Los sistemas de reactores de neutrones rápidos tienen el potencial de extraer 60 veces más energía del uranio en comparación con los reactores térmicos existentes, y contribuyen a una reducción significativa de la carga de desechos radiactivos. Últimamente se han hecho grandes progresos en muchos países que están desarrollando activamente los reactores y las tecnologías conexas del ciclo del combustible.
Era un reactor de neutrones rápidos refrigerado por metal líquido que iluminaba-con el destello de cuatro bombillas—la posibilidad de que nuestro mundo pudiera ser alimentado por energía nuclear. Pero aunque ese momento pionero en diciembre. el 20 de septiembre de 1951, en el Reactor Reproductor Experimental I (EBR I) del Laboratorio Nacional Argonne en Idaho, se produjeron innumerables avances que expandieron exponencialmente el ámbito de la tecnología de energía nuclear, los reactores de neutrones rápidos han permanecido comercialmente esquivos.
1. El Reactor Reproductor Experimental I (EBR I) marcó el comienzo de una nueva era cuando se convirtió en el primer reactor en generar cantidades utilizables de electricidad a partir de energía nuclear. Logró esta hazaña en diciembre. 20, 1951, encendiendo cuatro bombillas. Al día siguiente, la producción de EBR I se incrementó, y desde ese punto hasta su desmantelamiento en 1964, EBR I a menudo generó toda la electricidad necesaria para alimentar su edificio. Fuente: Argonne National Laboratory
En las décadas que siguieron al avance de Argonne (Figura 1), el concepto de que un reactor nuclear podría «generar» más combustible del que consumía rápidamente se convirtió en un tema principal de investigación nacional adoptado por un puñado de otros países, incluida la Unión Soviética, el Reino Unido, Francia, Alemania, Japón e India. Sin embargo, hasta la fecha, solo unos 20 reactores rápidos han funcionado, algunos desde la década de 1950, y solo uno ha funcionado con capacidad comercial: el prototipo comercial francés Superphenix de 1.250 MWe, que funcionó de 1985 a 1998, cuando fue cerrado por motivos políticos.
Más recientemente, sin embargo, debido a los avances técnicos y a la creciente experiencia operacional, el interés en la tecnología de reactores rápidos parece haber vuelto a despertar. A finales de 2016, Rusia puso en línea el BN-800 en su planta nuclear de Beloyarsk (ganadora de la planta POWER Top en noviembre de 2016), un proyecto ampliamente considerado como el «reactor de reproducción rápida más potente del mundo».»Al menos otros 16 proyectos de reactores rápidos se están acercando al despliegue encabezado por Estados Unidos, Francia, Bélgica, Rumania, Rusia, China, Corea del Sur, India y Japón. Dos de estos proyectos, el BN—1200 de Rusia y el CDFBR-1200 de China, podrían ser proyectos comerciales cuando estén en línea para 2030.
Mientras tanto, hoy en día el mundo está lidiando con las preocupaciones sobre los desechos nucleares con más urgencia que nunca; después de años de arengas políticas, se ha avanzado poco en el almacenamiento y la eliminación del combustible gastado. Argonne predice: «Aunque actualmente hay muy pocos en funcionamiento, en última instancia resultarán vitales para extender el suministro de energía de uranio y torio a decenas de miles de años y para eliminar la radiotoxicidad de larga duración del combustible nuclear usado.»
Reactores Rápidos: Una Raza diferente
Como lo explica Argonne, cuando un átomo en un reactor nuclear se «fusiona», o se divide en varios fragmentos más pequeños, los neutrones se liberan a alta energía (velocidades rápidas). En los reactores térmicos, que comprenden la mayor parte de la flota de energía nuclear del mundo, los neutrones de fisión se ralentizan a bajas energías (térmicas) por colisiones con átomos ligeros dentro del reactor: hidrógeno en el agua en los reactores refrigerados por agua, deuterio en el agua pesada en los reactores refrigerados por agua pesada, o carbono en el grafito en los reactores refrigerados por gas. La mayoría de los neutrones en estos reactores se ralentizan a bajas velocidades antes de que tengan la oportunidad de causar fisiones posteriores al chocar con núcleos fisibles, que generalmente son uranio—235 (U-235).
