Un reactor de sal fundida ( MSR ) es una clase de reactor de fisión nuclear en el que el refrigerante primario del reactor nuclear y/o el combustible es una mezcla de sal fundida con un material fisionable.
A mediados del siglo XX funcionaron en Estados Unidos dos reactores de reacción en cadena de la polimerasa (MSR). El Experimento con reactor de aeronaves (ARE) de los años 50 se basó principalmente en el tamaño compacto de la tecnología, mientras que el Experimento con reactor de sales fundidas (MSRE) de los años 60 tenía como objetivo demostrar una planta de energía nuclear que utilizase un ciclo de combustible de torio en un reactor reproductor .
El aumento de la investigación sobre los diseños de reactores de Generación IV renovó el interés en el siglo XXI y varios países iniciaron proyectos. Hasta mayo de 2023, China no había anunciado el encendido de su unidad de torio TMSR-LF1 después de la fecha programada para febrero de 2023. [1] [2]
Los MSR eliminan el escenario de fusión nuclear presente en los reactores refrigerados por agua porque la mezcla de combustible se mantiene en estado fundido. La mezcla de combustible está diseñada para drenar sin bombear desde el núcleo a un recipiente de contención en escenarios de emergencia, donde el combustible se solidifica, extinguiendo la reacción. Además, no se produce la evolución de hidrógeno. Esto elimina el riesgo de explosiones de hidrógeno (como en el desastre nuclear de Fukushima ). [2] Operan a presión atmosférica o cerca de ella, en lugar de la presión atmosférica de 75 a 150 veces mayor que la de un reactor de agua ligera (LWR) típico. Esto reduce la necesidad y el costo de los recipientes a presión del reactor . Los productos de fisión gaseosos ( Xe y Kr ) tienen poca solubilidad en la sal de combustible, [a] y pueden capturarse de manera segura a medida que burbujean fuera del combustible, [b] en lugar de aumentar la presión dentro de los tubos de combustible , como sucede en los reactores convencionales. Los MSR pueden reabastecerse mientras están en funcionamiento (esencialmente, reprocesamiento nuclear en línea ) mientras los reactores convencionales se apagan para recargarse (las excepciones notables incluyen reactores de agua pesada con tubos de presión como el CANDU o los PHWR de clase Atucha, y reactores refrigerados por gas construidos en Gran Bretaña como Magnox y AGR ). Las temperaturas de operación de los MSR son de alrededor de 700 °C (1292 °F), significativamente más altas que las de los LWR tradicionales de alrededor de 300 °C (572 °F). Esto aumenta la eficiencia de generación de electricidad y las oportunidades de calor de proceso .
Los desafíos de diseño relevantes incluyen la corrosividad de las sales calientes y la composición química cambiante de la sal a medida que es transmutada por el flujo de neutrones .
Los reactores de reacción de masas (MSR), especialmente aquellos con combustible en la sal fundida, ofrecen presiones de funcionamiento más bajas y temperaturas más altas. En este sentido, un MSR es más similar a un reactor refrigerado por metal líquido que a un reactor refrigerado por agua ligera convencional. Los diseños de MSR suelen ser reactores de reproducción con un ciclo de combustible cerrado, a diferencia del combustible de paso único que se utiliza actualmente en los generadores de energía nuclear convencionales.
Los reactores de reacción de masas (MSR) aprovechan un coeficiente de reactividad de temperatura negativo y un gran aumento de temperatura permisible para evitar accidentes de criticidad . En los diseños con el combustible en la sal, la sal se expande térmicamente inmediatamente con las excursiones de potencia. En los reactores convencionales, la reactividad negativa se retrasa ya que el calor del combustible debe transferirse al moderador. Un método adicional es colocar un contenedor separado, enfriado pasivamente debajo del reactor. El combustible se drena hacia el contenedor durante fallas o mantenimiento, lo que detiene la reacción. [6]
Las temperaturas de algunos diseños son lo suficientemente altas como para producir calor de proceso, lo que llevó a incluirlos en la hoja de ruta GEN-IV. [7]
Los MSR ofrecen muchas ventajas potenciales sobre los reactores de agua ligera: [8]
Los MSR se pueden enfriar de varias maneras, incluso utilizando sales fundidas.
En la propuesta de Generación IV, los reactores de combustible sólido refrigerados por sales fundidas se denominan de diversas formas: "sistema de reactor de sales fundidas", reactores convertidores de sales fundidas (MSCR), reactores avanzados de alta temperatura (AHTR) o reactores de fluoruro de alta temperatura (FHR, designación preferida del DOE ). [15]
Los reactores de recuperación de calor no pueden reprocesar el combustible fácilmente y tienen barras de combustible que deben fabricarse y validarse, lo que requiere hasta veinte años [ cita requerida ] desde el inicio del proyecto. Los reactores de recuperación de calor conservan las ventajas de seguridad y costo de un refrigerante de baja presión y alta temperatura, que también comparten los reactores enfriados por metal líquido . En particular, no se crea vapor en el núcleo (como ocurre en los reactores de agua en ebullición ) y no se necesita un recipiente de presión de acero grande y costoso (como se requiere para los reactores de agua presurizada ). Dado que puede operar a altas temperaturas, la conversión del calor en electricidad puede utilizar una turbina de gas de ciclo Brayton liviana y eficiente.
