Un reactor rápido refrigerado por sodio es un reactor de neutrones rápidos enfriado por sodio líquido .
Las iniciales SFR en particular se refieren a dos propuestas de reactores de Generación IV , uno basado en la tecnología existente de reactor refrigerado por metal líquido (LMFR) que utiliza combustible de óxido mixto (MOX), y otro basado en el reactor rápido integral alimentado con metal .
Se han construido varios reactores rápidos refrigerados por sodio y algunos están en funcionamiento, en particular en Rusia. [1] Otros están en planificación o en construcción. Por ejemplo, en 2022, en los EE. UU., TerraPower (utilizando su tecnología de ondas viajeras [2] ) planea construir sus propios reactores junto con el almacenamiento de energía de sal fundida [2] en asociación con el diseño de reactor rápido integral PRISM de GEHitachi, bajo la denominación Natrium [3] en Kemmerer, Wyoming . [4] [5]
Además de la experiencia rusa, Japón, India, China, Francia y Estados Unidos están invirtiendo en la tecnología.
El ciclo del combustible nuclear emplea un reciclado completo de actínidos con dos opciones principales: una es un reactor de tamaño intermedio (150–600 MWe) refrigerado por sodio con combustible de aleación de metal de uranio - plutonio -actínido menor- circonio , respaldado por un ciclo de combustible basado en reprocesamiento pirometalúrgico en instalaciones integradas con el reactor. La segunda es un reactor de tamaño mediano a grande (500–1.500 MWe) refrigerado por sodio con combustible de óxido mixto de uranio-plutonio, respaldado por un ciclo de combustible basado en procesamiento acuoso avanzado en una ubicación central que da servicio a múltiples reactores. La temperatura de salida es de aproximadamente 510–550 grados C para ambos.
El sodio metálico líquido puede utilizarse para transportar calor desde el núcleo. El sodio tiene un solo isótopo estable, el sodio-23 , que absorbe poco los neutrones. Cuando absorbe un neutrón, produce sodio-24 , que tiene una vida media de 15 horas y se desintegra en el isótopo estable magnesio-24 .
Los dos enfoques principales de diseño para los reactores refrigerados por sodio son el tipo de piscina y el tipo de bucle.
En el reactor de tipo piscina, el refrigerante primario está contenido en el recipiente principal del reactor, que por lo tanto incluye el núcleo del reactor y un intercambiador de calor . El reactor estadounidense EBR-2 , el reactor francés Phénix y otros utilizaron este enfoque, y lo utilizan el Prototype Fast Breeder Reactor de la India y el CFR-600 de China .
En el tipo de circuito cerrado, los intercambiadores de calor se encuentran fuera del tanque del reactor. El reactor francés Rapsodie , el reactor rápido prototipo británico y otros utilizaron este enfoque.
Todos los reactores rápidos tienen varias ventajas sobre la flota actual de reactores basados en agua, ya que los flujos de desechos se reducen significativamente. Fundamentalmente, cuando un reactor funciona con neutrones rápidos, los isótopos de plutonio tienen muchas más probabilidades de fisionarse al absorber un neutrón. Por lo tanto, los neutrones rápidos tienen menos posibilidades de ser capturados por el uranio y el plutonio, pero cuando lo son, tienen muchas más posibilidades de causar una fisión. Esto significa que el inventario de desechos transuránicos es inexistente en los reactores rápidos.
La principal ventaja de los refrigerantes de metal líquido, como el sodio líquido, es que los átomos de metal son moderadores débiles de neutrones . El agua es un moderador de neutrones mucho más fuerte porque los átomos de hidrógeno que se encuentran en el agua son mucho más ligeros que los átomos de metal y, por lo tanto, los neutrones pierden más energía en las colisiones con átomos de hidrógeno. Esto dificulta el uso del agua como refrigerante para un reactor rápido porque el agua tiende a ralentizar (moderar) los neutrones rápidos y convertirlos en neutrones térmicos (aunque existen conceptos para reactores de agua de moderación reducida ).
