El reactor de sales fundidas integral (IMSR) es un diseño de planta de energía nuclear cuyo objetivo es desarrollar un producto comercial para el mercado de reactores modulares pequeños (SMR). Emplea tecnología de reactores de sales fundidas que está siendo desarrollada por la empresa canadiense Terrestrial Energy . [1]
El IMSR se basa en gran medida en el reactor de sales fundidas desnaturalizadas (DMSR), un diseño de reactor del Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Además, incorpora algunos elementos que se encuentran en el pequeño reactor modular avanzado de alta temperatura (SmAHTR), un diseño posterior del mismo laboratorio. El IMSR pertenece a la clase DMSR de reactores de sales fundidas (MSR) y, por lo tanto, es un reactor de " quemador " que emplea un combustible líquido en lugar de un combustible sólido convencional. Este líquido contiene el combustible nuclear y actúa como refrigerante principal .
En 2016, Terrestrial Energy participó en una revisión de diseño previa a la obtención de la licencia para el IMSR con la Comisión Canadiense de Seguridad Nuclear [2] [3] y entró en la segunda fase de este proceso en octubre de 2018 después de completar con éxito la primera etapa a fines de 2017. [4] [5] La compañía afirma que tendrá sus primeros IMSR comerciales autorizados y en funcionamiento en la década de 2020.
El reactor de sal fundida integral (IMSR) se integra en una unidad de reactor nuclear compacta, sellada y reemplazable, llamada unidad central IMSR. La unidad central viene en un tamaño único diseñado para entregar 440 megavatios de calor térmico. Si se utiliza para generar electricidad, la capacidad nocional es de 195 megavatios eléctricos. La unidad incluye todos los componentes primarios del reactor nuclear que funcionan con el combustible de sal de fluoruro fundido líquido: moderador, intercambiadores de calor primarios, bombas y barras de apagado. [6] La unidad central forma el corazón del sistema IMSR. En la unidad central, la sal de combustible circula entre el núcleo de grafito y los intercambiadores de calor. La propia unidad central se coloca dentro de un recipiente circundante llamado recipiente de protección. El módulo completo de la unidad central se puede levantar para su reemplazo. El recipiente de protección que rodea la unidad central actúa como un recipiente de contención. A su vez, un silo blindado rodea el recipiente de protección.
El IMSR pertenece a la clase de reactores de sales fundidas desnaturalizadas (DMSR) [7] de los reactores de sales fundidas (MSR). Está diseñado para tener todas las características de seguridad asociadas con la clase de reactores de sales fundidas, incluyendo el funcionamiento a baja presión (el reactor y el refrigerante primario funcionan cerca de la presión atmosférica normal), la incapacidad de perder refrigerante primario (el combustible es el refrigerante), la incapacidad de sufrir un accidente de fusión (el combustible funciona en un estado ya fundido) y la unión química robusta de los productos de fisión dentro de la sal del refrigerante primario (vía reducida para la liberación accidental de productos de fisión).
El diseño utiliza combustible de uranio poco enriquecido de ensayo estándar , con menos del 5% de U 235 con un convertidor simple (también conocido como "quemador") como objetivo del ciclo de combustible (como lo hacen la mayoría de los reactores de potencia en funcionamiento hoy en día). El combustible propuesto está en forma de tetrafluoruro de uranio (UF 4 ) mezclado con sales portadoras. [8] Estas sales también son fluoruros, como el fluoruro de litio (LiF), el fluoruro de sodio (NaF) y/o el fluoruro de berilio (BeF 2 ) [ cita requerida ] . Estas sales portadoras aumentan la capacidad térmica del combustible y reducen el punto de fusión del combustible.
La mezcla de sales de combustible también actúa como refrigerante principal del reactor.
El IMSR es un reactor de neutrones térmicos moderado por elementos tubulares verticales de grafito . La mezcla de combustible y refrigerante de sales fundidas fluye hacia arriba a través de estos elementos tubulares, donde alcanza un punto crítico. Después de calentarse en este núcleo moderado, el combustible líquido fluye hacia arriba a través de una chimenea común central y luego es impulsado hacia abajo por bombas a través de intercambiadores de calor ubicados dentro del recipiente del reactor. El combustible líquido luego fluye hacia abajo por el borde exterior del núcleo del reactor para repetir el ciclo. Todos los componentes primarios, intercambiadores de calor, bombas, etc. están ubicados dentro del recipiente del reactor. La arquitectura integrada del reactor evita el uso de tuberías externas para el combustible que podrían tener fugas o romperse.
