Un reactor de ondas viajeras ( TWR ) es un tipo propuesto de reactor de fisión nuclear que puede convertir material fértil en combustible utilizable a través de la transmutación nuclear , en tándem con la combustión del material fisible. Los TWR se diferencian de otros tipos de reactores de neutrones rápidos y reproductores en su capacidad de utilizar el combustible de manera eficiente sin enriquecer o reprocesar el uranio , [ dudoso – discutir ] en su lugar utilizando directamente uranio empobrecido , uranio natural , torio , combustible gastado extraído de reactores de agua ligera o alguna combinación de estos materiales. El concepto aún está en la etapa de desarrollo y nunca se ha construido ningún TWR.
El nombre hace referencia al hecho de que la fisión permanece confinada en una zona límite en el núcleo del reactor que avanza lentamente con el tiempo. En teoría, los reactores nucleares de reacción rápida podrían funcionar de manera autosuficiente durante décadas sin necesidad de reabastecerse ni retirar el combustible gastado.
Los reactores de ondas viajeras 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 del reactor fue propuesto y estudiado inicialmente en 1958 por Savely Moiseevich Feinberg , quien lo llamó un reactor de "reproducción y combustión". [1] Michael Driscoll publicó más investigaciones sobre el concepto en 1979, [2] al igual que Lev Feoktistov en 1988, [3] Edward Teller / Lowell Wood en 1995, [4] Hugo van Dam en 2000 [5] e Hiroshi Sekimoto en 2001. [6]
El TWR se discutió en los simposios de Sistemas Innovadores de Energía Nuclear (INES) en 2004, 2006 y 2010 en Japón, donde se lo llamó Reactor "CANDLE", una abreviatura de Forma axial constante del flujo de neutrones, densidades de nucleidos y forma de potencia durante la vida útil de la producción de energía . [7] En 2010, Popa-Simil discutió el caso de las micro-hetero-estructuras, [8] más detalladamente en el artículo "La cría de plutonio en estructuras micro-hetero mejora el ciclo del combustible", describiendo un TWR con quemado profundo mejorado por canales de combustible de plutonio [9] y flujo de combustible múltiple. En 2012 se demostró que las ondas de fisión [10] son una forma de fenómeno de difusión de reacción biestable. [11] También se ha demostrado que las ondas de fisión pueden ser estables, inestables o sufrir una bifurcación de Hopf dependiendo de la retroalimentación térmica. [12] Se ha demostrado que el daño por irradiación es un obstáculo para el uso de materiales convencionales en reactores de olas, pero en 2012 se demostró que el enriquecimiento del combustible se puede utilizar para reducir este problema [13] y esto se confirmó nuevamente en 2019. [14]
Todavía no se ha construido ningún reactor de este tipo, pero en 2006 Intellectual Ventures lanzó una empresa derivada llamada TerraPower para modelar y comercializar un diseño funcional de un reactor de este tipo, que más tarde se denominaría "reactor de ondas viajeras". TerraPower ha desarrollado diseños de reactores de este tipo para instalaciones de generación de baja a media potencia (300 MWe) y de alta potencia (~1000 MWe). [15] Bill Gates presentó a TerraPower en su charla TED de 2010. [16]
En 2010, un grupo de TerraPower solicitó la patente EP 2324480 A1 a raíz de la WO2010019199A1 "Refrigeración de reactores por ondas de deflagración por fisión nuclear con tubos de calor". La solicitud se consideró retirada en 2014. [17]
En septiembre de 2015, TerraPower y China National Nuclear Corporation (CNNC) firmaron un memorando de entendimiento para desarrollar conjuntamente un reactor de agua de transición. TerraPower tenía previsto construir una planta de demostración de 600 MWe, la TWR-P, entre 2018 y 2022, seguida de plantas comerciales más grandes de 1150 MWe a finales de la década de 2020. [18] 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 . [19]
Los artículos y presentaciones sobre el TWR de TerraPower [20] [21] [22] describen un reactor de tipo piscina refrigerado por sodio líquido. El reactor se alimenta principalmente de uranio empobrecido-238, un "combustible fértil", pero requiere una pequeña cantidad de uranio enriquecido-235 u otro "combustible fisible" 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 fisible), que se "reproduce" en plutonio mediante la reacción nuclear:
