reactor de onda viajera

Un reactor de onda viajera ( TWR , por sus siglas en inglés) es un tipo propuesto de reactor de fisión nuclear que puede convertir material fértil en combustible utilizable mediante transmutación nuclear , en paralelo con la combustión del material fisionable. Los TWR se diferencian de otros tipos de reactores de neutrones rápidos y reactores reproductores por su capacidad de utilizar el combustible de manera eficiente sin enriquecimiento ni reprocesamiento de uranio , utilizando directamente uranio empobrecido , uranio natural , torio , combustible gastado de reactores de agua ligera o alguna combinación de estos materiales. El concepto aún se encuentra en fase de desarrollo y todavía no se ha construido ningún TWR.

El nombre hace referencia al hecho de que la fisión permanece confinada a una zona límite en el núcleo del reactor que avanza lentamente con el tiempo. En teoría, los reactores TWR podrían funcionar de forma autosostenible durante décadas sin necesidad de recargar combustible ni retirar el combustible gastado.

Los reactores de onda viajera se propusieron por primera vez en la década de 1950 y se han estudiado de forma intermitente. El concepto de un reactor que pudiera generar su propio combustible dentro del núcleo fue propuesto y estudiado inicialmente en 1958 por Savely Moiseevich Feinberg , quien lo denominó reactor de "generación y combustión". ^{[ 1 ]} Varias investigaciones posteriores fueron publicadas por diversos equipos desde finales de la década de 1970 hasta principios de la década de 2000. ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]}

El TWR se discutió en los simposios de Sistemas Innovadores de Energía Nuclear (INES) en 2004, 2006 y 2010 en Japón, donde se le denominó reactor "CANDLE", una abreviatura de Constant Axial shape of Neutron flux, nuclides densities and power shape During Life of Energy production . ^{[ 6 ]} En 2010 se publicó información sobre el caso de las microheteroestructuras . ^{[ 7 ] [ 8 ]} En 2012 se demostró que las ondas de fisión son una forma de fenómeno de reacción-difusión biestable. ^{[ 9 ] [ 10 ]} También se ha demostrado que las ondas de fisión pueden ser estables, inestables o experimentar una bifurcación de Hopf dependiendo de la retroalimentación térmica. ^{[ 11 ]}

Se ha demostrado que el daño por irradiación es un obstáculo para el uso de materiales convencionales en reactores de ondas, pero se ha demostrado que el enriquecimiento del combustible puede utilizarse para reducir este problema. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

Aún no se ha construido ningún TWR, pero en 2006 Intellectual Ventures lanzó una empresa derivada llamada TerraPower para modelar y comercializar un diseño funcional de dicho reactor, que más tarde pasó a llamarse "reactor de onda viajera". TerraPower ha desarrollado diseños TWR para bajas a medias (300  MWe ) así como alta potencia (Instalaciones de generación de ~1000  MWe . ^{[ 14 ]} Bill Gates presentó TerraPower en su charla TED de 2010. ^{[ 15 ]}

En septiembre de 2015, TerraPower y China National Nuclear Corporation (CNNC) firmaron un memorando de entendimiento para desarrollar conjuntamente un reactor TWR. TerraPower planeaba construir unPlanta de demostración de 600  MWe , la TWR-P, entre 2018 y 2022, seguida de plantas comerciales más grandes.1150  MWe a finales de la década de 2020. ^{[ 16 ]} Sin embargo, en enero de 2019 se anunció que el proyecto había sido abandonado debido a las limitaciones de transferencia de tecnología impuestas por la administración Trump . ^{[ 17 ]}

Los artículos y presentaciones sobre el TWR de TerraPower ^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]} describen un reactor de tipo piscina refrigerado por sodio líquido. El reactor se alimenta principalmente con uranio-238 empobrecido, denominado "combustible fértil", pero requiere una pequeña cantidad de uranio-235 enriquecido u otro "combustible fisionable" para iniciar la fisión . Algunos de los neutrones de espectro rápido producidos por la fisión son absorbidos por captura de neutrones en el combustible fértil adyacente (es decir, el uranio empobrecido no fisionable), que se transforma en plutonio mediante la reacción nuclear:

²³⁸ ₉₂ U+ ¹ ₀ n→ ²³⁹ ₉₂ U→ ²³⁹ ₉₃ Np+β→ ²³⁹ ₉₄ Pu+β

Inicialmente, el núcleo se carga con material fértil, con algunas barras de combustible fisionable concentradas en la región central. Una vez que se pone en marcha el reactor, se forman cuatro zonas dentro del núcleo: la zona empobrecida, que contiene principalmente productos de fisión y combustible sobrante; la zona de fisión, donde tiene lugar la fisión del combustible generado; la zona de generación, donde se crea material fisionable por captura de neutrones; y la zona fresca, que contiene material fértil sin reaccionar . La zona de fisión, generadora de energía, avanza constantemente a través del núcleo, consumiendo eficazmente el material fértil que encuentra delante y dejando atrás el combustible gastado. Mientras tanto, el calor liberado por la fisión es absorbido por el sodio fundido y posteriormente transferido a un circuito acuoso cerrado, donde se genera energía eléctrica mediante turbinas de vapor. ^{[ 19 ]}

