El RAPID-L , RAPID-L AT (L: Base lunar, A: Automático, T: Termoeléctrico) es un concepto de microreactor nuclear concebido como una central eléctrica para colonias en la Luna y Marte . Se basa en el reactor reproductor rápido de la serie RAPID (Refueling by All Pins Integrated Design) que utiliza un diseño de litio-6 líquido . El estudio fue financiado por el Instituto de Investigación de Energía Atómica de Japón (JAERI) en el año fiscal 1999-2001. La investigación fue realizada por el Instituto Central de Investigación de la Industria de Energía Eléctrica (CRIEPI) de Japón, Laboratorio de Investigación Komae. [1]
En 1999, el Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) inició el proyecto Iniciativa de Investigación de Energía Nuclear (NERI) (no confundir con la Iniciativa Internacional de Investigación de Energía Nuclear I-NERI de 2001 [2] ). Su objetivo era solicitar investigación pública innovadora. El tema era crear reactores ultraseguros y ultrapequeños. Inspirado en el SP-100 , el convertidor termoeléctrico de metal alcalino (AMTEC) , el reactor de prueba de ingeniería de alta temperatura refrigerado por gas (HTGR) de JAERI de 1990 y los proyectos RAPID y RAPID-A de CRIEPI de 1993 y 1995, entre otros. JAERI encargó el estudio RAPID-L.
El estudio original buscaba un reactor rápido RAPID-L AT ultrapequeño y seguro para su uso en una base lunar o de Marte . La razón para suponer una base en Marte o en la Luna fue la cercanía de las gravedades de ambos cuerpos celestes a 1/3 y 1/6 de la gravedad de la Tierra. [3] El estudio siguió un plan de tres años:
Los diseños RAPID y RAPID-L fueron desarrollados por el Instituto Central de Investigación de la Industria de Energía Eléctrica (CRIEPI) de Japón . El diseño RAPID-L es un concepto de reactor reproductor rápido de metal líquido (LMFBR) destinado a prevenir accidentes debidos a errores humanos. El objetivo era crear un núcleo de larga duración que sea inherentemente seguro debido a que no requiere mantenimiento. Estos eran requisitos necesarios ya que el reactor estaba destinado a ser utilizado en la Luna. [1] [3] [4]
Para ello se adoptaron varias ideas innovadoras.
El RAPID-L es un sistema de conversión de energía termoeléctrica que utiliza combustible de nitruro de uranio (enriquecido al 40% y 50% respectivamente) y refrigerante líquido de litio-6 con una potencia de 5 MW de energía térmica y 200 kW de energía eléctrica. La entrada y salida de litio están clasificadas para una temperatura de 1.030 y 1.100 °C. El litio-6 también sirve como absorbente de neutrones. Es el primer reactor de este tipo. Como el litio-6 no se ha utilizado como material absorbente de neutrones en reactores rápidos convencionales, las mediciones se realizaron en la Asamblea Crítica Rápida (FCA) del Instituto de Investigación de Energía Atómica de Japón (JAERI). El núcleo del FCA estaba compuesto por muestras de acero inoxidable y uranio altamente enriquecido para simular el espectro del núcleo del RAPID-L. Las muestras se enriquecieron con 95% de litio-6 y se insertaron en el núcleo paralelo al eje del núcleo para medir la reactividad en cada posición. Se encontró que la reactividad medida en la región central coincidía con los cálculos. Los factores de sesgo para el diseño central se obtuvieron comparando los resultados experimentales y calculados. [3] [5] [6]
Como variante del concepto de reactor rápido RAPID (Refueling by All Pins Integrated Design), se puede repostar de forma rápida y sencilla. Esencial para esta característica es que el núcleo del reactor consta de un conjunto de combustible integrado (IFA) en lugar de subconjuntos de combustible convencionales. Este pequeño núcleo tiene 2700 elementos combustibles (pasadores) combinados por el IFA, que consisten en una rejilla de soporte del núcleo y varias rejillas espaciadoras, y están ensamblados en un cartucho de combustible. Este cartucho se puede reemplazar como una unidad. El reactor puede funcionar sin repostar hasta 10 años (80% de la potencia nominal). El reactor no tiene barras de control. Para lograr un funcionamiento totalmente automatizado, el reactor se basa en varios sistemas de control de reactividad: módulo de expansión de litio (LEM), módulo de inyección de litio (LIM) y módulo de liberación de litio (LRM). LEM sirve para la retroalimentación de reactividad inherente, LIM sirve para el apagado final inherente y LRM sirve para el arranque automatizado del reactor. Estos sistemas pasivos ayudan a mitigar los efectos del agotamiento del combustible, permitiendo una larga vida útil del combustible. Los factores de sesgo se utilizaron para determinar la cantidad de LEM y LIM necesarios en el núcleo para lograr una operación completamente automatizada. [3] [6] [7]
