Un reactor de ondas viajeras ( TWR ) es un tipo propuesto de reactor de fisión nuclear que puede convertir material fértil en combustible utilizable mediante transmutación nuclear , junto con la quema de material fisionable. Los TWR se diferencian de otros tipos de reactores reproductores y de neutrones rápidos en su capacidad de utilizar combustible de manera eficiente sin enriquecimiento o reprocesamiento de uranio , [ dudoso ] en lugar de utilizar 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 etapa de desarrollo y nunca se ha construido ningún TWR.
El nombre se refiere al hecho de que la fisión permanece confinada a una zona límite en el núcleo del reactor que avanza lentamente con el tiempo. En teoría, los TWR podrían funcionar de forma autónoma durante décadas sin repostar ni retirar el combustible gastado.
Los reactores de ondas progresivas se propusieron por primera vez en la década de 1950 y se han estudiado de forma intermitente. El concepto de un reactor que pudiera producir su propio combustible dentro del núcleo del reactor fue propuesto y estudiado inicialmente en 1958 por Savely Moiseevich Feinberg , quien lo llamó reactor de "reproducción y combustión". [1] Michael Driscoll publicó investigaciones adicionales 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 energía. producción . [7] En 2010, Popa-Simil discutió el caso de las microheteroestructuras, [8] se detalla con más detalle en el artículo "Plutonium Breeding In Micro-Hetero Structures Enhances the Fuel Cycle", que describe un TWR con un agotamiento profundo mejorado por plutonio [ 9] canales de combustible 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 birfurcación 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 se puede utilizar el enriquecimiento de combustible para reducir este problema [13] y esto se confirmó nuevamente en 2019. [14 ]
Aún no se ha construido ningún TWR, pero en 2006 Intellectual Ventures lanzó una empresa derivada llamada TerraPower para modelar y comercializar un diseño funcional de dicho reactor, que más tarde pasó a denominarse "reactor de ondas viajeras". TerraPower ha desarrollado diseños de TWR para instalaciones de generación de potencia baja a media (300 MWe), así como de alta potencia (~1000 MWe). [15] Bill Gates presentó TerraPower en su charla TED de 2010 . [dieciséis]
En 2010, un grupo de TerraPower solicitó la patente EP 2324480 A1 siguiendo el documento WO2010019199A1 "Heat pipe nuclear fission deflagration wave reactor Cooling". 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 TWR. TerraPower planeó 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 tipo piscina enfriado por sodio líquido. El reactor funciona principalmente con uranio-238 empobrecido "combustible fértil", pero requiere una pequeña cantidad de uranio-235 enriquecido u otro "combustible fisionable" para iniciar la fisión . Algunos de los neutrones de espectro rápido producidos por la fisión son absorbidos por la captura de neutrones en el combustible fértil adyacente (es decir, el uranio empobrecido no fisible), que se "genera" en plutonio mediante la reacción nuclear:
Inicialmente, el núcleo está cargado de material fértil, con unas pocas barras de combustible fisionable concentradas en la región central. Una vez que se pone en marcha el reactor, se forman cuatro zonas dentro del núcleo: la zona agotada, que contiene principalmente productos de fisión y restos de combustible; la zona de fisión, donde tiene lugar la fisión del combustible generado; la zona de reproducción, donde se crea material fisionable mediante captura de neutrones; y la zona fresca, que contiene material fértil sin reaccionar . La zona de fisión generadora de energía avanza constantemente a través del núcleo, consumiendo efectivamente material fértil frente a ella y dejando atrás 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 TWR utilizan sólo una pequeña cantidad (~10%) de uranio-235 enriquecido u otro combustible fisionable 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 la vasija del reactor durante ese tiempo. [22] Los TWR requieren sustancialmente menos combustible por kilovatio-hora de electricidad que los reactores de agua ligera (LWR), debido a su mayor consumo de combustible, densidad energética y eficiencia térmica . Un TWR también realiza la mayor parte de su reprocesamiento dentro del núcleo del reactor. El combustible gastado se puede reciclar después de un simple "refinamiento por 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 Estados Unidos contienen actualmente aproximadamente 700.000 toneladas métricas, lo que es 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 un amplio despliegue de TWR podría permitir que las reservas globales proyectadas de uranio empobrecido sustentaran al 80% de la población mundial con el uso de energía per cápita de los Estados Unidos durante más de un milenio. [24]
En principio, los TWR son capaces de quemar combustible gastado de los LWR, que actualmente se desecha como residuo radiactivo. El combustible LWR gastado es principalmente uranio poco enriquecido (LEU) y, en un espectro de neutrones rápidos TWR, la sección transversal de absorción de neutrones de los productos de fisión es varios órdenes de magnitud menor que en un espectro de neutrones térmicos LWR. Si bien un enfoque de este tipo podría en realidad lograr una reducción general de las existencias de desechos nucleares, se requiere desarrollo técnico adicional para hacer realidad esta capacidad.
Los TWR también son capaces, en principio, de reutilizar su propio combustible. En cualquier ciclo de operación, sólo entre el 20% y el 35% del combustible se convierte a una forma inutilizable; el metal restante constituye material fisionable utilizable. Este combustible reciclado, refundido y revestido en nuevos pellets impulsores sin separaciones químicas, se puede utilizar para iniciar la fisión en ciclos de operación posteriores, desplazando así la necesidad de enriquecer uranio por completo.
El concepto TWR no se limita a quemar uranio con plutonio-239 como "iniciador" en un ciclo de 238 U- 239 Pu, sino que también puede quemar torio con uranio-233 como "iniciador" en un ciclo de 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 mediante la transmutación nuclear, las barras de combustible se reorganizan continuamente dentro del núcleo para optimizar el flujo de neutrones y el uso de combustible a lo largo del tiempo. Por lo tanto, en lugar de dejar que la onda se propague a través del combustible, el combustible mismo se mueve a través de una onda de combustión en gran medida estacionaria. Esto es contrario a muchos informes de los medios, [27] que han popularizado el concepto como un reactor en forma de 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 " administrada activamente, el diseño de TerraPower evita el problema de enfriar una región quemada en movimiento. En este escenario, la reconfiguración de las barras de combustible se logra de forma remota mediante dispositivos robóticos; el recipiente de contención permanece cerrado durante el procedimiento, sin tiempo de inactividad asociado.
