Los reactores acuosos homogéneos (AHR) son reactores de dos (2) cámaras que consisten en una cámara interior del reactor y una cámara exterior con camisa de enfriamiento y moderación. Son un tipo de reactor nuclear en el que se disuelven sales nucleares solubles (normalmente sulfato de uranio o nitrato de uranio ) en agua. El combustible se mezcla con agua pesada o ligera que modera y enfría parcialmente el reactor. La capa exterior del reactor tiene más agua que también enfría parcialmente y actúa como moderador . El agua puede ser agua pesada o agua ordinaria (ligera) , lo que ralentiza los neutrones y ayuda a facilitar una reacción estable, las cuales deben ser muy puras.
Sus características de autocontrol y su capacidad para manejar aumentos muy grandes de reactividad los hacen únicos entre los reactores y posiblemente los más seguros. En Santa Susana , California , Atomics International realizó una serie de pruebas tituladas Los experimentos de energía cinética. A finales de la década de 1940, las barras de control se cargaban sobre resortes y luego se expulsaban del reactor en milisegundos. La potencia del reactor se disparó de ~100 vatios a más de ~1.000.000 de vatios sin que se observaran problemas.
Los reactores acuosos homogéneos a veces se denominaban "calderas de agua" (no confundir con reactores de agua en ebullición ), ya que el agua en su interior parece hervir, aunque el burbujeo en realidad se debe a la producción de hidrógeno y oxígeno a medida que la radiación y las partículas de fisión disocian el agua. en sus gases constituyentes, un proceso llamado radiólisis . Los AHR se utilizaron ampliamente como reactores de investigación, ya que son autocontrolados, tienen flujos de neutrones muy elevados y son fáciles de gestionar. En abril de 2006, sólo cinco AHR estaban en funcionamiento según la base de datos del reactor de investigación. [1]
Los problemas de corrosión asociados con las soluciones a base de sulfato limitaron su aplicación como generadores de combustibles de uranio-233 a partir de torio . Los diseños actuales utilizan soluciones a base de ácido nítrico (por ejemplo, nitrato de uranilo ) eliminando la mayoría de estos problemas en los aceros inoxidables.
Los estudios iniciales de reactores homogéneos se llevaron a cabo hacia el final de la Segunda Guerra Mundial . A los químicos les dolió ver que elementos de combustible sólido fabricados con precisión de reactores heterogéneos finalmente se disolvían en ácidos para eliminar los productos de fisión : las "cenizas" de una reacción nuclear . Los ingenieros químicos esperaban diseñar reactores de combustible líquido que prescindieran de la costosa destrucción y procesamiento de elementos de combustible sólido. Sin embargo, la formación de burbujas de gas en combustibles líquidos y el ataque corrosivo a los materiales (en soluciones a base de sulfato de uranilo ) plantearon enormes desafíos en materia de diseño y materiales.
Enrico Fermi abogó por la construcción en Los Álamos de lo que se convertiría en el tercer reactor del mundo, el primer reactor homogéneo de combustible líquido y el primer reactor alimentado con uranio enriquecido en uranio-235. Finalmente se construyeron tres versiones, todas basadas en el mismo concepto. Por motivos de seguridad, estos reactores recibieron el nombre en clave de "calderas de agua". El nombre era apropiado porque en las versiones de mayor potencia la solución de combustible parecía hervir mientras se formaban burbujas de hidrógeno y oxígeno a través de la descomposición del disolvente de agua por los energéticos productos de fisión, un proceso llamado radiólisis .
El reactor se llamó LOPO (por baja potencia) porque su potencia era prácticamente nula. LOPO cumplió los fines para los que había sido concebido: determinación de la masa crítica de una configuración de combustible simple y prueba de un nuevo concepto de reactor. LOPO alcanzó la criticidad en mayo de 1944, después de una última adición de uranio enriquecido . El propio Enrico Fermi estaba a los mandos. LOPO fue desmantelado para dar paso a una segunda caldera de agua que podría funcionar a niveles de potencia de hasta 5,5 kilovatios. Llamada HYPO (por alta potencia), esta versión usaba una solución de nitrato de uranilo como combustible, mientras que el dispositivo anterior había usado sulfato de uranilo enriquecido . Este reactor entró en funcionamiento en diciembre de 1944. Muchas de las mediciones de neutrones clave necesarias en el diseño de las primeras bombas atómicas se realizaron con HYPO. En 1950 se deseaban flujos de neutrones más elevados y, en consecuencia, se realizaron amplias modificaciones al HYPO para permitir el funcionamiento a niveles de potencia de hasta 35 kilovatios. Este reactor se llamó, por supuesto, SUPO . SUPO fue operado casi a diario hasta su desactivación en 1974.
