Reactor acuoso homogéneo

Los reactores acuosos homogéneos (AHR) son reactores de dos (2) cámaras que consisten en una cámara de reactor interior y una cámara exterior de enfriamiento y moderación. Son un tipo de reactor nuclear en el que las sales nucleares solubles (generalmente sulfato de uranio o nitrato de uranio ) se disuelven en agua. El combustible se mezcla con agua pesada o ligera que modera y enfría parcialmente el reactor. La capa exterior del reactor tiene más agua que también enfría parcialmente y actúa como moderador . El agua puede ser agua pesada o agua ordinaria (ligera) , que ralentiza los neutrones y ayuda a facilitar una reacción estable, ambas deben ser muy puras.

Sus características de autocontrol y su capacidad para manejar grandes aumentos de reactividad los hacen únicos entre los reactores y posiblemente los más seguros. En Santa Susana , California , Atomics International realizó una serie de pruebas denominadas Experimentos de energía cinética. A fines de la década de 1940, se cargaron barras de control en resortes y luego se lanzaron fuera del reactor en milisegundos. La potencia del reactor se disparó de ~100 vatios a más de ~1,000,000 vatios sin que se observaran problemas.

Los reactores acuosos homogéneos a veces se denominaban "calderas de agua" (no deben confundirse con los reactores de agua hirviente ), ya que el agua en su interior parece hervir, aunque el burbujeo se debe en realidad a la producción de hidrógeno y oxígeno a medida que las partículas de radiación y fisión disocian el agua en sus gases constituyentes, un proceso llamado radiólisis . Los AHR se utilizaron ampliamente como reactores de investigación, ya que son autocontrolados, tienen flujos de neutrones muy altos y eran fáciles de manejar. En abril de 2006, solo cinco AHR estaban en funcionamiento según la base de datos de reactores de investigación. ^[1]

Los problemas de corrosión asociados con las soluciones a base de sulfato limitaron su aplicación como generadores de combustibles de uranio-233 a partir del torio . Los diseños actuales utilizan soluciones a base de ácido nítrico (por ejemplo, nitrato de uranilo ), lo que elimina la mayoría de estos problemas en los aceros inoxidables.

Los estudios iniciales de los reactores homogéneos se llevaron a cabo hacia el final de la Segunda Guerra Mundial . A los químicos les dolía ver cómo los elementos de combustible sólido fabricados con precisión de los reactores heterogéneos acababan disolviéndose en ácidos para eliminar los productos de fisión (las "cenizas" de una reacción nuclear ). Los ingenieros químicos esperaban diseñar reactores de combustible líquido que prescindieran de la costosa destrucción y procesamiento de los elementos de combustible sólido. Sin embargo, la formación de burbujas de gas en los combustibles líquidos y el ataque corrosivo a los materiales (en soluciones a base de sulfato de uranilo ) presentaban enormes desafíos de diseño y materiales.

Enrico Fermi abogó por la construcción en Los Álamos de lo que se convertiría en el tercer reactor del mundo, el primer reactor homogéneo de combustible líquido y el primer reactor alimentado con uranio enriquecido en uranio-235. Al final se construyeron tres versiones, todas basadas en el mismo concepto. Por motivos de seguridad, estos reactores recibieron el nombre en clave de "calderas de agua". El nombre era apropiado porque en las versiones de mayor potencia la solución de combustible parecía hervir a medida que se formaban burbujas de hidrógeno y oxígeno mediante la descomposición del disolvente de agua por los productos energéticos de la fisión, un proceso llamado radiólisis .

El reactor se llamó LOPO (por sus siglas en inglés, Low Power) porque su potencia de salida era prácticamente nula. El LOPO sirvió para los propósitos para los que había sido diseñado: determinación de la masa crítica de una configuración de combustible simple y prueba de un nuevo concepto de reactor. El LOPO alcanzó la criticidad en mayo de 1944, después de una última adición de uranio enriquecido . El propio Enrico Fermi estaba a los controles. El LOPO fue desmantelado para dar paso a una segunda caldera de agua que podía funcionar a niveles de potencia de hasta 5,5 kilovatios. Esta versión, denominada HYPO (por High Power), utilizaba una solución de nitrato de uranilo como combustible, mientras que el dispositivo anterior había utilizado sulfato de uranilo enriquecido . Este reactor entró en funcionamiento en diciembre de 1944. Muchas de las mediciones de neutrones clave necesarias en el diseño de las primeras bombas atómicas se realizaron con HYPO. En 1950 , se deseaban flujos de neutrones más altos , por lo que se realizaron amplias modificaciones en el HYPO para permitir el funcionamiento a niveles de potencia de hasta 35 kilovatios. Este reactor se llamó SUPO y funcionó casi a diario hasta su desactivación en 1974.

En 1952, se llevaron a cabo en Los Álamos dos series de experimentos críticos con soluciones de agua pesada de uranio enriquecido como fluoruro de uranilo para apoyar una idea de Edward Teller sobre el diseño de armas. Cuando se completaron los experimentos, Teller había perdido el interés, sin embargo, los resultados se aplicaron para mejorar los reactores anteriores. En una serie de experimentos, la solución estaba en tanques de 25 y 30 pulgadas de diámetro (640 y 760 mm) sin un reflector circundante. Las alturas de la solución se ajustaron a la criticidad con soluciones de D _{2 O en proporciones atómicas de D/} ²³⁵ U de 1:230 y 1:419 en el tanque más pequeño y de 1:856 a 1:2081 en el tanque más grande. En la otra serie de experimentos, las esferas de solución se centraron en un recipiente esférico de 35 pulgadas de diámetro (890 mm) en el que se bombeó D ₂ O desde un depósito en la base. Se alcanzó la criticidad en seis esferas de solución de 13,5 a 18,5 pulgadas de diámetro con relaciones atómicas D/ ²³⁵ U de 1:34 a 1:431. Al finalizar el experimento, ese equipo también fue retirado.