«En un reactor rápido, sin embargo, los neutrones de fisión no se ralentizan y en su lugar causan fisiones al chocar con núcleos fisibles a alta energía», dijo el laboratorio. «Esto es importante porque se liberan más neutrones de las fisiones causadas por neutrones de alta energía que de las fisiones causadas por neutrones térmicos.»Aunque cada reacción de fisión en un reactor destruye un átomo fisible, los átomos fisibles también se pueden crear cuando un neutrón es capturado en una reacción con un átomo fértil, generalmente U-238.»
Esencialmente, explica el laboratorio, en un reactor reproductor rápido, se agrega U-238 adicional para que se creen más átomos fisibles que los que se destruyen por la fisión. «Esto significa que esencialmente todo el mineral de uranio original (que es 99,3% U-238 y 0,7% U-235) se puede usar como combustible de reactor en un reactor reproductor rápido. En contraste, solo aproximadamente el 1% del uranio original se consume en un reactor térmico.»El efecto, señaló, es que un reactor rápido podría ampliar los recursos de uranio del mundo en un factor de aproximadamente 60.
Un segundo beneficio, más significativo, es que los reactores rápidos » pueden destruir, por fisión, los materiales (plutonio, americio, curio, etc.) que hacen que el combustible nuclear usado sea radiactivo durante más de cientos de años», dijo Argonne. «Estos elementos se fisionan bastante bien cuando chocan con neutrones rápidos, mientras que se fisionan mucho menos o nada cuando chocan con neutrones térmicos. Por lo tanto, estos materiales funcionan como combustible en reactores rápidos, en lugar de funcionar como productos de desecho, como lo hacen en los reactores térmicos. Esta característica de los reactores rápidos hace que el problema de eliminación de combustible usado sea mucho más simple al usar las partes de vida media más larga de los residuos como recurso energético.»
La Amplia Gama de Tecnologías en Desarrollo
Según el Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA), el potencial impulso que ofrecen los sistemas de reactores rápidos que funcionan en un ciclo completamente cerrado a la eficiencia del combustible nuclear y la gestión de desechos, y sus implicaciones para la sostenibilidad, es ampliamente reconocido, y en muchos países continúa el desarrollo activo de tecnologías de reactores, refrigerante, combustible y ciclo del combustible. En una conferencia de junio de 2017 que la agencia organizó para la comunidad mundial de reactores rápidos y ciclos de combustible relacionados en Rusia (cuyas actas se publicaron en diciembre pasado), se informó que se estaba estudiando, diseñando y construyendo una amplia gama de proyectos de demostración, que iban desde pequeños a grandes escalas.
Como dijo Subhash Chandra Chetal, ex director del Centro Indira Gandhi de Investigación Atómica de la India, a los asistentes en su discurso de apertura, la variedad de la investigación es vertiginosa. «La comunidad de reactores rápidos es muy consciente de que no existe un refrigerante perfecto para los reactores rápidos y la elección se debate de vez en cuando, tanto en los países individuales como en los foros internacionales.»El Foro Internacional Generación IV (GIF), una asociación fundada en el año 2000 para hacer avanzar la energía nuclear a su cuarta generación, hoy cuenta con 14 países miembros y ha destilado casi 100 conceptos existentes en cuatro categorías de espectro de neutrones rápidos que, según dice, son «las más prometedoras».»
2. La construcción de un reactor rápido BN—800 diseñado por el brazo de ingeniería nuclear de Rosatom, OKBM Afrikantov, que finalmente comenzó como la cuarta unidad en Beloyarsk en 2006, fue fundamental para el programa «PRORYV»o «Avance»de Rusia. La unidad comenzó a funcionar en diciembre de 2016. Cortesía de: Rosatom
Reactor Rápido Refrigerado por Sodio (SFR) con Ciclo de Combustible Cerrado. El más maduro de todos los conceptos, se han construido 20 prototipos o demostraciones de SFR en todo el mundo, que han proporcionado más de 400 años de funcionamiento de reactores. Algunos ejemplos son el BN-800 en Beloyarsk 4 (Figura 2) en Rusia, el FBTR de la India, el SuperPhenix de Francia y el EBR I y II en los Estados Unidos.Varias empresas privadas, como GE Hitachi y TerraPower, también han mostrado interés en el SFR.
