Aquí hay una publicación que escribí para un curso de Coursera que estaba TA’ing. Algunos de los puntos pueden ser ligeramente discutibles (o no aplicables a todos los diseños MSR / LFTR), pero espero que refleje una idea clara de la dificultad en los MSR. También se puede decir que rara vez se elimina un desafío sin que surja otro … así que ten cuidado con lo que escribes con un “bueno, puedo deshacerme del grafito usando X” o algo así. Puedo decir, habiendo hablado con contemporáneos de compañías diferentes y conocidas (y National Labs) además de la mía (Westinghouse), que no estoy solo en este pensamiento. Por último, debo decir que esto realmente representa mis pensamientos personales sobre los problemas y no los de mi empleador.
Me voy a centrar en el reactor de fluoruro de torio líquido (LFTR) porque parece ser el más popular.
Primero, permítanme cubrir la teoría operativa básica y las ventajas de un LFTR. La idea es que tenga un refrigerante de sal fundida. Este refrigerante está compuesto de fluoruro, litio y berilio. Esto forma dos sales, fluoruro de litio y fluoruro de berilio. Este refrigerante tiene excelentes propiedades en capacidad calorífica, punto de ebullición, presión de vapor y neutrónicos. Esto lo hace relativamente transparente a los neutrones, un gran conductor de calor, y mantiene una baja presión en el recipiente, permitiendo la operación a presión atmosférica. Las sales de fluoruro son extremadamente estables y, por lo tanto, muy adecuadas para un entorno de alta radiación. Además, los productos de fisión (con los que hablaré más adelante) tienden a no formar compuestos con berilio, litio o fluoruro.
Intercalado con la sal está el combustible, en este caso torio y alguna forma de material de semilla (uranio o plutonio). La mezcla de sal / combustible pasa a través de un “núcleo” donde reside el moderador de grafito, así como un dispositivo de control. La fisión ocurre en este “núcleo”, calentando la mezcla e irradiando el torio. El torio se cría en uranio 233 a través de esta irradiación. El uranio 233 es un excelente combustible fisible (a diferencia del torio fértil) y mantiene reacciones continuas. O, por supuesto, esta fisión libera una desagradable cerveza de productos de fisión. Lo bueno de un LFTR es que la sal se filtra constantemente y se eliminan. Esto significa que nunca hay una gran cantidad de calor de descomposición presente en el sistema del reactor. También significa que el xenón y el samario no se acumulan. Estos son fuertes absorbedores de neutrones y, en última instancia, limitan la cantidad de uranio que se quema en un PWR normal (por lo tanto, todavía tenemos aproximadamente 1% de U235 y 0.7% de Pu cuando terminamos de quemar). Además, dado que el calor de descomposición es bajo, la presión baja y el sistema está diseñado para una mezcla fundida / sólida ya, en realidad no se producen “derretimientos”, ni ocurre un accidente en el reactor con mucha energía que impulsa la liberación del producto de fisión. Las fugas tienden a autocurarse también, ya que la sal se solidificará, tapando la fuga. Nota : Si bien el reactor en sí es muy inherentemente seguro, los productos de fisión concentrados seguirán existiendo en algún lugar del sitio, y estoy seguro de que un buen ARP encontrará escenarios que darían lugar a su liberación … nada es perfecto en la vida.
Algunas otras ventajas incluyen metales menos activados en el núcleo. La sal, el combustible y el grafito ven la mayoría de la radiación de neutrones. Solo una pequeña cantidad de metal ve un flujo de neutrones significativo. Esto facilita el desmantelamiento de alguna manera (más sobre eso más adelante). Los LFTR tampoco producen mucho desperdicio a largo plazo. Como la mezcla se filtra constantemente, los elementos no permanecen en el refrigerante el tiempo suficiente como para acumularse en transuránicos de larga duración. De hecho, también son particularmente buenos para fisionar algunos de estos elementos de larga vida, lo que los convierte en buenos reactores de quemadores también sin algunas de las dificultades de los reactores rápidos. También producen muchos isótopos / materiales médicos y de tierras raras útiles. El procesamiento los saca en cantidades comerciales utilizables. Por último, las altas temperaturas permiten altas eficiencias en el ciclo termodinámico. Esto tiene un gran impacto en la economía de las plantas.