Las tuberías externas al recipiente del reactor contienen dos circuitos de sal adicionales en serie: una sal refrigerante secundaria no radiactiva, seguida de otra (tercera) sal refrigerante. Estos circuitos de sal actúan como barreras adicionales para cualquier radionucleido, además de mejorar la capacidad térmica del sistema. También permiten una integración más sencilla con el extremo del disipador de calor de la planta; Terrestrial Energy prevé aplicaciones de calor de proceso o de energía utilizando plantas de turbinas de vapor de grado industrial estándar . [9]
La unidad central del IMSR está diseñada para ser reemplazada completamente después de un período de funcionamiento de siete años. Durante el funcionamiento, se agregan periódicamente pequeñas cantidades de combustible/sal nuevos al sistema del reactor. Este proceso de recarga en línea no requiere la maquinaria de recarga mecánica necesaria para los sistemas de reactores de combustible sólido.
Muchas de estas características de diseño se basan en dos diseños previos de sales fundidas del Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL): el reactor de sales fundidas desnaturalizadas (DMSR) del ORNL de 1980 y el reactor avanzado de alta temperatura modular pequeño refrigerado por combustible sólido/sal líquida (SmAHTR), un diseño de 2010. El DMSR, tal como se trasladó al diseño del IMSR, proponía utilizar combustible de sales fundidas y moderador de grafito en un diseño de convertidor simplificado que utiliza LEU , con adiciones periódicas de combustible LEU. La mayoría de las propuestas anteriores de reactores de sales fundidas generaban más combustible del necesario para funcionar, por lo que se los denominaba reactores reproductores. Los reactores convertidores o "quemadores" como el IMSR y el DMSR también pueden utilizar plutonio del combustible gastado existente como fuente de combustible de reposición. La propuesta más reciente del SmAHTR era para un reactor pequeño, modular, refrigerado por sales fundidas pero alimentado con combustible sólido TRISO . [10]
El diseño utiliza una unidad central reemplazable . [11] Cuando la exposición de por vida del moderador de grafito al flujo de neutrones hace que comience a distorsionarse más allá de los límites aceptables, en lugar de quitar y reemplazar el moderador de grafito, se reemplaza toda la unidad central del IMSR como una unidad. Esto incluye las bombas, los motores de las bombas , las barras de apagado, los intercambiadores de calor y el moderador de grafito, todos los cuales están dentro del recipiente o directamente unidos a él. Para facilitar un reemplazo, el diseño emplea dos silos de reactor en el edificio del reactor, uno en funcionamiento y otro inactivo o con una unidad central anterior, vacía y gastada en enfriamiento. Después de 7 años de funcionamiento, la unidad central se apaga y se enfría en el lugar para permitir que los radionucleidos de vida corta se desintegren. Después de ese período de enfriamiento, la unidad central gastada se levanta y eventualmente se reemplaza.
Simultáneamente, se instala y activa una nueva unidad central en el segundo silo. Esto implica la conexión a la tubería de sal secundaria (refrigerante), la colocación del cabezal de contención y el escudo biológico y la carga con sal de combustible nueva. El cabezal de contención proporciona una doble contención (la primera es el propio recipiente sellado del reactor). La nueva unidad central ahora puede comenzar sus 7 años de operaciones energéticas.
El proveedor de IMSR acumula unidades centrales de IMSR usadas y selladas y tanques de sal de combustible gastado en silos subterráneos en el sitio. Este modo operativo reduce las incertidumbres con respecto a la larga vida útil de los materiales y equipos, reemplazándolos por diseño en lugar de permitir que se acumulen problemas relacionados con el envejecimiento, como la fluencia o la corrosión .