Gran parte de la investigación actual sobre FHR se centra en intercambiadores de calor pequeños y compactos que reducen los volúmenes de sales fundidas y los costos asociados. [16]
Las sales fundidas pueden ser altamente corrosivas y la corrosividad aumenta con la temperatura. Para el circuito de enfriamiento primario, se necesita un material que pueda soportar la corrosión a altas temperaturas y la radiación intensa . Los experimentos muestran que Hastelloy-N y aleaciones similares son adecuadas para estas tareas a temperaturas de funcionamiento de hasta aproximadamente 700 °C. Sin embargo, la experiencia operativa es limitada. Aún son deseables temperaturas de funcionamiento más altas: a 850 °C (1560 °F) se hace posible la producción termoquímica de hidrógeno . Los materiales para este rango de temperatura no han sido validados, aunque los compuestos de carbono , las aleaciones de molibdeno (por ejemplo, TZM), los carburos y las aleaciones basadas en metales refractarios o ODS podrían ser factibles.
Las mezclas de sales se eligen para que el reactor sea más seguro y práctico.
El flúor tiene solo un isótopo estable (19
F ), y no se vuelve radiactivo fácilmente bajo el bombardeo de neutrones. En comparación con el cloro y otros haluros, el flúor también absorbe menos neutrones y los frena (" modera ") mejor. Los fluoruros de baja valencia hierven a altas temperaturas, aunque muchos pentafluoruros y hexafluoruros hierven a bajas temperaturas. Deben estar muy calientes antes de descomponerse en sus elementos constituyentes. Estas sales fundidas son "químicamente estables" cuando se mantienen muy por debajo de sus puntos de ebullición. Las sales de fluoruro se disuelven mal en agua y no forman hidrógeno combustible.
El cloro tiene dos isótopos estables (35
Cl y37
Cl ), así como un isótopo de desintegración lenta entre ellos que facilita la absorción de neutrones por35
Cl .
Los cloruros permiten construir reactores reproductores rápidos. Se ha investigado mucho menos sobre el diseño de reactores que utilizan sales de cloruro. El cloro, a diferencia del flúor, debe purificarse para aislar el isótopo estable más pesado,37
Cl , reduciendo así la producción de tetracloruro de azufre que se produce cuando35
Cl absorbe un neutrón para convertirse en36
Cl , luego se degrada por desintegración beta a36
S .
El litio debe estar en forma purificada.7
Li , porque6
El litio captura eficazmente neutrones y produce tritio . Incluso si es puro7
Se utiliza litio y las sales que contienen litio provocan una producción significativa de tritio, comparable a la de los reactores de agua pesada.
Las sales de los reactores suelen estar próximas a las mezclas eutécticas para reducir su punto de fusión. Un punto de fusión bajo simplifica la fusión de la sal al inicio y reduce el riesgo de que la sal se congele a medida que se enfría en el intercambiador de calor.
Debido a la alta " ventana redox " de las sales de fluoruro fusionadas, el potencial redox del sistema de sales fusionadas puede modificarse. Se puede utilizar flúor-litio-berilio (" FLiBe ") con adiciones de berilio para reducir el potencial redox y eliminar casi por completo la corrosión. Sin embargo, dado que el berilio es extremadamente tóxico, se deben tomar precauciones especiales en el diseño para evitar su liberación al medio ambiente. Muchas otras sales pueden provocar corrosión en las tuberías, especialmente si el reactor está lo suficientemente caliente como para producir hidrógeno altamente reactivo.
Hasta la fecha, la mayor parte de la investigación se ha centrado en el FLiBe, porque el litio y el berilio son moderadores razonablemente eficaces y forman una mezcla de sales eutécticas con un punto de fusión más bajo que cada una de las sales constituyentes. El berilio también realiza la duplicación de neutrones, lo que mejora la economía de neutrones. Este proceso ocurre cuando el núcleo de berilio emite dos neutrones después de absorber un solo neutrón. Para las sales portadoras de combustible, generalmente se agrega un 1% o un 2% (por mol ) de UF4 . También se han utilizado fluoruros de torio y plutonio.
Las técnicas para preparar y manipular sales fundidas se desarrollaron por primera vez en ORNL. [17] El objetivo de la purificación de la sal es eliminar óxidos, azufre e impurezas metálicas. Los óxidos pueden provocar la deposición de partículas sólidas durante el funcionamiento del reactor. El azufre debe eliminarse debido a su ataque corrosivo sobre las aleaciones a base de níquel a temperatura operativa. Los metales estructurales, como el cromo, el níquel y el hierro, deben eliminarse para controlar la corrosión.
