El eutéctico de plomo-bismuto o LBE es una aleación eutéctica de plomo (44,5 at% ) y bismuto (55,5 at%) que se utiliza como refrigerante en algunos reactores nucleares y es un refrigerante propuesto para el reactor rápido refrigerado por plomo , parte de la iniciativa de reactores de Generación IV . Tiene un punto de fusión de 123,5 °C/254,3 °F (el plomo puro se funde a 327 °C/621 °F, el bismuto puro a 271 °C/520 °F) y un punto de ebullición de 1670 °C/3038 °F. [1] [2]
Las aleaciones de plomo y bismuto con entre un 30% y un 75% de bismuto tienen puntos de fusión inferiores a 200 °C/392 °F. Las aleaciones con entre un 48% y un 63% de bismuto tienen puntos de fusión inferiores a 150 °C/302 °F. [3] Mientras que el plomo se expande ligeramente al fundirse y el bismuto se contrae ligeramente al fundirse, el LBE tiene un cambio insignificante en el volumen al fundirse.
Los submarinos soviéticos de clase Alfa utilizaron LBE como refrigerante para sus reactores nucleares durante la Guerra Fría . [4]
La OKB Gidropress (desarrolladora rusa de los reactores de agua ligera de tipo VVER ) tiene experiencia en reactores de agua ligera de tipo LBE. El SVBR-75/100, un diseño moderno de este tipo, es un ejemplo de la amplia experiencia rusa con esta tecnología. [5]
Gen4 Energy (anteriormente Hyperion Power Generation ), una empresa estadounidense vinculada al Laboratorio Nacional de Los Álamos , anunció en 2008 sus planes de diseñar y desplegar un reactor modular pequeño alimentado con nitruro de uranio y refrigerado por eutéctico de plomo y bismuto para la generación de energía comercial, calefacción urbana y desalinización . El reactor propuesto, llamado Módulo Gen4, está planificado como un reactor de 70 MWth del tipo modular sellado, ensamblado en fábrica y transportado al sitio para su instalación, y transportado de regreso a la fábrica para su reabastecimiento de combustible. [6]
En comparación con los refrigerantes metálicos líquidos a base de sodio, como el sodio líquido o el NaK , los refrigerantes a base de plomo tienen puntos de ebullición significativamente más altos , lo que significa que un reactor puede funcionar sin riesgo de que el refrigerante hierva a temperaturas mucho más altas. Esto mejora la eficiencia térmica y podría permitir potencialmente la producción de hidrógeno a través de procesos termoquímicos.
El plomo y el LBE tampoco reaccionan fácilmente con el agua o el aire, a diferencia del sodio y el NaK, que se encienden espontáneamente en el aire y reaccionan de forma explosiva con el agua. Esto significa que los reactores refrigerados con plomo o LBE, a diferencia de los diseños refrigerados con sodio, no necesitarían un circuito de refrigeración intermedio, lo que reduce la inversión de capital necesaria para una planta.
Tanto el plomo como el bismuto son también excelentes protectores contra la radiación , ya que absorben la radiación gamma y, al mismo tiempo, son prácticamente transparentes a los neutrones . Por el contrario, el sodio forma el potente emisor gamma sodio-24 ( vida media de 15 horas) tras una intensa radiación neutrónica , lo que requiere un gran protector contra la radiación para el circuito de refrigeración primario.
Como núcleos pesados, el plomo y el bismuto pueden usarse como objetivos de espalación para la producción de neutrones sin fisión, como en la transmutación de desechos con acelerador (ver amplificador de energía ).
Tanto los refrigerantes a base de plomo como los a base de sodio tienen la ventaja de tener puntos de ebullición relativamente altos en comparación con el agua, lo que significa que no es necesario presurizar el reactor incluso a altas temperaturas. Esto mejora la seguridad, ya que reduce la probabilidad de un accidente por pérdida de refrigerante (LOCA) y permite diseños pasivos seguros . El ciclo termodinámico ( ciclo de Carnot ) también es más eficiente con una mayor diferencia de temperatura. Sin embargo, una desventaja de las temperaturas más altas es también la mayor tasa de corrosión de los componentes estructurales metálicos en LBE debido a su mayor solubilidad en LBE líquido con la temperatura (formación de amalgama ) y a la fragilización del metal líquido .
El plomo y el refrigerante LBE son más corrosivos para el acero que el sodio, y esto impone un límite superior a la velocidad del flujo de refrigerante a través del reactor debido a consideraciones de seguridad. Además, los puntos de fusión más elevados del plomo y el LBE (327 °C y 123,5 °C respectivamente) pueden significar que la solidificación del refrigerante puede ser un problema mayor cuando el reactor funciona a temperaturas más bajas.
Finalmente, tras la radiación neutrónica, el bismuto-209 , el principal isótopo del bismuto presente en el refrigerante LBE, sufre captura de neutrones y posterior desintegración beta , formando polonio-210 , un potente emisor alfa . La presencia de polonio radiactivo en el refrigerante requeriría precauciones especiales para controlar la contaminación alfa durante el reabastecimiento del reactor y la manipulación de los componentes en contacto con el LBE. [7]