Comprender los refrigerantes líquidos de metal en los reactores de Breeder rápido

Este sistema de refrigeración de metales FBR39, que cubre los requisitos de seguridad de los neutros, es un sistema de refrigeración, donde los refrigerantes de metal líquido juegan un papel indispensable. A diferencia de los reactores de agua ligera convencionales que dependen del agua como moderador y refrigerante, los FBR requieren un medio que no ralentice los neutrones, los neutrones rápidos son esenciales para la reproducción de fertilismo.

El papel fundamental de los refrigerantes en los reactores de pecho rápido

En cualquier reactor nuclear, el refrigerante sirve como agente principal de transferencia de calor, llevando energía térmica de las asambleas de combustible a los generadores de vapor o sistemas de conversión de energía directa. En FBRs, el refrigerante también debe soportar un espectro rápido de neutrones. El agua, debido a su contenido de hidrógeno, ralentiza demasiado los neutrones compactos de alta temperatura.

Tipos de refrigerantes líquidos de metal

Mientras se han estudiado varios metales líquidos, tres han surgido como los principales candidatos para aplicaciones rápidas de reactores de cría: sodio, plomo y eutectic de plomo-bismut (LBE). Cada uno tiene propiedades físicas y químicas distintas que influyen en el diseño del reactor, la seguridad y la economía.

Sodium

Sodium es el refrigerante de metal líquido más utilizado en los FBR operativos, incluyendo Phénix y Superphénix de Francia, BN-600 y BN-800 de Rusia, y Monju de Japón. Sodium tiene un punto de fusión de 97.8 °C y un punto de ebullición de 883 °C a presión atmosférica, proporcionando un amplio rango de líquido.

Sin embargo, el sodio reacciona vigorosamente con agua y aire. El contacto con el agua produce gas de hidrógeno y hidroxido de sodio, que puede conducir a condiciones corrosivas y posibles explosiones. El contacto con el aire conduce a la oxidación rápida, formando aerosoles de óxido de sodio que son químicamente irritantes. Por lo tanto, los reactores refrigerados por sodio requieren gases de cobertura inerte (normalmente argón) y sistemas de detección de fugas altamente radiactivados.

Eutectic, líder y líder-bismuth

El plomo y el plomo-bismut eutectic (LBE) están ganando interés renovado para los reactores rápidos avanzados, incluyendo los diseños de Generación IV como el reactor rápido refrigerado por plomo (LFR). El plomo tiene un punto de ebullición alto (1749 °C), excelentes propiedades de blindaje contra la radiación gamma, y baja reactividad química con agua y aire.

El principal inconveniente de los refrigerantes basados en plomo es su alta densidad (lead ~11.3 g/cm3, LBE ~10.5 g/cm3), que impone cargas estructurales significativas en los vasos del reactor y los internos. Esto requiere un diseño sísmico robusto y una gestión cuidadosa de las cargas de la bomba. Además, el plomo y el LBE son corrosivos al acero a temperaturas elevadas, especialmente si los niveles de oxígeno no están cuidadosamente controlados.

Otros refrigerantes líquidos de metal

La investigación también ha explorado el sodio-potásico (NaK), el mercurio, el gasio e incluso el litio líquido. NaK (un eutectic de sodio y potasio) sigue siendo líquido a temperatura ambiente, que simplifica los procedimientos de arranque y cierre, pero conserva la reactividad química de la hedioma, se utiliza en los reactores experimentales tempranos pero se ha abandonado debido a la toxicidad y la mala neutronesidad.

Ventajas termales-hidráulicas de refrigerantes de metal líquido

Los metales líquidos se destacan en la transferencia de calor debido a su alta conductividad térmica y capacidad de calor específica en relación con el volumen que ocupan. En un núcleo del reactor, el flujo de calor de los pines de combustible puede superar 1 MW/m2; los metales líquidos pueden eliminar este calor con modestas diferencias de temperatura entre la superficie de combustible y el volquete refrigerante. Esto reduce el área de transferencia de calor necesaria y permite una mayor densidad de energía, volúmenes de núcleos cerca de reactores de presión de reactores.

La circulación natural es otra ventaja significativa. Los metales líquidos tienen grandes coeficientes de expansión térmica, y sus cambios de densidad con temperatura pueden conducir un flujo convectivo natural robusto incluso a velocidades de baja caudal. En caso de falla de la bomba, esta circulación pasiva puede eliminar el calor descapotable del núcleo indefinidamente, siempre que la geometría del reactor esté diseñada para él.

Neutronics y Rendimiento de la Crianza

La selección de refrigerante impacta directamente en la economía de neutrones de un FBR. El refrigerante ideal debe tener una sección transversal de absorción de neutrones muy baja para preservar la población de neutrones para la reproducción. La sección transversal de absorción de Sodium es baja pero no cero; la captura parasitaria en el refrigerante reduce ligeramente el aumento de cría. El plomo y el LBE tienen incluso secciones de absorción más bajas para los neutrones rápidos, por lo que introducen casi ninguna penalización de plomo.

En la práctica, los FBRs refrigerados por sodio han demostrado una relación de cría de 1.2 o superior, lo que significa que producen un 20% más de material fisible que consumen. Se proyecta que los diseños con óxido avanzado o combustible metálico alcanzarán unas tasas de cría superiores a 1.3, al tiempo que podrán consumir plutonio y pequeños actinides existentes. Esta doble capacidad hace que los refrigerantes de metal líquido sean esenciales para cerrar el ciclo de combustible nuclear y reducir el volumen y la toxicidad.