Se especificó una etapa de purificación por reducción de contenido de agua utilizando gas de barrido de HF y helio para funcionar a 400 °C. La contaminación de óxido y azufre en las mezclas de sal se eliminó mediante burbujeo de gas de una mezcla de HF / H2 , con la sal calentada a 600 °C. [17] : 8 La contaminación de metal estructural en las mezclas de sal se eliminó mediante burbujeo de gas hidrógeno, a 700 °C. [17] : 26 Se propuso el hidrofluoruro de amonio sólido como una alternativa más segura para la eliminación de óxido. [18]
La posibilidad de procesamiento en línea puede ser una ventaja del MSR. El procesamiento continuo reduciría el inventario de productos de fisión, controlaría la corrosión y mejoraría la economía de neutrones al eliminar los productos de fisión con una alta sección transversal de absorción de neutrones, especialmente el xenón . Esto hace que el MSR sea particularmente adecuado para el ciclo de combustible de torio pobre en neutrones . El procesamiento de combustible en línea puede introducir riesgos de accidentes de procesamiento de combustible, [19] : 15 que pueden desencadenar la liberación de radioisótopos .
En algunos escenarios de reproducción del torio, el producto intermedio protactinio 233
El Pa se retiraría del reactor y se dejaría desintegrar en un gas altamente puro.233U , un material atractivo para fabricar bombas. Los diseños más modernos proponen utilizar una potencia específica menor o una capa de reproducción de torio separada. Esto diluye el protactinio hasta tal punto que pocos átomos de protactinio absorben un segundo neutrón o, a través de una reacción (n, 2n) (en la que un neutrón incidente no se absorbe sino que, en cambio, expulsa un neutrón del núcleo), genera232
U. Porque232
El uranio tiene una vida media corta y su cadena de desintegración contiene emisores de rayos gamma duros , lo que hace que la mezcla isotópica de uranio sea menos atractiva para la fabricación de bombas. Este beneficio se traduciría en el gasto adicional de un inventario fisible mayor o un diseño de dos fluidos con una gran cantidad de sal de manta.
Se ha demostrado la tecnología necesaria para el reprocesamiento de sales de combustible, pero sólo a escala de laboratorio. Un requisito previo para el diseño de un reactor comercial a gran escala es la investigación y el desarrollo para diseñar un sistema de limpieza de sales de combustible que sea económicamente competitivo.
El reprocesamiento se refiere a la separación química del uranio y el plutonio fisionables del combustible gastado. [20] Esta recuperación podría aumentar el riesgo de proliferación nuclear . En los Estados Unidos, el régimen regulatorio ha variado drásticamente entre las distintas administraciones. [20]
Una revisión sistemática de la literatura de 2020 concluye que existe información muy limitada sobre la economía y las finanzas de los MSR, con baja calidad de la información y que las estimaciones de costos son inciertas. [21]
En el caso específico del reactor de sal estable (SSR), donde el combustible radiactivo está contenido como sal fundida dentro de pines de combustible y el circuito primario no es radiactivo, es probable que los costos operativos sean menores. [22] [ verificación necesaria ] [ cita(s) adicional(es) necesaria(s) ]
Si bien se han propuesto muchas variantes de diseño, existen tres categorías principales con respecto al papel de la sal fundida:
El uso de sal fundida como combustible y como refrigerante son opciones de diseño independientes: el MSRE con combustible circulante y sal original y el SSR con combustible estático y sal más reciente usan sal como combustible y sal como refrigerante; el DFR usa sal como combustible pero metal como refrigerante; y el FHR tiene combustible sólido pero sal como refrigerante.
Los reactores de reacción en cadena pueden ser quemadores o reproductores. Pueden ser rápidos , térmicos o epitermales . Los reactores térmicos suelen emplear un moderador (normalmente grafito) para ralentizar los neutrones y moderar la temperatura. Pueden aceptar una variedad de combustibles (uranio poco enriquecido, torio, uranio empobrecido , productos de desecho) [23] y refrigerantes (fluoruro, cloruro, litio, berilio, mixtos). El ciclo del combustible puede ser cerrado o de un solo paso. [24] Pueden ser monolíticos o modulares, grandes o pequeños. El reactor puede adoptar una configuración de bucle, modular o integral. Las variaciones incluyen:
El reactor rápido de sales fundidas (MSFR) es un diseño propuesto con el combustible disuelto en un refrigerante de sal de fluoruro. El MSFR es una de las dos variantes de MSR seleccionadas por el Foro Internacional de Generación IV (GIF) para un mayor desarrollo, la otra es el FHR o el AHTR. [1] El MSFR se basa en un espectro de neutrones rápidos y se cree que es un sustituto a largo plazo de los reactores rápidos de combustible sólido. Se han estudiado durante casi una década, principalmente mediante cálculos y determinación de propiedades físicas y químicas básicas en la Unión Europea y la Federación Rusa. [25] Un MSFR se considera sostenible porque no hay escasez de combustible. El funcionamiento de un MSFR en teoría no genera ni requiere grandes cantidades de elementos transuránicos (TRU) . Cuando se alcanza el estado estable en un MSFR, ya no hay necesidad de instalaciones de enriquecimiento de uranio. [26]
Los MSFR pueden ser reactores reproductores . Funcionan sin un moderador en el núcleo, como el grafito, por lo que la vida útil del grafito ya no es un problema. Esto da como resultado un reactor reproductor con un espectro de neutrones rápidos que funciona en el ciclo del combustible de torio. Los MSFR contienen inventarios iniciales relativamente pequeños de233
