Reactor refrigerado por metal líquido
Un reactor nuclear refrigerado por metal líquido , o LMR, es un tipo de reactor nuclear en el que el refrigerante principal es un metal líquido . Los reactores refrigerados por metal líquido se adaptaron por primera vez para la generación de energía mediante reactores reproductores . También se han utilizado para alimentar submarinos nucleares .
Debido a su alta conductividad térmica, los refrigerantes metálicos eliminan el calor de manera eficaz, lo que permite una alta densidad de potencia . Esto los hace atractivos en situaciones en las que el tamaño y el peso son primordiales, como en los barcos y submarinos. La mayoría de los diseños de reactores basados en agua están altamente presurizados para elevar el punto de ebullición (mejorando así las capacidades de enfriamiento), lo que presenta problemas de seguridad y mantenimiento de los que carecen los diseños de metal líquido. Además, la alta temperatura del metal líquido se puede utilizar para impulsar ciclos de conversión de energía con alta eficiencia termodinámica. Esto los hace atractivos para mejorar la producción de energía, la rentabilidad y la eficiencia del combustible en las plantas de energía nuclear.
Los metales líquidos, al ser altamente conductores de electricidad, pueden moverse mediante bombas electromagnéticas . [1] Las desventajas incluyen dificultades asociadas con la inspección y reparación de un reactor inmerso en metal fundido opaco y, dependiendo de la elección del metal, el riesgo de incendio (para metales alcalinos ), la corrosión y/o la producción de productos de activación radiactiva pueden ser un problema.
Aplicaciones
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El refrigerante de metal líquido se ha aplicado tanto a reactores térmicos como a reactores de neutrones rápidos .
Hasta la fecha, la mayoría de los reactores de neutrones rápidos se han enfriado con metal líquido y, por lo tanto, se denominan reactores rápidos enfriados con metal líquido (LMFR). Cuando se configuran como reactores reproductores (por ejemplo, con una manta reproductora [ definición necesaria ] ), estos reactores se denominan reactores reproductores rápidos de metal líquido (LMFBR).
Propiedades del refrigerante
Los refrigerantes metálicos líquidos adecuados deben tener una sección transversal de captura de neutrones baja , no deben causar corrosión excesiva de los materiales estructurales y deben tener puntos de fusión y ebullición adecuados para la temperatura de operación del reactor .
Los metales líquidos generalmente tienen puntos de ebullición altos , lo que reduce la probabilidad de que el refrigerante hierva, lo que podría provocar un accidente por pérdida de refrigerante . La baja presión de vapor permite el funcionamiento a una presión cercana a la ambiental , lo que reduce drásticamente aún más la probabilidad de un accidente. Algunos diseños sumergen todo el núcleo y los intercambiadores de calor en un charco de refrigerante, lo que prácticamente elimina el riesgo de que se pierda la refrigeración del circuito interno.
| Refrigerante de metal | Punto de fusión | Punto de ebullición |
|---|---|---|
| Mercurio | -38,83 °C (-37,894 °F) | 356,73 °C (674,114 °F) |
| Sodio | 97,72 °C (207,896 °F) | 883 °C, (1621,4 °F) |
| No puedo | -11 °C (12,2 °F) | 785 °C, (1445 °F) |
| Dirigir | 327,46 °C (621,428 °F) | 1749 °C, (3180,2 °F) |
| Eutéctico de plomo y bismuto | 123,5 °C (254,3 °F) | 1670 °C, (3038 °F) |
| Estaño | 231,9 °C (449,42 °F) | 2602 °C, (4715,6 °F) |
Mercurio
Clementine fue el primer reactor nuclear refrigerado por metal líquido y utilizó mercurio como refrigerante, considerado la opción obvia ya que es líquido a temperatura ambiente. Sin embargo, debido a desventajas como alta toxicidad, alta presión de vapor incluso a temperatura ambiente, bajo punto de ebullición que produce humos nocivos cuando se calienta, conductividad térmica relativamente baja [2] y una alta sección transversal de neutrones [3] , ha caído en desuso.
