Reactor de neutrones rápidos

Un reactor de neutrones rápidos  es un reactor nuclear en cuyo núcleo no hay moderadores de neutrones y el espectro de neutrones es cercano a la energía de los neutrones de fisión (~ 10 5  eV ). Los neutrones de estas energías se denominan rápidos, de ahí el nombre de este tipo de reactor.

Un reactor de neutrones rápidos hace posible convertir el combustible nuclear gastado en nuevo combustible para las centrales nucleares, formando un ciclo cerrado de uso del combustible nuclear y permitiendo, en lugar del 3 % actualmente disponible, utilizar alrededor del 30 % del potencial del combustible nuclear. que asegurará la perspectiva de la energía nuclear durante milenios.

Historia

Los primeros reactores de investigación e industriales de neutrones rápidos se diseñaron y pusieron en funcionamiento con éxito en la Unión Soviética , y en este momento Rusia tiene una prioridad tecnológica en su desarrollo y operación, lo que abre posibilidades casi ilimitadas para utilizar el potencial energético del combustible nuclear. incluidos los desechos de plantas de energía nuclear y el plutonio apto para armas.

Rusia ocupa el primer lugar en el mundo en el desarrollo de tecnologías para la construcción de dichos reactores, aunque muchos países desarrollados lo han estado haciendo desde la década de 1950. La primera unidad de potencia con un reactor de neutrones rápidos BN-350 se lanzó en la URSS en 1973 y funcionó en Aktau hasta 1999. La segunda unidad de energía se instaló en la central nuclear de Beloyarsk en 1980 ( BN-600 ) y ha estado operando ininterrumpidamente hasta el día de hoy; en 2010, su vida útil se extendió por 10 años [1] . En el mismo lugar, el 10 de diciembre de 2015 se puso en operación un reactor de nueva generación BN-800 .

Cómo funciona

Debido a la pequeña sección transversal de fisión de 235 U por los neutrones rápidos, para mantener una reacción en cadena , es necesario mantener intensidades de campo de neutrones mucho más altas en comparación con los reactores de neutrones térmicos . Debido al aumento de los flujos de neutrones, una fracción mucho mayor de 238 U está involucrada en el proceso de transmutación en plutonio , lo que amplía significativamente la base de combustible de este tipo de reactor.

No debe haber moderadores de neutrones efectivos en el núcleo del reactor, en primer lugar, las sustancias con núcleos ligeros como el hidrógeno son fundamentalmente inaceptables . Por lo tanto, el agua y los hidrocarburos no se pueden utilizar en el sistema de refrigeración del reactor. Este requisito obliga al uso de metales de bajo punto de fusión, como mercurio, sodio, plomo, como refrigerante. Mercurio fue rápidamente abandonado debido a su alta corrosividad. Hoy en día se han desarrollado reactores con refrigerantes de sodio, plomo-bismuto y plomo .

La sección transversal de fisión en la región de energía rápida no supera los 2 bar . Por lo tanto, para llevar a cabo una reacción en cadena con neutrones rápidos, se requiere una densidad específica relativamente alta de material fisionable en el núcleo en comparación con los reactores de neutrones térmicos . Esto obliga al uso de soluciones de diseño especiales, como reflectores de neutrones y combustible de alta densidad, que aumentan el costo de construcción y operación. Las cargas de radiación en los materiales estructurales también son mucho más altas que en los reactores de neutrones térmicos.

En comparación con el reactor térmico común, los reactores de neutrones rápidos tienen una serie de ventajas en términos de seguridad: no hay alta presión en el reactor, prácticamente no hay riesgo de pérdida de refrigerante por ebullición, no hay riesgo de vapor-zirconio reacción , que se convirtió en una de las causas de las explosiones en la central nuclear de Fukushima . Por otro lado, el popular refrigerante de sodio reacciona violentamente con el agua y se quema en el aire, lo que dificulta cualquier accidente por fuga. Es por eso que, después de 3 años de operación del único submarino USS Seawolf (SSN-575) refrigerado por sodio , se sacaron conclusiones negativas sobre la aplicabilidad de este tipo de reactor en la flota de submarinos, el reactor en el propio submarino fue reemplazado por uno enfriado por agua , y el diseño enfriado por sodio ya no se usó en la Marina de los EE. UU., y la Armada soviética no se usó en absoluto. La Armada de la URSS estaba armada con submarinos nucleares en serie con un reactor de refrigerante de plomo-bismuto : proyecto 705 (K) "Lira" en la cantidad de 7 unidades, pero ahora también han sido dados de baja.