Los TWR utilizan solo una pequeña cantidad (~10%) de uranio enriquecido u otro combustible fisionable para iniciar la reacción nuclear. El resto del combustible consiste en uranio-238 natural o empobrecido , que puede generar energía de forma continua durante 40 años o más y permanece sellado en el recipiente del reactor durante ese tiempo. ^{[ 20 ]} Los TWR requieren sustancialmente menos combustible por kilovatio-hora de electricidad que los reactores de agua ligera (LWR), debido a la mayor quema del combustible, densidad energética y eficiencia térmica de los TWR . Un TWR también realiza la mayor parte de su reprocesamiento dentro del núcleo del reactor. El combustible gastado puede reciclarse después de un simple "refinamiento por fusión", sin la separación química del plutonio que requieren otros tipos de reactores reproductores. Estas características reducen considerablemente los volúmenes de combustible y residuos, al tiempo que mejoran la resistencia a la proliferación. ^{[ 19 ]}

El uranio empobrecido está ampliamente disponible como materia prima. Las reservas en Estados Unidos contienen actualmente aproximadamente 700 000 toneladas métricas, que es un subproducto del proceso de enriquecimiento . ^{[ 21 ]} TerraPower ha estimado que las reservas de la planta de enriquecimiento de Paducah representan por sí solas un recurso energético equivalente a 100 billones de dólares en electricidad. ^{[ 20 ]} TerraPower también ha estimado que el despliegue generalizado de reactores de agua en ebullición (TWR) podría permitir que las reservas mundiales proyectadas de uranio empobrecido abastecieran al 80 % de la población mundial con el consumo energético per cápita de Estados Unidos durante más de un milenio. ^{[ 22 ]}

En principio, los reactores de agua en ebullición (TWR) son capaces de quemar el combustible gastado de los reactores de agua ligera (LWR), que actualmente se desecha como residuo radiactivo. El combustible gastado de los LWR se compone principalmente de uranio poco enriquecido (LEU) y, en el espectro de neutrones rápidos de un TWR, la sección transversal de absorción de neutrones de los productos de fisión es varios órdenes de magnitud menor que en el espectro de neutrones térmicos de un LWR. Si bien este enfoque podría, de hecho, lograr una reducción general de las reservas de residuos nucleares, se requiere un mayor desarrollo técnico para materializar esta capacidad.

Los reactores TWR también son capaces, en principio, de reutilizar su propio combustible. En cualquier ciclo de operación, solo entre el 20 % y el 35 % del combustible se convierte en una forma inutilizable; el metal restante constituye material fisionable utilizable. Este combustible reciclado, refundido y revestido para formar nuevas pastillas impulsoras sin separaciones químicas, puede utilizarse para iniciar la fisión en ciclos de operación posteriores, eliminando así por completo la necesidad de enriquecer uranio.

El concepto TWR no se limita a quemar uranio con plutonio-239 como "iniciador" en un ^238.U – ²³⁹ciclo de Pu , pero también puede quemar torio con uranio-233 como "iniciador" en un ²³²Th – ²³³Ciclo U. ^{[ 23 ]}

La onda de combustión en el diseño TWR de TerraPower no se mueve de un extremo del reactor al otro ^{[ 24 ]} , sino gradualmente desde el centro hacia afuera. Además, a medida que la composición del combustible cambia mediante la transmutación nuclear, las barras de combustible se reorganizan continuamente dentro del núcleo para optimizar el flujo de neutrones y el uso del combustible a lo largo del tiempo. Por lo tanto, en lugar de dejar que la onda se propague a través del combustible, el combustible mismo se mueve a través de una onda de combustión en gran medida estacionaria. Esto es contrario a muchos informes de los medios ^{[ 25 ]} , que han popularizado el concepto como un reactor tipo vela con una región de combustión que se mueve a lo largo de una sección de combustible. Sin embargo, al reemplazar una configuración de núcleo estático con una "onda estacionaria" o " solitón " gestionada activamente, el diseño de TerraPower evita el problema de enfriar una región de combustión en movimiento. En este escenario, la reconfiguración de las barras de combustible se realiza de forma remota mediante dispositivos robóticos; el recipiente de contención permanece cerrado durante el procedimiento, sin tiempo de inactividad asociado.

• Arjun Makhijani (septiembre de 2013), " Reactores de onda viajera: ¿oro enfriado con sodio al final de un arcoíris nuclear? ", Instituto de Investigación Energética y Ambiental .

• "Los reactores de TerraPower se acercan al ideal nuclear", por Intellectual Ventures Lab.
• TerraPower: Cómo funciona el reactor nuclear de onda viajera Enlace obsoleto archivado el 22/01/2013 en archive.today , inc 4 diagramas de IV.
• Sitio web de la empresa Terrapower.com
• Rusov, VD; Tarasov, VA; Sharf, IV; Vaschenko, VM; Linnik, EP; Zelentsova, TN; Beglaryan, ME; Chernegenko, SA; Kosenko, SI; Smolyar, VP (2012). "Sobre algunas peculiaridades fundamentales del reactor de onda viajera" . Ciencia y tecnología de las instalaciones nucleares . 2015 : 1–23 . arXiv : 1207.3695 . doi : 10.1155/2015/703069 .