Un reactor subcrítico es un concepto de reactor de fisión nuclear que produce fisión sin alcanzar la criticidad . En lugar de mantener 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 .
Un reactor subcrítico puede utilizarse para destruir los isótopos pesados contenidos en el combustible usado de un reactor nuclear convencional, al mismo tiempo que se produce electricidad. Los elementos transuránicos de larga vida de los residuos nucleares pueden, en principio, fisionarse , liberando energía en el proceso y dejando atrás los productos de fisión que tienen una vida más corta. Esto acortaría considerablemente el tiempo de eliminación de los residuos radiactivos . Sin embargo, algunos isótopos tienen secciones transversales de fisión umbral 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 la fisión. Además, liberan en promedio muy pocos neutrones nuevos por fisión, por lo que con un combustible que contiene una alta fracción de ellos, no se puede alcanzar la criticidad. El reactor impulsado por acelerador es independiente de este parámetro y, por lo tanto, puede utilizar estos nucleidos. Los tres isótopos radiactivos de largo plazo más importantes que podrían manejarse de manera ventajosa de esa manera son el neptunio-237 , el americio-241 y el americio-243 . El plutonio-239, un material para armas nucleares , también es adecuado, aunque puede utilizarse de manera más económica como combustible MOX o dentro de los reactores rápidos existentes .
Además de la incineración de residuos nucleares, este tipo de reactores despierta interés porque se perciben como inherentemente seguros , a diferencia de los reactores convencionales. En la mayoría de los tipos de reactores críticos, existen circunstancias en las que la tasa de fisión puede aumentar rápidamente, dañando o destruyendo el reactor y permitiendo el escape de material radiactivo (véase SL-1 o desastre de Chernóbil ). Con un reactor subcrítico, la reacción cesará a menos que se le suministren neutrones continuamente desde una fuente externa. Sin embargo, el problema de la generación de calor incluso después de terminar la reacción en cadena persiste, de modo que el enfriamiento continuo de un reactor de este tipo durante un período considerable después del apagado sigue siendo vital para evitar el sobrecalentamiento. Sin embargo, incluso el problema del calor de desintegración se puede minimizar, ya que un reactor subcrítico no necesita reunir una masa crítica de material fisionable y, por lo tanto, se puede construir (casi) arbitrariamente pequeño y, por lo tanto, 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 parada .
Otro aspecto en el que un reactor subcrítico es diferente de un reactor nuclear "normal" (no importa si funciona con neutrones rápidos o térmicos) es que todas las centrales nucleares "normales" dependen de neutrones retardados para mantener condiciones de funcionamiento seguras. Dependiendo del nucleido fisionante, 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 se desintegran en beta seguidos de la emisión de neutrones. Esos neutrones retardados son esenciales para el control del reactor, ya que el tiempo entre las "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 potencia. Sin embargo, como sólo los neutrones retardados proporcionan suficientes neutrones para mantener la criticidad, los tiempos de reacción se vuelven varios órdenes de magnitud mayores 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 otro modo sería fisible no sea adecuado para el funcionamiento de una central nuclear "convencional". Por el contrario, un reactor subcrítico en realidad tiene propiedades ligeramente mejoradas con un combustible con fracciones bajas de neutrones retardados (ver más abajo). Resulta que, mientras235
El material fisible más utilizado actualmente tiene una fracción de neutrones retardados relativamente alta,239
El Pu tiene un contenido de plutonio mucho más bajo, lo que, además de otras propiedades físicas y químicas, limita el posible contenido de plutonio en el combustible de reactor "normal". Por esta razón, el combustible MOX gastado , que todavía contiene cantidades significativas de plutonio (incluido el plutonio fisionable),239
Pu y - cuando está "fresco" -241
Pu ) normalmente no se reprocesa debido al crecimiento interno de material no fisionable.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 , generalmente solo se recupera como subproducto y alcanza precios peores en el mercado del uranio 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 ubicada 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 preferiblemente ya con una cierta cantidad de material fisionable para no tener que funcionar a criticidad cero durante el arranque. De este modo, por cada protón que intersecta el objetivo de espalación, se libera un promedio de 20 neutrones que fisionan la parte fisionable circundante del combustible y transmutan átomos en la parte fértil, "generando" nuevo material fisionable. 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 ella. Un factor importante tanto en la eficiencia como en la seguridad es lo subcrítico que 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 de manera constante en ese caso debido a que cada vez se suministran más neutrones desde la fuente de neutrones. Si k(efectiva) está justo por debajo de 1, se deben suministrar 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(efectiva) = 0 (por ejemplo, si el reactor se utiliza solo para la transmutación), todos los neutrones se "consumen" y no se produce ninguno dentro del combustible. Sin embargo, como la neutrónica solo se puede conocer hasta cierto grado de precisión, el reactor debe permitir en la práctica un margen de seguridad por debajo de la criticidad que depende de lo bien que se conozca la neutrónica 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 balance de neutrones se puede regular o incluso apagar ajustando la potencia del acelerador de modo que el reactor esté por debajo de la criticidad . Los neutrones adicionales proporcionados por la fuente de neutrones por espalación proporcionan el mismo grado de control que los neutrones retardados en un reactor nuclear convencional , con la diferencia de que los neutrones impulsados por la fuente de neutrones por espalación se controlan fácilmente mediante 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 solo permanece el calor de desintegración.
