El descubrimiento de la fisión nuclear en la década de 1930 supuso la primera amenaza de destrucción nuclear a través de las armas nucleares en la década de 1940, seguida de la promesa de energía limpia y abundante en la década de 1950 gracias al advenimiento de las centrales nucleares. Tuvieron que reemplazar otras plantas de energía térmica con una que no produce gases de escape, no emite cenizas, y solo requiere reabastecimiento periódico con uranio y otro combustible nuclear, que se puede encontrar en casi todas partes.
Equipo que demostró por primera vez la posibilidad de fisión atómica experimental en 1938Los nuevos reactores nucleares aparecieron con mayor velocidad en las décadas de 1950 y 1960, lo que generó preocupaciones sobre una posible escasez de combustible de uranio, lo que llevó a un aumento en el número de estudios en el campo de los llamados Los "reactores de neutrones rápidos", que en su modificación
de los reactores reproductores pueden usar combustible de uranio de manera mucho más eficiente. Utilizan neutrones para convertir ("multiplicar") uranio-238 en plutonio-239, que luego se puede mezclar con combustible de uranio y crear
combustible MOX para reactores de neutrones lentos, como resultado de lo cual en un solo ciclo es posible usar no 1%, pero hasta 60% de energía de uranio.
El auge del descubrimiento de uranio en la década de 1970 detuvo la investigación en esta área, sin embargo, por ejemplo, Francia ha trabajado constantemente en sus proyectos Rapsodie, Phénix y SuperPhénix, y recientemente abandonó la demostración de tecnología ASTRID de cuarta generación después de intentarlo durante muchos años. tráelo hasta el final.
Sin embargo, este no es el final de los reactores rápidos. En este artículo, analizaremos los milagros de ingeniería y los diferentes tipos de reactores rápidos que usan o desarrollan países como Rusia, China e India.
¿Qué es "rápido" en reactores rápidos
Los reactores rápidos están hechos por la velocidad de los neutrones en el proceso de fisión nuclear. Si en
los reactores de agua ligera se usa agua corriente para ralentizar los neutrones, entonces no es así en los reactores reproductores rápidos (BRR). Los neutrones emitidos por el uranio-235 y otros isótopos durante una reacción en cadena se mueven a velocidades significativas. Curiosamente, la velocidad del neutrón determina la probabilidad de que interactúe con un núcleo específico.
Producción de actínidos transuránicos en reactores de neutrones térmicos.Para clasificar los nucleidos,
se utiliza una propiedad como la
sección transversal de neutrones . Cuando un núcleo absorbe un neutrón y lo salva o se descompone, dicen que cayó en la sección transversal del neutrón. Los nucleidos fisibles tienen una sección transversal de neutrones de fisión. Otros nucleidos simplemente dispersan neutrones: tienen una sección transversal de neutrones dispersos. Los nucleidos con grandes secciones transversales de neutrones absorbentes se denominan "veneno de neutrones", porque simplemente absorben los neutrones sin descomponerse y, de hecho, privan la reacción nuclear de los neutrones.
Un nucleido del tipo uranio-238 es interesante en la proporción porcentual distinta de cero de cada una de estas categorías de sección transversal de neutrones, lo que explica en parte por qué es tan poco adecuado como combustible para reactores de agua ligera. Esto es completamente diferente en el caso del uranio 235: tiene una gran sección transversal de neutrones de fisión, pero solo a velocidades de neutrones mucho más bajas que las que poseen los neutrones liberados durante una reacción nuclear. Esto significa que los neutrones en los reactores de agua ligera se deben reducir (a velocidades de "temperatura") para mantener el proceso de descomposición.
Y aquí, entre las barras de combustible, hay agua, y los neutrones vuelan por todas partes aquí y allá después de comenzar el proceso de descomposición con la ayuda de una fuente de neutrones. Estos neutrones rápidos colisionan fácilmente con los átomos de hidrógeno en una molécula de agua, pierden energía cinética y disminuyen la velocidad. Como resultado, vuelan a otra (o la misma) barra de combustible y dividen con éxito otro nucleido de uranio-235.
Además, esta propiedad inhibitoria del agua funciona como una medida de seguridad. A medida que aumenta la temperatura en el núcleo, el agua hierve y se convierte en gas, por lo que habrá menos moléculas de agua en la unidad de volumen, la desaceleración de neutrones se detendrá y la velocidad de la reacción en cadena nuclear disminuirá. Este
coeficiente de reactividad al vapor negativo
es omnipresente en los reactores modernos, con la excepción del famoso modelo
RBMK y
los reactores canadienses de
agua pesada CANDU .
