El RAPID-L , RAPID-L AT (L: Base lunar, A: Automático, T: Termoeléctrico) es un concepto de microrreactor nuclear concebido como una central eléctrica para colonias en la Luna y Marte . Se basa en el reactor reproductor rápido de la serie RAPID (Reabastecimiento por diseño integrado de todos los pines) 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 de Japón (CRIEPI), Laboratorio de Investigación Komae. [1]
En 1999, el Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE) inició el proyecto Iniciativa de Investigación de Energía Nuclear (NERI) (que no debe confundirse 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 ultra seguros y ultra pequeños. Inspirado por SP-100 , el Convertidor Termoeléctrico de Metales Alcalinos (AMTEC) , el propio 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 ultraseguro y ultrapequeño RAPID-L AT que se suponía que se utilizaría en una base lunar o en Marte . La razón para suponer que se utilizaría en una base en Marte o la Luna era la proximidad de las gravedades de ambos cuerpos celestes, 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 debido a errores humanos. El objetivo era crear un núcleo de larga duración que fuera inherentemente seguro debido a que no requería 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 al 50% respectivamente) y refrigerante de litio-6 líquido con una energía térmica de 5 MW y una potencia eléctrica de 200 kW. La entrada y la salida de litio están diseñadas para una temperatura de 1.030 y 1.100 °C. El litio-6 también sirve como absorbedor 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 el Ensamblaje Crítico Rápido (FCA) del Instituto de Investigación de Energía Atómica de Japón (JAERI). El núcleo del FCA estaba compuesto por muestras de uranio altamente enriquecido y acero inoxidable para simular el espectro del núcleo del RAPID-L. Las muestras se enriquecieron con litio-6 al 95% y se insertaron en el núcleo en paralelo al eje del núcleo para la medición de la reactividad en cada posición. Se encontró que la reactividad medida en la región del núcleo concordaba con los cálculos. Los factores de sesgo para el diseño del núcleo 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), puede ser reabastecido de manera rápida y sencilla. Un aspecto esencial para esta característica es que el núcleo del reactor consiste en un conjunto de combustible integrado (IFA) en lugar de los subconjuntos de combustible convencionales. Este pequeño núcleo tiene 2700 elementos de combustible (pins) combinados entre sí por el IFA, que consiste en una rejilla de soporte del núcleo y varias rejillas espaciadoras, y se ensamblan en un cartucho de combustible. Este cartucho puede reemplazarse como una unidad. El reactor puede funcionar sin reabastecimiento durante hasta 10 años (80% de la potencia nominal). El reactor no tiene barras de control. Para lograr un funcionamiento completamente 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 reactividad inherente, LIM sirve para la parada definitiva inherente y LRM sirve para el arranque automático del reactor. Estos sistemas pasivos ayudan a mitigar los efectos del agotamiento del combustible, lo que permite una larga vida útil del mismo. Los factores de sesgo se utilizaron para determinar la cantidad de LEM y LIM necesarios en el núcleo para lograr un funcionamiento completamente automatizado. [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 ni diagrid ni estructura de soporte de núcleo ya que están integrados en un cartucho de combustible. El contenedor de reactor simple facilitaría la inspección en servicio (ISI) más importante. Se puede realizar una ISI para cada recarga de combustible. 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 por los tubos de conexión. El subsistema del reactor se caracteriza por el concepto de recarga de combustible RAPID para eliminar los sistemas convencionales de manejo de combustible. Esto proporciona un ahorro sustancial de masa del bloque del reactor del 60% en comparación con los sistemas de reactores rápidos refrigerados por metal líquido comparables. [3] [6]
La compensación de quemado se logra automáticamente por los LEM, 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 que se activa 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. La operación de carga parcial es posible ajustando el caudal de refrigerante primario. La potencia del reactor será proporcional al caudal de refrigerante primario debido a la retroalimentación de reactividad de los LEM. El LRM está compuesto por 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 es un 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 de la circulación de la bomba primaria. A continuación, el sello congelado del LRM se derretirá a la temperatura de espera caliente (aproximadamente 780 °C), y el Li 6 se liberará lentamente desde el nivel inferior (nivel del núcleo activo) al nivel superior para lograr un aumento positivo de la reactividad. Tomará 7(11) horas completar el arranque. Los LIM aseguran una retroalimentación de reactividad negativa suficiente en transitorios sin protección. Los LRM permiten un arranque automático del reactor detectando la temperatura de espera caliente del refrigerante primario. Todos estos sistemas utilizan Li 6 y se activan mediante 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 ficticios. Es un sistema muy redundante. El fallo de algunos de estos dispositivos daría como resultado solo una ligera desviación de la temperatura del refrigerante. En caso de que la mayoría de los LEM fallaran, la compensación de la combustión por parte de los LEM podría resultar imposible y el reactor se apagaría. [1] [3] [6]
El reactor puede ser lanzado por el vehículo de lanzamiento H-2 a la órbita baja terrestre (LEO) antes de ir a la Luna. Luego se instalará en un agujero cilíndrico excavado de 2 m de diámetro y 6 m de profundidad. Los cuatro segmentos de conversión de energía termoeléctrica y los ocho paneles radiadores se colocarán alrededor del reactor. [1]
Se ha citado a menudo a Toshiba como parte de la investigación y el desarrollo del RAPID-L, sin embargo, esto no se pudo confirmar en ninguna de las documentaciones japonesas ni en las noticias científicas o de prensa contemporáneas. El Mitsubishi Research Institute, Inc. fue la única empresa afiliada que figuraba. [1] [4] [6] [8] [9] La idea errónea parece haber surgido cuando el Toshiba 4S se sometió a una revisión preliminar en la Comisión Reguladora Nuclear de los EE. UU . en 2007. Es posible que esto se haya difundido primero en blogs, pero finalmente encontró su camino en algunas publicaciones y artículos importantes. [10] [11]