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El reactor de lecho de bolas ( 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 incluye 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 triestructurales isotrópicas (TRISO). Estas partículas TRISO consisten en un material fisionable (como235U ) rodeado de un revestimiento cerámico de carburo de silicio para la integridad estructural y la contención del producto de fisión. Se acumulan miles de guijarros para crear un núcleo de reactor . El núcleo se enfría con un gas que no reacciona químicamente con los elementos combustibles, como helio , nitrógeno o dióxido de carbono . Se han sugeridootros refrigerantes como FLiBe ( Li(BeF 4 ) fundido) [1] . [ cita requerida ] El diseño del lecho de guijarros es pasivamente seguro . [2]
Debido a que el reactor está diseñado para soportar altas temperaturas, puede enfriarse por circulación natural y sobrevivir a escenarios de accidentes, que pueden elevar la temperatura del reactor a 1.600 °C (2.910 °F). Esas altas temperaturas 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 Bengasi por las tropas británicas del desierto en la Segunda Guerra Mundial. El desarrollo comercial llegó 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 . El prototipo HTR-10 se desarrolló en la planta de demostración HTR-PM de China , que conecta dos reactores a una sola turbina que produce 210 MW e , y que opera comercialmente desde 2023. 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 planta de energía de lecho de guijarros combina un núcleo refrigerado por gas [5] y un nuevo paquete de combustible. [6]
Los combustibles nucleares de uranio , torio o plutonio se presentan en forma de cerámica (normalmente óxidos o carburos ) contenida en bolas esféricas un poco más pequeñas que el tamaño de una pelota de tenis y hechas de grafito pirolítico, que actúa como moderador primario de neutrones . El diseño de las bolas es relativamente simple, y cada esfera consta del combustible nuclear, la barrera de productos de fisión y el moderador (que en un reactor de agua tradicional serían todas partes diferentes). Agrupar suficientes bolas en la geometría correcta crea criticidad .
Los guijarros se almacenan 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 alejar 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 es discutida). El gas calentado pasa directamente a través de una turbina . Sin embargo, si el gas del refrigerante primario puede volverse radiactivo por los neutrones del reactor, o un defecto del combustible puede contaminar el equipo de producción de energía, puede llevarse en su lugar 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 bolas se refrigeran con gas, a veces a bajas presiones. Los espacios entre las bolas sustituyen a las tuberías en los reactores convencionales. Como no hay tuberías reales en el núcleo y el refrigerante no contiene hidrógeno, la fragilización no es un problema de fallo. El gas preferido, el helio, no absorbe fácilmente neutrones ni impurezas. Por lo tanto, en comparación con el agua, es más eficiente y tiene menos probabilidades de volverse radiactivo.
Gran parte del costo de una planta nuclear convencional refrigerada por agua se debe a la complejidad del sistema de refrigeración, que no es un factor en las centrales nucleares convencionales. Las plantas convencionales requieren amplios sistemas de seguridad y copias de seguridad redundantes. Los núcleos de sus reactores son pequeños comparados con 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. Las tuberías de alta presión del lado primario acaban por volverse quebradizas y es necesario inspeccionarlas y sustituirlas.
Algunos diseños se regulan por la temperatura en lugar de por las barras de control . Estos reactores no necesitan funcionar bien con los perfiles de neutrones variables que provocan las barras de control parcialmente retiradas. [ cita requerida ]
Los reactores de lecho de bolas pueden utilizar partículas de combustible fabricadas a partir de varios combustibles en el mismo diseño (aunque quizás no simultáneamente). Los defensores afirman que los reactores de lecho de bolas 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 con forma de tolva. Los guijarros viajan desde abajo hasta 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, lo que provoca un ensanchamiento Doppler . El combustible experimenta entonces un rango más amplio de velocidades de neutrones. El uranio-238 , que forma la mayor parte del uranio, tiene muchas más probabilidades de absorber neutrones rápidos o epitermales a temperaturas más altas. Esto reduce la cantidad de neutrones disponibles para provocar la fisión y reduce la potencia. Por lo tanto, el ensanchamiento Doppler crea una retroalimentación negativa: a medida que aumenta la temperatura del combustible, disminuye la potencia del reactor. Todos los reactores tienen mecanismos de retroalimentación de reactividad. El reactor de lecho de bolas está diseñado de modo que este efecto sea relativamente fuerte, inherente al diseño y no dependa de partes móviles. Si la tasa de fisión aumenta, aumenta la temperatura y el ensanchamiento Doppler reduce la tasa de fisión. Esta retroalimentación negativa crea un control pasivo del proceso de reacción.