Cultivamos plutonio para entretenimiento y ganancias
Anillo de plutonio prácticamente puroComo se mencionó anteriormente, el uranio-238 tiene características bastante extrañas de las secciones transversales de neutrones. Absorbe y dispersa los neutrones, y a veces produce fisión del núcleo, y la primera acción ocurre con mucha más frecuencia. Después de atrapar un neutrón, el nucleido de uranio-238 se convierte (transmuta) en plutonio-239 (y algunos nucleidos de plutonio-239 se convierten en plutonio-240). Este proceso también se lleva a cabo en un reactor de agua ligera, pero allí está ocurriendo intencionalmente: el plutonio se produce de esta manera en BRR.
No hay moderador de neutrones en BRR, ya que necesita neutrones rápidos que conviertan la mayor cantidad posible de uranio-238 en plutonio-239. En BDS, el núcleo enriquecido de uranio-235 está cubierto por una carcasa que consiste principalmente en uranio-238, que se convierte lentamente en plutonio-239 y plutonio-240, que luego se utilizan como combustible MOX. Resulta que el esquema de operación de BRR es relativamente simple y utiliza un circuito de enfriamiento o una piscina. Como refrigeradores, generalmente se usa refrigerante a base de sodio o metal líquido, ya que atrapan débilmente los neutrones, pero transfieren perfectamente el calor.
Los BRR franceses se utilizaron tanto para generar electricidad como las centrales térmicas convencionales, como para producir plutonio, que es necesario para crear combustible MOX, que luego puede usarse en reactores de agua ligera. La razón principal para organizar este proceso fue el deseo de independencia energética, ya que Francia no tiene reservas significativas de uranio. Y tal proceso permitiría obtener hasta 60 veces más energía del uranio importado, lo que significa que cada kilogramo duraría 60 veces más.
Reactor Breeder Experimental II (EBR II)Otros intentos de crear reactores de neutrones rápidos incluyen el reactor integrado rápido en los Estados Unidos y el
Monju japonés (seguido por el reactor de neutrones rápido refrigerado por sodio Zoyo). Un efecto secundario agradable de la reproducción del combustible de uranio es ahorrar la cantidad de combustible gastado al final del ciclo de combustible abierto, ya que el uranio-238 originalmente presente se quema en plutonio-239 en un reactor de agua ligera. El combustible gastado puede pasar nuevamente a través del reactor de neutrones rápido, donde se quemarán los "desechos" de los isótopos que no pueden ser utilizados por el reactor de agua ligera, y se creará combustible adicional para el reactor de agua ligera.
Desafortunadamente, los RBD son más caros que los de agua ligera, y los problemas con el enfriamiento de sodio (principalmente la necesidad de evitar el contacto con el agua) han llevado al hecho de que, desde la caída de los precios del uranio en la década de 1970, generalmente es más económico crear combustible nuevo a partir de mineral de uranio, y Almacene o deseche el combustible usado después de un ciclo de combustible abierto en un reactor de agua ligera.
A pesar de que el reactor de agua ligera también multiplica un poco el combustible, convirtiendo uranio-238 en plutonio, su combustible gastado todavía contiene
aproximadamente el 96% del uranio inicial, aproximadamente el 3% de los isótopos de "desechos" y aproximadamente el 1% de los isótopos de plutonio.
Quema, bebé, quema
Aunque la mayoría de los reactores de neutrones rápidos se utilizan para multiplicar el combustible de los reactores de agua ligera, otro tipo está diseñado para el uso local de todo el combustible. Dicho reactor se llama reactor de neutrones rápido (RBN), y la configuración de su núcleo es diferente de la configuración del BRR, pero no tiene diferencias fundamentales. Teóricamente, cualquier RBN puede usarse para reproducir y quemar combustible.
Diagrama esquemático de un reactor de neutrones rápido refrigerado por sodioPara cambiar el esquema de RBD a RBN, debe quitar el recubrimiento de uranio-238 e instalar
reflectores de neutrones de acero inoxidable (o algo similar). En el reactor resultante, los neutrones liberados permanecen dentro del núcleo y pueden interactuar con los nucleidos, continuando el proceso de fisión.
Como resultado, los RBN pueden descomponerse y convertir los nucleidos en el combustible hasta que no quede una cantidad significativa de actínidos (incluidos el uranio y el plutonio). Este proceso se puede combinar con la regeneración de combustible pirometalúrgico, que permite reprocesar el combustible gastado en un reactor de agua ligera para su uso en el RBF, que esencialmente cierra el ciclo del combustible nuclear.
Resistencia francesa
No solo la economía jugó un papel importante en detener el desarrollo de RBN en Occidente. El RBN atrajo la atención de terroristas y políticos. Un ejemplo del trabajo de la primera es el ataque con cohetes contra la central nuclear de Superphoenix, llevado a cabo el 18 de enero de 1982 por el terrorista ambiental Chaim Nissim. Disparó a las centrales nucleares desde el lanzagranadas antitanque de mano soviético RPG-7, creyendo que el RBN "podría explotar con todos sus neutrones rápidos". La planta de energía nuclear fue un proyecto conjunto de Francia, Italia y Alemania, y originalmente se planeó construir las plantas de energía nuclear de este proyecto tanto en Francia como en Alemania.
