su libro Megawatts and Megatons (2001), págs  . 153-163.

Clean Core Thorium Energy, una corporación con sede en Chicago, creó y patentó una mezcla patentada de uranio y torio para HALEU (Uranio de Bajo Enriquecimiento y Alta Concentración). Esta mezcla de combustible se denomina ANEEL (Energía Nuclear Avanzada para una Vida Enriquecida), en honor a Anil Kakodkar . HALEU contiene uranio enriquecido a un nivel superior al 5% pero inferior al 20%, según la Asociación Nuclear Mundial , y requiere diseños de reactores nucleares de vanguardia que actualmente se encuentran en desarrollo. Sin embargo, según Mehul Shah, fundador y director ejecutivo de Clean Core Thorium Energy, los reactores CANDU operativos y sus derivados, como el IPHWR , pueden utilizar ANEEL. De acuerdo con Sean McDeavitt, profesor del Departamento de Ingeniería Nuclear de la Universidad de Texas A&M y director del Centro de Ingeniería y Ciencias Nucleares, ANEEL es un combustible nuclear pionero que combina torio y HALEU en una composición patentada y única. Para impulsar la creación e implementación de ANEEL, Canadian Nuclear Laboratories (CNL) y Clean Core firmaron un Memorando de Entendimiento en abril de 2023. CNL acordó apoyar los esfuerzos de I+D y licenciamiento de Clean Core como parte del Memorando de Entendimiento. [ 118 ]

Fuentes de torio

El torio se encuentra principalmente con el mineral de fosfato de tierras raras , la monacita , que contiene hasta un 12 % de fosfato de torio, pero un promedio del 6 al 7 %. Se estima que los recursos mundiales de monacita ascienden a unos 12 millones de toneladas, dos tercios de las cuales se encuentran en depósitos de arenas minerales pesadas en las costas sur y este de la India. Existen importantes depósitos en otros países (véase la tabla "Reservas mundiales de torio") . [ 5 ] La monacita es una buena fuente de REE (elementos de tierras raras), pero actualmente su producción no es económica porque el torio radiactivo que se produce como subproducto tendría que almacenarse indefinidamente. Sin embargo, si se adoptaran centrales eléctricas basadas en torio a gran escala, prácticamente todas las necesidades mundiales de torio podrían satisfacerse simplemente refinando la monacita para obtener sus REE más valiosos. [ 120 ]

Otra estimación de reservas razonablemente aseguradas (RAR) y reservas adicionales estimadas (EAR) de torio proviene de la OCDE/NEA, Energía Nuclear, "Tendencias en el ciclo del combustible nuclear", París, Francia (2001). [ 6 ] (véase la tabla "Estimaciones del OIEA en toneladas") [ 6 ] : pág. 102

Las cifras anteriores son reservas y, como tales, se refieren a la cantidad de torio en depósitos de alta concentración inventariados hasta el momento y estimados como extraíbles a los precios actuales del mercado; millones de veces más en total existen en los 3 × 10 de la Tierra.19 toneladas de corteza, alrededor de 120 billones de toneladas de torio, y cantidades menores pero vastas de torio existen en concentraciones intermedias. [ 121 ] [ 122 ] Las reservas probadas son un buen indicador del suministro futuro total de un recurso mineral.

fabricación de combustible

En los reactores refrigerados por agua, el combustible de entrada que se necesita utilizar no es torio, sino combustibles de óxido mixto ( combustible MOX ) [ 123 ] o combustibles de óxido de plutonio y torio (combustible TOX); [ 124 ] Estos combustibles se pueden separar en tres categorías: [ 125 ]

  • Los combustibles MOX (Th-LEU) contienen dióxido de uranio en altas proporciones en peso (10-30%).
  • Los combustibles (Th-Pu) TOX tienen bajos contenidos de dióxido de plutonio (2–8%).
  • Los combustibles MOX (Th-233U) tienen bajos contenidos de dióxido de uranio (2–5%).

En primer lugar, los dióxidos individuales que componen el combustible se pulverizan. Estos polvos se dopan para limitar la radiactividad y mejorar su sinterabilidad. A continuación, los distintos polvos se mezclan o muelen para formar un polvo homogéneo, que luego se compacta en pastillas para su uso como combustible. [ 125 ] [ 126 ]

Tipos de reactores

Según la Asociación Nuclear Mundial , siete tipos de reactores pueden usar combustible de torio. Seis han entrado en servicio en algún momento: [ 5 ]

Véase también

Notas

  1. ↑ Un reactor nuclear consume ciertos isótopos fisionables específicos para producir energía. En la década de 2010, los tipos más comunes de combustible para reactores nucleares eran:
    • El uranio-235 se purifica (es decir, se enriquece ) reduciendo la cantidad de uranio-238 presente en el uranio natural extraído. La mayor parte de la energía nuclear se ha generado utilizando uranio de bajo enriquecimiento (LEU), mientras que el uranio de alto enriquecimiento (HEU) es necesario para las armas.
    • Plutonio-239 , transmutado a partir de uranio-238 obtenido de uranio natural extraído de minas.

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