Introducción

Los reactores de cría rápida (FBR) representan una clase distinta de reactor nuclear diseñado para operar con neutrones rápidos, que conservan una alta energía cinética en lugar de ser desacelerada por un moderador. A diferencia de los reactores termales más comunes que dependen de los neutrones lentos (termales) para mantener la fisión, los reactores rápidos pueden “permitir” más material fisible que los que consumen de manera eficiente.

Fundamentos de la tecnología de reactores rápidos

Diseño rápido de espectro neutrón y núcleo

Los reactores nucleares tradicionales, como los reactores de agua presurizada (PWR) o los reactores de agua hirviendo (BWRs), utilizan un moderador – agua tipicamente ligera o grafito – para frenar las energías térmicas de fisión. El bajo de los neutrones aumenta la probabilidad de fisión en uranio-235, el isótopo fisible que sólo supone un 0,7% de reactores de raza rápida

Debido a que los neutrones rápidos son menos eficientes en la fisión de inducción en uranio-235, el núcleo de un FBR debe tener una mayor concentración de material fisible que un reactor térmico. El núcleo normalmente consiste en combustible mixto de óxido (MOX) que contiene una mezcla de dióxido de plutonio (PuO2) y dióxido de uranio (UO2), a menudo con fracciones de plutonio entre 15% y 30%.

Coolants para los reactores rápidos

Los reactores rápidos no pueden usar el agua como refrigerante porque el agua actúa como moderador, desacelerando los neutrones. En lugar de ello, dependen de refrigerantes con potencia de baja moderación y altas capacidades de transferencia de calor. La opción más común es el sodio líquido, que tiene un punto de ebullición alto (882°C) y una excelente conductividad térmica.

Cómo rápidos reactores de cerveza pueden reducir los riesgos de proliferación nuclear

Uso eficiente de materiales de fibra y existencias de plutonio reducidas

En un ciclo de combustible de una vez por vía, el combustible gastado de los reactores térmicos todavía contiene cantidades significativas de plutonio y otros elementos transuranices. Este combustible gastado es una preocupación de proliferación porque, si se reprocesó, el plutonio podría ser separado y utilizado para armas nucleares. Los reactores de cría rápida ofrecen un medio para “quemar” este plutonio, convirtiéndola en productos de fisión mucho menos atractivos para los acuerdos de armas.

Además, los FBR pueden diseñarse para operar con una relación de reproducción cercana a una (es decir, produciendo casi tanto material fisible como consumen) o incluso debajo de una (como un “quemador” o “converter”). En la configuración del quemador, el reactor consume más plutonio de lo que produce, lo que es ventajoso para reducir las existencias.

Resistencia a la proliferación hereditaria a través de Composición de Combustible

El plutonio producido en reactores de cría rápida no es necesariamente de calidad ideal para las armas. Mientras que los reactores térmicos generan plutonio con una fracción relativamente alta de plutonio-239 (normalmente superior al 70% en combustible de baja quemadura), los reactores rápidos producen plutonio que contiene una mayor proporción de isótopos más altos como plutonio-240, plutonio-241, y mezcla de fiutonio-242 debido a un mayor flujo y energía.

Actinides menores quemando y reduciendo la toxicidad a largo plazo

Este tipo de combustibles es un factor que reduce el tiempo de desviación de los productos de alto nivel. Este tipo de material se puede utilizar para reducir el tiempo de desviación de forma más corta.El material de almacenamiento de combustibles es un factor que se puede utilizar para reducir el combustible de forma más rápida.

Advanced Safeguards and Monitoring Technologies

Los ciclos de combustible cerrados asociados con reactores de cría rápida, que implican reprocesamiento y fabricación de combustible, requieren salvaguardias internacionales sólidas para prevenir la desviación. Las tecnologías modernas de salvaguardias, como la espectroscopia de descomposición inducida por láser (LIBS), ensayo no destructivo utilizando detectores de neutrones y gamma, y monitoreo avanzado de procesos, pueden integrarse directamente en instalaciones de reprocesamiento.

