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Papel y Física de la Moderación Neutron en MSRs

En cualquier reactor nuclear, la gran mayoría de la energía se libera a través de la fisión de isótopos pesados como el uranio‐235 o el plutonio-239. Los neutrones liberados de la fisión tienen una energía promedio de aproximadamente 2 MeV (neuro de neutrones rápidos). Para ser capturados eficientemente por núcleos fissionables, estos neutrones deben ser desacelerados a energías térmicas (alrede 0,025 eV a temperatura ambiente) o

Thermal‐Spectrum vs. Fast‐Spectrum MSRs

El modo de transmisor de combustibles altamente radiactivos, como el método de transmisor de combustibles más rápidos, permite el uso de materiales de alta resistencia por medio de transmisiones de combustibles de alta resistencia, como el método de transmisor de alta resistencia de los residuos de alta resistencia y de alta resistencia.

Materiales clave para los MSR

Se han considerado varios materiales, y en algunos casos se han probado, para moderar neutrones en ambientes de sal fundida. Cada candidato viene con una combinación única de propiedades nucleares, térmicas, químicas y mecánicas.

Grafito

El grafito es por lejos el moderador más estudiado para los MSRs de espectro térmico. Es una forma cristalina de carbono con baja absorción de neutrones (sección transversal de absorción térmica de ~0.003 barnes), alta potencia de moderador, y excelente conductividad térmica. El grafito puede soportar temperaturas superiores a 1000 °C bajo condiciones de inerte o reducción, lo que lo hace compatible con el fluoruro caliente o el bicloruro de sal

Beryllium

El biombosis de la radiación de los berilotes es un factor de presión de la radiación de los berilo, y el efecto de la radiación de los berilo, que es un factor de presión de los metales, y que se puede controlar en el cuerpo.

Agua ligera y pesada

Aunque el agua es un moderador común en las LWR, su uso en las MSRs se limita a la alta temperatura de funcionamiento de la sal (normalmente 500 – 700 °C). El agua pre-acelerada requeriría vasos pesados y presenta un riesgo de reacciones químicas salteadas por vapor (hidrolisis).

Materiales de Moderador Emergentes

Los investigadores están investigando activamente a moderadores alternativos que podrían superar las limitaciones de grafito y berilio. Los materiales de los candidatos incluyen:

  • Hidridos metálicos] (por ejemplo, hidrato de zirconio, ZrH): Tienen una alta densidad de hidrógeno y una excelente eficiencia de moderación, pero son propensos a la pérdida de hidrógeno a temperaturas superiores a 500 °C y pueden ser atacados químicamente por sales de fluoruro. Se está explorando la encapsulación en forma de revestimiento o compuesto.
  • Yttria‐stabilized zirconia (YSZ): Una cerámica con buena estabilidad química y baja absorción de neutrones, aunque su poder de moderación es mucho más débil que el grafito o el berilio. YSZ podría ser utilizado como reflector de espectro rápido o en diseños híbridos.
  • Compuestos basados en el hierro forrado: Mientras que el borón absorbe fuertemente los neutrones, materiales como el B4C pueden ser utilizados como venenos quemadores o como elemento de control, no como moderador permanente.

Desafíos básicos para los moderadores de Neutron en MSRs

El único desafío más definido para los moderadores de MSR es el ambiente hostil en el que deben funcionar: una sal fundida de alta temperatura, de radiación, que fluye químicamente agresiva. A continuación exploramos los principales problemas técnicos en detalle.

Compatibilidad material con sal fundida

Muchos materiales de moderador que funcionan bien en reactores de combustible sólido (por ejemplo, grafito a alta temperatura) son vulnerables a ataques por fluoruro o sal cloruro. El óxido de carbono, por ejemplo, puede ser intercalado por iones de fluoruro si la sal no se mantiene suficientemente reducida.

Daños por radiación y cambios dimensionales

El modo de vibración de MSF (reducción de la burbuja) de los reactores de alta calidad, que causan una inflamación isótropa (efecto de la radiación) que puede romper bloques de moderadores y distorsionar la geometría del núcleo.

