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El reactor de lecho de guijarros ( PBR ) es un diseño de reactor nuclear moderado por grafito y refrigerado por gas . Es un tipo de reactor de muy alta temperatura (VHTR), una de las seis clases de reactores nucleares de la iniciativa Generación IV .
El diseño básico presenta elementos combustibles esféricos llamados guijarros. Estos elementos del tamaño de una pelota de tenis (aproximadamente 6,7 cm o 2,6 pulgadas de diámetro) están hechos de grafito pirolítico (que actúa como moderador) y contienen miles de partículas de combustible llamadas partículas isotrópicas triestructurales (TRISO). Estas partículas TRISO consisten en un material fisionable (como235U ) rodeado por un revestimiento cerámico de carburo de silicio para la integridad estructural y la contención de productos de fisión. Se acumulan miles de guijarros para crear el núcleo de un reactor . El núcleo se enfría mediante un gas que no reacciona químicamente con los elementos combustibles, como el helio , el nitrógeno o el dióxido de carbono .Se han sugeridootros refrigerantes como FLiBe (fluoruro fundido, litio, sal de berilio) [1] . [ cita requerida ] El diseño de la cama de guijarros es pasivamente seguro . [2]
Debido a que el reactor está diseñado para soportar altas temperaturas, puede enfriarse mediante circulación natural y sobrevivir a escenarios de accidentes, que pueden elevar la temperatura del reactor a 1600 °C (2910 °F). Temperaturas tan altas permiten eficiencias térmicas más altas que las posibles en las centrales nucleares tradicionales (hasta un 50%), mientras que los gases no disuelven contaminantes ni absorben neutrones como lo hace el agua, por lo que el núcleo tiene menos fluidos radiactivos .
El concepto fue sugerido por primera vez por Farrington Daniels en la década de 1940, inspirado en el diseño innovador del quemador de Bengasi realizado por las tropas británicas del desierto en la Segunda Guerra Mundial. El desarrollo comercial se produjo en la década de 1960 a través del reactor AVR de Alemania Occidental diseñado por Rudolf Schulten . [3] Este sistema estuvo plagado de problemas y la tecnología fue abandonada. [4] El diseño del AVR fue licenciado a Sudáfrica como PBMR y a China como HTR-10 . Este último es el único ejemplo operativo. Otros diseños están en desarrollo por el MIT , la Universidad de California en Berkeley , General Atomics (EE.UU.), la empresa holandesa Romawa BV, Adams Atomic Engines , el Laboratorio Nacional de Idaho , X-energy y Kairos Power.
Una central eléctrica de lecho de guijarros combina un núcleo refrigerado por gas [5] y un novedoso embalaje de combustible. [6]
Los combustibles nucleares de uranio , torio o plutonio se presentan en forma de una cerámica (normalmente óxidos o carburos ) contenida dentro de guijarros esféricos un poco más pequeños que el tamaño de una pelota de tenis y hechos de grafito pirolítico, que actúa como moderador primario de neutrones . El diseño de los guijarros es relativamente simple, y cada esfera consta del combustible nuclear, la barrera del producto de fisión y el moderador (que en un reactor de agua tradicional serían partes diferentes). Agrupar suficientes guijarros en la geometría correcta crea criticidad .
Los guijarros se mantienen en un recipiente y un gas inerte (como helio, nitrógeno o dióxido de carbono) circula a través de los espacios entre los guijarros de combustible para sacar el calor del reactor. Los reactores de lecho de guijarros deben evitar que el grafito de los guijarros se queme en presencia de aire si se rompe la pared del reactor (la inflamabilidad de los guijarros está en disputa). El gas calentado pasa directamente a través de una turbina . Sin embargo, si los neutrones del reactor pueden volver radiactivo el gas del refrigerante primario , o si un defecto del combustible puede contaminar el equipo de producción de energía, se puede llevar a un intercambiador de calor donde calienta otro gas o produce vapor. El escape de la turbina está caliente y puede usarse para calentar edificios o en otras aplicaciones.
Los reactores de lecho de guijarros se enfrían con gas, a veces a bajas presiones. Los espacios entre los guijarros sustituyen a las tuberías de los reactores convencionales. Dado que no hay tuberías reales en el núcleo y el refrigerante no contiene hidrógeno, la fragilización no es un problema de falla. El gas preferido, el helio, no absorbe fácilmente neutrones ni impurezas. Por lo tanto, en comparación con el agua, es más eficiente y menos probable que se vuelva radiactiva.
