Los reactores de cría rápida (FBR) representan uno de los más ambiciosos y polémicos avances en la tecnología de la energía nuclear. A diferencia de los reactores de agua ligera convencionales que consumen el raramente isótopo de uranio-235, los reactores de cría rápida están diseñados para producir más material fisible que el uso de ellos.

¿Qué son los reactores de Breeder rápido?

En el núcleo de un reactor de cría rápida se encuentra una diferencia crucial de los reactores térmicos que dominan la flota nuclear del mundo. En un reactor térmico, los neutrones se ralentizan (moderados) por agua o grafito para aumentar la probabilidad de fisión con uranio‐235. Un reactor de cría rápida elimina el moderador, permitiendo que los neutrones mantengan alta energía cinética, por encima de 0.1V

El alto sistema de agua de anclaje y de fisión en los FBR generan calor intenso, hasta varios cientos megavatios por metro cúbico. Para eliminar este calor eficientemente y sin moderar neutrones, los FBR utilizan refrigerantes líquidos-metálicos. El sodio es la opción más común debido a su excelente conductividad térmica, baja absorción de neutrones y alto punto de ebullición (883°C a presión atmosférica).

Impacto en la cadena de suministro de combustible nuclear

Los FBR tienen el potencial de alterar fundamentalmente la economía y la geopolítica del combustible nuclear. Los reactores termales convencionales utilizan aproximadamente 0,7% del uranio natural, la parte U‐235 fisible. El 99,3% restante es uranio‐238, que se trata en gran medida como residuos ( uranio empobrecido). Los reproductores rápidos pueden convertir ese uranio-238 en plutonio-239, desbloqueando efectivamente un recurso energético ~140 veces más grande que el reactor de reactor de reactor de reactor de uranio.

Cerrar el ciclo de combustible. Para realizar estos beneficios, los FBR deben operar dentro de un ciclo de combustible “cerrado”: el combustible gastado de los reactores térmicos y rápidos se reprocesa para separar plutonio y otros transuranics, que luego se fabrican en nuevos elementos de combustible. Esto crea un sistema autosostenible que reduce drásticamente la necesidad de la minería de uranio fresco.

Potencia potencial del acuario. Los FBR también pueden diseñarse para utilizar el thorium‐232, que es tres a cuatro veces más abundante en la corteza terrestre que el uranio. Cuando el torio absorbe un neutro rápido, transmuta en uranio‐233—un isótopo fisible que puede ser reciclado. Los riesgos de la producción de RF de tono simplifican menos el plutonio

Seguridad energética. Para las naciones que ya poseen importantes reservas de uranio empobrecido (por ejemplo, Estados Unidos, Rusia, Francia y Reino Unido) o el plutonio reprocesado, los FBR ofrecen una manera de monetizar estos ‘ruidos’ en combustible valioso.

Ventajas de los reactores de Breeder rápido

Eficiencia del combustible y extensión de recursos

La ventaja más reconocida es el aumento espectacular de la utilización de recursos. Mientras un reactor de agua ligera extrae alrededor de 50 GW-días por tonelada de uranio minado, un FBR en un ciclo de combustible cerrado puede superar 1.000 GW-días por tonelada. Esta eficiencia significa que incluso los minerales de uranio de bajo grado se vuelven económicamente viables, y el costo del combustible se convierte en una fracción marginal del costo general de generación de electricidad.

Reducción de los desechos nucleares

Los criadores rápidos pueden ser diseñados como “quemadores” de isótopos transuranicos de larga vida, especialmente plutonio, americium y neptunium. Reciclando estos elementos repetidamente, la corriente final de residuos está dominada por productos de fisión con medio vida de unos pocos cientos de años en lugar de decenas de miles. La radiotoxicidad puede ser reducida por un factor de eliminación de 10 a 100 en comparación con el ciclo de resistencia térmica.

Sustainable Energy Independence

Para los países que planean depender mucho de la energía nuclear durante décadas, los FBR ofrecen un camino hacia la sostenibilidad sin dependencia del combustible externo. India, con sus modestas reservas de uranio pero con abundante torio, prevé una segunda etapa de los criadores rápidos alimentados por plutonio de sus reactores de agua pesada, seguido de una tercera etapa de reactores basados en el torio. Asimismo, Japón y Corea del Sur han investigado la tecnología de recuperación rápida para reducir.

Resistencia a la Proliferación (con cavernas)

Mientras que la reproducción de plutonio plantea preocupaciones de proliferación, el material producido en un FBR es menos atractivo para las armas que el plutonio criado en los reactores térmicos. El plutonio de fibra de carbono contiene una proporción más alta de los isótopos Pu‐238, Pu‐240 y Pu‐242, que generan calor intenso, neutrones espontáneos y radiación gamma que hacen difícil y peligroso el ciclo de combustible cerrado.

Problemas e inquietudes

Altos costos de capital y complejidad

Los FBR son mucho más caros para construir que los reactores de agua ligera. Requieren materiales exóticos para los componentes de refrigerante y núcleo, intercambiadores de calor avanzados y sistemas de carga de combustible fuertemente blindados. El bucle de sodio intermedio (intercambiador de calor de sodio a sodio) añade varios cientos de millones de dólares a una planta típica.

Riesgos de seguridad: Fuegos Sodiosos y Reacciones de Agua

Los sodio líquidos queman espontáneamente en el aire y explotan en contacto con el agua. Varios accidentes FBR han sido causados por fugas de sodio: el reactor de Japón Monju (1995) experimentó un fuego de sodio que llevó a su descomunión; Superfénix (1990) de Francia sufrió de repetidas fugas de sodio y problemas estructurales antes de ser apagado.

