Reactores rápidos de la cría y la economía circular: reciclaje y reutilización de materiales nucleares

La relación de cría, la cantidad de material fisionable producido por unidad consumida, puede exceder 1.0, normalmente oscila entre 1.04 y 1.2 en FBR bien diseñados. Durante la vida del reactor, esto significa que puede generar combustible adicional para iniciar otros reactores o reciclar en su propio núcleo. Esta capacidad para multiplicar la energía usable del uranio por un factor de 50 a 100 en comparación con los reactores térmicos de una sola vez es la promesa principal de la tecnología de cría.

Cuán rápido se diferencian los reactores de la cría de los reactores térmicos

Neutron Spectrum y Ciclo de combustible

La distinción fundamental radica en la energía de neutrones. Los reactores termales frenan los neutrones a unos 0.025 eV, lo que maximiza la probabilidad de fisión de uranio-235 y plutonio-239, pero también conduce a una mayor probabilidad de captura parasitaria en los productos de fisión y materiales estructurales. Los reactores rápidos mantienen los neutrones en las energías altas, lo que reduce la sección de absorción de neutrones de los productos de fisión y permite la conversión rápida

Selección de refrigerantes

Para evitar moderar neutrones, los FBR no pueden usar el agua como refrigerante. El agua es un excelente moderador debido a su contenido de hidrógeno. En cambio, los reactores rápidos emplean refrigerantes con baja potencia de moderación, como sodio líquido (el más común), plomo líquido o plomo-grande, y en diseños avanzados, gas helio o sales fundidas.

Configuración básica y diseño de combustible

Los núcleos rápidos de reactores son más compactos que los núcleos de reactores térmicos porque el camino medio libre de neutrones rápidos es más largo, lo que requiere una mayor densidad fisible para lograr la crítica. El combustible consiste típicamente en óxidos mixtos (MOX) de uranio y plutonio, pero los combustibles metálicos (por ejemplo, aleaciones de uranio-plutonio-zirconio) están también en desarrollo.

La economía circular y los materiales nucleares

La economía circular es un modelo económico que pretende mantener los recursos en uso durante el mayor tiempo posible, extraer el máximo valor de ellos, luego recuperar y regenerar productos y materiales al final de su vida útil. En la industria nuclear, esto se traduce en cerrar el ciclo del combustible nuclear: en lugar de tratar el combustible gastado como desperdicio, se reprocesa recuperar uranio y plutonio utilizables, y los productos de fisión restantes y actinides menores se gestionan más eficazmente.

Los reactores de cría rápida son centrales para esta visión. Pueden consumir el plutonio recuperado del reactor convencional gastado combustible y también quemar los actinides menores de larga vida, reduciendo el tiempo que los desechos de alto nivel deben ser aislados del medio ambiente de cientos de miles de años a unos pocos cientos de años. Esta alineación con principios de economía circular está impulsando un renovado interés en los FBR de países con grandes programas nucleares, como India, Rusia, China, Japón, Francia y Reino Unido.

Reciclaje en los reactores de Breeder rápido

El proceso de reciclaje comienza con el reprocesamiento de combustible gastado. El combustible gastado descargado de un reactor térmico contiene alrededor de 1% plutonio, 95% de uranio (principalmente uranio-238), y 4% de productos de fisión y actinides menores. En un ciclo convencional de una vez a través, toda esta mezcla está destinada a la eliminación geológica directa. En un ciclo cerrado, el combustible se disuelve en ácido nítrico, y el reactor térmico de plutonio más separado químicamente (el)

Los reactores rápidos utilizan este plutonio reciclado como combustible básico. El material de manta, uranio empobrecido, también es reprocesado para extraer el plutonio de nuevo rojo después de la irradiación. Los métodos modernos de reprocesamiento avanzado (como PYROX, UREX+ y DIAMEX-SANEX) tienen como objetivo separar no sólo uranio y plutonio sino también el acto de transmutación de menor americicio y rápido

Ventajas de Reciclaje con FBR

• Mayor eficiencia del combustible: Un reactor de cría rápida puede extraer alrededor del 60-70% del contenido energético del uranio, en comparación con menos del 1% en un reactor de agua ligera de una vez por vía rápida.
• Reducción de desechos radiactivos de larga vida: Al quemar plutonio y actinides menores, el volumen y la radiotoxicidad de los desechos de alto nivel pueden reducirse en más del 90%.
• Independencia de recursos: Los países sin mineral de uranio abundante pueden utilizar las reservas de combustible gastados existentes como recurso, mejorando la seguridad energética.
• Sostenibilidad: Con la reproducción, los recursos de uranio disponibles pueden potenciar la civilización durante milenios, haciendo de la energía nuclear un recurso similar a las energías renovables.
• ]Empresión ambiental reducida: Se requieren menos minería, fresado y enriquecimiento, reduciendo los impactos ecológicos del ciclo del combustible nuclear.

Desafíos y obstáculos

A pesar de sus ventajas convincentes, los reactores de cría rápida no han sido ampliamente desplegados. Quedan varios obstáculos técnicos, económicos y sociales.

Retos técnicos y operacionales

Los reactores rápidos operan a temperaturas más altas y con radiación de neutrones más intensa que los reactores térmicos. Esto impone una demanda extrema de materiales: revestimiento de combustible, componentes estructurales básicos y sistemas refrigerantes deben soportar la hinchazón, embritalamiento y corrosión durante décadas. El refrigerante de sodio presenta riesgos de incendio y explosión, que requieren sistemas de seguridad elaborados.