Los reactores MSFR funcionan con combustible líquido sin materia sólida dentro del núcleo. Esto permite alcanzar una potencia específica mucho mayor que la de los reactores que utilizan combustible sólido. El calor producido va directamente al fluido de transferencia de calor. En el MSFR, se reserva una pequeña cantidad de sal fundida para procesarla con el fin de eliminar los productos de fisión y luego se devuelve al reactor. Esto proporciona a los MSFR la capacidad de reprocesar el combustible sin detener el reactor. Esto es muy diferente en comparación con los reactores de combustible sólido porque tienen instalaciones separadas para producir el combustible sólido y procesar el combustible nuclear gastado. El MSFR puede funcionar utilizando una gran variedad de composiciones de combustible debido a su control de combustible en línea y su procesamiento flexible. [27]
El reactor MSFR estándar sería un reactor de 3000 MWth que tiene un volumen total de sal combustible de 18 m3 con una temperatura media del combustible de 750 °C. La forma del núcleo es un cilindro compacto con una relación altura-diámetro de 1 donde la sal combustible de fluoruro líquido fluye de abajo a arriba. La circulación de retorno de la sal, de arriba a abajo, se divide en 16 grupos de bombas e intercambiadores de calor ubicados alrededor del núcleo. La sal combustible tarda aproximadamente de 3 a 4 segundos en completar un ciclo completo. En cualquier momento dado durante la operación, la mitad del volumen total de sal combustible está en el núcleo y el resto está en el circuito de combustible externo (colectores de sal, separadores de burbujas de sal, intercambiadores de calor de combustible, bombas, inyectores de sal y tuberías). [27] Los MSFR contienen un sistema de drenaje de emergencia que se activa y se logra mediante dispositivos redundantes y confiables como la tecnología de detección y apertura. Durante la operación, la velocidad de circulación de la sal combustible se puede ajustar controlando la potencia de las bombas en cada sector. La velocidad de circulación del fluido intermedio se puede ajustar controlando la potencia de las bombas del circuito intermedio. La temperatura del fluido intermedio en los intercambiadores intermedios se puede controlar mediante el uso de un doble bypass. Esto permite mantener constante la temperatura del fluido intermedio en la entrada del intercambiador de conversión mientras se aumenta su temperatura de forma controlada en la entrada de los intercambiadores intermedios. La temperatura del núcleo se puede ajustar variando la proporción de burbujas inyectadas en el núcleo, ya que reduce la densidad de la sal. Como resultado, reduce la temperatura media de la sal de combustible. Por lo general, la temperatura de la sal de combustible se puede reducir en 100 °C utilizando una proporción de burbujas del 3%. Los MSFR tienen dos modos de drenaje, drenaje de rutina controlado y drenaje de emergencia. Durante el drenaje de rutina controlado, la sal de combustible se transfiere a tanques de almacenamiento enfriados activamente. La temperatura del combustible se puede reducir antes del drenaje, lo que puede ralentizar el proceso. Este tipo de drenaje se puede realizar cada 1 a 5 años cuando se reemplazan los sectores. El drenaje de emergencia se realiza cuando ocurre una irregularidad durante el funcionamiento. La sal de combustible se puede drenar directamente al tanque de drenaje de emergencia mediante dispositivos activos o medios pasivos. El drenaje debe ser rápido para limitar el calentamiento de la sal de combustible en caso de pérdida de eliminación de calor.
El reactor de alta temperatura refrigerado por sal de fluoruro (FHR), también llamado reactor avanzado de alta temperatura (AHTR), [28] es también una variante propuesta del reactor de sal fundida de Generación IV que se considera prometedora para el futuro a largo plazo. [1] El reactor FHR/AHTR utiliza un sistema de combustible sólido junto con una sal de fluoruro fundida como refrigerante.
Una versión del reactor de muy alta temperatura (VHTR) en estudio fue el reactor de muy alta temperatura de sal líquida (LS-VHTR). Utiliza sal líquida como refrigerante en el circuito primario, en lugar de un solo circuito de helio. Se basa en combustible " TRISO " disperso en grafito. Las primeras investigaciones del AHTR se centraron en el grafito en forma de barras de grafito que se insertarían en bloques de grafito moderador hexagonales, pero los estudios actuales se centran principalmente en el combustible tipo guijarro. [ cita requerida ] El LS-VHTR puede funcionar a temperaturas muy altas (el punto de ebullición de la mayoría de los candidatos a sales fundidas es >1400 °C); refrigeración a baja presión que se puede utilizar para adaptarse a las condiciones de las instalaciones de producción de hidrógeno (la mayoría de los ciclos termoquímicos requieren temperaturas superiores a 750 °C); mejor eficiencia de conversión eléctrica que un VHTR refrigerado por helio que funcione en condiciones similares; sistemas de seguridad pasiva y mejor retención de los productos de fisión en caso de accidente. [ cita requerida ]
Los reactores que contienen sal fundida de torio, llamados reactores de fluoruro de torio líquido (LFTR), aprovecharían el ciclo del combustible de torio . Empresas privadas de Japón, Rusia, Australia y Estados Unidos, y el gobierno chino, han expresado interés en desarrollar esta tecnología. [29] [30] [31]
Los defensores de esta sustancia estiman que quinientas toneladas métricas de torio podrían satisfacer las necesidades energéticas de Estados Unidos durante un año. [32] El Servicio Geológico de Estados Unidos estima que el mayor depósito de torio conocido en Estados Unidos, el distrito Lemhi Pass en la frontera entre Montana e Idaho , contiene reservas de torio de 64.000 toneladas métricas. [33]
Tradicionalmente, estos reactores se conocían como reactores reproductores de sales fundidas (MSBR) o reactores de sales fundidas de torio (TMSR), pero el nombre LFTR fue promocionado como una nueva marca a principios de la década de 2000 por Kirk Sorensen.