Desafíos y soluciones de ingeniería

A pesar de sus beneficios, los refrigerantes de metal líquido presentan desafíos únicos de ingeniería que han retrasado el despliegue generalizado de FBRs. Estos desafíos abarcan compatibilidad con materiales, control de química, instrumentación, mantenimiento y seguridad.

Compatibilidad y corresión de los materiales

El control de la radiación de los neutros es de 10 grados, y el control de la radiación de los neutros es de 10 grados, y el control de la radiación de los estiércol de los estratos de hierro es de 10 grados, y el control de la radiación de los estiércol de los estiércol de los estribos.

Reactividad química

La reactividad del sodio con sistemas de seguridad amplios y necesita aire. Los generadores de vapor en los FBR refrigerados por sodio deben diseñarse para prevenir, detectar y mitigar las reacciones de agua de sodio. Típicamente, los bucles de sodio intermedios separan el sodio primario del sistema de vapor, con un disco de ruptura y válvulas de alivio para controlar la presión de generación de hidrógeno.

Diseño de bombas e instrumentación

Las bombas de metal líquido deben funcionar a altas temperaturas y a menudo en presencia de campos de radiación fuertes. Las bombas electromagnéticas (EM) son favorecidas por el sodio y el LBE porque no tienen partes móviles, reduciendo el desgaste y el mantenimiento. Las bombas EM utilizan una corriente eléctrica y el campo magnético para inducir una fuerza de Lorentz directamente en el refrigerante.

Mantenimiento e Inspección

Debido a que el refrigerante se vuelve altamente radiactivo en reactores refrigerados por sodio, el mantenimiento de componentes en recipiente requiere sofisticados equipos de manejo remoto. Muchos reactores refrigerados por sodio han tenido factores de baja disponibilidad debido a dificultades con la carga y reparación. reactores refrigerados por plomo, con menor activación refrigerante (excepto el polonio en LBE), pueden permitir un acceso más fácil, pero la opacidad y alta densidad de la inspección visual por plomo complican.

Estrategias de seguridad y experiencia normativa

La seguridad de los reactores rápidos refrigerados por metal líquido ha sido investigada a fondo a través de décadas de investigación y operación. Los principales retos de seguridad difieren por tipo refrigerante. Para el sodio, el mayor riesgo es fuegos sodios y el potencial de reactividad de vacío refrigerante positiva, una condición donde la caldera o la pérdida de sodio aumenta la reactividad, posiblemente conduciendo a las excursiones de energía.

El plomo y el LBE tienen coeficientes de reactividad de vacío positivo también, pero el punto de ebullición alto de plomo (1749 °C) hace que el vaciado refrigerante sea improbable incluso bajo condiciones de accidente graves. El principal riesgo de reactores refrigerados por plomo es congelación de refrigerante; calentadores eléctricos de respaldo y calor de de decaimiento debe mantener el hidrógeno refrigerante fundido durante la apagada.

Códigos de seguridad internacionales para reactores rápidos, como los estándares de seguridad del OIEA y las directrices de seguridad del Foro Internacional Gen IV, enfatizan la defensa en profundidad, la contención y la inclusión de medidas severas de accidente. Muchos FBR incorporan dispositivos de captador de núcleo para retener combustible fundido si se produce un evento de fusión de núcleo, evitando la crítica y conteniendo productos de fisión.

Desarrollos actuales y futuros

Varios países están desarrollando reactores rápidos refrigerados por metal líquido para el despliegue a corto plazo. Rusia continúa operando los reactores refrigerados por sodio BN-600 y BN-800 y está construyendo el reactor BN-1200M, con el objetivo de la competitividad comercial. India opera un pequeño FBR refrigerado por sodio (FBTR) y está construyendo un reactor de Breeder rápido de 500 MWe ha iniciado el test de ChinaFR30.

Para liderar, Rusia ha iniciado el reactor de refrigeración de plomo BREST-300 en la Combinación Química Siberiana, y el proyecto MYRRHA de la Unión Europea (un sistema de aceleración refrigerado por LBE) está en diseño. Estados Unidos tiene varios conceptos de SMR refrigerados por plomo, como el LFR de Westinghouse, y el proyecto de Reactor de Pruebas Versátiles del DOE considerado inicialmente.

La investigación continua se centra en los combustibles avanzados (aleaciones metálicas, nitrido, matriz inerte), materiales estructurales mejorados (aceros de la SAA, compuestos de la siC), mejores técnicas de inspección en el servicio, y el desarrollo de sensores químicos para el monitoreo continuo de impurezas. También hay interés en acoplamiento de refrigerantes de metal líquido con ciclos de Brayton supercritical para lograr mayor eficiencia térmica (conceptivo) comparado con los sistemas de vapor modulares

El potencial de refrigerantes líquidos de metal se extiende más allá de la generación de electricidad. Pueden proporcionar calor de proceso de alta temperatura para la producción de hidrógeno, desalación y aplicaciones industriales. Su capacidad para quemar actinides les hace valiosos para la gestión de residuos y la resistencia a la proliferación. A medida que los objetivos climáticos empujan para la energía de carga base libre de carbono, reactores de cría rápida con refrigeración de metal líquido representan un camino sostenible que utiliza plenamente los recursos de uranio y minimiza los desechos de larga vida.

Conclusión

Los refrigerantes de metal líquido son integrales para el funcionamiento y la seguridad de reactores de cría rápida. El eutectic de sodio, plomo y plomo ofrece ventajas y compensaciones distintas en términos de rendimiento térmico, neutrones, reactividad química y compatibilidad con materiales. La experiencia extensiva con sodio ha dado lugar a una sólida base de tecnología, mientras que los sistemas de generación de plomo prometen una mayor seguridad pasiva y una química de refrigeración simplificada.