Gran parte del costo de una central nuclear convencional refrigerada por agua se debe a la complejidad del sistema de refrigeración, que no es un factor en los PBR. Las plantas convencionales requieren amplios sistemas de seguridad y respaldos redundantes. Los núcleos de sus reactores quedan eclipsados por los sistemas de refrigeración. Además, el núcleo irradia el agua con neutrones, lo que hace que el agua y las impurezas disueltas en ella se vuelvan radiactivas. La tubería de alta presión en el lado primario eventualmente se vuelve quebradiza y requiere inspección y reemplazo.
Algunos diseños se regulan mediante la temperatura en lugar de mediante varillas de control . Estos reactores no necesitan funcionar bien con los perfiles de neutrones variables causados por las barras de control parcialmente retiradas. [ cita necesaria ]
Los PBR pueden utilizar piedras combustibles hechas de varios combustibles en el mismo diseño (aunque quizás no simultáneamente). Sus defensores afirman que los reactores de lecho de guijarros pueden utilizar torio, plutonio y uranio natural no enriquecido, así como uranio enriquecido .
En la mayoría de los diseños estacionarios, el reemplazo de combustible es continuo. Los guijarros se colocan en un reactor en forma de contenedor. Los guijarros viajan desde abajo hacia arriba unas diez veces durante un período de años y se prueban después de cada paso. Los guijarros gastados se retiran al área de desechos nucleares y se reemplazan por un guijarro nuevo.
Cuando la temperatura del reactor aumenta, los átomos del combustible se mueven rápidamente, provocando un ensanchamiento Doppler . Luego, el combustible experimenta una gama más amplia de velocidades de neutrones. Es mucho más probable que el uranio-238 , que forma la mayor parte del uranio, absorba neutrones rápidos o epitermales a temperaturas más altas. Esto reduce la cantidad de neutrones disponibles para causar la fisión y reduce la potencia. Por lo tanto, el ensanchamiento Doppler crea una retroalimentación negativa: a medida que aumenta la temperatura del combustible, la potencia del reactor disminuye. Todos los reactores tienen mecanismos de retroalimentación de reactividad. El reactor de lecho de guijarros está diseñado de modo que este efecto sea relativamente fuerte, inherente al diseño y no dependa de piezas móviles. Si la tasa de fisión aumenta, el aumento de temperatura y el ensanchamiento Doppler reducen la tasa de fisión. Esta retroalimentación negativa crea un control pasivo del proceso de reacción.
Por lo tanto, los PBR se reducen pasivamente a un nivel de potencia seguro en caso de accidente. Esta es la principal característica de seguridad pasiva del diseño.
El reactor se enfría con un gas inerte e ignífugo, que no tiene transiciones de fase, sino que siempre está en fase gaseosa. El moderador es carbono sólido; no actúa como refrigerante, movimiento o fases de transición.
La convección del gas impulsada por el calor de los guijarros asegura que los guijarros se enfríen pasivamente [ cita requerida ] .
Incluso en el caso de que falle toda la maquinaria de soporte, el reactor no se agrietará, derretirá, explotará ni arrojará desechos peligrosos. Se calienta a una temperatura "inactiva" diseñada y permanece allí. En ralentí, la vasija del reactor irradia calor, pero la vasija y las esferas de combustible permanecen intactas y sin daños. La maquinaria se puede reparar o se puede retirar el combustible.
En una prueba de seguridad realizada en el reactor alemán AVR, se retiraron todas las barras de control y se detuvo el flujo de refrigerante. El combustible no sufrió daños. [7]
Los PBR se operan intencionalmente por encima de la temperatura de recocido del grafito de 250 °C, para que no se acumule energía de Wigner . Esto resuelve un problema descubierto en el incendio de Windscale . Un reactor (no un PBR) se incendió debido a la liberación de energía almacenada en forma de dislocaciones cristalinas (energía de Wigner) en el grafito. Las dislocaciones son causadas por el paso de neutrones a través del grafito. Windscale recoció periódicamente el grafito para liberar la energía de Wigner acumulada. Sin embargo, el efecto no se anticipó y, dado que el reactor se enfrió con aire ambiente en un ciclo abierto, el proceso no pudo controlarse de manera confiable y provocó un incendio.
