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¿Qué son los reactores de Breeder rápido?
Los reactores de cría rápida (FBR) representan una clase distinta de reactores de fisión nuclear que operan con neutrones rápidos, en contraste con los neutrones térmicos utilizados en la mayoría de los reactores de potencia comercial. La característica definitoria de un FBR es su capacidad de producir más combustible fisible de lo que consume durante la operación. Esto se logra rodeando el núcleo del reactor con una manta de
La física de la fisión rápida permite que los FBR extraigan aproximadamente 60 a 100 veces más energía de uranio natural que los reactores convencionales de agua ligera (LWRs). Esto es porque los LWR sólo pueden utilizar el raro uranium-235 isótopo de uranio radioactivo (0,7% de uranio natural), mientras que los FBR convierten los abundantes U-238 (99,3% de uranio natural) en combustibles.
Existen dos opciones de refrigerante primario para FBR: sodio líquido y plomo (o plomo-bismut). Los reactores rápidos refrigerados por sodio (SFR) han sido los más probados, debido a la excelente conductividad térmica y la baja absorción de neutrones de sodio. Los reactores rápidos refrigerados por plomo (LFR) ofrecen cordura química con aire y agua pero plantean desafíos con la corrosión y el diseño de neutrones.
Las principales ventajas de los FBR son mejorar significativamente la utilización de los recursos de uranio, reducir los desechos radiactivos de larga duración y el potencial para cerrar el ciclo del combustible nuclear. Sin embargo, también vienen con obstáculos técnicos y económicos sustanciales, como la gestión de la reactividad química del sodio con agua y aire, la prevención de accidentes de reactividad sin valor y la confección de productos de fisión altamente radiactivos.
Proyectos históricos y sus retos
El interés en los reactores de cría se remonta a los primeros días de la energía nuclear, cuando se percibió que el uranio era escaso. Estados Unidos, Reino Unido, Francia, Rusia (USSR), Japón, Alemania y India, todos los programas de cría lanzados. Mientras se construyeron y operaron varios reactores de prototipo y demostración, muchos estaban plagados de sobrecostos de costos, fallas técnicas y oposición política.
Estados Unidos: Desde EBR-I hasta Clinch River
El Experimental Breeder Reactor-I (EBR-I) en Idaho se convirtió en el primer reactor nuclear para generar electricidad en 1951 y demostró la viabilidad de la reproducción. Su sucesor, EBR-II, operaba con éxito de 1964 a 1994, demostrando que los FBRs refrigerados por sodio podrían funcionar con seguridad y producir combustible.
Francia: Superfénix y Phoenix
Francia operaba el reactor de Phénix (250 MWth) de 1973 a 2010 como un exitoso testbed para la tecnología sodio. Basado en esta experiencia, Francia construyó la mayor FBR del mundo, Superphénix, una planta de refrigeración por sodio en Creys-Malville. Superphénix comenzó la construcción en 1976 y logró la primera crítica en 1985.
Japón: Monju
Monju, un prototipo de refrigeración por sodio de 280 MWe, comenzó la construcción en 1985 y alcanzó la crítica en 1994. Una importante fuga de sodio ocurrió en diciembre de 1995, resultado de un pozo de termopar roto que permitió que el sodio caliente escapara y reaccionara con aire. El accidente no se reveló inmediatamente completamente, erosionando la confianza pública. Después de 14 años de reparaciones y debates políticos, Monju fue reiniciado en 2010, sólo para ser cerrado de nuevo.
Rusia: un registro de pista consistente
[LT:0] El sistema de energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la producción de energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la producción de energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía
Reino Unido y Alemania
El Reino Unido operaba el Prototipo de reactor rápido (PFR) en Dounreay en Escocia de 1974 a 1994. Conseguía una relación de reproducción de aproximadamente 1.2 pero sufrió fugas de generadores de vapor y costos crecientes.El PFR fue cerrado como parte del cambio de investigación nuclear del Reino Unido. Alemania construyó el SNR-300[LT]
Lecciones Aprendidas de Iniciativas anteriores
Viabilidad económica: La barrera de costes
Casi todos los proyectos FBR históricos superaron su presupuesto por un amplio margen. Los costos de capital por kilovatio instalados fueron dos o tres veces superiores a los LWR convencionales. Los costos altos se derivan de materiales exóticos, sistemas de seguridad complejos, largos períodos de construcción, y la necesidad de instalaciones de fabricación y reprocesamiento de combustible especializados.
Riesgos ambientales y de seguridad
Los sistemas de seguridad FBR son únicos y tienen que ser resistentes, pero los sistemas de seguridad de los residuos deben ser de alta seguridad, y los sistemas de seguridad de los residuos de los residuos de los sistemas de refrigerantes deben ser de alta seguridad.
Complejidad técnica y Durabilidad material
El flujo de neutrones alto en un núcleo FBR causa daños materiales significativos durante la vida del reactor. El revestimiento de combustible, las barras de control y los componentes estructurales deben soportar dosis de radiación que pueden superar 100 desplazamientos por átomo (dpa). El hinchamiento, la embritalación y el estruendo son problemas graves.
