¿Qué tan pequeño se puede construir un reactor nuclear para obtener energía?

Answer 1

Jim Trowbridge tiene una buena respuesta sobre las fuentes de energía de desintegración por radio, pero trataré de abordar las fuentes de energía de fisión críticas.

Estos se pueden hacer con la potencia más baja que desee. Algunos reactores de investigación son solo unos pocos kilovatios de energía térmica. Pero probablemente te refieres a cuán pequeños pueden ser física / mecánicamente .

La respuesta depende de cuán enriquecido sea el combustible que use y cuánta seguridad y protección requiera para su aplicación. Si usa U235 altamente enriquecido, adecuado también para hacer bombas atómicas, puede construir algo tan pequeño como un reactor submarino.

Estas cosas (incluido su blindaje) tienen aproximadamente 10 metros de diámetro, aunque la máquina central se parece más a 3 × 4 metros. Si moderaste con agua pesada, probablemente podrías hacerlos un poco más pequeños aún.

Si no le importa limitar la potencia de salida o tener algún blindaje, puede hacer algo de aproximadamente 8 pulgadas de diámetro

Si desea usar combustible poco enriquecido y producir algo así como 50 MW (e), terminará con algo como el reactor de escala nuscale

Answer 2

Bueno, la respuesta se reduce a: ¿qué quieres que haga? Si desea un sistema de fisión que tenga equipos asociados para generar energía, está hablando de algo del tamaño de un escritorio grande, dependiendo del sistema de enfriamiento (aletas versus algún tipo de fluido refrigerante). El tamaño real de los núcleos de reactores pequeños puede ser del orden de un bote de basura de tamaño pequeño.

Un ejemplo de una serie de reactores pequeños son los sistemas para reactores de energía auxiliar nuclear o SNAP que se construyeron teniendo en cuenta las aplicaciones de energía espacial.

Si desea más detalles, aquí hay un viejo informe de la Fuerza Aérea de EE. UU. Sobre tecnologías de reactores espaciales en la década de 1970: http://www.dtic.mil/dtic/tr/full …

Answer 3

De Wikipedia:

“Una masa crítica es la cantidad más pequeña de material fisible necesaria para una reacción nuclear en cadena sostenida. La masa crítica de un material fisionable depende de sus propiedades nucleares (específicamente, la sección transversal de la fisión nuclear), su densidad, su forma, su enriquecimiento, su pureza, su temperatura y sus alrededores. El concepto es importante en el diseño de armas nucleares “.

Por lo tanto, el dimensionamiento de una reacción nuclear es el cálculo de todas las variables antes mencionadas. Además, enumeraré una tabla de material fisionable por la cantidad de kilogramos necesarios para obtener una masa crítica, el requisito básico para una reacción nuclear.

La cantidad mínima actual es 2.73 kg de californio -252 para sostener la masa crítica.

uranio-233

15 kg

uranio-235

52 kg

neptunio-236

7 kg

neptunio-237

60 kg

plutonio-238

9.04–10.07 kg

plutonio-239

10 kg

plutonio-240

40 kg

plutonio-241

12 kg

plutonio-242

75–100 kg

americio-241

55–77 kg

americio-242m

9-14 kg

americio-243

180–280 kg

curio-243

7.34–10 kg

curio-244

13,5–30 kg

curio-245

9,41–12,3 kg

curio-246

39–70,1 kg

curio-247

6,94–7,06 kg

berkelio-247

75,7 kg

berkelio-249

192 kg

californio-249

6 kg

californio-251

5 kg

californio -252

2.73 kg ** requiere la menor cantidad para sostener la masa crítica

einsteinium-254

9,89 kg

La masa crítica para el uranio de grado inferior depende en gran medida del grado: con 20% de U-235 es más de 400 kg; con un 15% de U-235, supera los 600 kg.

La masa crítica es inversamente proporcional al cuadrado de la densidad. Si la densidad es 1% más y la masa 2% menos, entonces el volumen es 3% menos y el diámetro 1% menos. La probabilidad de que un neutrón por cm recorrido golpee un núcleo es proporcional a la densidad. De ello se deduce que 1% mayor densidad significa que la distancia recorrida antes de abandonar el sistema es 1% menor. Esto es algo que debe tenerse en cuenta al intentar estimaciones más precisas de masas críticas de isótopos de plutonio que los valores aproximados dados anteriormente, porque el metal de plutonio tiene una gran cantidad de fases cristalinas diferentes que pueden tener densidades muy diferentes.

Answer 4

De alguna manera depende de lo que quieras decir. Los isótopos nucleares en descomposición liberan grandes cantidades de calor que pueden usarse para generar energía usando termopares. Estos se utilizan en sondas espaciales como la sonda reciente de Plutón. Estos son bastante pequeños y pesan solo unas pocas libras. Pero su conversión de energía no es muy eficiente. En el lado positivo, no tienen partes móviles.

Answer 5

El núcleo puede ser bastante pequeño, del tamaño de una jarra de leche de un galón. Sin embargo, cuando agrega reflectores, mantas, protección y equipo de eliminación de calor, su jarra de leche puede terminar ocupando un volumen del tamaño de un semirremolque, a menos que sea para espacio. En el espacio, se requiere mucho menos blindaje. (siempre y cuando no se suponga que la gente esté cerca).

Answer 6

El diseño del reactor nuclear de fisión tiene varias compensaciones. Cuanto más pequeño sea el núcleo, más altamente enriquecido tendrá que ser el combustible, por ejemplo.

El almirante Rickover quería un reactor nuclear para submarinos. Entonces les dijo a los diseñadores del reactor cuánto espacio tenían para colocar un reactor y les dejó el resto a ellos. En un submarino para los militares, el océano proporciona mucha refrigeración, la protección de la tripulación debe estar solo en un extremo y hay mucho dinero disponible. Si el Canal de Panamá fuera más angosto, los submarinos tendrían que ser más delgados y los reactores se habrían diseñado para ser también más delgados. (En realidad, no estoy seguro de qué determinó el tamaño de los submarinos para Rickover).

La mala noticia es que el reactor diseñado para submarinos, que tuvo éxito, se utilizó como base para reactores de potencia construidos en tierra. Hubiera sido mucho mejor para nosotros a largo plazo si los diseñadores hubieran comenzado desde cero y hubieran diseñado reactores optimizados para uso estacionario en tierra. Hay varios diseños superiores en proceso, pero deberíamos estar construyendo cualquier tipo de reactores que podamos tan rápido como podamos, mientras podamos.

Si espera obtener un reactor nuclear para alimentar su automóvil, supongo que podría ser posible SI tiene suficiente dinero para gastar en él. Cien mil millones de dólares por adelantado podrían hacerlo. Si tiene ese tipo de cambio de bolsillo, tengo mejores proyectos para recomendar.

Answer 7

El reactor que utilicé cuando estaba en collage era un cubo de un par de pies en cada dirección. No creo que un reactor realmente pueda ser mucho más pequeño. Si intenta hacer un reactor demasiado pequeño, la fuga de neutrones se vuelve demasiado grande y el reactor nunca se volverá crítico (funcionará).