» Se ha acumulado una experiencia operativa muy valiosa de los reactores rápidos en funcionamiento como respuesta para el diseño futuro en términos de materiales, opciones de diseño y tecnología de sodio», señaló Chetal. Las pruebas recientes de combustible de metal y carburo de óxido mixto han mostrado «excelentes resultados», y el consumo de combustible se ha incrementado sistemáticamente con la mejora de los materiales estructurales del núcleo. Mientras tanto, «Las causas de las fugas de sodio en diferentes reactores debido a la inadecuación del diseño en el detalle del diseño, la deficiencia de fabricación, los materiales de construcción y las bandas térmicas se entienden bastante bien y se están incorporando en diseños futuros.»Sin embargo,» todavía se siente una gran preocupación en algunos países con respecto a las fugas de sodio, y algunos diseñadores seleccionan tuberías de doble pared en circuitos secundarios para evitar el fuego de sodio», dijo.
Reactor Rápido Refrigerado por plomo (LFR) con Ciclo de combustible Cerrado. Los LFRs se enfrían con plomo fundido (o aleaciones a base de plomo), que no ofrece reacciones rápidas con agua y aire como con los SFR. Los LFRs funcionan a alta temperatura y a presión atmosférica cercana, condiciones habilitadas debido al punto de ebullición muy alto del refrigerante (hasta 1743C) y su baja presión de vapor. El refrigerante es plomo puro o una aleación de plomo, más comúnmente la mezcla eutéctica de plomo y bismuto, también conocida como LBE. Algunos ejemplos son el reactor europeo de gran potencia de 600 MW y el BREST-300 de Rusia, y un microrreactor, SSTAR, que cuenta con una vida útil muy larga del núcleo. Empresas privadas como Westinghouse, Hydromine o LeadCold también han desarrollado diseños básicos de LFR.
Reactor Rápido Refrigerado por gas (GFR) con Ciclo de combustible Cerrado. Los GFRS, que se enfrían con helio, se proponen como una alternativa a largo plazo a los SFR. GIF destacó varias características atractivas del innovador sistema nuclear. Utiliza «un refrigerante monofásico que es químicamente inerte, que no se disocia ni se activa, es transparente y, aunque el coeficiente de vacío del refrigerante sigue siendo positivo, es pequeño y está dominado por la retroalimentación Doppler», dijo. Mientras tanto, el núcleo del reactor tiene una densidad de potencia relativamente alta, y ofrece una inspección mejorada y un manejo simplificado del refrigerante. Sus altas temperaturas de salida del núcleo están por encima de los 750 F, pero eso «impone exigencias onerosas a la capacidad del combustible para operar continuamente con la alta densidad de potencia necesaria para una buena economía de neutrones en un núcleo de reactor rápido», dijo, una desventaja que requerirá un combustible sólido y necesidades estructurales. Entre los sistemas GFR privados está el proyecto EM 2 de General Atomics. Sin embargo, de acuerdo con GIF, el concepto de GFR todavía está en la fase de viabilidad y muchos no entran en la fase de rendimiento antes de 2022.
Reactor de Sal Fundida (MSR) con Conceptos Térmicos y de Neutrones Rápidos con Ciclo de Combustible Cerrado. Un concepto desarrollado en la década de 1950, el concepto utiliza sal fundida como combustible y refrigerante, y grafito como moderador. Según GIF, estos tipos de reactores de combustible líquido tienen ventajas clave sobre los sistemas de combustible sólido. Estos incluyen, » La posibilidad de ajuste de la composición del combustible (fértil/fisible) y reprocesamiento de combustible sin apagar el reactor; la posibilidad de superar las dificultades de fabricación/reelaboración de combustible sólido con grandes cantidades de elementos transuránicos (TRU); el potencial para una mejor utilización de los recursos mediante el logro de altas consumiciones de combustible (con TRUs que permanecen en el combustible líquido para someterse a fisión o transmutación a un elemento fisible).»Los MSR de espectro rápido ofrecen lo mejor de las tecnologías de reactores rápidos y sales fundidas, incluida la utilización extendida de recursos y la minimización de residuos, así como la baja presión, la alta temperatura de ebullición y la transparencia óptica, dijo.