La principal ventaja de este tipo de reactor es la capacidad de involucrar materiales como el uranio-238 y el torio - 232 en el ciclo del combustible. Esto amplía significativamente la base de combustible de la energía nuclear. Además, estos reactores permiten eliminar con relativa seguridad los isótopos más activos y de vida más larga del combustible nuclear gastado , reduciendo fundamentalmente su riesgo biológico.

En septiembre de 2016, los científicos nucleares rusos probaron con éxito a plena capacidad una unidad de energía nueva y más poderosa del mundo con un reactor de neutrones rápidos: BN-800 de la central nuclear de Beloyarsk . Junto con la producción de combustible MOX iniciada un año antes, Rusia se convirtió en líder en la transición a un ciclo cerrado de uso de combustible nuclear, que permitirá a la humanidad obtener un recurso energético casi inagotable a través del reciclaje de residuos nucleares, ya que la energía nuclear convencional Las plantas utilizan sólo el 3% del potencial energético del combustible nuclear [1] .

Reactores de investigación de neutrones rápidos

Investigación de reactores rápidos
Reactor País Lugar lanzar Deténgase
Potencia térmica
MW 		Eléctrico MW
de potencia
Portador de calor
BR-2 URSS / Rusia Óbninsk , IPPE 1956 1957 0.1 — Mercurio
BR-5 URSS / Rusia Óbninsk , IPPE 1958 2002 5 — Sodio
BID URSS / Rusia Dubná , JINR 1960 — — — Sodio
IBR-2 URSS / Rusia Dubná , JINR 1981 válido — — Sodio
BOR-60 URSS / Rusia Dimitrovgrado , RIAR 1968 válido 60 12 Sodio
clementina EE.UU Los Álamos , LANL 1946 1952 0.025 — Mercurio
EBR-1 EE.UU Idaho , INL 1951 1964 1.4 0.2 Sodio potasio
EBR-2 EE.UU Idaho , INL 1964 1994 62 19 Sodio
SEFOR EE.UU Arkansas 1969 1972 veinte Sodio
FFTF EE.UU Complejo Hanford mil novecientos ochenta y dos 1993 400 — Sodio
DFR Gran Bretaña Centro Dunrei 1959 1977 sesenta y cinco once Sodio potasio
rapsodia Francia Bocas del Ródano , Cadarache 1967 1983 40 Sodio
jokyo Japón Central Nuclear Joyo 1977 2007 150 — Sodio
FBTR India Kalpakkam, IGCAR 1985 válido 40 13 Sodio
MCER Porcelana Pekín , CIAE 2010 válido sesenta y cinco veinte Sodio

Reactores industriales de neutrones rápidos

Los diseños comerciales de reactores de neutrones rápidos tienden a utilizar diseños enfriados por metal líquido . Por lo general, es sodio líquido o una aleación eutéctica (más precisamente, una mezcla líquida) de plomo y bismuto . Las sales fundidas ( fluoruros de uranio ) también se consideraban como refrigerantes , pero su uso se reconoció como poco prometedor.