Sodio y NaK
El sodio y el NaK (una aleación eutéctica de sodio y potasio) no corroen el acero en un grado significativo y son compatibles con muchos combustibles nucleares, lo que permite una amplia variedad de materiales estructurales. El NaK se utilizó como refrigerante en el primer prototipo de reactor reproductor, el reactor reproductor experimental 1 , en 1951.
Sin embargo, el sodio y el NaK se encienden espontáneamente al entrar en contacto con el aire y reaccionan violentamente con el agua, produciendo gas hidrógeno. Este fue el caso en la planta de energía nuclear de Monju en un accidente e incendio en 1995. El sodio también es el refrigerante utilizado en la serie de reactores rusos BN y en la serie china CFR que se encuentran en operación comercial en la actualidad. [ cita requerida ] La activación neutrónica del sodio también hace que estos líquidos se vuelvan intensamente radiactivos durante el funcionamiento, aunque la vida media es corta y, por lo tanto, su radiactividad no plantea un problema adicional de eliminación.
Hay dos propuestas para un LMFR Gen IV refrigerado por sodio: una basada en combustible de óxido y la otra en el reactor rápido integral alimentado con metal .
Dirigir
El plomo tiene excelentes propiedades neutrónicas (reflexión, baja absorción) y es un escudo de radiación muy potente contra los rayos gamma . El alto punto de ebullición del plomo proporciona ventajas de seguridad, ya que puede enfriar el reactor de manera eficiente incluso si alcanza varios cientos de grados Celsius por encima de las condiciones de funcionamiento normales. Sin embargo, debido a que el plomo tiene un alto punto de fusión y una alta presión de vapor, es complicado reabastecer y realizar el mantenimiento de un reactor enfriado con plomo. El punto de fusión se puede reducir alear el plomo con bismuto , pero el eutéctico de plomo-bismuto es altamente corrosivo para la mayoría de los metales [4] [5] utilizados para materiales estructurales.
Eutéctico de plomo y bismuto
El eutéctico de plomo-bismuto permite el funcionamiento a temperaturas más bajas al tiempo que evita la congelación del refrigerante metálico en un rango de temperatura inferior ( punto eutéctico : 123,5 °C / 255,3 °F) . [4] [6]
Además de su carácter altamente corrosivo, [4] [5] su principal desventaja es la formación por activación neutrónica de209
Bi (y posterior desintegración beta ) de210
Po ( T 1 ⁄ 2 = 138,38 día), un emisor alfa volátil altamente radiotóxico (la radiotoxicidad más alta conocida , por encima de la del plutonio ).
Estaño
Aunque hoy en día el estaño no se utiliza como refrigerante en reactores en funcionamiento porque forma una corteza, [7] puede ser un refrigerante adicional o de reemplazo útil en caso de desastres nucleares o accidentes por pérdida de refrigerante .
Otras ventajas del estaño son su alto punto de ebullición y la capacidad de formar una costra incluso sobre el estaño líquido, lo que ayuda a cubrir las fugas tóxicas y mantiene el refrigerante dentro y fuera del reactor. Ha sido probado por investigadores ucranianos y se propuso para convertir los reactores de agua en ebullición del desastre nuclear de Fukushima Daiichi en reactores refrigerados por estaño líquido. [8]
Propulsión
Submarinos
El submarino soviético de clase Noviembre K-27 y los siete submarinos de clase Alfa usaban reactores enfriados por eutéctico de plomo-bismuto y moderados con berilio como plantas de propulsión. ( Reactores VT-1 en el K-27 ; reactores BM-40A y OK-550 en otros).
El segundo submarino nuclear, el USS Seawolf, fue el único submarino estadounidense que contaba con una planta de energía nuclear moderada por berilio y refrigerada por sodio . Fue puesto en servicio en 1957, pero tenía fugas en sus sobrecalentadores , que fueron desviados. Con el fin de estandarizar los reactores de la flota, [ cita requerida ] el reactor moderado por berilio y refrigerado por sodio del submarino fue retirado a partir de 1958 y reemplazado por un reactor de agua presurizada .
Aviones nucleares
Pratt & Whitney estudió reactores refrigerados por metal líquido para su uso en aviones nucleares como parte del programa de propulsión nuclear de aviones . [9]
Generación de energía
El Experimento del Reactor de Sodio fue un reactor nuclear experimental moderado por grafito enfriado con sodio (un Reactor de Sodio-Grafito, o SGR) ubicado en una sección del Laboratorio de Campo de Santa Susana , entonces operado por la división Atomics International de North American Aviation .