Riesgos de proliferación de la producción de plutonio

A pesar de la mezcla isotópica que dificulta la militarización, la existencia de grandes existencias de plutonio separado en instalaciones de reprocesamiento es una preocupación de proliferación. Cualquier país que opera una FBR y una planta de reprocesamiento podría desviar el plutonio para armas.El Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA) requiere salvaguardias estrictas, y varios estados (incluyendo la política de Estados Unidos) han detenido la reprocesamiento comercial para evitar establecer un laboratorio de estancado.

Immaturidad tecnológica y cuestiones operacionales

No FBR ha demostrado una operación comercial de larga duración y fiable. El prototipo más exitoso — Phénix de Francia (254 MWe)— ha funcionado de 1973 a 2009 pero con frecuentes interrupciones. El BN-600 (1980) de Rusia ha sido más confiable, con un factor de capacidad superior al 80% en los últimos años, pero utiliza combustible de uranio muy enriquecido en lugar de la intensa operación de recortado de ciclo cerrado MOX.

Retos de desecho y procesamiento

El ciclo cerrado que hace eficientes los FBR también requiere plantas de reprocesamiento a gran escala. Estas instalaciones son intensivas en capital y producen sus propios desechos radiactivos líquidos. La separación de actinios menores de plutonio y uranio es técnicamente exigente y aún no se demuestra a escala industrial. Además, el transporte de plutonio y conjuntos de combustible recién separados plantea cuestiones de seguridad y logística.

Global Developments and Future Outlook

Rusia

Rusia lidera el mundo en desarrollo de reactores de raza rápida. El BN‐600 (600 MWe, sodium-cooled) ha estado operando desde 1980 en Beloyarsk. El mayor BN‐800 (880 MWe) comenzó a funcionar comercial en 2015 y es el primer reactor rápido para utilizar el combustible MOX en un ciclo cerrado. Rosatom está diseñando el BNak‐1200M, apuntando a un diseño de referencia que podría ser exportado

India

El prototipo de reactor de cría rápida (PFBR), un reactor de tipo loop refrigerado por sodio en Kalpakkam, está a punto de encargarse después de décadas de retraso. Utilizará un combustible de carburo mixto de uranio y plutonio. Una vez probado, India planea construir una flota de FBR-1 y FBR2 para generar suficiente combustible en el desarrollo de combustible nuclear.

China

China ha entrado en el campo de la raza rápida agresiva. El reactor rápido experimental de China (CEFR, 65 MWe) alcanzó la importancia crítica en 2010. El reactor rápido de China 600 (CFR‐600), una unidad de 600 MWe sodium-cooled, está en construcción en Xiapu en la provincia de Fujian, con la primera crítica prevista en finales de 2020s. China tiene como objetivo desplegar una serie de FBRs para cerrar su ciclo de combustible importado y reducir la dependencia.

Francia

Francia operaba históricamente el 250 MWe Phénix y el 1.200 MWe Superphénix, siendo el último el mayor FBR jamás construido. Ambos han sido cerrados; Superphénix estaba plagado de problemas técnicos y oposición pública. Sin embargo, Francia continúa rápidamente el R 75%D, centrándose en el proyecto ASTRID (Reactor Tecnológico avanzado de Sodio para la Demostración Industrial), aunque la financiación ha sido reducida en los últimos años.

Japón

Japón operaba el 280 MWe Monju desde 1994 hasta que una fuga de sodio en 1995 llevó a un cierre largo. Finalmente fue descompuesto en 2016. El programa de puntuación rápida de Japón se centra ahora en el reactor experimental de Joyo (100 MWth) e investigación en conceptos de plomo-bismut y helio-cooled a través del Organismo de Energía Atómica de Japón (JAEA).

Estados Unidos

El sistema de almacenamiento de combustible de Natröl no ha construido un FBR comercial desde que el proyecto de Reactor de Breeder del Río Clinch fue cancelado en 1983. Sin embargo, el reactor experimental Breeder Reactor II (EBR-II) en el Laboratorio Nacional de Idaho operado de 1964 a 1994 y demostró características de seguridad inherentes como el cierre pasivo durante pruebas de pérdida de flujo.

Colaboración internacional: Generación IV

El Foro Internacional de Generación IV (GIF) incluye sistemas de rápido alcance como dos de sus seis diseños seleccionados: el reactor rápido refrigerado (GFR), el reactor rápido de cola izquierda (LFR) y el reactor rápido de sodio-conocido (SFR) El avance de la SFR es el más maduro, mientras que la proliferación LFR (por ejemplo, el BREST‐300 de Rusia)

Conclusión

Los reactores de cría rápida tienen el potencial de transformar la cadena de suministro nuclear del mundo de una industria de recursos finitos en una empresa casi sostenible. Al desbloquear el contenido energético de uranio-238 y torio, podrían extender las reservas de combustible durante miles de años, reducir el volumen y la radiotoxicidad de los desechos de alto nivel, y ofrecer independencia energética a las naciones sin uranio doméstico. Países como Rusia, India y China ya están avanzando con problemas de seguridad operativos

El futuro de los FBR dependerá de mejoras tecnológicas continuas, especialmente en la ciencia de materiales, técnicas de reprocesamiento y sistemas de seguridad pasivos, así como de marcos regulatorios internacionales que aseguran la no proliferación. La AIE promueve activamente la tecnología de punta rápida y proporciona bases de datos sobre reactores rápidos en todo el mundo.

Más lectura: Para una visión general de la tecnología de rápidos resultados y los programas nacionales, vea la página de la Asociación Mundial de Nucleares sobre reactores de maní rápidos. Para un análisis histórico detallado y las especificaciones técnicas de FBRs pasados y presentes, el IAA Advanced Reactors Information System (FLT).