Prioridad de la URSS y Rusia

Los reactores de neutrones rápidos experimentales aparecieron en la década de 1950. En las décadas de 1960 y 1980, el trabajo sobre la creación de reactores industriales de neutrones rápidos se llevó a cabo activamente en la URSS , los EE . UU . y varios países europeos. La primera unidad de potencia industrial con un reactor de neutrones rápidos BN-350 se lanzó en la URSS en 1973, la segunda unidad de potencia se instaló en la central nuclear de Beloyarsk en 1980 ( BN-600 ). Tras el cierre del reactor rápido de sodio francés " Phoenix " (Phénix) en 2009, Rusia siguió siendo el único país del mundo con reactores de potencia rápidos en funcionamiento: BN-600 en la 3ª unidad de potencia de la central nuclear de Beloyarsk [2] [3] y BN-800 en la unidad de potencia 4th m de la central nuclear de Beloyarsk [4] . Este último fue lanzado el 10 de diciembre de 2015, entró en operación comercial en 2016 y en 2018 comenzó a utilizar combustible MOX serial producido en la Planta Minera y Química de Rosatom [5] .

El reactor BN-800 se utiliza para probar una serie de tecnologías para cerrar el ciclo del combustible nuclear utilizando reactores "rápidos" que resuelven el problema de la eliminación del combustible nuclear gastado . Rusia está creando una industria de energía nuclear de dos componentes, que incluirá reactores térmicos y de neutrones rápidos, que ampliarán significativamente la base de combustible del átomo pacífico y, al mismo tiempo, reducirán la cantidad de desechos radiactivos debido al "quemado". de radionucleidos peligrosos. La unidad n.º 4 de la central nuclear de Beloyarsk se ha convertido en un prototipo de las unidades de energía "rápidas" comerciales más potentes BN-1200, cuya construcción está prevista para la década de 2030 [5] .

Experimentos asiáticos

Los países asiáticos ( India , Japón , China , Corea del Sur ) muestran interés en esta dirección . En India se encuentra en construcción un reactor rápido de demostración de sodio PFBR-500 con una capacidad de 500 MW(e), cuya puesta en marcha estaba prevista para 2014 [6] , pero a 1 de julio de 2017 el reactor no estaba comenzó [7] . En la próxima etapa, India planea construir una pequeña serie de cuatro reactores rápidos de la misma capacidad.

El 8 de mayo de 2010, en Japón, tras un paréntesis de catorce años provocado por un incendio en 1995, cuando se filtraron 640 kilogramos de sodio metálico, el reactor de Monju entró en estado crítico por primera vez . En 2013 estaba previsto finalizar los trabajos de puesta en marcha y adecuación para su puesta en funcionamiento, parte de los cuales consistía en una serie de salidas experimentales del reactor a un nivel mínimo controlado . Sin embargo, en agosto de 2010, durante los trabajos de reabastecimiento de combustible, un nodo del sistema de reabastecimiento de combustible se rompió en la vasija del reactor: una tubería de metal de 12 metros que pesaba 3,3 toneladas, que se hundió en sodio. Casi de inmediato se anunció que la continuación del trabajo de ajuste y, en consecuencia, el lanzamiento se pospuso por 1-1.5 años [8] [9] [10] [11] [12] . El 27 de junio de 2011 se recuperó la parte hundida del reactor de Monju. Para extraer la pieza, los especialistas tuvieron que desmontar la parte superior del reactor. El levantamiento mismo de la estructura de tres toneladas a la superficie tomó ocho horas [13] . Durante varios años, las perspectivas de "Monju" fueron vagas, no se asignaron fondos [14] . En diciembre de 2016, el gobierno japonés decidió desmantelar por completo la central nuclear de Monju. En 2022 está previsto retirar el combustible del reactor y en 2047 completar su desmontaje [15] [16] .

Reactores con refrigerante de mercurio

Mercurio inicialmente parecía ser un refrigerante prometedor. Es un metal pesado y por lo tanto no ralentiza bien los neutrones . El espectro de un reactor de este tipo es muy rápido y la proporción de reproducción es alta. El mercurio  es un líquido a temperatura ambiente, lo que simplifica el diseño (no es necesario calentar el circuito líquido-metal para el arranque), además, se planeó dirigir el vapor de mercurio directamente a la turbina, lo que garantizaba una muy alta eficiencia a una temperatura relativamente baja. Se construyó el reactor BR-2 con una potencia térmica de 100 kW para procesar el refrigerante de mercurio. Sin embargo, el reactor funcionó durante menos de un año. La principal desventaja del mercurio era su alta actividad corrosiva . Durante cinco meses, el mercurio disolvió literalmente el primer circuito del reactor, se produjeron fugas constantemente. Otras desventajas del mercurio son: toxicidad, alto costo, alto consumo de energía para el bombeo. Como resultado, el mercurio fue reconocido como un refrigerante económicamente no rentable.