En julio de 1959, el Experimento del Reactor de Sodio sufrió un grave incidente que implicó la fusión parcial de 13 de los 43 elementos combustibles y una liberación significativa de gases radiactivos . [10] El reactor fue reparado y volvió a funcionar en septiembre de 1960 y finalizó su operación en 1964. El reactor produjo un total de 37 GW-h de electricidad.
SRE fue el prototipo de la planta de energía nuclear de Hallam , otro SGR moderado por grafito y refrigerado por sodio que operó en Nebraska .
Fermi 1 , en el condado de Monroe (Michigan), fue un reactor reproductor rápido experimental refrigerado por sodio líquido que funcionó entre 1963 y 1972. Sufrió una fusión nuclear parcial en 1963 y fue dado de baja en 1975.
En Dounreay , en Caithness , en el extremo norte de Escocia , la Autoridad de Energía Atómica del Reino Unido (UKAEA) operó el reactor rápido Dounreay (DFR), que utilizaba NaK como refrigerante, de 1959 a 1977, exportando 600 GW-h de electricidad a la red durante ese período. En el mismo sitio, lo sucedió el PFR, el reactor rápido prototipo , que funcionó de 1974 a 1994 y utilizó sodio líquido como refrigerante.
El reactor soviético BN-600 está refrigerado por sodio. Las centrales nucleares BN-350 y EBR-II de EE. UU. estaban refrigeradas por sodio. El reactor EBR-I utilizaba una aleación de metal líquido, NaK , para la refrigeración. El NaK es líquido a temperatura ambiente. La refrigeración por metal líquido también se utiliza en la mayoría de los reactores de neutrones rápidos, incluidos los reactores reproductores rápidos, como el reactor rápido integral .
Muchos reactores de Generación IV estudiados están refrigerados por metal líquido:
Referencias
- ^ Bonin, Bernhard; Klein, Etienne (2012). Le nucléaire expliqué par des physiciens .
- ^ Bunker, Merle E. "Reactores tempranos, desde la caldera de agua de Fermi hasta nuevos prototipos de energía", un capítulo en Los Alamos Science - Edición de invierno/primavera de 1983, página 128. Publicado por Los Alamos National Laboratory y disponible aquí: http://library.lanl.gov/cgi-bin/getfile?00416628.pdf
- ^ "Longitudes de dispersión de neutrones y secciones transversales". www.ncnr.nist.gov .
- ^ semanas abc , JR; Romano, AJ (1969). "Curvas de Liquidus y corrosión de Fe, Ti, Zr y Cu en aleaciones líquidas de Bi-Pb". Corrosión . 25 (3): 131-136. doi :10.5006/0010-9312-25.3.131. OSTI 4803122.
- ^ ab Gossé, Stéphane (junio de 2014). "Evaluación termodinámica de la solubilidad y la actividad del hierro, el cromo y el níquel en el eutéctico de plomo y bismuto". Journal of Nuclear Materials . 449 (1–3): 122–131. Bibcode :2014JNuM..449..122G. doi :10.1016/j.jnucmat.2014.03.011. ISSN 0022-3115.
- ^ Fazio, Concetta; Li, Ning; Na, Byung-Chan (1 de julio de 2005). Manual sobre tecnología de metales líquidos pesados. Preparado en el marco del grupo de trabajo de la OCDE/AEN sobre el ciclo del combustible . Consultado el 5 de junio de 2022 .
- ^ Corrosión atmosférica del estaño y sus aleaciones [ enlace muerto ]
- ^ Ucrania aconseja a Japón utilizar estaño para enfriar el reactor de Fukushima Kyivpost
- ^ "40 datos curiosos sobre la energía nuclear que debes saber". 9 de diciembre de 2019.
- ^ Ashley, RL; et al. (1961). SRE Fuel Element Damage, Final Report of the Atomics International Ad Hoc Committee (PDF) . NAA-SR-4488-supl. Archivado desde el original (PDF) el 10 de abril de 2009.