El reactor de sal estable es un concepto relativamente reciente que mantiene el combustible de sal fundida de forma estática en los tradicionales pines de combustible de los reactores de agua de baja presión. Ya no es necesario bombear la sal de combustible ni todos los problemas de corrosión, deposición, mantenimiento y contención que surgen de la circulación de un fluido altamente radiactivo, caliente y químicamente complejo. Los pines de combustible están sumergidos en una sal de fluoruro separada y no fisionable que actúa como refrigerante primario.
Un ejemplo prototípico de un reactor de fluido dual es el reactor alimentado con sal y refrigerado con plomo.
La investigación sobre el reactor de propulsión nuclear (MRS) comenzó con el experimento US Aircraft Reactor Experiment (ARE) en apoyo del programa de propulsión nuclear de aeronaves de EE. UU . El ARE era un experimento de reactor nuclear de 2,5 MW diseñado para alcanzar una alta densidad de energía para su uso como motor en un bombardero de propulsión nuclear.
El proyecto incluyó experimentos, entre ellos pruebas de alta temperatura y de motor, denominados colectivamente Experimentos del Reactor de Transferencia de Calor: HTRE-1, HTRE-2 y HTRE-3 en la Estación Nacional de Pruebas de Reactores (ahora Laboratorio Nacional de Idaho ), así como un reactor experimental de sal fundida de alta temperatura en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge: el ARE.
Se utilizó sal de fluoruro fundida NaF/ZrF 4 /UF 4 (53-41-6 mol % ) como combustible, moderada por óxido de berilio (BeO). El sodio líquido fue un refrigerante secundario.
El experimento tuvo una temperatura máxima de 860 °C y produjo 100 MWh durante nueve días en 1954. En este experimento se utilizó la aleación Inconel 600 para la estructura metálica y las tuberías. [9]
En 1957, en las instalaciones de experimentos críticos del Laboratorio Nacional de Oak Ridge se puso en funcionamiento un reactor de combustible circulante (MSR). Formaba parte del programa de reactores de combustible circulante de la Pratt & Whitney Aircraft Company (PWAC). Se lo denominó Pratt and Whitney Aircraft Reactor-1 (PWAR-1). El experimento se llevó a cabo durante unas semanas y prácticamente a potencia cero, aunque alcanzó la criticidad. La temperatura de funcionamiento se mantuvo constante en aproximadamente 675 °C (1250 °F). El PWAR-1 utilizaba NaF/ZrF 4 /UF 4 como combustible y refrigerante principal. Fue uno de los tres MSR críticos jamás construidos. [34]
El Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) tomó la iniciativa en la investigación de los reactores de reacción en cadena de la polimerasa (MSR) durante la década de 1960. Gran parte de su trabajo culminó con el experimento del reactor de sales fundidas (MSRE). El MSRE era un reactor de prueba de 7,4 MW que simulaba el "núcleo" neutrónico de un tipo de reactor reproductor de sales fundidas de torio epitermal llamado reactor de fluoruro de torio líquido (LFTR). La gran (y costosa) capa reproductora de sales de torio se omitió en favor de las mediciones de neutrones.
Las tuberías, el tanque central y los componentes estructurales del MSRE estaban hechos de Hastelloy -N, moderado por grafito pirolítico . Entró en estado crítico en 1965 y funcionó durante cuatro años. Su combustible era LiF/BeF2 / ZrF4 / UF4 ( 65-29-5-1) mol% y el núcleo de grafito lo moderaba. Su refrigerante secundario era FLiBe ( 2LiF·BeF2 ) . Alcanzaba temperaturas de hasta 650 °C (1202 °F) y lograba el equivalente a aproximadamente 1,5 años de funcionamiento a plena potencia.
De 1970 a 1976, ORNL investigó durante el período 1970-1976 un diseño de reactor reproductor de sales fundidas (MSBR). El combustible debía ser LiF/BeF 2 /ThF 4 /UF 4 (72-16-12-0,4) mol% con moderador de grafito. El refrigerante secundario debía ser NaF/Na[BF 4 ] . Su temperatura máxima de funcionamiento debía ser de 705 °C (1301 °F). [8] Seguiría un programa de reemplazo de 4 años. El programa MSR cerró a principios de la década de 1970 a favor del reactor reproductor rápido de metal líquido (LMFBR), [36] después de lo cual la investigación se estancó en los Estados Unidos. [37] [38] [39] A partir de 2011 , ARE y MSRE siguieron siendo los únicos reactores de sales fundidas que alguna vez estuvieron en funcionamiento.[actualizar]
El proyecto MSBR recibió financiación desde 1968 a 1976 por (en dólares de 2023 [40] ) 77,6 millones de dólares. [41]
Oficialmente, el programa fue cancelado porque:
El reactor de sal fundida desnaturalizada (DMSR) fue un diseño teórico de Oak Ridge que nunca se construyó.
