¿En qué se diferencia el reactor nuclear a base de torio de un reactor nuclear a base de uranio convencional?

Answer 1

Creo que sería mejor presentar esta respuesta al señalar que hay tres tipos de combustible nuclear:

• Uranio-233 ( de torio-232 )
• Uranio-235
• Plutonio-239 (a partir de uranio-238 )

Los reactores nucleares convencionales (por ejemplo, LWR, CANDU) están diseñados para utilizar predominantemente el isótopo fisionable natural U-235, que ocurre como un porcentaje lamentablemente pequeño de todo el uranio natural (~ 0.7%), mientras que el uranio restante se encuentra como U- 238 (~ 99.3%), que, al igual que el torio-232, es fértil , no fisionable .

Si bien los reactores de fisión nuclear IV de la generación futura, como los Reactores de criador rápido de metal líquido (LMFBR), que lamentablemente fueron priorizados por la administración de Nixon a fines de la década de 1960, podrían acelerar los neutrones lo suficiente como para que el uso de uranio-238 sea una fuente viable de fisible combustible: la alternativa que se cerró en 1969 y no se revisó hasta medio siglo después, el Reactor de sal fundida (MSR), ofrece numerosas ventajas de seguridad inherentes y podría utilizar los tres tipos de combustibles . Aunque hay beneficios muy notables al emplear torio particularmente.

Al ser bombardeados con un neutrón, los materiales fuente fértiles como Th-232 y U-238 no se separarán en elementos más pequeños y emitirán neutrones adicionales como materiales fisibles, sino que absorberán el neutrón y se transmutarán en otra cosa. Pero como su pregunta se refiere específicamente al torio, solo entraré en detalles sobre la cadena de descomposición del Th-232.

Th-232 puede absorber un neutrón y luego volverse inestable Th-233, que es un isótopo de corta duración que luego sufre descomposición beta (el neutrón adicional se convierte en un protón) después de 22 minutos, convirtiéndose en protactinio-233. Pa-233, después de alrededor de 27 días, se desintegrará beta en uranio-233, el combustible fisible de su vecindario amigable.

Parte de la gran promesa detrás de los combustibles nucleares a base de torio, además de su abundancia geográfica y su vida media de 14 mil millones de años, es que ofrecen la capacidad de ser utilizados como combustible líquido, en lugar de un óxido sólido en una barra de combustible, como ese de los cuales es utilizado por todos los reactores existentes.

Al disolver los gránulos de combustible de torio y uranio en una mezcla de sales de fluoruro de litio y berilio (FLiBe), o fluoruros de berilio de sodio (NaBe), puede incubar con seguridad el combustible fundido a medida que fluye por todo el sistema a unos 700 ° C en un futuro próximo. MSR como el Reactor de torio de fluoruro líquido (LFTR) o el ThorCon.

Estas cosas realmente funcionan como elegantes teteras. A medida que la sal de combustible que circula en un circuito primario (a presiones atmosféricas) genera grandes cantidades de energía térmica, transfiere esa energía a través de un intercambiador de calor a un circuito secundario que contiene una sal refrigerante sin combustible, que luego puede usar ese calor hervir agua para alimentar turbinas de vapor, generando electricidad. Este es un pivote bastante grande de cómo funcionan los reactores convencionales, especialmente en lo que respecta a los niveles de presión, que es otro factor para la seguridad MSR.

Estos tipos de reactores producirían una eficiencia dramáticamente más alta en lo que respecta a las cantidades de energía latente que se pueden extraer del combustible antes de necesitar ser removidas, reprocesadas y reemplazadas. Estos reactores también reducirían en gran medida las cantidades de desechos de larga vida producidos, e incluso pueden producir algunos isótopos increíblemente raros y valiosos como subproductos, a saber, helio-3 , bismuto-213 (utilizado para la selección altamente selectiva de células cancerosas por partículas alfa emisión), y plutonio-238 (un isótopo crítico para las baterías de vehículos de exploración del espacio profundo de la NASA, que de otro modo se ha agotado) como algunos ejemplos.

