Los reactores de sales fundidas podrían ahorrar energía nuclear

Nov 12, 2023

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Los reactores de sales fundidas, un tipo de reactor nuclear explorado por primera vez en la década de 1950, podrían ser el futuro de la energía limpia, si podemos superar los problemas que los han frenado durante más de medio siglo.

La fisión nuclear ocurre cuando un neutrón choca contra el núcleo de un átomo, dividiéndolo. Esto libera una enorme cantidad de energía, así como neutrones adicionales que luego pueden dividir más átomos, creando una reacción de fisión autosostenida.

Los reactores nucleares controlan el proceso de fisión para que la energía, liberada como calor, pueda usarse para hervir agua, creando vapor que puede hacer girar turbinas generadoras de electricidad.

El proceso no crea emisiones de carbono y puede tener lugar independientemente de si brilla el sol o sopla el viento, lo que hace que la energía nuclear sea un ingrediente potencialmente importante para un futuro de energía limpia.

Se necesitan aproximadamente 7 años y $10 mil millones para construir una planta nuclear como las que ya tenemos.

Sin embargo, hoy en día la energía nuclear representa solo el 10,3% de la generación de electricidad del mundo, y el número de reactores que se cierran supera al número que se construye.

Parte de la razón es que se necesitan aproximadamente 7 años y $10 mil millones para construir una nueva planta nuclear como las que ya tenemos, y algunos posibles operadores desconfían de hacer una inversión tan grande, especialmente cuando la electricidad del gas natural y las energías renovables son cada vez más baratas.

Al mismo tiempo, muchas construcciones potenciales enfrentan el rechazo de un público preocupado por la posibilidad de un desastre nuclear, como Chernobyl o Fukishima, a pesar de que históricamente la energía nuclear es mucho más segura que el carbón o el gas natural.

Para aumentar la cantidad de electricidad generada por la fisión nuclear, es posible que debamos repensar cómo la aprovechamos.

En la mayoría de las plantas nucleares actuales, el agua se bombea a alta presión al núcleo del reactor, donde se fisionan las pastillas de combustible encerradas en barras de metal. Esto calienta el agua a aproximadamente 600 F, pero la alta presión evita que el agua hierva.

Luego, el agua líquida súper caliente se bombea a través de una cámara que contiene más agua. Su calor hace que el agua hierva, creando el vapor necesario para hacer girar las turbinas. El agua más fría luego regresa a la cámara de combustible para ser recalentada y que el ciclo pueda continuar.

La alta presión necesaria para mantener el agua súper caliente en estado líquido aumenta la probabilidad de una fuga, y si el agua se escapa, el combustible puede sobrecalentarse, derritiendo las varillas de contención y potencialmente liberando material radiactivo en el agua y el medio ambiente.

Para evitar esto, los reactores requieren muchos sistemas de respaldo y redundancias, lo que aumenta aún más su costo y complejidad.

Se espera que los reactores de sales fundidas sean más baratos de construir e incluso más confiables que las plantas nucleares actuales.

Sin embargo, este diseño no es nuestra única opción.

En la década de 1950, los investigadores estadounidenses comenzaron a explorar el concepto de los reactores de sal fundida, que utilizan sal fundida (sal que es sólida a temperatura ambiente, pero líquida a altas temperaturas) en lugar de agua como material que transfiere el calor y mantiene el combustible estable. temperatura.

El tipo de sal propuesto para estos reactores permanece líquido a temperaturas de hasta 2500 F, sin presurización. Esa temperatura más alta aumentaría la eficiencia del reactor y generaría más electricidad, mientras que la falta de presurización reduciría el riesgo de fuga.

El combustible nuclear no puede derretirse si ya es líquido.

En lugar de barras de combustible sólido, separadas del agua que transporta el calor, algunos diseños de reactores de sales fundidas exigen que el combustible se disuelva en la propia sal fundida.

Esto elimina el riesgo de fusión (el combustible no puede derretirse si ya está líquido) y si hubiera una fuga, la sal y el combustible que escaparan se solidificarían rápidamente en roca a medida que se enfriara. Esto sería más fácil de limpiar que el agua radiactiva o el vapor que se libera si un reactor de agua a presión tiene una fuga.

Los diseños de reactores de sales fundidas también incluyen una característica de seguridad llamada "válvula de congelación" o "tapón de congelación". Este tapón separa la mezcla de sal fundida arriba de un tanque de retención debajo. Si la mezcla alguna vez se calienta demasiado, la válvula se derrite y la sal fundida cae en el tanque bajo la atracción de la gravedad, deteniendo un desastre incluso si fallan todos los sistemas de respaldo.

Si bien no sabemos con certeza cuánto costaría construir un reactor de sal fundida, los analistas esperan que la construcción sea más económica que los reactores de agua estándar, ya que el diseño incluye menos piezas.