Ejemplos incluyen el MSFR de 1.400 MWe desarrollado por Francia dentro del proyecto SMOFAR, que tiene un ciclo de combustible de torio, y el proyecto MOSART de 1.000 MWe de Rusia. China también está investigando un reactor de alta temperatura refrigerado por fluoruro y sal, y un reactor termosolar de fluoruro fundido de torio. El sector privado, por su parte, ha puesto en marcha varios proyectos en todo el mundo. Entre las compañías destacadas se encuentran TerraPower, Thorcon, Terrestrial Energy, Flibe Energy, Transatomic Power, Elysium Industries, Alpha Tech Research Corp.y Kairos Power.
GIF también señaló, sin embargo, que los desafíos de investigación y desarrollo son numerosos. «Para la opción de combustible líquido con ciclo de combustible cerrado, se ocupan de las propiedades de la sal (propiedades físicas, químicas y termodinámicas) y la solubilidad de actínidos y productos de fisión en la sal; diseño del sistema y análisis de seguridad (incluido el desarrollo de modelos avanzados de acoplamiento neutrónico y térmico-hidráulico); desarrollo de materiales avanzados (incluidos estudios sobre su compatibilidad con sales fundidas y su comportamiento bajo flujos de neutrones elevados a alta temperatura); prevención de la corrosión y liberación de tritio basada en un control Redox adecuado de la sal fundida; desarrollo de técnicas eficientes de extracción de productos de fisión gaseosos de la sal de combustible por burbujeo de helio; diagrama de flujo de procesamiento de sal de combustible (incluidos ensayos de extracción reductiva para la separación de actínidos/lantánidos); y desarrollo de un enfoque de seguridad (y resistencia a la proliferación) dedicado a los reactores de combustible líquido.»El concepto todavía se encuentra en una fase de viabilidad o viabilidad, y la fase de rendimiento puede no comenzar hasta 2025, señaló.
La búsqueda de una mejor economía
Mientras que las actas mostraron un optimismo general sobre el futuro de los reactores rápidos, varios oradores reconocieron los desafíos que podrían obstaculizar el progreso de los reactores rápidos. El OIEA dijo, por ejemplo, » Para alcanzar todo el potencial de los reactores de neutrones rápidos, alcanzando un verdadero avance en la utilización de la energía nuclear, los desarrollos de investigación y tecnología tendrán que demostrar el cumplimiento de criterios modernos de competitividad económica, estrictos requisitos de seguridad, desarrollo sostenible, resistencia a la proliferación y aceptación pública.»
De acuerdo con Chetal, la búsqueda de una mejor economía se ve obstaculizada por la escasez de información porque hasta ahora solo se han construido SFR con fines comerciales y de demostración. «La viabilidad tecnológica de los SFR ha quedado bien demostrada en reactores experimentales y de demostración. Sin embargo, la competitividad económica de la RFE aún no ha quedado bien demostrada», señaló. «El mayor costo percibido de los SFR en comparación con ha impedido su crecimiento. La comparación económica de SFR versus LWR tiene fuertes vínculos con el costo del uranio, lo que actualmente presiona a SFR para que busque formas y medios para mejorar el costo de capital, el tiempo de construcción y el factor de capacidad», dijo.