El primer reactor acuoso homogéneo construido en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge entró en funcionamiento en octubre de 1952. El nivel de potencia de diseño de un megavatio (MW) se alcanzó en febrero de 1953. El vapor a alta presión del reactor hizo girar una pequeña turbina que generó 150 kilovatios (kW) de electricidad , un logro que le valió a sus operadores el título honorífico de "Oak Ridge Power Company". Sin embargo, AEC estaba comprometida con el desarrollo de reactores de combustible sólido refrigerados con agua y las demostraciones de laboratorio de otros tipos de reactores, independientemente de su éxito, no alteraron su curso.

Desde 1974 hasta 1979 , la KEMA ( Keuring van Electrotechnische Materialen Arnhem ) operó un reactor acuoso homogéneo, llamado KEMA Suspensie Test Reactor (KSTR), en su sede de Arnhem , en los Países Bajos . El reactor se construyó en cooperación con expertos del ORNL (Oak Ridge National Laboratory) debido a su experiencia con el experimento de reactores homogéneos. El reactor consistía en un recipiente de reactor (ø310 mm, contenido 18,3 litros), fabricado por Werkspoor en Utrecht. El combustible era una mezcla de 14% de UO2 ₍ altamente enriquecido, 90% ²³⁵ U) y 86% de ThO2 _en una concentración de 400 g/L. El uranio (6766 gramos, que contienen 6082 gramos de ²³⁵ U) fue suministrado por NUKEM. Los gránulos de combustible (ø 5 μm) fueron diseñados por KEMA mediante un proceso único denominado sol-gel, que también atrajo la atención de la industria. El reactor funcionó a una temperatura de 255 °C (491 °F; 528 K), una presión de 60 bares (6.000 kPa) y una potencia máxima de 1.000 kW (1.300 CV).

En el Instituto Kurchatov de la URSS se desarrollaron técnicas de producción de isótopos radiactivos respetuosas con el medio ambiente y económicamente competitivas , sobre la base del reactor ARGUS , un minirreactor acuoso homogéneo. La URSS tenía previsto construir una serie de reactores de este tipo, pero sólo se construyeron dos: uno en el Instituto Kurchatov y el segundo, construido a finales de los años 80 en Dusambé, República Socialista Soviética de Tayikistán . Sin embargo, estos reactores no entraron en funcionamiento debido al colapso de la Unión Soviética .

En 2017, el gobierno de Tayikistán comenzó a reconstruir y reparar ^[2] su reactor para producir molibdeno-99 principalmente para uso médico.

El reactor del Instituto Kurchatov , con una potencia térmica de 20 kW, está en funcionamiento desde 1981 y ha demostrado altos índices de eficiencia y seguridad. Actualmente se están realizando estudios de viabilidad para desarrollar técnicas de producción de estroncio-89 y molibdeno-99 en este reactor. Un análisis de los isótopos producidos, realizado en el Instituto Nacional de Elementos Radiactivos de Bélgica , ha demostrado que las muestras de Mo-99 producidas en ARGUS se caracterizan por una pureza radioquímica extrema, es decir, el contenido de impurezas en ellas es inferior a los límites permitidos en 2-4 órdenes de magnitud. Entre los isótopos médicos radiactivos, el Mo-99 y el Sr-89 están muy extendidos. El primero es una materia prima para la producción de tecnecio -99m, un preparado radiofarmacéutico para el diagnóstico de enfermedades oncológicas , cardiológicas , urológicas y otras. Más de 6 millones de personas son examinadas con este isótopo cada año en Europa .

La capacidad de extraer isótopos médicos directamente del combustible en línea ha despertado un renovado interés en los reactores homogéneos acuosos basados ​​en este diseño. ^[3] BWX Technologies (anteriormente Babcock & Wilcox ) ha propuesto un reactor homogéneo acuoso para la producción de Tc-99m . ^[4]

En 1975, en la Universidad de Michigan , en Ann Arbor, se examinó el uso de un reactor de fisión nuclear homogéneo acuoso para la producción simultánea de hidrógeno por radiólisis del agua y la producción de calor de proceso . Varios pequeños proyectos de investigación continúan esta línea de investigación en Europa.

Atomics International diseñó y construyó una gama de reactores nucleares de baja potencia (de 5 a 50.000 vatios térmicos) para fines de investigación, formación y producción de isótopos. Un modelo de reactor, el L-54, fue adquirido e instalado por varias universidades de los Estados Unidos e instituciones de investigación extranjeras, incluido Japón. ^[5]

• Reactor de sal fundida
• Fisión nuclear
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• Planta de energía nuclear
• Energía nuclear
• Reactor nuclear
• Cohete nuclear de agua salada
• Residuos nucleares

• "Reactores de combustible fluido", 1958
• Experimentos en reactores homogéneos
• Revisión de ORNL FFR, capítulo 1
• Reactor de solución para análisis de física nuclear en laboratorio y métodos de inspección
• Una historia de experimentos críticos en el sitio de Pajarito
• Sobre la posibilidad de producir MO-99 y SR-89
• Reseña de ORNL, capítulo 4
• Reactor homogéneo acuoso SUPO
• Reactores nucleares de solución acuosa homogénea para la producción de Mo-99 y otros radioisótopos de vida corta (OIEA TECDOC 1601)