Una característica única del BR-2 fue también la elección del combustible: plutonio metálico (una aleación de plutonio en fase σ con galio). El uranio se usó solo en la zona de reproducción. [17] [18]

Lista de reactores

Funcionamiento de reactores industriales de neutrones rápidos
Reactor País estación de energía nuclear lanzar Explotación Potencia térmica
MW 		Eléctrico
MW de potencia
Portador de calor		 Peculiaridades
Con antes de
BN-600 URSS / Rusia Central nuclear de Beloyarsk 26/02/1980 08/04/1980 1470 600 Sodio
BN-800 Rusia Central nuclear de Beloyarsk 10/12/2015 01/11/2016 2100 880 Sodio
Apagar reactores industriales de neutrones rápidos
Reactor País estación de energía nuclear lanzar Explotación Potencia térmica
MW 		Eléctrico
MW de potencia
Portador de calor		 Peculiaridades
Con antes de
BN-350 URSS / Kazajstán Mangistau AEC 1973 16/07/1973 1999 1000 150 Sodio 100 MW adicionales para calefacción
y 100 MW para desalinización
Fénix Francia Markul 1973 14/07/1974 2009 563 250 Sodio Desde 2003, electr. la potencia se
redujo a 140 MW
superfénix Francia Cres-Mepieu 1985 1986 1998 3000 1200 Sodio
Monju Japón Central nuclear de Monju 1994 29/08/1995 22.09.2016 714 280 Sodio El reactor funcionó
durante un total de aproximadamente un año durante 20 años [19]
PFR Gran Bretaña Centro Dunrei 03/01/1974 07/01/1976 31/03/1994 650 234 Sodio
Fermi-1 EE.UU central nuclear enrico fermi 23/08/1963 — 29/11/1972 200 sesenta y cinco Sodio
KNK-I Alemania TI Karlsruhe 1971 21/02/1974 1.09.1974 21 Sodio
KNK-II Alemania TI Karlsruhe 1976 3/3/1979 23/05/1991 21 Sodio Basado en el reactor soviético BOR-60
Entonces no lanzado
CRBPR EE.UU valle de tennessee — — — 1000 350 El costo total es de $ 8 mil millones.
IFR EE.UU — — — — —
SNR-300 Alemania Central nuclear de Kalkar — — — 1500 300 Sodio El costo total es de 7 mil millones de marcos alemanes.

Reactores rápidos en construcción y proyectados

Reactores de neutrones rápidos en construcción para la generación de energía
Reactor País estación de energía nuclear Inicio
de la construcción		 Finalización
de la construcción 		Potencia térmica
, MW		 Eléctrico
potencia, megavatios
Portador de calor
PFBR India Central nuclear de Madrás 2004 — 1250 500 Sodio
CFR-600 Porcelana Xiapu 2017 — 1500 600 Sodio
BREST-OD-300 Rusia Seversk 2021 — 700 300 Guiar
Reactores de neutrones rápidos diseñados
BN-1200 Rusia Central nuclear de Beloyarsk — — 2800 1220 Sodio
SVBR-100 Rusia — — — 280 100 Aleación