De esta manera, los PBR reducen pasivamente su potencia hasta un nivel seguro en caso de accidente. Esta es la principal característica de seguridad pasiva del diseño.
El reactor se enfría mediante un gas inerte, ignífugo y sin transición de fase, pues siempre se encuentra en fase gaseosa. El moderador es carbón sólido, que no actúa como refrigerante, ni se mueve, ni cambia de fase.
La convección del gas, impulsada por el calor de los guijarros, garantiza que estos se enfríen pasivamente. [ cita requerida ]
Incluso en el caso de que falle toda la maquinaria de apoyo, el reactor no se agrietará, fundirá, explotará ni arrojará residuos peligrosos. Se calienta hasta una temperatura de "inactividad" diseñada y permanece allí. En inactividad, el recipiente del reactor irradia calor, pero el recipiente y las esferas de combustible permanecen intactos y sin daños. La maquinaria se puede reparar o se puede retirar el combustible.
En una prueba de seguridad realizada con el reactor alemán AVR, se quitaron todas las barras de control y se detuvo el flujo de refrigerante. El combustible permaneció intacto. [7]
Los reactores PBR funcionan intencionadamente por encima de la temperatura de recocido del grafito, de 250 °C (482 °F), para que la energía de Wigner no se acumule. Esto resuelve un problema descubierto en el incendio de Windscale . Un reactor (que no era 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 recocía regularmente el grafito para liberar la energía de Wigner acumulada. Sin embargo, el efecto no se previó y, dado que el reactor se enfriaba con aire ambiente en un ciclo abierto, el proceso no se pudo controlar de forma fiable 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 (7230 °F), más del doble de la temperatura de diseño de la mayoría de los reactores. Disminuye la velocidad de los neutrones de manera eficaz, es resistente, 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 ojiva de reentrada de misiles y grandes toberas de cohetes sólidos. [9] Su resistencia y dureza provienen de sus cristales anisotrópicos.
El carbono pirolítico puede arder en el aire cuando la reacción es catalizada por un radical hidroxilo (por ejemplo, del agua). [ cita requerida ] Ejemplos infames incluyen los accidentes de 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 a partir de un sol-gel , luego se lavan, se secan y se calcinan. Los granos estadounidenses utilizan carburo de uranio , mientras que los granos alemanes (AVR) utilizan dióxido de uranio . Los granos de combustible producidos en Alemania liberan aproximadamente 1000 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 bolas es que encapsular el combustible en grafito supone un peligro. El grafito puede arder en presencia de aire, lo que podría ocurrir si el recipiente del reactor se ve afectado. El fuego podría vaporizar el combustible, que luego podría liberarse al entorno. Los núcleos de combustible están recubiertos con una capa de carburo de silicio para aislar el grafito. Si bien el carburo de silicio es resistente a las aplicaciones de abrasión y compresión , tiene menos resistencia a las fuerzas de expansión y cizallamiento. Algunos productos de fisión, como133
Los Xe tienen una capacidad de absorción limitada en el carbono, por lo que algunos núcleos de combustible podrían acumular suficiente gas para romper el carburo de silicio. [ cita requerida ]
Algunos diseños no incluyen un edificio de contención, lo que deja a los reactores más vulnerables a los ataques. Sin embargo, la mayoría están rodeados 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 desechos tienden a ser menos peligrosos y más simples de manejar. [ cita requerida ] La legislación estadounidense actual requiere que todos los desechos se contengan de manera segura, lo que requiere instalaciones de almacenamiento de desechos. Los defectos de los guijarros pueden complicar el almacenamiento. Los guijarros de grafito son más difíciles de reprocesar debido a su construcción. [ cita requerida ]
En 2008, un informe [13] [14] sobre los aspectos de seguridad del reactor AVR de Alemania y las características generales del PBR llamó la atención. Las afirmaciones son controvertidas. [15] El informe citaba:
El autor del informe, Rainer Moormann , recomendó que las temperaturas promedio del helio caliente se limiten a 800 °C (1.470 °F) menos la incertidumbre de las temperaturas centrales (aproximadamente 200 °C o 360 °F).