Los reactores también pueden ser más confiables: los reactores actuales generalmente tienen que desconectarse cada 18 a 24 meses para reabastecerse de combustible, pero el combustible gastado disuelto en sal fundida podría potencialmente procesarse y agregarse nuevo combustible mientras el reactor estaba en funcionamiento.

Sin embargo, la promesa de los reactores de sales fundidas aún no se ha hecho realidad.

"Incluso hoy, ningún material puede funcionar satisfactoriamente en el ambiente corrosivo, de alta temperatura y alta radiación dentro de un reactor de sal fundida".

Los investigadores del Laboratorio Nacional de Oak Ridge construyeron el primer reactor de sal fundida de prueba de concepto capaz de fisión autosostenida, el Experimento del reactor de sal fundida (MSRE), en 1965.

Pero en el transcurso de los siguientes cuatro años, se cerró inesperadamente 167 veces, principalmente debido a problemas técnicos relacionados con varios componentes, y en 1969 se cerró de forma permanente.

Si esos problemas técnicos no hubieran ocurrido, todavía no está claro cuánto tiempo el reactor habría podido soportar otro problema con el uso de sales fundidas.

"Incluso hoy, ningún material puede funcionar satisfactoriamente en el entorno de alta radiación, alta temperatura y corrosivo dentro de un reactor de sal fundida", escribió el experto en energía y recursos MV Ramana en el Bulletin of the Atomic Scientists en junio de 2022.

Nadie ha operado un reactor de sal fundida desde que cerró el MSRE, pero con el cambio climático exacerbando la necesidad de más energía limpia, ahora estamos viendo un aumento en el interés renovado en el diseño.

En febrero de 2022, TerraPower, una empresa de energía nuclear fundada por Bill Gates, y Southern Company, una empresa de servicios públicos de gas y electricidad, anunciaron que se asociarían para construir el Experimento del Reactor de Cloruro Fundido (MCRE) financiado por el DOE en el Laboratorio Nacional de Idaho.

Una vez completado, el MCRE será el primer reactor de sal crítico de espectro rápido del mundo: los reactores rápidos pueden mantener la fisión sin usar un moderador para desacelerar los neutrones liberados durante el proceso de fisión, lo que aumenta su eficiencia.

Los datos del reactor de prueba informarán el desarrollo del reactor rápido de cloruro fundido de TerraPower: la compañía espera construir una demostración de 180 megavatios de ese sistema a principios de la década de 2030, lo que sería suficiente para alimentar alrededor de 90,000 hogares.

En agosto de 2022, China autorizó a los investigadores del Instituto de Física Aplicada de Shanghái (SINAP) a poner en marcha un reactor experimental de sales fundidas, alimentado por una mezcla de uranio y un elemento mucho más abundante, el torio.

"Por ahora, hay suficiente uranio para alimentar todos los reactores en funcionamiento", dijo el especialista en reactores nucleares Sylvain David a FRANCE 24 en diciembre de 2021. "Pero si aumenta el número de reactores, podríamos llegar a una situación en la que el suministro ya no se mantendría, y el uso de torio puede reducir drásticamente la necesidad de uranio".

Si bien el reactor de sales fundidas de SINAP solo está diseñado para generar suficiente electricidad para unos 1.000 hogares, si las pruebas salen bien, China está lista para construir una versión más grande que podría alimentar a cientos de miles de hogares.

En octubre de 2022, investigadores de la Universidad Brigham Young anunciaron un diseño para un reactor de sal fundida que, según dicen, es lo suficientemente potente como para suministrar electricidad a 1,000 hogares estadounidenses, y lo suficientemente pequeño como para caber en la caja de un camión de 40 pies.

Presumiblemente, ese tamaño pequeño sería mucho más barato y más simple de construir que una planta de reactor nuclear estándar y podría facilitar llevar la energía nuclear a áreas remotas, pero actualmente no hay planes para construir uno de los reactores.

Sin embargo, el investigador de BYU, Matthew Memmott, le dijo al Registro que su equipo también desarrolló un método para hacer que la sal sea menos corrosiva al eliminar el agua y el oxígeno de ella. Ya se han asociado con el Centro de Investigación de Energía de San Rafael de Utah para construir un centro de refinación de sal para operadores de reactores de sal fundida, ya sean pequeños o grandes.

Estos son solo algunos de los muchos grupos que analizan más de cerca los reactores de sales fundidas, pero incluso si se construye uno o más de sus diseños, no sabremos durante algún tiempo si lograron superar el problema de corrosión que ha tenido. retuvo durante mucho tiempo la tecnología.

"El problema con los productos corrosivos es que no te das cuenta de su daño hasta cinco o diez años después", dijo Francesco D'Auriam, especialista en tecnología de reactores nucleares de la Universidad de Pisa, a FRANCE 24.

Sin embargo, si los investigadores de hoy pueden construir un reactor de sal fundida que resista la corrosión y supere los desafíos técnicos experimentados por el MSRE, el dispositivo podría aumentar la cantidad de electricidad generada por la fisión nuclear y acercarnos a un futuro de energía limpia.

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