Factores económicos

Los reactores de cría rápida son inherentemente más costosos de construir que los reactores de agua ligera debido a los materiales exóticos, los sistemas de manejo de sodio y los márgenes de seguridad más altos requeridos. Los costos de capital elevado, combinados con el bajo precio del uranio y la abundancia actual de la capacidad de enriquecimiento, han hecho que los FBR no sean económicos en la mayoría de los mercados.

Riesgos de proliferación

El plutonio producido en reactores de cría rápida puede ser desviado para el uso de armas si no se salvaguarda adecuadamente. Mientras que el plutonio de grado reactor es menos adecuado para armas que el material de grado de armas, podría ser utilizado por actores estatales o grupos terroristas sofisticados. Las salvaguardias internacionales (IAEA), las medidas de protección física y los ciclos de combustible resistentes a la proliferación (por ejemplo, el reprocesamiento y la quema en una red simbiótica) son necesarios)

Percepción y política públicas

La energía nuclear en general enfrenta escepticismo público en muchos países, y los reactores de cría rápida están asociados con la producción de plutonio para armas. Además, los largos plazos para el desarrollo y el alto costo de los proyectos de demostración los hacen políticamente sensibles. El apoyo a la política ha disminuido y se ha reducido, Estados Unidos canceló el Reactor de Breeder del Río Clinch en 1983, y Francia abandonó los proyectos de Superphénix en 1997.

Proyectos actuales y Perspectivas Futuras

Varios países están desarrollando activamente reactores de cría rápida e infraestructuras asociadas del ciclo de combustible.

Rusia: el BN-800 y el BN-1200

Rusia opera el BN-800, un reactor de 880 MWe rápido en la central nuclear de Beloyarsk, que comenzó a funcionar comercial en 2016. Utiliza refrigerante de sodio y combustible MOX, y se ha utilizado para probar tecnologías de reprocesamiento y quemar pequeños actinides. Rusia planea construir un mayor BN-1200 y también está desarrollando un reactor rápido refrigerado por plomo (BREST-300) como parte de un ciclo de combustible nuclear cerrado.

India: PFBR y más allá

India tiene un programa nuclear de tres etapas diseñado para maximizar la utilización de sus abundantes reservas de torio, con reactores de cría rápida como segunda etapa.El 500 MWe Prototype Fast Breeder Reactor (PFBR) en Kalpakkam está llegando a encargarse después de una extensa construcción. India imagina una flota de FBRs para reproducir plutonio y luego cargar mantas de torio para producir uranio-233 para la tercera etapa de los principios de reactores avanzados.

China: Reactores experimentales y de demostración

China opera el reactor rápido experimental de China (CEFR), un reactor de 65 MWt de tipo sodio que alcanzó la crítica en 2010. Un reactor de demostración más grande, el CFR-600, está en construcción y se espera que comience a mediados de 2020. La ambiciosa expansión nuclear de China incluye planes para FBRs comerciales para 2030, junto con un programa de reprocesamiento integral de combustible gastado.

Europa: ASTRID y MYRRHA

El proyecto ASTRID de Francia (Reactor Tecnológico avanzado de Sodio para la Demostración Industrial) tenía como objetivo construir un reactor rápido de 600 MWe enfriado por sodio como sucesor de Phénix y Superphénix. Sin embargo, en 2019 el proyecto fue suspendido debido a limitaciones presupuestarias y prioridades en evolución. Bélgica está desarrollando MYRRHA, un sistema de integración multipropósito en frío de acelerador que puede actuar en el espectro de de des.

International Initiatives

El Foro Internacional Generation IV (GIF) incluye diseños rápidos de reactores como candidatos principales: el reactor rápido refrigerado por sodio (SFR), el reactor rápido refrigerado por plomo (LFR) y el reactor rápido refrigerado por gas (GFR). Los miembros colaboran en investigación, estándares de seguridad y desarrollo tecnológico. El OIEA también apoya redes rápidas de reactores y coordina bases de datos sobre datos experimentales de reactores rápidos.

Conclusión: Un camino hacia la energía nuclear sostenible

Los reactores de cría rápida no son meramente una curiosidad técnica; son el eje de una economía circular nuclear. Al convertir uranio fértil-238 en plutonio fisible y al incendiar los desechos transuranicos de larga vida de reactores convencionales, los FBR pueden reducir drásticamente el volumen y la toxicidad de los desechos nucleares al tiempo que se extienden los recursos de uranio por órdenes de magnitud.

Sin embargo, el camino hacia el despliegue comercial es largo y costoso. Los fracasos pasados y los altos costos de capital han templado entusiasmo, pero los renovados compromisos en Rusia, India y China demuestran que la tecnología es viable cuando se apoya en una política coherente e infraestructura integrada. Las innovaciones futuras en materiales, tecnología de refrigerante y química de reprocesamiento seguirán disminuyendo los costos y mejorando la seguridad y la resistencia a la proliferación.

A medida que el mundo busca fuentes de energía bajas en carbono que puedan operar continuamente, los reactores de cría rápida ofrecen una combinación única de energía de carga base, reciclaje de combustible y reducción de desechos. Su éxito dependerá de la cooperación internacional, aceptación pública y las condiciones económicas que hacen atractiva la cría. Para las naciones que buscan la independencia energética y una solución al problema de los desechos a largo plazo, el reactor de cría rápida sigue siendo el camino más prometedor para cerrar el ciclo de combustible nuclear y lograr una verdadera economía circular para los materiales nucleares.