¿Qué es un reactor reproductor?
Las centrales nucleares que hoy se construyen ampliamente sólo pueden utilizar entre el 1% y el 2% de los recursos de uranio. Nos compra décadas de un tiempo precioso para desarrollar nuevas fuentes de energía. Nuestro objetivo final, sin embargo, es encontrar soluciones duraderas a los problemas energéticos. Actualmente, muchos países están investigando activamente un nuevo tipo de reactor: el reactor reproductor rápido. Cuando puedan promoverse como reactores de agua a presión, las tensiones energéticas del mundo cambiarán.
¿Qué es un reactor reproductor? Cuando cualquier reactor está en funcionamiento, puede convertir parte del uranio-238 o del torio-232 del núcleo en material fisionable. La relación entre el material fisionable recién producido y el material de fisión consumido en el reactor se denomina relación de conversión. La relación de conversión de un reactor de agua a presión es sólo de aproximadamente 0,6, mientras que la relación de conversión de un reactor de neutrones rápidos es superior a 1, es decir, cada vez que se "quema" un átomo de fisión, se formará más de un nuevo átomo de fisión. Por lo tanto, el combustible nuclear en el reactor no se "quema" menos, sino más "quema". Al cabo de unos años, el combustible acumulado en un reactor será utilizado por dos reactores. A esto se le llama "proliferación" del combustible nuclear.
Existen dos formas de multiplicar el combustible nuclear. Una es utilizar uranio-238 para producir plutonio-239. El plutonio-239 se convierte en elementos combustibles y luego se fisiona en el reactor, que también puede convertir el uranio-238. Este enfoque se llama ciclo uranio-plutonio. Otro enfoque es utilizar torio-232 para producir uranio-233. Cuando se utiliza uranio-233 como combustible, convierte el torio. Este enfoque se llama ciclo torio-uranio. Cuando estos dos ciclos de combustible realmente entren en funcionamiento algún día, las reservas de energía que tenemos las personas se ampliarán decenas de veces.
Para lograr la proliferación de combustible, el uso de reactores de neutrones rápidos es una forma eficaz. ¿Cuál es la razón de esto? Cuando aumenta la velocidad del movimiento de los neutrones, en general, disminuye la posibilidad de que se produzcan reacciones nucleares con varios nucleidos. Pero hay una excepción: aumentan sus posibilidades de ser capturado por uranio-238. Porque el uranio-238 tiene la capacidad de "absorber vibraciones". Confiando en esta capacidad, puede capturar muchos neutrones y convertirse en plutonio-239 para lograr el propósito de la proliferación.
Para garantizar que los neutrones no sean moderados, el diseño de los reactores de neutrones rápidos tiene muchas características. En primer lugar, no tiene moderador y los elementos combustibles en el núcleo están dispuestos de forma muy compacta. En segundo lugar, dado que los neutrones rápidos no son tan capaces de fisionar uranio-235 como los neutrones térmicos, se debe aumentar la concentración de uranio-235 en el combustible del núcleo o agregar una porción de plutonio-239. En tercer lugar, el uranio empobrecido (una sustancia que contiene menos uranio-235 que el uranio natural se llama uranio empobrecido) o torio-232 forma una zona de reproducción alrededor del núcleo para capturar neutrones rápidos que escapan del núcleo. En comparación con los reactores de neutrones térmicos, los reactores de neutrones rápidos generan una gran cantidad de energía térmica en un núcleo más pequeño, por lo que se requiere que el refrigerante tenga una mejor conductividad térmica. Generalmente se utiliza metal líquido para eliminar el calor del núcleo del reactor.
La reproducción se logró por primera vez en 1946 en un pequeño reactor de prueba en los Estados Unidos. Se trata de un reactor que utiliza plutonio como combustible y mercurio como refrigerante. Sobre esta base, Estados Unidos construyó el reactor reproductor experimental EBR-i. Utiliza uranio enriquecido como combustible y una aleación de uranio y potasio como refrigerante. Este reactor ocupa una página memorable en la historia del desarrollo de la energía nuclear. Porque fue el primero en convertir la energía nuclear en energía eléctrica. En febrero de 1951, utilizó por primera vez la energía de los átomos de fisión para impulsar un pequeño generador de turbina, iluminando el oscuro desierto de Idaho con la luz de cuatro bombillas.
En la década de 1940, los reactores reproductores rápidos han experimentado el proceso de desarrollo de reactores experimentales, reactores prototipo y reactores de demostración comerciales en muchos países. En la actualidad, el reactor reproductor rápido más maduro utiliza sodio líquido como refrigerante. Gracias a las excelentes propiedades de transferencia de calor de este metal, el núcleo del reactor puede alcanzar una densidad de potencia muy alta, acortando así el tiempo necesario para duplicar el combustible nuclear.
Países de todo el mundo han construido decenas de reactores de neutrones rápidos y dispositivos experimentales, varios de los cuales fueron desguazados al poco tiempo. Estados Unidos ha construido siete reactores de neutrones rápidos. El último era un reactor de neutrones rápidos de demostración con una potencia de 300 megavatios. El plan de construcción final fue archivado porque no logró aprobar la aprobación de seguridad.
Francia ha desarrollado mejores reactores de neutrones rápidos. Su reactor de neutrones rápidos "Phoenix" y su reactor de neutrones rápidos "Super Phoenix" adoptan estructuras de piscina integradas. La vasija del reactor es una gran piscina de acero inoxidable con un diámetro de 22 metros, una altura de 10 metros, un espesor de pared de 35 a 50 milímetros y una cubierta de acero y hormigón de 3 metros de espesor en la parte superior del reactor. En este tanque de acero, además del núcleo del reactor, también se colocan una bomba de sodio de circuito primario y un intercambiador de calor sodio-sodio, lo que garantiza que el sodio radiactivo no salga de la vasija del reactor. El sodio en el circuito primario pasa a través del combustible nuclear de abajo hacia arriba, se calienta a 545°C y luego ingresa al intercambiador de calor sodio-sodio. Fuera de la vasija del reactor se encuentra una vasija de acero del mismo espesor. Todo el dispositivo está instalado en una carcasa de contención de hormigón de 1 metro de espesor, que se puede decir que está fuertemente fortificada y es segura. En la tabla estadística mundial de centrales nucleares de 1991 se encuentran nueve centrales nucleares con reactores de neutrones rápidos, pero en la actualidad sólo cuatro están en funcionamiento, entre ellas el reactor "Super Phoenix" de Francia.
Los reactores de neutrones rápidos son muy caros debido a su compleja tecnología y sus altos requisitos de seguridad. Su inversión es aproximadamente cinco veces mayor que la de una central nuclear con reactor de agua a presión.