En 1952, se llevaron a cabo en Los Álamos dos series de experimentos críticos con soluciones de agua pesada de uranio enriquecido como fluoruro de uranilo para respaldar una idea de Edward Teller sobre el diseño de armas. Cuando se completaron los experimentos, Teller había perdido el interés; sin embargo, los resultados se aplicaron para mejorar los reactores anteriores. En una serie de experimentos, la solución estaba en tanques de 25 y 30 pulgadas de diámetro (640 y 760 mm) sin un reflector circundante. Las alturas de las soluciones se ajustaron a la criticidad con soluciones de D 2 O en relaciones atómicas D/ 235 U de 1:230 y 1:419 en el tanque más pequeño y de 1:856 a 1:2081 en el tanque más grande. En el otro conjunto de experimentos, las esferas de solución se centraron en un recipiente esférico de 35 pulgadas de diámetro (890 mm) al que se bombeó D 2 O desde un depósito en la base. La criticidad se alcanzó en seis esferas de solución de 13,5 a 18,5 pulgadas de diámetro con relaciones atómicas D/ 235 U de 1:34 a 1:431. Al finalizar el experimento, ese equipo también fue retirado.
El primer reactor acuoso homogéneo construido en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge entró en estado crítico en octubre de 1952. El nivel de potencia de diseño de un megavatio (MW) se alcanzó en febrero de 1953. El vapor de alta presión del reactor hacía girar una pequeña turbina que generaba 150 kilovatios (kW) de electricidad , un logro que le valió a sus operadores el título honorífico de "Oak Ridge Power Company". Sin embargo, la AEC estaba comprometida con el desarrollo de reactores de combustible sólido refrigerados con agua y las demostraciones de laboratorio de otros tipos de reactores, independientemente de su éxito, no alteraron su rumbo.
Desde 1974 hasta 1979 , KEMA ( K euring van E lektrotechnische Materialen Arnhem ) operó un reactor acuoso homogéneo, llamado KEMA Suspensie Test Reactor (KSTR) en su sitio en Arnhem , Países Bajos . El reactor fue construido en colaboración con expertos del ORNL (Laboratorio Nacional de Oak Ridge) debido a su experiencia en el experimento del reactor homogéneo. El reactor constaba de una vasija (ø310 mm, contenido 18,3 litros), fabricada por Werkspoor en Utrecht. El combustible era una mezcla de 14% UO 2 (altamente enriquecido, 90% 235 U) y 86% ThO 2 en una concentración de 400 g/L. NUKEM entregó el uranio (6766 gramos, que contienen 6082 gramos de 235 U). Los granos de combustible (ø 5μm) fueron diseñados por KEMA mediante un proceso único llamado sol-gel, que también atrajo la atención de la industria. El reactor funcionó a una temperatura de 255 °C (491 °F; 528 K), una presión de 60 bar (6000 kPa) y una potencia máxima de 1000 kW (1300 hp).
En el Instituto Kurchatov de la URSS se estaban desarrollando técnicas de producción de isótopos radiactivos respetuosas con el medio ambiente y económicamente competitivas , sobre la base del reactor ARGUS , un minirreactor acuoso homogéneo. La URSS estaba planeando construir una serie de este tipo de rectores, sin embargo, sólo se han construido dos: uno en el Instituto Kurchatov y el segundo fue construido a finales de los años 80 en Dushanbe, República Socialista Soviética de Tayikistán . Sin embargo, estos no entraron en funcionamiento debido al colapso de la Unión Soviética .
En 2017, el gobierno de Tayikistán comenzó a reconstruir y arreglar [2] su reactor para producir molibdeno-99 principalmente para uso médico.
El reactor del Instituto Kurchatov , con una potencia térmica de 20 kW, está en funcionamiento desde 1981 y ha mostrado altos índices de eficiencia y seguridad. Actualmente se están realizando estudios de viabilidad para desarrollar técnicas de producción de estroncio-89 y molibdeno-99 en este reactor. Un análisis de los isótopos producidos, realizado en el Instituto Nacional de Elementos Radiactivos de Bélgica , demostró que las muestras de Mo-99 producidas en ARGUS se caracterizan por una pureza radioquímica extrema, es decir, el contenido de impurezas en ellas es inferior a los límites permitidos en 2 –4 órdenes de magnitud. Entre los isótopos médicos radiactivos, están muy extendidos el Mo-99 y el Sr-89. El primero es la materia prima para la producción de tecnecio -99m, un preparado radiofármaco para el diagnóstico de enfermedades oncológicas , cardiológicas , urológicas y otras. Más de 6 millones de personas son examinadas cada año con este isótopo en Europa .
La capacidad de extraer isótopos médicos directamente del combustible en línea ha despertado un renovado interés en los reactores acuosos homogéneos basados en este diseño. [3] BWX Technologies (anteriormente Babcock & Wilcox ) ha propuesto un reactor acuoso homogéneo para la producción de Tc-99m . [4]
El uso de un reactor de fisión nuclear homogéneo acuoso para la producción simultánea de hidrógeno mediante radiólisis de agua y producción de calor de proceso fue examinado en 1975 en la Universidad de Michigan , en Ann Arbor . Varios pequeños proyectos de investigación continúan esta línea de investigación en Europa.
Atomics International diseñó y construyó una gama de reactores nucleares de baja potencia (de 5 a 50.000 vatios térmicos) con fines de investigación, capacitación y producción de isótopos. Un modelo de reactor, el L-54, fue adquirido e instalado por varias universidades estadounidenses e instituciones de investigación extranjeras, incluido el Japón. [5]