Por supuesto, no todo son rosas. Existen numerosos desafíos / dificultades con los LFTR.
Uno primario es la contaminación de litio 6 en la sal. Si bien el litio 7 puro se produce hoy en día para los reactores (hidróxido de litio utilizado para alcalinizar la química del reactor), es increíblemente costoso (~ $ 1000 / kg) y su fabricación está cuidadosamente controlada por el gobierno. La cantidad de litio 6 permitida en la sal de un MSR también es asombrosamente baja, por lo que es probable que cualquier proceso de separación sea costoso (sin mencionar la cantidad que debe generarse). El berilio también es MUY caro (también alrededor de $ 1000 / kg). Nota al margen : el berilio es un material increíble. Actúa como un multiplicador de neutrones y tiene fuerza: peso similar a la fibra de carbono. Algunos han dicho que este litio podría fabricarse de manera más económica, pero como hemos descubierto en diseños de reactores anteriores con refrigerantes algo oscuros, la economía se vuelve bastante difícil.
Otra consideración para muchos MSR (y el LFTR en particular), es el hecho de que los productos de fisión y los transuránicos se purifican constantemente del refrigerante / combustible. Esto tiene muchas ventajas, pero también causa ciertos desafíos de proliferación que con frecuencia se pasan por alto. Como se mencionó, generalmente se necesita un material de semilla inicial. Esto viene en forma de un uranio altamente enriquecido típicamente. Entonces, está comenzando con un material HE (riesgo de proliferación), produciendo Pu239 a partir del presente U238 y luego filtrándolo antes de que forme Pu240 (también conocido como Pu239 de alto grado: riesgo de proliferación). Además, el filtrado de las sales también puede extraer el protactinio. Esto da acceso a U-233 de alto grado, un material de bomba (utilizado en la ojiva Davy Crocket W-54). Por último, el filtrado también da acceso al neptunio, que los diseñadores de armas estadounidenses consideran que es similar al U235 en cuanto a usabilidad de armas. Su dificultad de producción ha impedido su uso en ojivas (al menos que yo sepa), pero sigue siendo un material de armas muy impresionante.
El hecho de que el combustible esté realmente en el refrigerante y esté suspendido en todo el circuito también plantea algunos desafíos. Desde el punto de vista de la controlabilidad, los LFTR son desafiados por neutrones retrasados. Los neutrones retrasados son el regalo mágico de Dios que permite a los reactores tener un control fácil en estado estable. Básicamente, la mayoría de los neutrones necesarios para mantener la reacción crítica son rápidos … también se producen directamente de otras fisión y, dadas las escalas de tiempo involucradas, pueden causar cambios muy rápidos en el poder. Sin embargo, un pequeño porcentaje de neutrones se retrasa, ya que provienen de la descomposición de los productos de fisión. Hay 6 grupos de emisores de neutrones retrasados que observamos en la física del reactor. Emiten neutrones con escalas de tiempo en el rango de pocos segundos a dos minutos. Esto significa que podemos “arrastrarnos” en la criticidad. Con el tiempo de circulación del refrigerante, aproximadamente la mitad de estos se pierden, lo que significa que el reactor debe funcionar más cerca de la pronta crítica. Esta es una situación en la que hay suficientes neutrones rápidos disponibles para impulsar cambios rápidos de energía. Esto significa que los LFTR serán menos estables durante los transitorios rápidos. Las propiedades térmicas de la sal y el grafito probablemente significarán que esto no es un riesgo de seguridad, pero un reactor inestable aún no es algo bueno para un operador, regulador o empresa comercial.
