El módulo de energía nuclear autorregulado moderado por hidrógeno (HPM), también conocido como reactor transportable autorregulado compacto (ComStar), [1] es un tipo de reactor de energía nuclear que utiliza hidruro como moderador de neutrones . El diseño es inherentemente seguro , [2] ya que el combustible y el moderador de neutrones es hidruro de uranio UH 3 , que se reduce a altas temperaturas (500–800 °C) a uranio e hidrógeno . El hidrógeno gaseoso sale del núcleo y es absorbido por material absorbente de hidrógeno, como el uranio empobrecido , lo que lo hace menos crítico . Esto significa que con el aumento de la temperatura, la moderación de neutrones disminuye y la reacción de fisión nuclear en el núcleo se amortigua, lo que lleva a una temperatura central más baja. Esto significa que a medida que se extrae más energía del núcleo, la moderación aumenta y el proceso de fisión se alimenta para producir más calor.
El concepto de este tipo de reactor nuclear fue desarrollado por los científicos Otis Peterson y Robert Kimpland del Laboratorio Nacional de Los Álamos (LANL) en Nuevo México . [3] El Dr. Otis G. Peterson recibió un Premio del Consorcio Federal de Laboratorios en la categoría de desarrollo de tecnología notable por este concepto de reactor en 2002. [4] Desde entonces, esta tecnología ha sido licenciada exclusivamente a Hyperion Power Generation , bajo un programa de transferencia de tecnología y un acuerdo de investigación y desarrollo cooperativo (CRADA) con el Laboratorio Nacional de Los Álamos.
El reactor comparte algunas características con los reactores de investigación TRIGA , que son operados por laboratorios de investigación y universidades de todo el mundo, así como con el reactor SNAP-10A , que fue desarrollado para aplicaciones espaciales.
Según la solicitud de patente [5], el diseño del reactor tiene algunas características notables que lo distinguen de otros diseños de reactores. Utiliza hidruro de uranio (UH 3 ) "poco enriquecido" al 5% de uranio-235 —el resto es uranio-238— como combustible nuclear, en lugar del uranio metálico o dióxido de uranio habituales que componen las barras de combustible de los reactores de agua ligera contemporáneos . De hecho, dentro de la solicitud, el diseño contemporáneo basado en "barras" con barras de combustible y barras de control se omite por completo del diseño del reactor propuesto a favor de un diseño de "bañera" con tubos de calor pasivos que conducen el calor al intercambiador de calor que corre a través de la "bañera" de hidruro de uranio granulado. El refrigerante probable que se utilice es potasio .
El diseño del reactor en cuestión comienza a producir energía cuando el gas hidrógeno a una temperatura y presión suficientes se admite en el núcleo (compuesto de uranio metálico granulado) y reacciona con el uranio metálico para formar hidruro de uranio. El hidruro de uranio es a la vez un combustible nuclear y un moderador de neutrones ; aparentemente, al igual que otros moderadores de neutrones, ralentizará los neutrones lo suficiente como para permitir que se produzcan reacciones de fisión; los átomos de U-235 dentro del hidruro también sirven como combustible nuclear. Una vez que la reacción nuclear ha comenzado, continuará hasta que alcance una cierta temperatura, aproximadamente 800 °C (1.500 °F), donde, debido a las propiedades químicas del hidruro de uranio, se descompone químicamente y se convierte en gas hidrógeno y uranio metálico. La pérdida de moderación de neutrones debido a la descomposición química del hidruro de uranio en consecuencia ralentizará, y eventualmente detendrá, la reacción. Cuando la temperatura vuelva a un nivel aceptable, el hidrógeno se combinará nuevamente con el uranio metálico, formando hidruro de uranio, restableciendo la moderación y la reacción nuclear comenzará nuevamente.
Esto hace que el reactor sea un sistema dinámico y autorregulado, ya que con un aumento de temperatura, la reactividad nuclear disminuirá sustancialmente, y con una caída de temperatura, la reactividad nuclear aumentará sustancialmente. Por lo tanto, este diseño de reactor es autorregulado, la fusión es imposible y el diseño es inherentemente seguro. Desde el punto de vista de la seguridad, el diseño aprovecha la tecnología utilizada en el reactor TRIGA , que utiliza combustible de hidruro de uranio y circonio (UZrH) y es el único reactor autorizado por la Comisión Reguladora Nuclear de los EE. UU. para operación sin supervisión.
Según la especificación de diseño del reactor, el núcleo de hidruro de uranio está rodeado por bandejas de almacenamiento que absorben hidrógeno, hechas de uranio empobrecido o torio . Las bandejas de almacenamiento pueden desorber o absorber el gas hidrógeno del núcleo. Durante el funcionamiento normal (con una temperatura de funcionamiento de aproximadamente 550 °C (1.000 °F)), las bandejas de almacenamiento se mantienen a una temperatura lo suficientemente alta como para expulsar el gas hidrógeno al núcleo. Las bandejas de almacenamiento se calientan o enfrían por medio de tubos de calor y una fuente térmica externa. De este modo, en un estado estacionario, el núcleo de hidruro de uranio está sometido a la temperatura de las bandejas de almacenamiento. Otros tubos de calor, que sobresalen del núcleo de hidruro de uranio, entregan el calor nuclear generado desde el núcleo a un intercambiador de calor , que a su vez puede conectarse a un grupo electrógeno- turbina de vapor , para la producción de electricidad.
