Un reactor subcrítico es un concepto de reactor de fisión nuclear que produce fisión sin alcanzar la criticidad . En lugar de sostener una reacción en cadena , un reactor subcrítico utiliza neutrones adicionales de una fuente externa. Hay dos clases generales de tales dispositivos. Uno utiliza neutrones proporcionados por una máquina de fusión nuclear , un concepto conocido como híbrido de fusión-fisión . El otro utiliza neutrones creados a través de la espalación de núcleos pesados por partículas cargadas como protones acelerados por un acelerador de partículas , un concepto conocido como sistema impulsado por acelerador (ADS) o reactor subcrítico impulsado por acelerador .
Con un reactor subcrítico se pueden destruir los isótopos pesados contenidos en el combustible usado de un reactor nuclear convencional y, al mismo tiempo, producir electricidad. En principio, los elementos transuránicos de larga duración de los residuos nucleares pueden fisionarse , liberando energía en el proceso y dejando atrás productos de fisión que tienen una vida más corta. Esto acortaría considerablemente el tiempo necesario para la eliminación de residuos radiactivos . Sin embargo, algunos isótopos tienen secciones transversales umbral de fisión y, por lo tanto, requieren un reactor rápido para ser fisionados. Si bien pueden transmutarse en material fisionable con neutrones térmicos, algunos nucleidos necesitan hasta tres reacciones sucesivas de captura de neutrones para alcanzar un isótopo fisionable y luego otro neutrón más para fisionarse. Además, liberan en promedio muy pocos neutrones nuevos por fisión, de modo que con un combustible que contenga una fracción elevada de ellos, no se puede alcanzar la criticidad. El reactor accionado por acelerador es independiente de este parámetro y, por tanto, puede utilizar estos nucleidos. Los tres isótopos radiactivos a largo plazo más importantes que podrían manejarse ventajosamente de esa manera son el neptunio-237 , el americio-241 y el americio-243 . El material para armas nucleares plutonio-239 también es adecuado, aunque puede utilizarse de forma más económica como combustible MOX o dentro de reactores rápidos existentes .
Además de la incineración de residuos nucleares, existe interés en este tipo de reactor porque se percibe como intrínsecamente seguro , a diferencia de un reactor convencional. En la mayoría de los tipos de reactores críticos existen circunstancias en las que la velocidad de fisión puede aumentar rápidamente, dañando o destruyendo el reactor y permitiendo el escape de material radiactivo (ver SL-1 o desastre de Chernóbil ). Con un reactor subcrítico, la reacción cesará a menos que se alimente continuamente con neutrones de una fuente externa. Sin embargo, el problema de la generación de calor persiste incluso después de finalizar la reacción en cadena, por lo que la refrigeración continua de un reactor de este tipo durante un período considerable después de la parada sigue siendo vital para evitar el sobrecalentamiento. Sin embargo, incluso el problema del calor de desintegración puede minimizarse ya que un reactor subcrítico no necesita reunir una masa crítica de material fisionable y, por lo tanto, puede construirse (casi) arbitrariamente pequeño y así reducir la masa térmica requerida de un sistema de refrigeración de emergencia capaz de absorber todo el calor generado en las horas o días posteriores a una emergencia .
Otra cuestión en la que un reactor subcrítico se diferencia de un reactor nuclear "normal" (sin importar si funciona con neutrones rápidos o térmicos) es que todas las centrales nucleares "normales" dependen de neutrones retardados para mantener condiciones operativas seguras. Dependiendo del nucleido de fisión, un poco menos del 1% de los neutrones no se liberan inmediatamente después de la fisión ( neutrones rápidos ), sino con fracciones de segundos a minutos de retraso por los productos de fisión que decaen beta seguidos de la emisión de neutrones. Esos neutrones retardados son esenciales para el control del reactor, ya que el tiempo entre "generaciones" de fisión es de un orden de magnitud tan corto que los procesos físicos macroscópicos o la intervención humana no pueden mantener bajo control una excursión de energía. Sin embargo, como sólo los neutrones retardados proporcionan suficientes neutrones para mantener la criticidad, los tiempos de reacción aumentan varios órdenes de magnitud y el control del reactor se vuelve factible. Por el contrario, esto significa que una fracción demasiado baja de neutrones retardados hace que un material que de otra manera sería fisible no sea apto para operar una planta de energía nuclear "convencional". Por el contrario, un reactor subcrítico tiene propiedades ligeramente mejoradas con un combustible con bajas fracciones de neutrones retardados. (Vea abajo). Sucede que mientras235U el material fisionable más utilizado actualmente tiene una fracción de neutrones retardados relativamente alta,239
El Pu tiene un valor mucho menor, lo que limita, además de otras propiedades físicas y químicas, el posible contenido de plutonio en el combustible "normal" de los reactores. Por este motivo, el combustible MOX gastado, que todavía contiene cantidades significativas de plutonio (incluido el material fisionable)239
Pu y - cuando está "fresco" -241
Pu ) normalmente no se reprocesa debido al crecimiento interno de sustancias no fisibles.240
Pu , que requeriría un mayor contenido de plutonio en el combustible fabricado a partir de este plutonio para mantener la criticidad. El otro componente principal del combustible gastado, el uranio reprocesado , normalmente sólo se recupera como subproducto y en el mercado del uranio alcanza peores precios que el uranio natural debido al crecimiento interno de236
U y otros isótopos "indeseables" del uranio .