El reactor tiene básicamente una configuración de tipo bucle y un contenedor de reactor de 2 m de diámetro, 6,5 m de profundidad y pesa alrededor de 7,6 toneladas . Este concepto RAPID no tiene diagrid ni estructura de soporte central ya que están integrados en un cartucho de combustible. El contenedor del reactor simple facilitaría la inspección en servicio (ISI) más importante. Se puede realizar un ISI para cada repostaje. El reactor está diseñado para instalarse bajo el nivel del suelo, de modo que el suelo proporcione el blindaje necesario. Las bombas electromagnéticas separadas y el cartucho de combustible están conectados mediante tubos de conexión. El subsistema del reactor se caracteriza por el concepto de repostaje RÁPIDO para eliminar los sistemas convencionales de manipulación de combustible. Esto proporciona un ahorro sustancial de masa del bloque del reactor del 60% en comparación con sistemas de reactores rápidos refrigerados por metal líquido comparables. [3] [6]
Los LEM logran automáticamente la compensación del quemado, alcanzando el 80% de la potencia nominal al final de la vida útil del cartucho de combustible. El LEM es un dispositivo similar a un termómetro accionado por la expansión de volumen del Li 6 . Esta “barra de control de líquido” puede mantener la potencia del reactor casi constante durante toda la vida útil del diseño. El funcionamiento a carga parcial es posible ajustando el caudal del refrigerante primario. La potencia del reactor será proporcional al caudal de refrigerante primario debido a la retroalimentación de la reactividad de los LEM. El LRM se compone de una envoltura dividida por un sello congelado en dos cámaras. La cámara inferior, dentro del núcleo activo, tiene un depósito de Li 6 enriquecido al 95% , mientras que la cámara superior está en vacío antes del arranque del reactor. El arranque del reactor se puede realizar automáticamente si la temperatura del refrigerante primario alcanza su temperatura de espera. El calentamiento del refrigerante se puede lograr mediante la liberación de calor desde la circulación de la bomba primaria. Luego, el sello congelado del LRM se derretirá a la temperatura de espera caliente (aproximadamente 780 °C) y el Li 6 se libera lentamente desde el nivel inferior (nivel de núcleo activo) al nivel superior para lograr un aumento de reactividad positivo. Se necesitarán 7 (11) horas para completar el inicio. Los LIM aseguran suficiente retroalimentación de reactividad negativa en transitorios desprotegidos. Los LRM permiten un arranque automatizado del reactor al detectar la temperatura de espera en caliente del refrigerante primario. Todos estos sistemas utilizan Li 6 y son accionados por propiedades físicas altamente confiables (expansión de volumen de Li 6 para LEM y fusión del sello congelado para LIM y LRM). Una configuración con LEM rápidos requiere 3+(1) LEM de tamaño más pequeño que una configuración con LEM lentos que requiere 24 LEM. El RAPID-L está equipado con 28 LEM, 16 LIM y 16 LRM en el concepto de diseño. Dos de los 16 LRM son reservas o muñecos. Es un sistema muy redundante. El fallo de algunos de estos dispositivos daría como resultado sólo una ligera desviación de temperatura del refrigerante. En caso de que la mayoría de los LEM fallaran, la compensación del quemado por parte de los LEM podría ser imposible y el reactor se pararía. [1] [3] [6]
El reactor puede ser lanzado por el vehículo de lanzamiento H-2 a la órbita terrestre baja (LEO) antes de ir a la Luna. Luego se instalará en un pozo cilíndrico excavado de 2 m de diámetro y 6 m de profundidad. Alrededor del reactor se encuentran los cuatro segmentos de conversión de energía termoeléctrica y los ocho paneles radiadores. [1]
A menudo se ha citado a Toshiba como involucrada en la investigación y el desarrollo del RAPID-L, sin embargo, esto no pudo confirmarse en ninguna documentación japonesa ni en la ciencia contemporánea o en las noticias de prensa. El Instituto de Investigación Mitsubishi, Inc. era la única empresa afiliada que figuraba en la lista. [1] [4] [6] [8] [9] La idea errónea pareció haber aparecido cuando el Toshiba 4S fue objeto de revisión preliminar ante la Comisión Reguladora Nuclear de EE. UU. en 2007. Es posible que esto se haya difundido por primera vez en blogs, pero finalmente se descubrió. su camino en algunas publicaciones y artículos serios. [10] [11]