Answer 2

Esa es una buena pregunta. Sin embargo, en realidad, no necesitan diferir sustancialmente. Por ejemplo, el diseño de CANDU puede ejecutarse con una proporción de torio en su combustible sin alteraciones importantes en el diseño del núcleo, y de hecho sin grandes cambios en la forma en que podrían realizar operaciones. India está explorando esta idea bastante, ya que tienen abundantes reservas de torio y mucha experiencia en CANDU.

Sin embargo, sospecho que está pensando en los reactores más originales alimentados con torio, donde el torio se utiliza como combustible principal.

En este sentido, tiene dos diseños distintos, un reactor reproductor rápido convencional y el diseño de sal fundida muy emocionante.

Discutiré lo último porque el primero no es significativamente diferente de los diseños alimentados con uranio.

El diseño de la sal fundida tiene varias diferencias:

1. El núcleo normalmente está moderado por grafito. La mayoría de los diseños PWR / BWR usan agua ligera.
2. El tamaño de un núcleo PWR / LWR real es bastante modesto en relación con su potencia de salida. Por el contrario, el RMBK, el reactor de gas avanzado y CANDU son más grandes, un MSR será bastante considerable si tiene la intención de obtener 1GW de él.
3. La disposición del sistema de enfriamiento para un reactor de sal fundida será muy diferente. Para empezar, debido a que las sales tienen una gran capacidad de carga de calor y el reactor funcionará a una temperatura más alta, sus intercambiadores de calor pueden ser mucho más pequeños, se reduce la cantidad de tuberías y bombas.
4. Un reactor de sal fundida no tiene barras de combustible, no tiene pasadores de combustible y no necesita ninguna forma de control de reactividad además de las barras de control. El combustible se mezcla con el refrigerante y solo sufrirá fisión cuando esté dentro del núcleo, donde la proximidad del moderador lo hace posible.
5. La presión de funcionamiento de un MSR será muy baja, no la presión atmosférica debido a la necesidad de contener gases en su interior, pero el refrigerante no se mantendrá bajo presión como el agua en un reactor típico que tiende a ser de aproximadamente 1000PSI o más. Debido a esto, todas las tuberías y tuberías internas y el recipiente del reactor en sí mismo pueden diseñarse de manera muy diferente, no necesita soportar grandes presiones.
6. Por el contrario, el recipiente del reactor y los sistemas asociados deberán diseñarse para hacer frente a la temperatura elevada del refrigerante de sales fundidas y también al hecho de que la mayoría de las sales a base de halógeno son asesinamente corrosivas (al menos en comparación con el agua ligera). Hay materiales que puede usar que pueden resistir esto y también otras formas inteligentes de reducir o mitigar los problemas de corrosión, pero las sales son sales.
7. Por último, pero no menos importante, el método de reabastecimiento de combustible de un MSR operativo será muy diferente al de un reactor convencional. La mayoría de los reactores deben apagarse, despresurizarse, enterrarse en agua, abrir sus recipientes a presión, etc., antes de que el combustible se pueda reorganizar o cambiar. En un MSR, puede verter literalmente una mezcla de combustible / sal solidificada mientras está en funcionamiento.

Answer 3

El combustible de uranio convencional consiste en varillas sólidas de alto grado sin varilla. Esto requiere un refrigerante de agua y un combustible estacionario. Los reactores a base de torio generalmente consisten en una sal de fluoruro de torio líquida a alta presión. Tener una sal líquida permite que la solución se maneje sola, si la reacción es demasiado rápida, se quemará a través del combustible haciendo que se desacelere, si no es lo suficientemente rápido, habrá mucho más combustible disponible que lo acelerará. Esto también permite la fácil extracción del reactivo en caso de emergencia porque es líquido y puede fluir con la gravedad. Desafortunadamente, debido a que es torio, se requiere una semilla, generalmente plutonio.

Answer 4

El torio es capaz de reproducir U233 como el uranio puede reproducir PU239. Ambos son fisibles cuando se exponen a neutrones libres. El uranio natural tiene la ventaja de tener U235, que lo convierte en un combustible adecuado para producir energía y más combustible.