La mayoría de los diseños actuales de ADS proponen un acelerador de protones de alta intensidad con una energía de aproximadamente 1 GeV , dirigido hacia un objetivo de espalación o una fuente de neutrones de espalación. La fuente situada en el corazón del núcleo del reactor contiene metal líquido que es impactado por el haz, liberando así neutrones y se enfría haciendo circular el metal líquido como plomo - bismuto hacia un intercambiador de calor. El núcleo del reactor nuclear que rodea la fuente de neutrones de espalación contiene las barras de combustible, siendo el combustible cualquier mezcla de actínidos fisionables o fértiles, pero preferible ya con una cierta cantidad de material fisionable para no tener que funcionar con criticidad cero durante el arranque. De este modo, por cada protón que cruza el objetivo de espalación, se libera un promedio de 20 neutrones que fisionan la parte fisible circundante del combustible y transmutan átomos en la parte fértil, "generando" nuevo material fisible. Si se supone el valor de 20 neutrones por GeV gastado, un neutrón "cuesta" 50 MeV mientras que la fisión (que requiere un neutrón) libera del orden de 200 MeV por átomo de actínido que se divide. La eficiencia se puede aumentar reduciendo la energía necesaria para producir un neutrón, aumentando la proporción de energía utilizable extraída de la fisión (si se utiliza un proceso térmico, la eficiencia de Carnot dicta que se necesitan temperaturas más altas para aumentar la eficiencia) y, finalmente, acercando cada vez más la criticidad. a 1 sin dejar de permanecer por debajo de él. Un factor importante tanto en la eficiencia como en la seguridad es cuán subcrítico es el reactor. Para simplificar, el valor de k(efectivo) que se utiliza para dar la criticidad de un reactor (incluidos los neutrones retardados) se puede interpretar como cuántos neutrones de cada "generación" fisionan más núcleos. Si k(efectivo) es 1, por cada 1000 neutrones introducidos, se producen 1000 neutrones que también fisionan más núcleos. Obviamente, la velocidad de reacción aumentaría constantemente en ese caso debido a que cada vez se liberan más neutrones de la fuente de neutrones. Si k(efectivo) es justo por debajo de 1, se deben entregar pocos neutrones desde el exterior del reactor para mantener la reacción en un estado estable, lo que aumenta la eficiencia. Por otro lado, en el caso extremo de "criticidad cero", es decir k(efectivo)=0 (por ejemplo, si el reactor funciona únicamente para transmutación), todos los neutrones se "consumen" y no se produce ninguno dentro del combustible. Sin embargo, como los neutrónicos sólo pueden conocerse con un cierto grado de precisión, en la práctica el reactor debe permitir un margen de seguridad por debajo de la criticidad que depende de qué tan bien se conocen los neutrónicos y del efecto del crecimiento interno de nucleidos que se desintegran mediante la emisión de neutrones.fisión espontánea como el Californio-252 o de nucleidos que se desintegran mediante emisión de neutrones .
El equilibrio de neutrones puede regularse o incluso interrumpirse ajustando la potencia del acelerador de modo que el reactor esté por debajo del nivel crítico . Los neutrones adicionales proporcionados por la fuente de neutrones de espalación proporcionan el grado de control al igual que los neutrones retardados en un reactor nuclear convencional , con la diferencia de que los neutrones impulsados por la fuente de neutrones de espalación son fácilmente controlados por el acelerador. La principal ventaja es la seguridad inherente . El combustible nuclear de un reactor nuclear convencional posee propiedades autorreguladoras como el efecto Doppler o el efecto de vacío, que hacen que estos reactores nucleares sean seguros. Además de estas propiedades físicas de los reactores convencionales, en el reactor subcrítico, siempre que se apaga la fuente de neutrones, la reacción de fisión cesa y sólo queda el calor de desintegración.