Es posible que ya se hayan realizado mejoras sustanciales para algunos proyectos de reactores rápidos rusos, sugirió E. O. Adamov, un experto del proyecto PRORYV de Rosatom. El proyecto federal, desde 2012, ha buscado crear una base tecnológica para el uso de reactores rápidos a gran escala utilizando los conocimientos adquiridos de la operación del BN-800 en Beloyarsk 4. Hasta la fecha, se ha encontrado que el BN-600, un reactor rápido construido en 1981 (Beloyarsk 3), es económicamente comparable a la tecnología VVER rusa, si se puede ampliar. Adamov dijo que Rusia ahora está buscando probar que el BN-1200 que está en desarrollo, y difiere significativamente de los modelos BN anteriores, puede competir con «las mejores plantas nucleares en neutrones térmicos».»Una comparación entre el costo nivelado de la energía para reactores rápidos y las plantas de energía de turbina de gas de ciclo combinado (CCGT) en condiciones rusas ha arrojado información clave, señaló. Una es que las centrales nucleares con reactores térmicos con un ciclo de combustible abierto «no pueden garantizar un desarrollo competitivo más eficiente.»Sin embargo, si se logran los requisitos de rendimiento establecidos para las instalaciones BN-1200, los reactores rápidos podrían competir fácilmente con los CCGT, e incluso con las fuentes renovables, dijo.
La India, que está en el proceso de puesta en marcha de un prototipo de reactor reproductor rápido (PFBR) de 500 MW muy retrasado en Kalpakkam, en Tamil Nadu, ha reconocido entretanto que el costo de las plantas de reprocesamiento será importante para el futuro de los reactores rápidos. La» evaluación india muestra que es prudente ubicar conjuntamente la instalación del ciclo de combustible del reactor rápido para el reprocesamiento y la refabricación en el mismo sitio que el reactor y debe diseñarse para múltiples reactores», dijo Chetal. «A la luz de esto, se está construyendo una instalación de ciclo de combustible de reactor rápido en el sitio de PFBR para reprocesar y volver a fabricar los elementos de combustible para PFBR y otros dos reactores MOX de 600 MW cada uno.»
Otros obstáculos Que ralentizan los reactores rápidos
Los primeros reactores rápidos de su tipo también se enfrentan al engorroso desafío de obtener licencias oportunas. Como señalaron varios oradores en la conferencia del OIEA, pocos expertos en entornos normativos conocen bien los desafíos de los reactores rápidos. La falta de experiencia técnica necesaria para fabricar componentes para instalaciones de reactores rápidos, así como para construirlos, ponerlos en marcha, operarlos, mantenerlos y desmantelarlos es igualmente crítica.
Abordar los problemas de seguridad relacionados con la amplia gama de sistemas en desarrollo también es crucial. Pero también se han llevado a cabo muchas investigaciones en este frente, específicamente en relación con los RSFS. En Japón, por ejemplo, los investigadores están estudiando los riesgos a través de una metodología de evaluación. China ha establecido un código de seguridad para las condiciones nominales basado en parámetros de SFR para el calor de desintegración y las interacciones de concreto sódico. ASTRID, un proyecto de demostración de SFR que Francia está desarrollando en colaboración con Japón, ha producido una guía de diseño de seguridad con principios básicos. Mientras tanto, la evaluación de seguridad del BN-1200 realizada por Rusia identificó tres tipos de accidentes más allá del diseño: la pérdida de energía (donde las bombas en los circuitos primario y secundario se detienen y no hay alimentación de suministro de agua); la introducción de la reactividad mediante la retirada de dos barras de control; y un accidente de bloqueo del conjunto de combustible).
Por encima de todos estos esfuerzos se encuentra una red cada vez más compleja de cooperación internacional para fomentar el intercambio de información sobre investigación y desarrollo y conocimientos técnicos especializados. Junto con el GIF, el OIEA coordina el Proyecto Internacional establecido en 2000 sobre Ciclos de Combustible y Reactores Nucleares Innovadores. Mientras tanto, la Iniciativa Industrial Nuclear Sostenible Europea está desarrollando ASTRID en Francia, ALFRED, un LFR en Rumania, y MYRRHA, que es un proyecto de irradiación de bismuto de plomo en Bélgica. ■
—Sonal Patel es un editor asociado de POWER.