Inicialmente, el núcleo está cargado de material fértil, con unas pocas barras de combustible fisible concentradas en la región central. Después de que se pone en marcha el reactor, se forman cuatro zonas dentro del núcleo: la zona agotada, 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 fisible por captura de neutrones; y la zona fresca, que contiene material fértil sin reaccionar . La zona de fisión generadora de energía avanza de manera constante a través del núcleo, consumiendo efectivamente material fértil frente a ella 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 de ciclo cerrado, donde se genera energía eléctrica mediante turbinas de vapor. [21]
Los reactores de agua ligera utilizan sólo una pequeña cantidad (~10%) de uranio-235 enriquecido u otro combustible fisible 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. [22] Los reactores de agua ligera requieren sustancialmente menos combustible por kilovatio-hora de electricidad que los reactores de agua ligera (LWR), debido a que los reactores de agua ligera tienen un mayor consumo de combustible, densidad energética y eficiencia térmica . Un reactor de agua ligera también realiza la mayor parte de su reprocesamiento dentro del núcleo del reactor. El combustible gastado se puede reciclar después de un simple "refinamiento de fusión", sin la separación química del plutonio que requieren otros tipos de reactores reproductores. Estas características reducen en gran medida los volúmenes de combustible y desechos, al tiempo que mejoran la resistencia a la proliferación. [21]
El uranio empobrecido está ampliamente disponible como materia prima. Las reservas en los Estados Unidos contienen actualmente aproximadamente 700.000 toneladas métricas, que son un subproducto del proceso de enriquecimiento . [23] TerraPower ha estimado que las reservas de la instalación de enriquecimiento de Paducah por sí solas representan un recurso energético equivalente a 100 billones de dólares en electricidad. [22] TerraPower también ha estimado que el amplio despliegue de reactores de reentrada térmica podría permitir que las reservas mundiales proyectadas de uranio empobrecido sustenten al 80% de la población mundial con los consumos de energía per cápita de los Estados Unidos durante más de un milenio. [24]
En principio, los reactores de agua de transición son capaces de quemar el combustible gastado de los reactores de agua de baja presión, que actualmente se desecha como residuo radiactivo. El combustible gastado de los reactores de agua de baja presión es en su mayor parte uranio poco enriquecido (LEU) y, en el espectro de neutrones rápidos de un reactor de agua de transición, 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 reactor de agua de baja presión. Si bien este enfoque podría producir una reducción general de las reservas de residuos nucleares, se requiere un mayor desarrollo técnico para hacer realidad esta capacidad.
En principio, los reactores de uranio en racimo también pueden reutilizar su propio combustible. En cualquier ciclo de funcionamiento, solo entre el 20 y el 35 % del combustible se convierte en una forma inutilizable; el metal restante constituye material fisible utilizable. Este combustible reciclado, que se puede volver a fundir y revestir para formar nuevos propulsores sin necesidad de separaciones químicas, se puede utilizar para iniciar la fisión en ciclos de funcionamiento posteriores, eliminando así la necesidad de enriquecer el uranio.
El concepto TWR no se limita a quemar uranio con plutonio-239 como "iniciador" en un ciclo 238 U– 239 Pu, sino que también puede quemar torio con uranio-233 como "iniciador" en un ciclo 232 Th– 233 U. [25]
La onda de combustión en el diseño TWR de TerraPower no se mueve de un extremo al otro del reactor [26] sino gradualmente desde el centro hacia afuera. Además, a medida que la composición del combustible cambia a través de 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 en sí se mueve a través de una onda de combustión en gran parte estacionaria. Esto es contrario a muchos informes de los medios de comunicación, [27] 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.