Farrington Daniels fue el creador del concepto y del nombre en 1947 en Oak Ridge. [16] Rudolf Schulten propuso la idea en la década de 1950. La idea fundamental era combinar combustible, estructura, contención y moderador de neutrones en una esfera pequeña y resistente. El concepto dependía de la disponibilidad de formas de ingeniería de carburo de silicio y carbono pirolítico que fueran resistentes.
En el centro de investigación de Jülich , en Alemania Occidental , se construyó un reactor experimental de 15 MW , el Arbeitsgemeinschaft Versuchsreaktor ( Consorcio de reactores experimentales ) . El objetivo era adquirir experiencia operativa con un reactor refrigerado por gas de alta temperatura. Los costes de construcción del AVR fueron de 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 se produjo 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 y vapor de 30 toneladas métricas (30 toneladas largas; 33 toneladas cortas), lo que provocó la contaminación del suelo y las aguas subterráneas por estroncio-90 y tritio. [ cita requerida ] La fuga en el generador de vapor que provocó este accidente probablemente fue causada por las altas temperaturas en el núcleo (véase la sección de críticas). El gobierno local anunció una nueva evaluación de este accidente en julio de 2010. [ cita requerida ]
El AVR fue diseñado originalmente para producir uranio-233 a partir de torio-232 . Un reactor reproductor de torio práctico se consideraba una tecnología valiosa. Sin embargo, el diseño del combustible del AVR contenía el combustible tan bien que la extracción de los combustibles transmutados no era rentable: era más barato utilizar uranio extraído y purificado. [ cita requerida ]
El refrigerante utilizado en el AVR era helio y tiene una sección transversal de neutrones baja . Como se absorben pocos neutrones, el refrigerante sigue siendo menos radiactivo. Resulta 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 requerida ]
El 1 de diciembre de 1988, tras el desastre de Chernóbil y los problemas operativos, se puso fuera de servicio. Durante la extracción de los elementos combustibles se hizo evidente que el reflector de neutrones situado bajo el núcleo de 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 estaba presente en forma de polvo (la peor forma). [17]
Las inestabilidades localizadas de la temperatura del combustible provocaron una fuerte contaminación del recipiente por Cs-137 y Sr-90 . El recipiente del reactor se rellenó con hormigón ligero para fijar el polvo radiactivo y en 2012 el recipiente del reactor de 2.100 toneladas métricas (2.100 toneladas largas; 2.300 toneladas cortas) se trasladaría a un almacenamiento intermedio hasta que se ideara una solución permanente. Los edificios del reactor se desmantelarían y el suelo y las aguas subterráneas se descontaminarían. Se esperaba que los costes de desmantelamiento del AVR superaran con creces sus costes de construcción. En agosto de 2010, el gobierno alemán estimó los costes del desmantelamiento del AVR sin tener en cuenta el desmantelamiento del recipiente 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 un confinamiento separado para fines de desmantelamiento, como se ve en la imagen del AVR. [ cita requerida ]
Tras la experiencia con el reactor de alta temperatura de torio, Alemania construyó una central eléctrica a gran escala (el reactor de alta temperatura de torio o THTR-300 , de 300 MW) que utilizaba torio como combustible. El THTR-300 sufrió dificultades técnicas y, debido a ellas y a los acontecimientos políticos en Alemania, se cerró tras cuatro años de funcionamiento. Un incidente ocurrido el 4 de mayo de 1986, sólo unos días después del desastre de Chernóbil, permitió la liberación de parte del inventario radiactivo al medio ambiente. Aunque el impacto radiológico fue pequeño, tuvo un impacto desproporcionado. La liberación fue causada por un error humano durante un bloqueo de guijarros en una tubería. Al intentar reiniciar el movimiento de los guijarros aumentando el flujo de gas, se levantó polvo, siempre presente en los reactores de alta temperatura de torio, que luego se liberó, sin filtrar, al medio ambiente debido a una válvula abierta por error. [ cita requerida ]