Los únicos peligros son los de todos los materiales nucleares , es decir, los de la radiación , pero esto se mitiga significativamente por el hecho de que el diseño del reactor está pensado para ser enterrado bajo tierra y desenterrado solo para recargar combustible cada cinco años, momento en el que, suponiendo que se utilicen las salvaguardias adecuadas, la exposición a la radiactividad es una preocupación comparativamente trivial. El combustible gastado también es una preocupación, pero esto se mitiga debido a ciertas tecnologías y ventajas que hacen que el combustible usado del diseño en cuestión sea más adecuado para el reciclaje nuclear . En particular, la solicitud de patente para el diseño indica que el uso de un ciclo de combustible de torio en lugar de un ciclo de combustible de uranio con este tipo de reactor permitirá un potencial de reciclaje mucho mayor que el que se encuentra actualmente en el combustible usado estándar. Además, el hidruro de uranio tiene la capacidad de una alta combustión de combustible , de hasta el 50%, en contraste con un reactor de agua ligera que generalmente logra una combustión del 5%.
El reprocesamiento del combustible gastado es simplificado y más económico para el diseño del reactor de hidruro, porque se puede utilizar el llamado proceso de refinación por zonas para la separación. [6]
Al parecer, el reactor propuesto podrá suministrar 27 MW e de energía eléctrica o 70 MW th , pesará entre 18 y 20 toneladas, medirá aproximadamente 1,5 metros de diámetro, se fabricará en serie en una cadena de montaje y podrá funcionar sin supervisión y sin reabastecimiento durante siete a diez años. Se prevé que los costos sean competitivos con los de otras fuentes de energía establecidas, como el carbón, la energía nuclear convencional y el gas natural.
Aún no se ha realizado ningún prototipo de este tipo de reactor, aunque los procesos nucleares se han modelado con MCNP . Como el concepto de un reactor de hidruro de uranio es novedoso, será necesario realizar más trabajos experimentales con respecto a la dinámica del flujo de gas, la selección de materiales y el rendimiento (especialmente con respecto a la fragilización por hidrógeno y la piroforicidad del hidruro), el daño por radiación y la acumulación de fragmentos de fisión. Otro desafío lo planteará el control remoto de la temperatura de las bandejas de almacenamiento, así como la refrigeración de estas bandejas cuando sea necesario, para que absorban hidrógeno del núcleo (la propia absorción libera calor que primero debe evacuarse antes de que las bandejas de almacenamiento puedan absorber más hidrógeno).
El concepto HPM se basa en el trabajo de la década de 1950, cuando el Laboratorio de Radiación de la Universidad de California (actualmente el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore ) requirió un pequeño dispositivo de fisión nuclear como carga de ignición para un arma termonuclear. El objetivo era producir una explosión lo suficientemente potente como para encenderlo, mientras se usaba solo la cantidad mínima de material fisionable. Esto se intentó en la operación Upshot-Knothole , [7] donde se utilizó hidrógeno para reducir la masa crítica. Las explosiones de prueba con nombre en código Ruth y Ray utilizaron en el núcleo hidruro de uranio. Ruth utilizó el isótopo de hidrógeno protio ( 1 H) y Ray utilizó el isótopo de hidrógeno deuterio ( 2 H o 2 D) como moderadores de neutrones. El rendimiento previsto fue de 1,5 a 3 kt de TNT para Ruth y de 0,5-1 kt de TNT para Ray, sin embargo, las pruebas produjeron solo un rendimiento de aproximadamente 200 toneladas de TNT.
La tecnología HPM está siendo desarrollada y comercializada por Hyperion Power Generation , Inc. Hyperion apunta al mercado de volumen para aplicaciones de tamaño pequeño a mediano en áreas remotas para instalaciones industriales e instalaciones residenciales que atiendan a entre 20.000 (típicos en EE. UU.) y 100.000 (típicos fuera de EE. UU.) hogares. Afirman que la unidad se entregará en un contenedor sellado y que prácticamente no necesitará mantenimiento, ya que la unidad no se abrirá en el sitio. La empresa quiere producir las unidades en masa en una fábrica, entregarlas en camión y llevarlas de regreso para su reprocesamiento después de 5 a 10 años (dependiendo del consumo de energía). [ cita requerida ]
Sin embargo, en noviembre de 2009, Hyperion Power Generation decidió utilizar un diseño diferente de reactor rápido refrigerado por plomo para su módulo de potencia, basado en nitruro de uranio , citando el largo proceso de desarrollo y licencia regulatoria para el diseño del reactor de hidruro de uranio. [8]
Hyperion, rebautizada entonces como Gen4 Energy , cerró el 1 de abril de 2018[4], después de perder una segunda ronda de subvenciones del Departamento de Energía en enero de 2016.[5]