El profesor de Berkeley Richard A. Muller describió los PBR como "en todos los sentidos... más seguros que los reactores nucleares actuales". [8]
La mayoría de los diseños de PBR incluyen múltiples niveles de refuerzo de contención para evitar el contacto entre los materiales radiactivos y la biosfera:
El grafito pirolítico es el principal material estructural de los guijarros. Se sublima a 4000 °C, más del doble de la temperatura de diseño de la mayoría de los reactores. Ralentiza los neutrones de manera efectiva, es fuerte, económico y tiene una larga historia de uso en reactores y otras aplicaciones de alta temperatura. Por ejemplo, el grafito pirolítico también se utiliza, sin reforzar, para construir conos de reentrada de misiles y grandes toberas de cohetes sólidos. [9] Su fuerza y dureza provienen de sus cristales anisotrópicos.
El carbón pirolítico puede arder en el aire cuando la reacción es catalizada por un radical hidroxilo (por ejemplo, del agua). [ cita necesaria ] Ejemplos infames incluyen los accidentes en Windscale y Chernobyl, ambos reactores moderados por grafito. Sin embargo, los PBR se enfrían con gases inertes para evitar incendios. Todos los diseños tienen al menos una capa de carburo de silicio que sirve como cortafuegos y sello.
Todos los granos se precipitan en un sol-gel , luego se lavan, se secan y se calcinan. Los núcleos estadounidenses utilizan carburo de uranio , mientras que los núcleos alemanes (AVR) utilizan dióxido de uranio . Los guijarros de combustible producidos en Alemania liberan alrededor de 1.000 veces menos gas radiactivo que sus equivalentes estadounidenses, debido a ese método de construcción. [10] [11]
La principal crítica a los reactores de lecho de guijarros es que encerrar el combustible en grafito representa un peligro. El grafito puede arder en presencia de aire, lo que podría ocurrir si la vasija del reactor se ve comprometida. El fuego podría vaporizar el combustible, que luego podría liberarse al entorno. Los granos de combustible están recubiertos con una capa de carburo de silicio para aislar el grafeno. Si bien el carburo de silicio es fuerte en aplicaciones de abrasión y compresión , tiene menos resistencia a las fuerzas de expansión y corte. Algunos productos de fisión como133
Los Xe tienen una absorbancia de carbono limitada, por lo que algunos núcleos de combustible podrían acumular suficiente gas para romper el carburo de silicio. [ cita necesaria ]
Algunos diseños no incluyen un edificio de contención, lo que deja a los reactores más vulnerables a los ataques. Sin embargo, la mayoría están rodeadas por una estructura de contención de hormigón armado. [12]
Los volúmenes de desechos de PBR son mucho mayores, pero tienen una radiactividad similar medida en becquerelios por kilovatio-hora . Los residuos tienden a ser menos peligrosos y más sencillos de manipular. [ cita necesaria ] La legislación estadounidense actual exige que todos los residuos estén contenidos de forma segura, lo que requiere instalaciones de almacenamiento de residuos. Los defectos de los guijarros pueden complicar el almacenamiento. Los guijarros de grafito son más difíciles de reprocesar debido a su construcción. [ cita necesaria ]
En 2008, llamó la atención un informe [13] [14] sobre los aspectos de seguridad del reactor AVR de Alemania y las características generales del PBR. Las afirmaciones están poco impugnadas. [15] El informe cita:
El autor del informe , Rainer Moormann , recomendó que las temperaturas promedio del helio caliente se limiten a 800 °C (1470 °F) menos la incertidumbre de las temperaturas centrales (aproximadamente 200 °C (360 °F)).
Farrington Daniels originó el concepto y el nombre en 1947 en Oak Ridge. [16] Rudolf Schulten propuso la idea en la década de 1950. La idea crucial fue combinar combustible, estructura, contención y moderador de neutrones en una esfera pequeña y fuerte. El concepto dependía de la disponibilidad de formas diseñadas de carburo de silicio y carbono pirolítico que fueran fuertes.