Otra ventaja del refrigerante de sodio líquido es que el sodio se funde a 371 K (98 °C) y hierve/se vaporiza a 1156 K (883 °C), una diferencia de 785 K (785 °C) entre los estados sólido/congelado y gas/vapor. En comparación, el rango de temperatura líquida del agua (entre hielo y gas) es de solo 100 K en condiciones normales de presión atmosférica al nivel del mar. A pesar del bajo calor específico del sodio (en comparación con el agua), esto permite la absorción de calor significativo en la fase líquida, al tiempo que mantiene amplios márgenes de seguridad. Además, la alta conductividad térmica del sodio crea efectivamente un reservorio de capacidad térmica que proporciona inercia térmica contra el sobrecalentamiento. [6] El sodio no necesita presurizarse ya que su punto de ebullición es mucho más alto que la temperatura de funcionamiento del reactor , y el sodio no corroe las piezas de acero del reactor y, de hecho, protege los metales de la corrosión. [6] Las altas temperaturas alcanzadas por el refrigerante (la temperatura de salida del reactor Phénix fue de 833 K (560 °C)) permiten una mayor eficiencia termodinámica que en los reactores refrigerados por agua. [7] El sodio fundido, conductor de electricidad, se puede mover mediante bombas electromagnéticas . [7] El hecho de que el sodio no esté presurizado implica que se puede utilizar un recipiente de reactor mucho más delgado (por ejemplo, de 2 cm de espesor). Combinado con las temperaturas mucho más altas alcanzadas en el reactor, esto significa que el reactor en modo apagado se puede enfriar pasivamente. Por ejemplo, los conductos de aire se pueden diseñar de modo que todo el calor de desintegración después del apagado se elimine por convección natural, y no se requiere ninguna acción de bombeo. Los reactores de este tipo son autocontrolados. Si la temperatura del núcleo aumenta, el núcleo se expandirá ligeramente, lo que significa que más neutrones escaparán del núcleo, ralentizando la reacción.
Una desventaja del sodio es su reactividad química, que requiere precauciones especiales para prevenir y extinguir los incendios. Si el sodio entra en contacto con el agua reacciona para producir hidróxido de sodio e hidrógeno, y el hidrógeno se quema en contacto con el aire. Este fue el caso en la planta de energía nuclear de Monju en un accidente de 1995. Además, la captura de neutrones hace que se vuelva radiactivo; aunque con una vida media de solo 15 horas. [6]
Otro problema son las fugas. El sodio a altas temperaturas se inflama en contacto con el oxígeno. Estos incendios de sodio se pueden extinguir con pólvora o sustituyendo el aire por nitrógeno . En un reactor reproductor ruso, el BN-600, se registraron 27 fugas de sodio en un período de 17 años, 14 de las cuales provocaron incendios de sodio. [8]
La temperatura de funcionamiento no debe superar la temperatura de ebullición del combustible. Se debe tener en cuenta la interacción química combustible-vaina (FCCI). La FCCI es la fusión eutéctica entre el combustible y la vaina; el uranio, el plutonio y el lantano (un producto de fisión ) se interdifunden con el hierro de la vaina. La aleación que se forma tiene una temperatura de fusión eutéctica baja. La FCCI hace que la vaina se reduzca en resistencia e incluso se rompa. La cantidad de transmutación transuránica está limitada por la producción de plutonio a partir del uranio. Una solución alternativa es tener una matriz inerte, utilizando, por ejemplo, óxido de magnesio . El óxido de magnesio tiene un orden de magnitud menor de probabilidad de interactuar con neutrones (térmicos y rápidos) que elementos como el hierro. [14]
Los desechos de alto nivel y, en particular, la gestión del plutonio y otros actínidos deben abordarse. Las características de seguridad incluyen un largo tiempo de respuesta térmica, un amplio margen hasta la ebullición del refrigerante, un sistema de enfriamiento primario que opera cerca de la presión atmosférica y un sistema de sodio intermedio entre el sodio radiactivo en el sistema primario y el agua y el vapor en la planta de energía. Las innovaciones pueden reducir el costo de capital, como los diseños modulares, la eliminación de un circuito primario, la integración de la bomba y el intercambiador de calor intermedio y mejores materiales. [15]
El espectro rápido del SFR permite utilizar los materiales fisionables y fértiles disponibles (incluido el uranio empobrecido ) de forma considerablemente más eficiente que los reactores de espectro térmico con ciclos de combustible de un solo paso.
En 2020, Natrium recibió una subvención de 80 millones de dólares del Departamento de Energía de Estados Unidos para el desarrollo de su reactor de combustión de uranio sólido. El programa prevé utilizar combustible de uranio poco enriquecido y de alto enriquecimiento que contenga entre un 5 y un 20 % de uranio. Se esperaba que el reactor estuviera ubicado bajo tierra y tuviera barras de control insertadas por gravedad. Como funciona a presión atmosférica, no es necesario un gran escudo de contención. Debido a su gran capacidad de almacenamiento de calor, se esperaba que pudiera producir una potencia de 500 MWe durante más de 5 horas, además de su potencia continua de 345 MWe. [16]
Los reactores refrigerados por sodio incluyen:
La mayoría de estas eran plantas experimentales que ya no están operativas. El 30 de noviembre de 2019, CTV informó que las provincias canadienses de Nuevo Brunswick , Ontario y Saskatchewan planeaban un anuncio sobre un plan conjunto para cooperar en pequeños reactores nucleares modulares rápidos de sodio de ARC Nuclear Canada, con sede en Nuevo Brunswick. [18]
... Eric Loewen es el evangelista del reactor rápido de sodio, que quema residuos nucleares, no emite CO 2 , ...