El IMSR utiliza un sistema de reabastecimiento en línea. Durante el funcionamiento, se añaden periódicamente pequeñas cantidades de sal de combustible fresco al sistema del reactor. Como el reactor utiliza combustible líquido circulante, este proceso no requiere maquinaria de reabastecimiento mecánica compleja. El recipiente del reactor nunca se abre, lo que garantiza un entorno operativo limpio. Durante los 7 años, no se extrae combustible del reactor; esto difiere de los reactores de combustible sólido, que deben extraer combustible para dejar espacio para nuevos conjuntos de combustible, lo que limita el uso de combustible.
Los reactores nucleares tienen tres requisitos de seguridad fundamentales: control, refrigeración y contención.
Los reactores nucleares requieren control sobre la reacción en cadena nuclear crítica . Como tal, el diseño debe proporcionar un control exacto sobre la velocidad de reacción del núcleo y debe permitir un apagado confiable cuando sea necesario. En operaciones de rutina, el IMSR se basa en la estabilidad intrínseca para el control de la reactividad; no hay barras de control. Este comportamiento se conoce como retroalimentación de potencia negativa : el reactor se autoestabiliza en potencia de salida y temperatura, y se caracteriza por ser un reactor de seguimiento de carga. La potencia del reactor está controlada por la cantidad de calor extraído del reactor. El aumento de la extracción de calor da como resultado una caída en la temperatura de la sal del combustible, lo que resulta en un aumento de la reactividad y, a su vez, un aumento de la potencia. Por el contrario, la reducción de la extracción de calor aumentará la temperatura del reactor al principio, lo que reducirá la reactividad y, posteriormente, reducirá la potencia del reactor. Si se pierde toda la extracción de calor, la potencia del reactor caerá a un nivel de potencia muy bajo.
Como respaldo (y método de apagado para mantenimiento), el IMSR emplea barras de apagado llenas de absorbente de neutrones . Estas barras normalmente se mantienen fuera de la región crítica por la presión ascendente de la sal bombeada en circulación, pero caerán en su lugar para detener la criticidad si se pierde la circulación bombeada debido a un corte de energía o una falla de la bomba.
Al igual que con otros reactores de sal fundida, el reactor también puede apagarse drenando la sal de combustible de la unidad central a los tanques de almacenamiento.
Se proporciona un respaldo a prueba de fallos en forma de latas fundibles, llenas de un material absorbente de neutrones líquido que apagará permanentemente el reactor en caso de un evento de sobrecalentamiento severo. [ cita requerida ]
Un reactor nuclear es un sistema de energía térmica : genera calor , lo transporta y, finalmente, lo convierte en energía mecánica en un motor térmico , en este caso una turbina de vapor . Estos sistemas requieren que el calor se extraiga, transporte y convierta al mismo ritmo al que se genera.
Un problema fundamental para los reactores nucleares es que, incluso cuando se detiene el proceso de fisión nuclear, la desintegración radiactiva de los productos de fisión continúa generando calor en niveles significativos durante días o meses. Esto se conoce como calor de desintegración y es el principal factor de seguridad que impulsa la refrigeración de los reactores nucleares, ya que este calor de desintegración debe eliminarse. En el caso de los reactores de agua ligera convencionales , el flujo de agua de refrigeración debe continuar en todas las circunstancias previsibles, ya que de lo contrario puede producirse daño y fusión del combustible (sólido). Los reactores de agua ligera funcionan con un refrigerante volátil , lo que requiere un funcionamiento a alta presión y despresurización en caso de emergencia.