En el Centro de Investigación de Jülich , en Jülich , Alemania Occidental , se construyó un reactor de demostración de 15 MW , Arbeitsgemeinschaft Versuchsreaktor ( consorcio de reactores experimentales ) . El objetivo era adquirir experiencia operativa con un reactor de alta temperatura refrigerado por gas. Los costes de construcción de AVR ascendieron a 115 millones de marcos alemanes (1966), lo que corresponde a un valor de 180 millones de euros en 2010. La primera criticidad de la unidad fue el 26 de agosto de 1966. La instalación funcionó con éxito durante 21 años.
En 1978, el AVR sufrió un accidente por la entrada de agua/vapor de 30 toneladas métricas (30 toneladas largas; 33 toneladas cortas), lo que provocó la contaminación del suelo y las aguas subterráneas con estroncio-90 y tritio. [ cita necesaria ] La fuga en el generador de vapor que provocó este accidente probablemente fue causada por altas temperaturas centrales (consulte la sección de críticas). El gobierno local anunció una nueva revisión de este accidente en julio de 2010. [ cita necesaria ]
El AVR fue diseñado originalmente para producir uranio-233 a partir de torio-232 . Se consideró una tecnología valiosa un práctico reactor reproductor de torio. Sin embargo, el diseño de combustible del AVR lo contenía tan bien que la extracción de los combustibles transmutados no era económica: era más barato utilizar uranio extraído y purificado. [ cita necesaria ]
El AVR utiliza refrigerante de helio y tiene una sección transversal de neutrones baja . Como se absorben pocos neutrones, el refrigerante sigue siendo menos radiactivo. Es práctico dirigir el refrigerante primario directamente a las turbinas de generación de energía. Aunque la generación de energía utilizaba refrigerante primario, se informó que el AVR exponía a su personal a menos de 1/5 de la radiación que un reactor de agua ligera típico. [ cita necesaria ]
Fue dado de baja el 1 de diciembre de 1988, tras el desastre de Chernóbil y problemas operativos. Durante la retirada de los elementos combustibles se hizo evidente que el reflector de neutrones situado bajo el núcleo del lecho de guijarros se había agrietado durante el funcionamiento. Un centenar de elementos combustibles quedaron atrapados en la grieta. Durante este examen se reveló que el AVR era la instalación nuclear más contaminada con beta ( estroncio-90 ) del mundo y que esta contaminación se presentaba en forma de polvo (la peor forma). [17]
Las inestabilidades localizadas en la temperatura del combustible provocaron una fuerte contaminación de los buques por Cs-137 y Sr-90 . La vasija del reactor se llenó con hormigón ligero para fijar el polvo radiactivo y en 2012 la vasija del reactor de 2.100 toneladas métricas (2.100 toneladas largas; 2.300 toneladas cortas) debía trasladarse a un almacenamiento intermedio hasta que se ideara una solución permanente. Se debían desmantelar los edificios del reactor y descontaminar el suelo y las aguas subterráneas. Se esperaba que los costos de desmantelamiento del AVR superaran con creces sus costos de construcción. En agosto de 2010, el gobierno alemán estimó los costes del desmantelamiento del AVR sin tener en cuenta el desmantelamiento del buque en 600 millones de euros (750 millones de dólares, lo que correspondía a 0,4 euros (0,55 dólares) por kWh de electricidad generada por el AVR. Se erigió una contención separada para el desmantelamiento propósitos, como se ve en la imagen del AVR. [ cita necesaria ]
Siguiendo la experiencia con Alemania, se construyó una central eléctrica a gran escala (el reactor de torio de alta temperatura o THTR-300 de 300 MW), utilizando torio como combustible. THTR-300 sufrió dificultades técnicas y, debido a estas y a los acontecimientos políticos en Alemania, fue cerrado después de cuatro años de funcionamiento. Un incidente ocurrido el 4 de mayo de 1986, pocos días después de la catástrofe de Chernóbil, permitió la liberación al medio ambiente de una parte del inventario radiactivo. Aunque el impacto radiológico fue pequeño, tuvo un impacto desproporcionado. La liberación fue causada por un error humano durante un bloqueo de piedras en una tubería. Al intentar reiniciar el movimiento de los guijarros aumentando el flujo de gas, se removió el polvo, siempre presente en los PBR, que luego se liberó, sin filtrar, al ambiente debido a una válvula abierta erróneamente. [ cita necesaria ]