Véase también

Notas

  1. ↑ 1 2 Rusia da los siguientes pasos para cambiar a un ciclo de combustible nuclear cerrado . Web oficial de Rosatom . www.rosatominternational.com (29 de noviembre de 2016). Consultado el 17 de diciembre de 2019. Archivado desde el original el 17 de diciembre de 2019.
  2. ↑ :: Combustible nuclear para el reactor BN-600 (enlace inaccesible) . Consultado el 23 de junio de 2010. Archivado desde el original el 14 de marzo de 2010. 
  3. ↑ Rosatom State Corporation "Rosatom" tecnologías nucleares energía nuclear plantas de energía nuclear medicina nuclear . Consultado el 23 de junio de 2010. Archivado desde el original el 14 de junio de 2010.
  4. ↑ Lanzamiento del reactor BN-800 . minería24.ru Consultado el 23 de diciembre de 2015. Archivado desde el original el 23 de diciembre de 2015.
  5. ↑ 1 2 Experto: Rosatom ha dado un paso hacia el dominio de las tecnologías energéticas del futuro . RIA Novosti (27 de agosto de 2019). Consultado el 17 de diciembre de 2019. Archivado desde el original el 3 de diciembre de 2019.
  6. ↑ El lanzamiento físico de PFBR-500 tendrá lugar en septiembre de 2014 . ATOMINFO.RU (28 de julio de 2013). Consultado el 15 de junio de 2014. Archivado desde el original el 11 de septiembre de 2013.
  7. ↑ Lanzamiento de PFBR-500 pospuesto indefinidamente . ATOMINFO.RU (1 de julio de 2017). Recuperado: 1 julio 2017.
  8. ↑ Monju salió al 0,03% del par . AtomInfo.Ru (9 de mayo de 2010). Fecha de acceso: 30 de enero de 2011. Archivado desde el original el 24 de abril de 2013.
  9. ↑ Uno de los nodos del sistema de reabastecimiento de combustible colapsó dentro de la vasija del reactor Monju . AtomInfo.Ru (30 de agosto de 2010). Fecha de acceso: 30 de enero de 2011. Archivado desde el original el 3 de julio de 2011.
  10. ↑ Fotografías y diagrama del incidente del 26 de agosto en la central nuclear de Monju publicado en Japón . AtomInfo.Ru (11 de septiembre de 2010). Fecha de acceso: 30 de enero de 2011. Archivado desde el original el 1 de diciembre de 2012.
  11. ↑ No es posible extraer la tubería del casco de Monju por métodos convencionales . AtomInfo.Ru (10 de noviembre de 2010). Fecha de acceso: 30 de enero de 2011. Archivado desde el original el 2 de agosto de 2011.
  12. ↑ Los japoneses están diseñando un dispositivo para levantar una tubería rota en Monju . AtomInfo.Ru (8 de febrero de 2011). Fecha de acceso: 30 de enero de 2011. Archivado desde el original el 24 de abril de 2013.
  13. ↑ Los especialistas recuperaron una pieza de tres toneladas del reactor de Monju en Japón, que cayó allí en 2010 . AtomInfo.Ru (27 de junio de 2011). Archivado desde el original el 24 de abril de 2013.
  14. ↑ El lanzamiento piloto del reactor Monju en Japón no se llevará a cabo hasta la primavera de 2013 | Factor económico | Ecología
  15. ↑ Japón admitió la imposibilidad de poner en marcha una central nuclear con un reactor de neutrones rápidos . Archivado desde el original el 8 de enero de 2017. Consultado el 7 de enero de 2017.
  16. ↑ Reactor prototipo de Monju, una vez pieza clave en la política de energía nuclear de Japón, para ser desechado  , The Japan Times Online  (21 de diciembre de 2016). Archivado desde el original el 7 de enero de 2017. Consultado el 7 de enero de 2017.
  17. ↑ Lev Kochetkov: de mercurio a sodio, de BR-1 a BN-600 . Fecha de acceso: 29 de julio de 2012. Archivado desde el original el 24 de abril de 2013.
  18. ↑ Yuri Bagdasarov: sobre leyendas, mercurio y sodio . Consultado el 29 de julio de 2012. Archivado desde el original el 11 de junio de 2012.
  19. ↑ La planta de energía nuclear de neutrones rápidos se cerrará permanentemente en Japón . Centrales térmicas y centrales nucleares (10 de febrero de 2014). Consultado el 24 de octubre de 2016. Archivado desde el original el 25 de octubre de 2016.

Literatura

Enlaces

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§ — hay reactores en construcción, ‡ — existe solo como proyecto
  1. ↑ En el territorio de la península de Crimea , cuya adhesión a Rusia no recibió reconocimiento internacional