Engel et al. 1980 dijeron que el proyecto "examina[ la viabilidad conceptual de un reactor de potencia de sal fundida alimentado con uranio-235 desnaturalizado (es decir, con uranio poco enriquecido) y operado con un mínimo de procesamiento químico". La principal prioridad de diseño fue la resistencia a la proliferación. [10] Aunque teóricamente el DMSR puede ser alimentado parcialmente con torio o plutonio, el abastecimiento únicamente con uranio poco enriquecido (LEU) ayuda a maximizar la resistencia a la proliferación.
Otros objetivos del DMSR eran minimizar la investigación y el desarrollo y maximizar la viabilidad. El Foro Internacional de la Generación IV (GIF) incluye el "procesamiento de sal" como una brecha tecnológica para los reactores de sal fundida. [7] El diseño del DMSR teóricamente requiere un procesamiento químico mínimo porque es un quemador en lugar de un reactor reproductor. [ cita requerida ]
El Atomic Energy Research Establishment (AERE) del Reino Unido estaba desarrollando un diseño alternativo de MSR en sus laboratorios nacionales de Harwell , Culham , Risley y Winfrith . AERE optó por centrarse en un concepto de reactor rápido de sales fundidas (MSFR) de 2,5 GWe refrigerado por plomo que utiliza un cloruro . [42] También investigaron el gas helio como refrigerante. [43] [44]
El MSFR del Reino Unido habría sido alimentado con plutonio , un combustible considerado "gratuito" por los científicos investigadores del programa, debido a las reservas de plutonio del Reino Unido.
A pesar de sus diferentes diseños, ORNL y AERE mantuvieron contacto durante este período con intercambio de información y visitas de expertos. El trabajo teórico sobre el concepto se llevó a cabo entre 1964 y 1966, mientras que el trabajo experimental continuó entre 1968 y 1973. El programa recibió una financiación anual del gobierno de alrededor de £100.000-£200.000 (equivalente a £2m-£3m en 2005). Esta financiación finalizó en 1974, en parte debido al éxito del Prototipo de Reactor Rápido en Dounreay , que se consideró una prioridad para la financiación, ya que alcanzó su etapa crítica en el mismo año. [42]
En la URSS, en la segunda mitad de los años 70, se inició un programa de investigación de reactores de sales fundidas en el Instituto Kurchatov . Incluía estudios teóricos y experimentales, en particular la investigación de las propiedades mecánicas, de corrosión y de radiación de los materiales que contenían las sales fundidas. Los principales hallazgos respaldaron la conclusión de que no existían obstáculos físicos ni tecnológicos que impidieran la implementación práctica de los reactores de sales fundidas. [45] [46] [47]
El interés por la energía de fusión por gravedad se reanudó en el nuevo milenio debido a los continuos retrasos en los programas de energía de fusión y otros programas de energía nuclear y a la creciente demanda de fuentes de energía que generaran emisiones mínimas de gases de efecto invernadero (GEI). [37] [48]
Terrestrial Energy , una empresa con sede en Canadá, está desarrollando un diseño DMSR llamado Reactor Integral de Sal Fundida (IMSR). El IMSR está diseñado para ser desplegado como un pequeño reactor modular (SMR). Su diseño, actualmente en proceso de licencia, es de 400 MW térmicos (190 MW eléctricos). Con altas temperaturas de funcionamiento, el IMSR tiene aplicaciones en los mercados de calor industrial, así como en los mercados de energía tradicionales. Las principales características del diseño incluyen moderación de neutrones a partir de grafito, alimentación con uranio poco enriquecido y una unidad central compacta y reemplazable. El calor de desintegración se elimina pasivamente utilizando nitrógeno (con aire como alternativa de emergencia). Esta última característica permite la simplicidad operativa necesaria para el despliegue industrial. [49]
En 2017 , Terrestrial completó la primera fase de una revisión previa a la concesión de licencias por parte de la Comisión Canadiense de Seguridad Nuclear , que proporcionó una opinión reglamentaria de que las características de diseño son, en general, lo suficientemente seguras como para obtener eventualmente una licencia para construir el reactor. [50] [51]
Moltex Energy Canada, una subsidiaria de Moltex Energy Ltd con sede en el Reino Unido, ha obtenido apoyo de New Brunswick Power para el desarrollo de una planta piloto en Point Lepreau, Canadá, [52] y respaldo financiero de IDOM (una empresa de ingeniería internacional) [53] y actualmente está participando en el proceso de revisión de diseño del proveedor canadiense. [54] La planta empleará la versión de combustión de residuos del diseño de reactor de sal estable de la empresa .