Problemas y preocupaciones persistentes en materia de proliferación

Separación de Plutonio y Ciclo de Combustible Cerrado

A pesar de las ventajas, la existencia misma de un ciclo cerrado de combustible introduce riesgos de proliferación. El paso de reprocesamiento que separa el plutonio del combustible gastado de un reactor rápido es idéntico en principio al proceso utilizado para obtener plutonio de grado de armas. Las plantas de reprocesamiento civiles podrían ser mal utilizadas, o el conocimiento y la infraestructura podrían transferirse a programas militares. Incluso si el plutonio es de calidad de rendimiento del reactor, un estado determinado con una estricta capacidad de ingeniería nuclear

Ejemplos históricos y lecciones aprendidas

El reactor de no proliferación de las armas nucleares (un reactor de alto riesgo) de la India (un reactor de no proliferación) de gran alcance, también ha demostrado la viabilidad de la operación de reactores rápidos de gran escala. El reactor de monostado (un prototipo de SFR) de Japón ha sufrido una fuga de sodio en 1995 y ha operado sólo de manera simultánea antes de ser permanentemente descompuesto

Hurdles económicos y técnicos

Los reactores de cría rápida siguen siendo significativamente más caros que los reactores térmicos convencionales, incluso después de décadas de desarrollo. El alto costo de capital de los sistemas de refrigeración líquido-metálicos, la fabricación avanzada de combustible y la infraestructura de reprocesamiento asociada es un obstáculo importante para el despliegue general. Además, los materiales en el núcleo del reactor deben soportar radiación dura y altas temperaturas, lo que conduce a complejos desafíos de ingeniería.

International Frameworks and Future Prospects

Función del OIEA y los enfoques multilaterales

Para aprovechar el potencial de no proliferación de reactores de cría rápida, la comunidad internacional ha explorado varios mecanismos. El Proyecto Internacional del OIEA sobre reactores nucleares innovadores y ciclos de combustible (INPRO) y el Foro Internacional de Generación IV (GIF) incluyen diseños rápidos de reactores en sus agendas de investigación colaborativas. Estos programas enfatizan la resistencia a la proliferación como objetivo de diseño, alentando a los desarrolladores a incorporar barreras intrínsecas para la desviación desde las primeras etapas.

Innovaciones en el diseño del ciclo de combustible

La investigación reciente se ha centrado en disminuir la huella de proliferación de reactores rápidos. Una dirección prometedora es el uso de conceptos de reactores de onda rígida o de onda ambulante, que pueden operar durante períodos prolongados sin reprocesamiento. Aunque no son verdaderos criadores en el sentido convencional, estos reactores todavía consiguen una alta utilización de combustible y reducen los residuos.

Iniciativas regionales y acuerdos bilaterales

La cooperación bilateral también puede contribuir a la no proliferación. El Acuerdo de Manejo y Disposición de Plutonio de Rusia (PMDA), aunque actualmente suspendido por Rusia, tiene por objeto disponer de 34 toneladas cada uno de plutonio de grado de armas, en parte irradiando en reactores rápidos como el BN-800. Se podrían ampliar acuerdos similares a otros tipos de reactores y otros estados.

Conclusión

Los reactores de cría rápida tienen una promesa genuina de reducir los riesgos de proliferación nuclear permitiendo un uso más eficiente del uranio, consumen las existencias de plutonio y transmutan los desechos radiactivos de larga duración en formas menos peligrosas. Su espectro único de neutrones les permite quemar material que de otra manera seguirá siendo una responsabilidad de proliferación durante milenios. Sin embargo, estos beneficios no son automáticos.

Para más lectura, consulte el Portal de Conocimiento de Reactor Rápido de la AIAEA, el Resumen de reactores rápidos de la Asociación Mundial de Nucleares y el ]] Informe técnico del Foro Internacional IV . Estos recursos proporcionan datos técnicos detallados, discusiones de casos específicos de cada país, análisis de políticas y análisis