A pesar de la cantidad limitada de radiactividad liberada (0,1 GBq60Co ,137
Cs ,233
En 1991 se nombró una comisión de investigación. Finalmente se determinó que la radiactividad en las cercanías del THTR-300 provenía en un 25% de Chernóbil y en un 75% de THTR-300. La forma en que se manejó 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, que es 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 los guijarros durante la serie de pruebas y la mayor contaminación resultante de la estructura de contención. Los restos de guijarros y el polvo de grafito bloquearon algunos de los canales de refrigeración en el reflector inferior, como se descubrió durante la extracción de combustible después del apagado final. Una falla del aislamiento requirió frecuentes paradas del reactor para inspección, porque el aislamiento no podía repararse. Los componentes metálicos en el conducto de gas caliente fallaron en septiembre de 1988, probablemente debido a la fatiga térmica inducida por corrientes de gas caliente inesperadas. [19] Esta falla condujo a una larga parada para inspecciones. En agosto de 1989, la empresa THTR casi se declaró en quiebra, pero fue rescatada por el gobierno. Los altos costos inesperados de la operación de THTR y el accidente terminaron con el interés en los reactores THTR. El gobierno decidió poner fin a la operación del THTR a fines de septiembre de 1989. Este reactor en particular se construyó a pesar de las críticas recibidas durante la fase de diseño. La mayoría de esas críticas de diseño por parte de físicos alemanes y de físicos estadounidenses en el Laboratorio Nacional fueron ignoradas hasta el cierre. Casi todos los problemas que encontró el reactor THTR 300 fueron previstos por los físicos que lo criticaron por ser "demasiado complejo". [ cita requerida ]
En 2004, China licenció la tecnología AVR y desarrolló un reactor para la generación de energía. [20] El prototipo de 10 megavatios se llama HTR-10 . Es un diseño convencional de turbina de helio refrigerada por helio. En 2021, los chinos construyeron una unidad HTR-PM de 211 MW brutos, que incorpora dos reactores de 250 MW t . [21] En 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][actualizar]
En junio de 2004, se anunció que Eskom , la empresa eléctrica estatal, construiría un nuevo reactor nuclear de propiedad estatal en Koeberg ( Sudáfrica) para operar a 940 °C (1720 °F). [23] El proyecto del reactor nuclear de propiedad estatal fue rechazado por 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 prueba fue desmantelada y puesta en "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 (1380 °F). Dirige el calor hacia el agua para crear vapor y se enfría con helio. El reactor HTMR-100 produce una potencia de 35 MWe. [26]
El diseño de los motores atómicos Adams (AAE) era autónomo, por lo que podía adaptarse a entornos extremos, como el espacio, los entornos polares y submarinos. Su diseño consistía en un refrigerante de nitrógeno que pasaba directamente a través de una turbina de gas convencional de baja presión [27] y, debido a la rápida capacidad de la turbina para cambiar de velocidad, se puede utilizar en aplicaciones en las que, en lugar de convertir la salida de la turbina en electricidad, la propia turbina podría impulsar directamente un dispositivo mecánico, por ejemplo, una hélice a bordo de un barco.
Al igual que todos los diseños de alta temperatura, el motor AAE habría sido inherentemente 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 una pérdida de flujo de refrigerante. [ cita requerida ]
La empresa cerró en diciembre de 2010. [28]
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