Gestión de proyectos y gobernanza
Muchos proyectos de FBR sufrieron de mala supervisión de la gestión, cambios de objetivos políticos y planificación inadecuada de contingencias. El proyecto del río Clinch se convirtió en un fútbol político; Monju sufrió de secreto y una "cultura de complacencia", en palabras de la Comisión de Energía Atómica de Japón. La lección: compromiso gubernamental estable y a largo plazo, supervisión regulatoria independiente y gestión transparente de proyectos no son negociables para un reactor de primera clase.
Colaboración internacional
No hay un solo país que tenga toda la experiencia necesaria para superar cada desafío. La iniciativa Foro Internacional de la Generación IV (GIF) y la iniciativa La iniciativa de la Agencia de Conservación Rápido de la AIE han intentado a veces unir datos y lecciones.El Acuerdo de Cooperación de Propulsadores Rápidos de la AUTORIA (EFRA) en la lección de los años 1990 fue un intento de compartir.
Iniciativas y Proyectos en curso
A pesar de los reveses, el interés por los FBRs ha revivido, especialmente en países con crecientes necesidades energéticas y el deseo de cerrar el ciclo del combustible. Los avances en la informática para el modelado, las mejoras en los materiales y el paradigma SMR están permitiendo nuevos enfoques.
India: Un programa nuclear de tres etapas
La India tiene el programa FBR más agresivo entre las naciones en desarrollo, arraigado en su plan de energía nuclear de tres etapas para utilizar el torio abundante. La primera etapa utiliza reactores de agua pesada presurizados; la segunda etapa utiliza FBR para reproducir plutonio de uranio y luego convertir el thorium en U-233; la tercera etapa utilizará U-233 en reactores avanzados.
China: Programa de reactores rápidos
China inició su programa FBR más adelante, pero se ha movido rápidamente. El China Reactor rápido experimental (CEFR) (20 MWe) logró la crítica en 2010 y se ha utilizado para pruebas. Basado en CEFR y la asistencia rusa, China está desarrollando los CFR-600]]
Rusia: BN-1200 y Proryv Project
Como se ha señalado, Rusia está construyendo el BN-1200, un reactor refrigerado por sodio de 1.200 MWe en Beloyarsk, con operación dirigida a finales de 2020s. El diseño BN-1200 incorpora lecciones de BN-600 y BN-800, incluyendo mejores generadores de vapor modulares, sistemas de seguridad mejorados y una configuración de agua de sodio-sodina.
International Collaborative Projects
El Foro Internacional Generation IV enumera tanto el reactor rápido refrigerado por sodio (SFR) como el reactor rápido refrigerado por plomo (LFR) entre seis tipos de reactores seleccionados. MYRRHA (Multi-propósito de investigación de uso híbrido para aplicaciones de alta tecnología) en Bélgica es un sistema impulsado por acelerador que probará el acto de conducción menor
Key Takeaways for the Future
- Reducción del costo mediante la modularidad y la producción en serie. Los futuros FBR deben diseñarse como unidades más pequeñas y estandarizadas que pueden ser construidas en fábrica y enviadas a sitios similares al enfoque SMR. Esto reduce el riesgo de construcción y permite la adición de capacidad incremental.
- Simplificar los sistemas de seguridad con características pasivas. Usar geometrías que aseguren la circulación natural para la eliminación de calor descompuesto, incluso en la pérdida de eventos refrigerantes. Incorporar retroalimentación de reactividad inherente que cierra el reactor sin acción del operador.
- ]Invertir en materiales y combustibles avanzados. Aceros ODS, compuestos de carburo de silicio y combustibles metálicos con alta quemadura pueden mejorar el rendimiento y reducir los desechos. Se necesitan instalaciones de prueba de radiación a largo plazo.
- Foster international knowledge sharing. Los repositorios de datos abiertos, los programas de investigación conjuntos y los estándares regulatorios compartidos pueden acelerar la concesión de licencias y evitar errores repetidos.
- Construir la confianza pública mediante la transparencia. La divulgación completa de los incidentes, la comunicación clara de los riesgos y beneficios, y la participación de los interesados locales son esenciales para la aceptación social.
- Resistencia contra la proliferación. Los diseños que minimizan la separación del plutonio puro, utilizan técnicas de desnaturalizante o se integran con instalaciones de reprocesamiento bajo salvaguardias internacionales pueden abordar las preocupaciones de no proliferación.
En resumen, el reactor de cría rápida ha recorrido un largo y rocoso camino desde los primeros experimentos hasta los actuales proyectos de demostración. Las lecciones de alto costo, complejidad de seguridad y inestabilidad de programas son claras. Sin embargo, la racionalidad subyacente —extrayendo gran cantidad de energía del uranio y reduciendo los desechos nucleares — sigue siendo convincente como el mundo busca energía de baja carga de carbono. Con el aprendizaje aplicado de iniciativas pasadas y presentes, y con un enfoque pragmático en proyectos de energía nuclear más pequeños, más simples y sostenibles