Existen dificultades técnicas que superar antes de que el ADS pueda resultar económico y, en última instancia, integrarse en la gestión futura de los residuos nucleares. El acelerador debe proporcionar una alta intensidad y también ser muy fiable: cada parada del acelerador, además de provocar una parada de emergencia, someterá al sistema a un inmenso estrés térmico . Existen preocupaciones sobre la ventana que separa los protones del objetivo de espalación, que se espera que esté expuesto a estrés en condiciones extremas. Sin embargo, la 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 de trabajo bajo un haz de protones intenso de 0,78 MW. La separación química de los elementos transuránicos y la fabricación del combustible, así como los materiales de la estructura, son cuestiones importantes. Por último, 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 fuera del combustible. El cambio de la geometría del reactor puede reducir las fugas, pero nunca eliminarlas. 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 , ya que son el 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 numerosos 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, varios proyectos a gran escala están en marcha en Europa y Japón para seguir desarrollando la tecnología de reactores subcríticos. En 2012, los 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 como un medio para generar energía eléctrica y como un medio para la transmutación de residuos nucleares , por lo que la ganancia es doble. Sin embargo, se espera que los costos de construcción, seguridad y mantenimiento de instalaciones tan complejas sean muy altos, por no mencionar la cantidad de investigación necesaria para desarrollar un diseño práctico (véase más 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 ser favorecida por una mejor aceptación pública : se considera más aceptable quemar los residuos que enterrarlos durante cientos de miles de años. Para la gestión futura de los residuos, se podrían integrar algunos dispositivos de transmutación en un programa nuclear a gran escala, con lo que se espera que los costos generales aumenten solo ligeramente.
El principal reto 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 vida larga (ILW) de nivel intermedio que también requerirán una eliminación geológica profunda para ser gestionados de forma segura. Un aspecto más positivo es la reducción prevista del tamaño del repositorio, que se estimó en un orden de 4 a 6. Tanto los aspectos positivos como los negativos se examinaron en un estudio de referencia internacional [4] coordinado por Forschungszentrum Jülich y financiado por la Unión Europea .
Si bien el ADS se concibió 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 generación IV . [ cita requerida ]
Una de esas propuestas es la de un reactor rápido refrigerado por gas que se alimenta principalmente de 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, lo que disminuye la estabilidad. Sin embargo, la seguridad inherente de un ADS permitiría que el americio se quemara de forma segura. Estos materiales también tienen una buena economía de neutrones, lo que permite que la relación paso-diámetro sea grande, lo que permite una mejor circulación natural y una mayor economía.
También se están desarrollando métodos subcríticos para su uso en la eliminación de residuos nucleares que no dependen de fuentes de neutrones. [5] Estos incluyen sistemas que dependen del mecanismo de captura de muones , en el que los muones (μ − ) producidos por una fuente impulsada por un acelerador compacto transmutan isótopos radiactivos de larga duración en isótopos estables. [6]
En general, el término "reactor subcrítico" se reserva para los sistemas artificiales, pero también existen sistemas naturales: cualquier fuente natural de material fisionable expuesta a rayos cósmicos y gamma (incluso del sol) podría considerarse un reactor subcrítico. Esto incluye los satélites lanzados al espacio con generadores termoeléctricos de radioisótopos, así como cualquier depósito expuesto de ese tipo.