Estrés termo-mecánico

Los MSR funcionan a temperaturas de 500 – 700 °C. Los bloques de moderadores o las piedras experimentan gradientes de temperatura como el calor se genera dentro de ellos (desde la calefacción gamma y, hasta menor medida, desde la desaceleración de neutrones).Este estrés térmico, combinado con el flujo de radiación inducido y la inflamación, puede conducir a una grieta excesiva.

Economía neutrona y absorción parasitaria

Por lo tanto, el material de moderador absorbe algunos neutrones, unos pocos cientos de un granero para el grafito y el berilio, pero mucho más alto para los materiales que contienen hidrógeno. Incluso estas pequeñas pérdidas pueden afectar significativamente la economía de neutrones de un MSR de espectro térmico, que ya sufre de menos reactividad que un LWR típico porque el combustible se disuelve y se distribuye continuamente.

Poisons de productos de la fisión y el “Problema de la luna”

El pulverizador de la energía, que se dirige a la sal, es un factor de resistencia que no se puede utilizar en el óxido de carbono, y que se puede reducir en el óxido de carbono.

Oportunidades innovadoras y direcciones de investigación

A pesar de los obstáculos, las recompensas potenciales de un exitoso MSR de espectro térmico (incluyendo la reproducción eficiente del torio, reducción de residuos y seguridad inherente) siguen estimulando soluciones creativas. Varias direcciones de investigación prometedoras están redefinindo la perspectiva de los moderadores de neutrones en MSRs.

Composites y revestimientos de grafito avanzado

El grafito sigue siendo el moderador más práctico a corto plazo, tanto esfuerzo se centra en mejorar su capacidad de producción de sal y resistencia a la radiación. Un enfoque utiliza una capa de vapour químico (CVD) de carburo de silicio (SiC) en la superficie de grafito para bloquear la entrada de sal.

Alternaciones de Berilio y Materiales Híbridos

El modo de capturar el berilio escaso y tóxico, por ejemplo, un reactor de pulverización de partículas de BeO dispersos en una matriz de carburo de níquel o silicio podría reducir el inventario de berilio mientras conserva una ventaja de moderación. Otra idea es utilizar el lithium-beryllium‐fluoride (FLibe) de la sal en sí como un modo combinado y

Moderadores líquidos y diseños separados de flujo

En lugar de colocar un moderador sólido dentro del núcleo, algunos diseñadores proponen circular un líquido rico en hidrógeno separado a través de una zona de moderador. Esto podría ser una sal fundida que contiene compuestos de hidrógeno solubles (por ejemplo, LiH disuelto en una sal de fluoruro), aunque tales mezclas son químicamente agresivas y tienen puntos de fusión muy altos.

Optimización de diseño a través de Gemelos Digitales y AI

Las modernas herramientas computacionales permiten a los diseñadores de reactores explorar el vasto espacio de geometría, colocación y composición material de moderadores más eficientemente que nunca. Códigos de Monte Carlo de alta fidelidad junto con modelos termomecánicos de elemento finito pueden simular toda la vida de un bloque de grafito bajo radiación. Los algoritmos de inteligencia artificial están incluso siendo utilizados para buscar formas óptimas de moderadores que maximicen la economía de neutrones mientras minimizan el estrés térmico.

Consideraciones de seguridad y regulación

El modo de dispersión de los reactores nucleares (que se emite directamente en la Comisión de Control de Datos) puede cambiar la relación de neutralidad de los reactores de alta calidad de los reactores de alta calidad de los reactores de seguridad.

Perspectivas del futuro: El papel de los moderadores en los diseños avanzados de la MSR

Los próximos decenios verán una variedad de manifestantes de la RM y plantas comerciales tempranas. Algunos, como el concepto de reactor de alta temperatura refrigerado por fluoruro (FHR), utilizarán guijarros de grafito sólidos como moderador y portador de combustible. Otros, como los diseños de la RM de combustible alimentados por líquidos de Industrias Elysium o los diseños basados en el thorium promovidos por el espectro de la radioatóxico

En conclusión, los moderadores de neutrones son un reto técnico de larga data y una fuente de oportunidad estratégica para los reactores de sal fundida. Si bien introducen la compatibilidad material, los daños a la radiación y los problemas de envenenamiento de neutrones, también permiten el uso eficiente del combustible de torio, los inventarios fisionables más bajos y el potencial de las características de seguridad inherentes.