La presencia de combustible y productos de fisión en todo el RCS también causa otros desafíos. Los neutrones retrasados perdidos fuera del núcleo (mencionados anteriormente) introducirán la activación de material de bajo nivel en todo el RCS. Además, la mezcla increíblemente compleja de productos de fisión que ahora flota flotando da como resultado el enchapado con metales nobles. Esto es un desafío en el espacio de mantenimiento y desmantelamiento debido a la contaminación y también es una preocupación para el rendimiento del intercambiador de calor, la reducción del área de la ruta de flujo y los impactos potencialmente perjudiciales en componentes mecánicos como válvulas, bombas, mecanismos de control, etc. Algunos de los productos de fisión son También es corrosivo o dañino (como el telurio), atacando algunos de los metales de alto grado que se usan típicamente en los reactores (mi amigo de doctorado cita esto como otro desafío principal). Estoy seguro de que la NRC y otros organismos reguladores tendrán un día de campo con el “¿Qué pasa si?” Causado por este potencial.
El uso de grafito en el núcleo es un desafío por varias razones. Uno es el hecho de que el grafito en áreas de alto flujo de neutrones tiende a degradarse rápidamente con el tiempo. Se hincha, acumula tensiones internas y generalmente se vuelve inutilizable con el tiempo. Es probable que el grafito necesite ser reemplazado con frecuencia (se dieron estimaciones de 4 años en la década de 1960). El grafito también tiende a tener propiedades de moderación cada vez más favorables para U233 a medida que aumenta la temperatura. Esto conduce a un coeficiente de reactividad térmica positivo (también conocido como más temperatura = reacción más rápida). Esto no es bueno en el diseño de reactores. Desafortunadamente, los diseños requeridos para evitar esto hacen que la cría de torio sea más desafiante. Por lo tanto, será un gran desafío regulatorio equilibrar la reproducción, la seguridad y la confianza reguladora (la seguridad y la confianza reguladora no siempre son lo mismo).
Por último, si te equivocas operacionalmente, podrías terminar teniendo sales congeladas en el circuito del reactor. Licuar estas sales podría resultar bastante difícil, aunque no imposible. Esto no es totalmente diferente a los subreactores Alfa rusos que utilizaron refrigerante de plomo y bismuto. Necesitaban un calentamiento constante cuando los núcleos no eran críticos. De vez en cuando esto se perdió y los reactores se congelaron, destruyéndolos. Creo que hay soluciones que se han ideado, solo me preocupo más por las inspecciones requeridas después de licuar la sal nuevamente. Estoy seguro de que sería un proceso largo y arduo. Un montón de “qué pasa si” de nuevo.
Tenga en cuenta que ninguno de los desafíos anteriores es imposible de diseñar. Lo que me asusta más que la capacidad de formular una solución es la capacidad tanto de formular la solución como de obtener una licencia. Y aunque algunos podrían descartar los riesgos de proliferación, creo que todos ellos son técnicamente más factibles desde el punto de vista de la creación de armas que cualquier cosa que exista en un LWR, sin embargo, todavía nos persiguen las preocupaciones de proliferación con poca base en la realidad. Así que creo que el LFTR sería un objetivo jugoso para personas con esa mentalidad. Creo que el programa LFTR de China probablemente tendrá éxito. Tienen la combinación correcta de fondos ilimitados, un regulador abierto y no se permiten interferencias públicas que puedan hacer que sucedan cosas como esta.
Doy la bienvenida a LFTR, FHR, reactores de gas y otras opciones novedosas. Más, mejor es mi opinión. Lo que me molesta es la actitud que algunos tienen de que la nueva tecnología “X” es tan directa y simple que deberíamos dejar de hacer lo que estamos haciendo, abandonarla e inmediatamente enfocarnos en lo nuevo. En algún momento debe decir: “Esto es lo que tenemos ahora, es una buena tecnología y estamos avanzando con ella”. A menudo, lo perfecto es el mayor enemigo de lo bueno … especialmente cuando se trata de las escalas de tiempo presentes. Según algunos, nuestra ventana para el cambio climático se mide en un pequeño número de décadas (por cierto, no ofrezco opinión sobre el cambio climático … fuera de mi experiencia). Nuestros horarios en la estabilidad de la red estadounidense son aún más cortos. Como tal, creo que avanzar con los excelentes LWR de hoy en día (AP1000, EPR, APWR, ABWR, ESBWR, VVER-TOI / AES2006) es un movimiento inteligente. No veo ningún peligro inminente con seguir adelante con esos modelos.