China inició un proyecto de investigación de torio en enero de 2011, y gastó alrededor de 3 mil millones de yuanes (US$500 millones) en él hasta 2021. [29] [2] Se planeó que un demostrador de 100 MW de la versión de combustible sólido (TMSR-SF), basado en tecnología de lecho de guijarros , estuviera listo para 2024. Un piloto de 10 MW y un demostrador más grande de la variante de combustible líquido (TMSR-LF) estaban previstos para 2024 y 2035, respectivamente. [55] [56] Luego, China aceleró su programa para construir dos reactores subterráneos de 12 MW en las instalaciones de investigación de Wuwei para 2020, [57] comenzando con el prototipo TMSR-LF1 de 2 megavatios . [58] El proyecto buscaba probar nuevos materiales resistentes a la corrosión. [57] En 2017, ANSTO /Instituto de Física Aplicada de Shanghai anunció la creación de una aleación de NiMo-SiC para su uso en MSR. [59] [60]
En 2021, China declaró que el prototipo Wuwei podría comenzar a generar energía a partir de torio en septiembre [61] , y que un prototipo proporcionaría energía a alrededor de 1000 hogares [62] . Se trata del primer reactor nuclear de sales fundidas del mundo después del proyecto Oak Ridge. Se esperaba que el sucesor de 100 MW tuviera 3 metros de alto y 2,5 metros de ancho [63] , capaz de proporcionar energía a 100 000 hogares [64] .
Se anunció que se seguirían realizando trabajos en reactores comerciales con una fecha de finalización prevista para 2030. [65] El gobierno chino planea construir reactores similares en desiertos y llanuras del oeste de China, así como hasta 30 en países que participan en la iniciativa " Belt and Road " de China. [64]
En 2022, el Instituto de Física Aplicada de Shanghái (SINAP) recibió la aprobación del Ministerio de Ecología y Medio Ambiente para poner en funcionamiento un MSR experimental alimentado con torio. [66]
Copenhagen Atomics es una empresa danesa de tecnología de sales fundidas que desarrolla reactores de sales fundidas que se pueden fabricar en masa. El quemador de residuos de Copenhagen Atomics es un reactor de sales fundidas de un solo fluido, moderado por agua pesada, basado en fluoruro, con espectro térmico y controlado de forma autónoma. Está diseñado para caber dentro de un contenedor de envío de acero inoxidable de 40 pies hermético. El moderador de agua pesada está aislado térmicamente de la sal y se drena y enfría continuamente a menos de 50 °C (122 °F). Un deuteróxido de litio-7 fundido (7
También se está investigando la versión moderadora de LiOD . El reactor utiliza el ciclo del combustible de torio utilizando plutonio separado del combustible nuclear gastado como carga fisible inicial para la primera generación de reactores, que eventualmente pasará a ser un reactor reproductor de torio. [67] Copenhagen Atomics está desarrollando y probando activamente válvulas, bombas, intercambiadores de calor, sistemas de medición, sistemas de química y purificación de sales, y sistemas de control y software para aplicaciones de sales fundidas. [68]
Seaborg Technologies está desarrollando el núcleo de un reactor compacto de sales fundidas (CMSR). El CMSR es un MSR térmico de una sola sal y alta temperatura diseñado para funcionar de forma crítica con uranio poco enriquecido disponible comercialmente . El diseño del CMSR es modular y utiliza un moderador patentado de NaOH. [37] [69] Se estima que el núcleo del reactor se reemplazará cada 12 años. Durante el funcionamiento, el combustible no se reemplazará y se quemará durante toda la vida útil del reactor de 12 años. Se planea que la primera versión del núcleo de Seaborg produzca 250 MW de energía th y 100 MW de energía e . Como planta de energía, el CMSR podrá suministrar electricidad, agua limpia y calefacción/refrigeración a alrededor de 200.000 hogares. [70]
El proyecto EVOL (Evaluación y viabilidad del sistema de reactor rápido de combustible líquido) del CNRS , cuyo objetivo es proponer un diseño de reactor rápido de sales fundidas (MSFR), [71] publicó su informe final en 2014. [72] Varios proyectos de MSR como FHR, MOSART, MSFR y TMSR tienen temas de investigación y desarrollo comunes. [73]
El proyecto EVOL será continuado por el proyecto de Evaluación de Seguridad del Reactor Rápido de Sales Fundidas (SAMOFAR), financiado por la UE, en el que colaboran varios institutos de investigación y universidades europeas. [74]
El Instituto Alemán de Física Nuclear del Estado Sólido de Berlín ha propuesto el reactor de fluido dual como concepto para un reactor de reacción en cadena de la polimerasa (MSR) refrigerado por plomo con reactor de reacción en cadena de la polimerasa de rápido crecimiento. El concepto original de MSR utilizaba la sal fluida para proporcionar los materiales de fisión y también para eliminar el calor, por lo que tenía problemas con la velocidad de flujo necesaria. Se cree que el uso de dos fluidos diferentes en círculos separados resolvería el problema. [ cita requerida ]
En 2015, investigadores indios publicaron un diseño de MSR, [75] como una vía alternativa a los reactores basados en torio, de acuerdo con el programa de energía nuclear de tres etapas de la India . [76]
Thorcon está desarrollando el reactor de sal fundida TMSR-500 para el mercado indonesio. [77] La Agencia Nacional de Investigación e Innovación , a través de su Organización de Investigación para la Energía Nuclear, anunció su renovación del interés en la investigación del reactor MSR el 29 de marzo de 2022 y planeó estudiar y desarrollar MSR para reactores nucleares alimentados con torio . [78] [79]
El reactor de sales fundidas Fuji es un reactor de 100 a 200 MW que utiliza una tecnología similar a la del proyecto Oak Ridge. Un consorcio que incluye miembros de Japón, Estados Unidos y Rusia está desarrollando el proyecto. El proyecto probablemente tardaría 20 años en desarrollarse como un reactor de tamaño completo, [80] pero parece que el proyecto carece de financiación. [30]
En 2020, Rosatom anunció planes para construir un quemador MSR FLiBe de 10 MW . Se alimentaría con plutonio procedente del combustible nuclear gastado VVER reprocesado y fluoruros de actínidos menores . Se espera que se lance en 2031 en Mining and Chemical Combine . [81] [82]
La Fundación Alvin Weinberg es una organización británica sin fines de lucro fundada en 2011, dedicada a generar conciencia sobre el potencial de la energía del torio y el LFTR. Se lanzó formalmente en la Cámara de los Lores el 8 de septiembre de 2011. [83] [84] [85] Lleva el nombre del físico nuclear estadounidense Alvin M. Weinberg , quien fue pionero en la investigación de MSR con torio.