En cambio, el IMSR utiliza combustible líquido a baja presión. El IMSR no depende de llevar refrigerante al reactor ni de despresurizarlo, sino que utiliza refrigeración pasiva. El calor se disipa continuamente desde la unidad central. Durante el funcionamiento normal, la pérdida de calor se reduce por la temperatura moderada del recipiente del reactor en funcionamiento normal, combinada con el aire estancado entre la unidad central y el recipiente de protección, que solo permite la transferencia de calor radiante. La transferencia de calor radiante es una función importante de la temperatura; cualquier aumento de la temperatura de la unidad central aumentará rápidamente la pérdida de calor. Al apagar las bombas de sal primarias, el reactor reduce pasivamente la potencia a un nivel muy pequeño. Aún puede calentarse lentamente por el calor de desintegración pequeño pero constante , como se describió anteriormente. Debido a la gran capacidad térmica del grafito y las sales, este aumento de temperatura es lento. Las temperaturas más altas aumentan lentamente la pérdida de calor radiante térmico y la posterior pérdida de calor desde el propio recipiente de protección hacia el aire exterior. El nitrógeno a baja presión fluye por convección natural sobre el exterior del recipiente de protección, transportando calor al techo del edificio del reactor de metal. Este techo proporciona la pérdida de calor pasiva necesaria, actuando como un radiador gigante hacia el aire exterior. [12] Como resultado, la pérdida de calor aumenta mientras que el calor de desintegración disminuye naturalmente; se alcanza un equilibrio donde las temperaturas alcanzan un pico y luego caen. La dinámica térmica y la inercia de todo el sistema de la unidad central en su silo de contención son suficientes para absorber y dispersar el calor de desintegración. A largo plazo, como el calor de desintegración se disipa casi por completo y la planta aún no se recupera, el reactor aumentaría la potencia al nivel de la pérdida de calor hacia el sistema de enfriamiento auxiliar interno del recipiente del reactor (IRVACS), y se mantendría en ese bajo nivel de potencia (y temperatura normal) indefinidamente.
En caso de que el refrigerante de nitrógeno a baja presión se escape del IRVACS, el aire natural ofrecerá una capacidad de enfriamiento similar, aunque con una pequeña activación nuclear del argón en el aire.
Las sales fundidas son excelentes fluidos de transferencia de calor, [13] con capacidades térmicas volumétricas cercanas al agua, junto con una alta conductividad térmica .
Todos los reactores de sales fundidas tienen características que contribuyen a la seguridad de la contención. Estas tienen que ver principalmente con las propiedades de la sal misma. Las sales son químicamente inertes , no arden y no son combustibles. Las sales tienen baja volatilidad (puntos de ebullición altos en torno a los 1400 °C), lo que permite una baja presión de funcionamiento del núcleo y de los circuitos de refrigeración. Esto proporciona un amplio margen por encima de la temperatura de funcionamiento normal de unos 600 a 700 °C. Esto hace posible operar a bajas presiones sin riesgo de ebullición del refrigerante o del combustible (un problema con los reactores refrigerados por agua).
La alta estabilidad química de la sal impide reacciones químicas energéticas como la generación/ detonación de gas hidrógeno y la combustión de sodio , que pueden desafiar el diseño y las operaciones de otros tipos de reactores. La sal de fluoruro reacciona con muchos productos de fisión para producir fluoruros no volátiles y químicamente estables , como el fluoruro de cesio . De manera similar, la mayoría de otros productos de fisión de alto riesgo, como el yodo , se disuelven en la sal de combustible, unidos como sales de yodo . Sin embargo, para el MSRE "del orden de un cuarto a un tercio del yodo no se ha contabilizado adecuadamente". [14] Existe cierta incertidumbre en cuanto a si se trata de un error de medición, ya que las concentraciones son pequeñas y otros productos de fisión también tuvieron problemas de contabilización similares. Consulte el reactor de torio con fluoruro líquido y el reactor de sal fundida para obtener más información.
El IMSR también cuenta con múltiples barreras de contención física. Utiliza una unidad de reactor integral sellada, la unidad central. La unidad central está rodeada por el recipiente de protección en sus costados y en su parte inferior, que a su vez está rodeado por un silo de acero y hormigón estructural hermético al gas. La unidad central está cubierta desde arriba por un cabezal de contención de acero que a su vez está cubierto por gruesas placas redondas de acero y hormigón. Las placas sirven como escudo contra la radiación y brindan protección contra peligros externos como explosiones o penetración en caso de colisión de aeronaves. El edificio del reactor proporciona una capa adicional de protección contra tales peligros externos, así como un área de confinamiento controlada con aire filtrado.
La mayoría de los reactores de sales fundidas utilizan un tanque de drenaje por gravedad como depósito de almacenamiento de emergencia para la sal de combustible fundida. El IMSR evita deliberadamente este tanque de drenaje. El diseño del IMSR es más simple y elimina la línea de drenaje inferior y los riesgos asociados de penetraciones en el recipiente de bajo nivel. El resultado es un diseño más compacto y robusto con menos piezas y pocos escenarios de falla. Sin embargo, la sal se puede drenar del reactor bombeándola hacia afuera por la parte superior.