Edificio Reactor SuperphoenixDesde el principio, Superfenix enfrentó una fuerte resistencia política de los grupos antinucleares, y el prototipo del reactor se cerró en 1998, cuando el gobierno francés estaba liderado por ministros verdes. La única razón anunciada para el cierre fue que el proyecto resultó insostenible debido a su "costo excesivo", ya que desde 1976 se gastaron 9,1 mil millones de euros desde 1976, es decir, alrededor de 430 millones de euros por año. Y esto a pesar del hecho de que en 1996 se resolvieron los problemas con el circuito de sodio, y el reactor realmente ganó dinero al suministrar electricidad durante la mayor parte de su existencia.
Desarrollos actuales
La situación en los Estados Unidos, Francia y otros países occidentales es muy diferente de lo que estaba sucediendo en la URSS, China e India. Desde 1973, el
BN-350 , ubicado a orillas del mar Caspio (ahora este es el territorio de Kazajstán), proporcionó a la ciudad cercana de Aktau 135 MW de electricidad y agua desalinizada. Fue cerrado solo en 1994, ya que la compañía administradora se quedó sin fondos para la compra de combustible. En 1999, después de 26 años de operación, estaba completamente cerrado.
La serie
BN-600 fue continuada por el reactor
BN-600 construido en la central nuclear de Beloyarsk en la región de Sverdlovsk, cerca de la ciudad de Zarechny en Rusia. Utiliza una piscina refrigerada por sodio y ha estado operando desde 1980, suministrando 600 MW a la red local. A pesar de varios problemas menores, principalmente relacionados con la fuga de sodio, su historial de trabajo no tuvo problemas, a pesar de que fue el segundo prototipo de esta serie [desde el momento en que el reactor Phoenix se cerró en Francia en 2009 hasta mediados de 2014 (lanzamiento BN-800) BN-600 fue el único reactor de energía de neutrones rápido activo en el mundo / aprox. transl.].
BN-800 en BeloyarskEl reactor
BN-800 , construido en el mismo lugar en Beloyarsk, es el prototipo final de la serie BN y proporciona un 85% de ahorro de servicio en comparación con el reactor de agua ligera
VVER-1200 . El diseñado
BN-1200 será el primer RBN de producción en masa. Los reactores experimentales chinos CEFR FNR y CFR-600 se basan en la tecnología del reactor ruso BN. Rusia también está trabajando en BRN con enfriamiento de plomo
BREST .
India descubrió una gran cantidad de torio-232, lo que condujo a la creación de un ambicioso programa para desarrollar paralelos a base de torio a reactores de uranio. El programa de torio consta de tres etapas. Primero producen plutonio a partir de uranio utilizando reactores de agua ligera. El RBN luego crea uranio-233 a partir de torio-232, quemando plutonio. Finalmente,
los reactores avanzados de agua pesada tendrán que usar el torio resultante como combustible, y el uranio 233 y el plutonio como combustible auxiliar.
También se están desarrollando otros RBN de generación IV, por ejemplo, un
reactor rápido refrigerado por gas (HBR) con helio.
Cerrar el ciclo de combustible
Como se mencionó anteriormente, los RBN son capaces de utilizar todo el combustible gastado de hoy (que a menudo se denomina "desecho nuclear"). Junto con la regeneración de combustible pirometalúrgico, esto permitirá que los reactores de fisión nuclear trabajen con prácticamente cero desperdicio, utilizando todo el combustible de uranio, actínidos secundarios, etc. Este proceso es el objetivo principal del programa nuclear ruso, y también se tiene en cuenta en los programas nucleares de China, Japón y Corea del Sur.
Paralelamente a los proyectos en los Estados Unidos (principalmente en el
Laboratorio Nacional Argonne y su proyecto para un reactor rápido integrado con regeneración de combustible pirometalúrgico), el Instituto Coreano de Investigación de Energía Atómica en Corea del Sur está trabajando activamente para cerrar el ciclo del combustible. El objetivo es separar el combustible gastado de todo lo que todavía es adecuado como combustible, es decir, de lo que permanece radiactivo. Desafortunadamente, por razones políticas, Rusia prácticamente no trabaja conjuntamente en estos proyectos con otros países, con la excepción de China, y Corea del Sur no coopera con nadie más que Japón y China.
Pero, a pesar de esto, los esfuerzos continúan creando RBN de generación IV y lo convierten en el reactor preferido para las nuevas centrales nucleares: esto no solo permitirá el uso completo del combustible nuclear reprocesado y cerrará el ciclo del combustible, sino que también aumentará la cantidad de energía que podemos extraer del uranio (y, posiblemente torio) muchas veces. Esto nos permitirá a ambos aumentar incluso las estimaciones más pesimistas de los términos que podemos mantener sobre el uranio existente de cientos de años a unos pocos miles cómodos, y no dejar residuos en forma de combustible de uranio.