El diseño del reactor de sal estable de Moltex Energy fue seleccionado como el más adecuado de los seis diseños de MSR para su implementación en el Reino Unido en un estudio de 2015 encargado por la agencia de innovación del Reino Unido, Innovate UK . [86] El apoyo del gobierno del Reino Unido ha sido débil, [87] pero la rama británica de la empresa, MoltexFLEX , lanzó su pequeño diseño modular FLEX en octubre de 2022. [88]
El Laboratorio Nacional de Idaho diseñó [ ¿cuándo? ] un reactor enfriado con sal fundida y alimentado con sal fundida con una producción potencial de 1000 MW e . [89]
Kirk Sorensen, ex científico de la NASA y tecnólogo nuclear jefe de Teledyne Brown Engineering , es un promotor desde hace mucho tiempo del ciclo del combustible de torio , acuñando el término reactor de torio con fluoruro líquido . En 2011, Sorensen fundó Flibe Energy, [37] una empresa destinada a desarrollar diseños de reactores LFTR de 20 a 50 MW para alimentar bases militares. (Es más fácil aprobar nuevos diseños militares que diseños de centrales eléctricas civiles en el entorno regulatorio nuclear de los EE. UU.). [31] [90] [91] [92]
Transatomic Power desarrolló lo que denominó un reactor de sal fundida aniquilador de residuos (WAMSR), destinado a consumir combustible nuclear gastado existente , [93] desde 2011 hasta cesar sus operaciones en 2018 y hacer pública su investigación. [94] [95]
En enero de 2016, el Departamento de Energía de los Estados Unidos anunció un fondo de adjudicación de 80 millones de dólares para desarrollar diseños de reactores de Generación IV . [96] Uno de los dos beneficiarios, Southern Company , utilizará la financiación para desarrollar un reactor rápido de cloruro fundido (MCFR), un tipo de MSR desarrollado anteriormente por científicos británicos. [42] [37]
En 2021, la Autoridad del Valle de Tennessee (TVA) y Kairos Power anunciaron que se construiría un reactor de prueba de 140 MWe refrigerado por sales de fluoruro de baja presión y alimentado con TRISO en Oak Ridge, Tennessee. La Comisión Reguladora Nuclear de Estados Unidos (NCR) emitió un permiso de construcción para el proyecto en 2023. Se espera que el diseño funcione con una eficiencia del 45%. La temperatura de salida es de 650 °C (1202 °F). La presión del vapor principal es de 19 MPa. La estructura del reactor es de acero inoxidable 316. El combustible está enriquecido al 19,75%. La refrigeración por pérdida de potencia es pasiva. [97] En febrero de 2024, el DOE y Kairos Power firmaron un Acuerdo de Inversión en Tecnología de 303 millones de dólares para respaldar el diseño, la construcción y la puesta en servicio del reactor. La empresa recibirá pagos fijos al completar los hitos del proyecto. [98]
También en 2021, Southern Company, en colaboración con TerraPower y el Departamento de Energía de EE. UU., anunció planes para construir el Experimento del Reactor de Cloruro Fundido, el primer reactor de sal de espectro rápido en el Laboratorio Nacional de Idaho. [99]
La Universidad Cristiana de Abilene (ACU) ha solicitado a la NRC una licencia de construcción para un reactor de investigación de sales fundidas (MSRR) de 1 MWt, que se construirá en su campus de Abilene, Texas, como parte del laboratorio de Pruebas experimentales de energía nuclear (NEXT). La ACU prevé que el MSRR alcance su criticidad en diciembre de 2025. [100]
Los reactores de sales fundidas se consideran relativamente seguros porque el combustible ya está disuelto en el líquido y funcionan a presiones más bajas que los reactores nucleares convencionales, lo que reduce el riesgo de fusiones explosivas.
La mezcla de gases de He, Xe y Kr fluye luego desde el tanque a través de dos tanques de retención y una línea de retardo de carbón en la celda del intercambiador de calor secundario. El flujo de gas continúa hacia un sistema de procesamiento de gas criogénico para separar los gases, almacenar el Xe estable y el Kr-85 radiactivo en botellas de gas y devolver el He para su reutilización como gas de barrido.
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