En comparación con los reactores de agua ligera, la escala y el costo de capital del edificio de contención se reducen significativamente, ya que no hay necesidad de lidiar con el riesgo de cambio de fase asociado con un refrigerante a base de agua.
La economía de los reactores nucleares convencionales está dominada por el costo de capital, principalmente el costo de construcción y financiamiento de la construcción de la instalación. Los costos del uranio son relativamente bajos, sin embargo, la fabricación de combustible convencional es un costo operativo significativo.
Debido al predominio del costo de capital, la mayoría de los reactores nucleares han buscado reducir el costo por vatio incrementando la potencia total de salida del sistema del reactor. Sin embargo, esto a menudo conduce a proyectos muy grandes que son difíciles de financiar, gestionar y estandarizar [ cita requerida ] .
Energía Terrestre afirma que han avanzado en este sentido produciendo un sistema de reactor más compacto y eficiente, con un mayor margen de seguridad en comparación con los sistemas tradicionales, además de evitar complejos procesos de fabricación de combustible.
Como las sales fundidas tienen una presión de vapor baja y una capacidad térmica volumétrica elevada , el reactor y el contenedor pueden ser compactos y de baja presión, lo que permite una mayor modularidad en la construcción.
La mayor temperatura de funcionamiento con sales fundidas mejora la eficiencia termodinámica. El IMSR produce alrededor de un 40% más de electricidad que un SMR refrigerado por agua de tamaño comparable. El resultado es un aumento de los ingresos de alrededor del 40% con el mismo tamaño de reactor, lo que tiene un gran impacto en la economía del reactor. El diseño también puede extraer más energía de la misma cantidad de combustible antes de que se considere "gastado".
Una gran parte del costo de los reactores nucleares tradicionales está relacionada con la seguridad y los requisitos regulatorios y de calidad resultantes que pueden aumentar los costos. El enfoque de IMSR consiste en confiar en características de seguridad inherentes y pasivas en lugar de sistemas activos complejos, lo que potencialmente reduce los costos en esta importante área y al mismo tiempo aumenta el perfil de seguridad.
Los reactores nucleares convencionales, como los reactores de agua presurizada y de agua en ebullición, utilizan agua como refrigerante. Debido a la alta presión de vapor del agua a temperaturas elevadas, están limitados a operar a una temperatura relativamente baja, generalmente cerca de 300 °C. Esto limita la eficiencia termodinámica, generalmente a alrededor del 32-34%. En otras palabras, los reactores de potencia refrigerados por agua generan entre 32 y 34 vatios de electricidad por cada 100 vatios de potencia del reactor.
La mayor estabilidad térmica y la baja presión de vapor de la sal permiten el funcionamiento a temperaturas más altas. El IMSR proporciona calor final a temperaturas de alrededor de 550–600 °C, lo que da como resultado una eficiencia en el rango del 45–48%. [6] El IMSR produce alrededor de 1,4 veces más electricidad por unidad de salida de calor del reactor en comparación con los reactores comerciales convencionales. Por lo tanto, genera alrededor de un 40% más de ingresos a partir de la misma potencia del reactor. Esto tiene un gran impacto en la economía del proyecto. Además, la temperatura más alta del IMSR permite el uso de sistemas de turbinas más compactos y de menor costo, ya de uso común en las centrales eléctricas de carbón, a diferencia de las centrales nucleares convencionales que generalmente necesitan turbinas especializadas de baja temperatura que no se utilizan en ningún otro lugar. Esto ayuda a reducir aún más el costo de capital. [15]
Eficiencia nuclear: cantidad de combustible nuclear utilizado por unidad de electricidad generada. Si bien el uranio es relativamente barato, los costos del combustible en una instalación nuclear tradicional son significativos debido al alto costo de fabricación del combustible. El IMSR evita la mayor parte del costoso proceso de fabricación y, por lo tanto, se espera que el costo del combustible sea insignificante.