Hay dificultades técnicas que superar antes de que los ADS puedan resultar económicos y eventualmente integrarse en la futura gestión de residuos nucleares. El acelerador debe proporcionar una alta intensidad y también ser altamente confiable: cada interrupción del acelerador, además de causar una parada , pondrá al sistema bajo un estrés térmico inmenso . Existen preocupaciones sobre la ventana que separa los protones del objetivo de espalación, que se espera que esté expuesta a tensiones en condiciones extremas. Sin embargo, una experiencia reciente con la fuente de espalación de neutrones de metal líquido MEGAPIE probada en el Instituto Paul Scherrer ha demostrado una ventana de haz funcional bajo un intenso haz de protones de 0,78 MW. La separación química de los elementos transuránicos y la fabricación del combustible, así como los materiales estructurales, son cuestiones importantes. Finalmente, la falta de datos nucleares a altas energías de neutrones limita la eficiencia del diseño. Este último problema se puede superar introduciendo un moderador de neutrones entre la fuente de neutrones y el combustible, pero esto puede provocar un aumento de las fugas, ya que el moderador también dispersará los neutrones del combustible. Cambiar la geometría del reactor puede reducir, pero nunca eliminar, las fugas. Las fugas de neutrones también son motivo de preocupación debido a los productos de activación que producen y al daño físico que puede causar la irradiación de neutrones a los materiales. Además, el espectro de neutrones rápidos tiene ciertas ventajas que no se pueden lograr con neutrones térmicos como resultado de un moderador. Por otro lado, los reactores de neutrones térmicos son el tipo de reactor nuclear más común y mejor comprendido y los neutrones térmicos también tienen ventajas sobre los neutrones rápidos.
Algunos experimentos de laboratorio y muchos estudios teóricos han demostrado la posibilidad teórica de una planta de este tipo. Carlo Rubbia , físico nuclear , premio Nobel y ex director del CERN , fue uno de los primeros en concebir un diseño de reactor subcrítico, el llamado " amplificador de energía ". En 2005, se están llevando a cabo varios proyectos en gran escala en Europa y Japón para seguir desarrollando la tecnología de reactores subcríticos. En 2012, científicos e ingenieros del CERN lanzaron el Comité Internacional de Energía del Torio (iThEC), [1] una organización dedicada a perseguir este objetivo y que organizó la conferencia ThEC13 [2] sobre el tema.
Los reactores subcríticos se han propuesto tanto como medio de generación de energía eléctrica como de transmutación de residuos nucleares , por lo que el beneficio es doble. Sin embargo, se espera que los costos de construcción, seguridad y mantenimiento de instalaciones tan complejas sean muy altos, sin mencionar la cantidad de investigación necesaria para desarrollar un diseño práctico (ver arriba). Existen conceptos de gestión de residuos más baratos y razonablemente seguros, como la transmutación en reactores de neutrones rápidos . Sin embargo, la solución de un reactor subcrítico podría verse favorecida por su mayor aceptación pública : se considera más aceptable quemar los desechos que enterrarlos durante cientos de miles de años. Para la futura gestión de residuos, se podrían integrar algunos dispositivos de transmutación en un programa nuclear a gran escala, con lo que se espera que aumente sólo ligeramente los costos generales.
El principal desafío al que se enfrentan las operaciones de partición y transmutación es la necesidad de entrar en ciclos nucleares de duración extremadamente larga: unos 200 años. [3] Otra desventaja es la generación de grandes cantidades de residuos radiactivos de nivel intermedio y de vida larga (ILW), que también requerirán una eliminación geológica profunda para poder gestionarlos de forma segura. Un aspecto más positivo es la reducción esperada del tamaño del repositorio, que se estimó en un orden de 4 a 6. Tanto los aspectos positivos como los negativos fueron examinados en un estudio de referencia internacional [4] coordinado por Forschungszentrum Jülich y financiado por el Fondo Europeo Unión .
Si bien el ADS se conceptualizó originalmente como parte del diseño de un reactor de agua ligera , se han hecho otras propuestas que incorporan un ADS en otros conceptos de reactores de cuarta generación . [ cita necesaria ]
Una de esas propuestas exige un reactor rápido refrigerado por gas que funcione principalmente con plutonio y americio . Las propiedades neutrónicas del americio dificultan su uso en cualquier reactor crítico, porque tiende a hacer que el coeficiente de temperatura del moderador sea más positivo, disminuyendo la estabilidad. Sin embargo, la seguridad inherente de un ADS permitiría quemar el americio de forma segura. Estos materiales también tienen una buena economía de neutrones, lo que permite que la relación entre paso y diámetro sea grande, lo que permite mejorar la circulación natural y la economía.
También se están desarrollando métodos subcríticos para su uso en la eliminación de desechos nucleares que no dependen de fuentes de neutrones. [5] Estos incluyen sistemas que se basan en el mecanismo de captura de muones , en el que los muones (μ − ) producidos por una fuente compacta impulsada por un acelerador transmutan isótopos radiactivos de larga vida en isótopos estables. [6]
Generalmente, el término "reactor subcrítico" está reservado para sistemas artificiales, pero los sistemas naturales existen: cualquier fuente natural de material fisionable expuesta a rayos cósmicos y gamma (incluso del sol) podría considerarse un reactor subcrítico. Esto incluye satélites lanzados al espacio con generadores termoeléctricos de radioisótopos, así como cualquier depósito expuesto.