A pesar de la cantidad limitada de radiactividad liberada (0,1 GBq 60 Co , 137 Cs , 233 Pa ), se nombró una comisión de investigación. Finalmente se descubrió que la radiactividad en las proximidades del THTR-300 provenía en un 25% de Chernobyl y un 75% de THTR-300. La gestión de este pequeño accidente dañó gravemente la credibilidad de la comunidad alemana de lechos de guijarros, que perdió apoyo en Alemania. [18]
El diseño excesivamente complejo del reactor, contrario al concepto general de los reactores de torio automoderados diseñados en los EE.UU., también se vio afectado por la alta tasa de destrucción no planificada de guijarros durante la serie de pruebas y la consiguiente mayor contaminación de la estructura de contención. Los restos de guijarros y el polvo de grafito bloquearon algunos de los canales de refrigerante en el reflector inferior, como se descubrió durante la extracción de combustible después del apagado final. Una falla en el aislamiento requería frecuentes paradas del reactor para su inspección, porque el aislamiento no podía repararse. Los componentes metálicos del conducto de gas caliente fallaron en septiembre de 1988, probablemente debido a la fatiga térmica inducida por corrientes inesperadas de gas caliente. [19] Este fallo provocó una larga parada para realizar inspecciones. En agosto de 1989, la empresa THTR estuvo a punto de quebrar, pero fue rescatada por el gobierno. Los altos costos inesperados de la operación THTR y el accidente acabaron con el interés en los reactores THTR. El gobierno decidió poner fin a la operación THTR a finales de septiembre de 1989. Este reactor en particular fue construido a pesar de las críticas en la fase de diseño. La mayoría de esas críticas de diseño realizadas por físicos alemanes y por físicos estadounidenses a nivel del Laboratorio Nacional fueron ignoradas hasta el cierre. Casi todos los problemas encontrados por el reactor THTR 300 fueron predichos por los físicos, que lo criticaron como "demasiado complejo". [ cita necesaria ]
En 2004, China obtuvo la licencia de la tecnología AVR y desarrolló un reactor para generación de energía. [20] El prototipo de 10 megavatios se llama HTR-10 . Es un diseño convencional de turbina de helio refrigerado por helio. En 2021, los chinos construyeron una unidad HTR-PM bruta de 211 MW e , que incorpora dos reactores de 250 MW t . [21] A partir de 2021, se estaban considerando cuatro sitios para un sucesor de 6 reactores, el HTR-PM600. [21] El reactor entró en servicio en diciembre de 2023. [22][update]
En junio de 2004, se anunció que Eskom , la empresa de servicios eléctricos propiedad del gobierno, construiría un nuevo PBMR en Koeberg , Sudáfrica, para operar a 940°C. [23] Al proyecto PBMR se opusieron grupos como Koeberg Alert y Earthlife Africa , el último de los cuales demandó a Eskom. [24] El reactor nunca se completó y la instalación de pruebas fue desmantelada y puesta en un "modo de cuidado y mantenimiento" para proteger la propiedad intelectual y los activos. [25]
Una empresa con sede en Pretoria, Stratek Global, creó una variante del reactor PBMR. El reactor Stratek HTMR-100 funciona a 750°C. Dirige el calor al agua para crear vapor y se enfría con helio. El reactor HTMR-100 produce una potencia de 35 MWe. [26]
El diseño de Adams Atomic Engines (AAE) era autónomo, por lo que podía adaptarse a entornos extremos como el espacio, los entornos polares y submarinos. Su diseño era para un refrigerante de nitrógeno que pasa directamente a través de una turbina de gas de baja presión convencional, [27] y debido a la rápida capacidad de la turbina para cambiar de velocidad, se puede utilizar en aplicaciones donde, en lugar de convertir la salida de la turbina en electricidad , la propia turbina podría accionar directamente un dispositivo mecánico, por ejemplo, una hélice a bordo de un barco.
Como todos los diseños de alta temperatura, el motor AAE habría sido intrínsecamente seguro, ya que el motor se apaga naturalmente debido al ensanchamiento Doppler , deteniendo la generación de calor si el combustible en el motor se calienta demasiado en caso de una pérdida de refrigerante o de flujo de refrigerante. [ cita necesaria ]
La empresa cerró en diciembre de 2010. [28]
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