Un factor clave que influye en el costo es la naturaleza del equipo utilizado. Los componentes estandarizados y fabricados tienen un costo menor que los componentes especializados o incluso los personalizados.
Las sales fundidas tienen una capacidad térmica volumétrica elevada, una presión de vapor baja y no generan hidrógeno, por lo que no se necesitan recipientes de gran volumen y alta presión para el reactor y la contención u otras áreas de equipamiento. Esto reduce el tamaño de la unidad central y la contención en comparación con los reactores refrigerados por agua. De manera similar, los intercambiadores de calor de sales fundidas que se utilizan son más compactos que los grandes generadores de vapor que se emplean en los reactores de agua a presión.
La unidad central compacta constituye la modularidad básica del sistema IMSR. Las unidades centrales son idénticas y lo suficientemente pequeñas como para fabricarse en un entorno controlado en interiores.
La alta presión es un factor de costo para cualquier componente, ya que aumenta tanto los requisitos de calidad como los materiales necesarios (espesor). Los componentes grandes y de alta presión requieren soldaduras y forjados pesados que tienen una disponibilidad limitada. Una presión de operación típica para un reactor de agua presurizada (PWR) es de más de 150 atmósferas. Para el IMSR, debido a la baja presión de vapor y al alto punto de ebullición de la sal, la unidad central opera a presión atmosférica o cerca de ella (aparte de unas pocas atmósferas de presión por el peso hidrostático de la sal). Esto es así a pesar de la mayor temperatura de operación. El resultado son componentes más livianos y delgados que son más fáciles de fabricar y modularizar.
Existen varias aplicaciones no eléctricas que tienen una gran demanda de energía en el mercado: reformado con vapor , producción de papel y pulpa, productos químicos y plásticos, etc. Los reactores convencionales refrigerados por agua no son adecuados para la mayoría de estos mercados debido a la baja temperatura de funcionamiento de alrededor de 300 °C y a que son demasiado grandes para satisfacer las necesidades de calor industrial de un solo punto. El tamaño más pequeño del IMSR y su mayor temperatura de funcionamiento (alrededor de 700 °C en el reactor, hasta 600 °C suministrados) podrían abrir potencialmente nuevos mercados en estas aplicaciones de calor de proceso . Además, la cogeneración , la producción tanto de calor como de electricidad, también es potencialmente atractiva.
Terrestrial Energy se fundó en Canadá en 2013 con el objetivo de comercializar el IMSR, y actualmente está trabajando para licenciar (tanto en Canadá como en los EE. UU.) un diseño de IMSR con una capacidad de energía térmica de 400 MW (equivalente a 190 MW eléctricos). [16] Como se proponen turbinas de vapor de grado industrial estándar, también es posible la cogeneración, o calor y energía combinados .
En 2016, Terrestrial Energy participó en una revisión de diseño previa a la concesión de licencias para el IMSR con la Comisión Canadiense de Seguridad Nuclear (CNSC) . [2] [3] Completó con éxito la primera etapa de este proceso a fines de 2017, [4] y entró en la segunda fase de la revisión de diseño en octubre de 2018. [5] Terrestrial Energy afirma que tendrá sus primeros IMSR comerciales autorizados y en funcionamiento en la década de 2020. [5]
El 15 de agosto de 2019, la CNSC y la Comisión Reguladora Nuclear de los Estados Unidos firmaron un memorando de cooperación conjunto (MOC) destinado a mejorar las revisiones técnicas de las tecnologías de reactores avanzados y reactores modulares pequeños. Como parte del MOC, las agencias emprendieron en mayo de 2022 una revisión conjunta del análisis y la metodología de eventos iniciadores postulados (PIE) de Terrestrial Energy para el IMSR®. Este trabajo es fundamental para futuras revisiones de seguridad regulatoria y el programa regulatorio para preparar las solicitudes de licencia necesarias para operar plantas IMSR® en Canadá y los Estados Unidos. [17]
En 2023, la CNSC completó la fase 2 de una revisión del diseño del proveedor y declaró que no había obstáculos fundamentales para la concesión de licencias para el diseño del IMSR. Sin embargo, esta decisión no es vinculante y Terrestrial Energy aún necesita una licencia de sitio y de construcción para continuar. [18]
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