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Sal FLiBe líquida. Crédito: Wikimedia Commons
Desde que el exingeniero de la NASA Kirk Sorensen revivió la tecnología olvidada del reactor de sales fundidas (MSR) en la década de 2000, el interés en la tecnología MSR ha crecido rápidamente. Desde 2011, cuatro compañías separadas en América del Norte han anunciado planes para MSR: Flibe Energy (iniciada por el propio Sorenson), Transatomic Power (iniciada por dos recién graduados del MIT), Terrestrial Energy (con sede en Canadá, que recientemente se asoció con el Departamento de Energía Oak Ridge National Laboratory) y Martingale, Inc., que recientemente hizo público su diseño para su ThorCon MSR.
Además, ahora hay un interés renovado en los MSR en Japón, Rusia, Francia y China, y China también anunció que la tecnología MSR es uno de sus cinco centros de innovación que unirá los talentos líderes del país para la investigación en campos avanzados de ciencia y tecnología, según a la Academia China de Ciencias.
¿Por qué este repentino interés por una tecnología nuclear que data de la década de 1950? La respuesta radica tanto en la fenomenal seguridad de los MSR como en su potencial para ayudar a resolver muchos de los problemas actuales relacionados con la energía, desde el cambio climático hasta la pobreza energética y la intermitencia de la energía eólica y solar. De hecho, los MSR pueden operar de manera tan segura que pueden aliviar los temores del público sobre la energía nuclear. Sin embargo, antes de ver el potencial de los MSR, es útil echar un vistazo de alto nivel a lo que son y cómo funcionan.
¿Qué es un reactor de sales fundidas?
Un reactor de sales fundidas (MSR) es un tipo de reactor nuclear que utiliza combustible líquido en lugar de las barras de combustible sólido que se utilizan en los reactores nucleares convencionales. El uso de combustible líquido proporciona muchas ventajas en cuanto a seguridad y simplicidad de diseño.
Hoja de ruta de la Generación IV publicada por el Departamento de Energía de EE. UU.
La figura anterior muestra un tipo de diseño MSR. Como se muestra a la izquierda, el reactor contiene sal combustible, que es combustible (como el uranio-235) disuelto en una mezcla de sales de fluoruro fundidas. Después de que comienza una reacción en cadena de fisión en el reactor, la tasa de fisión se estabiliza una vez que la sal del combustible alcanza alrededor de 700 grados centígrados. Si el reactor se calienta a más de 700 grados, la expansión resultante de la sal combustible empuja parte del combustible hacia el circuito de circulación; esto, a su vez, disminuye la tasa de fisión (ya que la fisión no se puede mantener en el bucle), lo que hace que el combustible se enfríe.
A diferencia de los reactores convencionales, la tasa de fisión en un MSR es intrínsecamente estable. No obstante, si la sal del combustible se calienta demasiado para operar con seguridad, un tapón de congelación (hecho de sales que se mantienen sólidas por medio de un ventilador de enfriamiento) debajo del reactor se derretirá y el contenido líquido del reactor fluirá hacia los tanques de descarga de emergencia donde no puede continuar. a la fisión, lo que le permite enfriarse de forma segura.
Las barras de control en la parte superior del reactor proporcionan un mayor control de la tasa de fisión mediante la absorción de neutrones que, de otro modo, podrían provocar una reacción de fisión. Una prueba realizada en la década de 1960 mostró que un MSR puede continuar funcionando de manera segura sin la intervención del operador, incluso después de la extracción intencional de una barra de control durante la operación completa.
La sal combustible circula a través de un intercambiador de calor donde es enfriada por otro circuito de sal fundida que está libre de combustible radiactivo y productos de fisión. El calor de este segundo circuito se puede usar para hacer trabajo, como calentar agua para hacer girar una turbina de vapor y generar electricidad.
La sal combustible también circula a través de una planta de procesamiento químico. Esta planta se utiliza tanto para eliminar los productos de fisión no deseados como para agregar más combustible al reactor.
¿Por qué reactores de sales fundidas?
Los MSR son una gran diferencia con respecto a los reactores convencionales con los que la mayoría de la gente está familiarizada. Las características clave incluyen:
Seguridad incomparable
Los MSR son seguros para caminar. No pueden fundirse como los reactores convencionales porque, por diseño, ya están fundidos. Un operador ni siquiera puede forzar un MSR para que se sobrecaliente. Si por alguna razón un MSR se sobrecalentara, el calor derretiría un tapón de congelación en el fondo de la vasija del reactor y las sales de combustible líquido se drenarían hacia los tanques de enfriamiento de emergencia donde se enfriarían y solidificarían. No se necesita interacción del operador ni siquiera energía de respaldo de emergencia para que esto suceda.
Incluso una violación de ingeniería humana (como un ataque terrorista) de un MSR no puede causar una liberación significativa de radiactividad. Las sales de combustible para los MSR funcionan a presión atmosférica normal, por lo que una ruptura del recipiente de contención del reactor simplemente filtraría el combustible líquido que luego se solidificaría a medida que se enfría. (En comparación, una ruptura de un reactor convencional hace que el refrigerante de agua altamente presurizado y radiactivo se arroje a la atmósfera y se filtre potencialmente a los cuerpos de agua circundantes). Además, los subproductos radiactivos de la fisión como el yodo-131, el cesio-134 y el 137 (como los liberados a la atmósfera y al océano por la fusión de Fukushima) están unidos físicamente al refrigerante endurecido y no abandonan el sitio del reactor.
Una solución a los residuos nucleares y las reservas de plutonio
Los reactores convencionales utilizan barras de combustible de cerámica sólida que contienen uranio enriquecido. La fisión del uranio en el combustible libera gases, como el xenón, que hace que las barras de combustible se agrieten. Este agrietamiento, a su vez, obliga a retirar y sustituir las barras de combustible mucho antes de que se hayan fisionado la mayoría de los actínidos (elementos que permanecen radiactivos durante miles de años), como el uranio. Esta es la razón por la que los desechos nucleares son radiactivos durante mucho tiempo.
Sin embargo, los actínidos que quedan en las barras de combustible craqueadas siguen siendo una excelente fuente de combustible para los reactores. Francia, por ejemplo, recicla los desechos en lugar de enterrarlos para que estos actínidos puedan colocarse en nuevas barras de combustible y usarse para producir más electricidad.
Debido a que los MSR usan combustible líquido, la liberación de gases simplemente burbujea, generalmente a una unidad de gas residual en el circuito de refrigeración (no se muestra en la figura) donde se puede eliminar. Dado que el combustible líquido no se ve afectado por las emisiones de gas, el combustible se puede dejar en el reactor hasta que casi todos los actínidos se fisionen, dejando solo los elementos que son radiactivos por un tiempo relativamente corto (300 años o menos). El resultado es que los MSR no tienen problemas a largo plazo con respecto a los desechos nucleares.
Los MSR no solo no tienen un problema de desechos a largo plazo, sino que también pueden usarse para eliminar las existencias actuales de desechos nucleares al usar esas reservas como combustible. Incluso las reservas de plutonio pueden eliminarse de esta manera. De hecho, los reactores convencionales generalmente usan solo del 3 al 5% de la energía disponible en sus barras de combustible antes de que las barras de combustible deban reemplazarse debido al agrietamiento. Los MSR pueden utilizar la mayor parte del resto del combustible disponible en estas barras para producir electricidad.
Nota: La razón por la que los reactores convencionales no pueden usar todos los actínidos en sus barras de combustible es un poco más compleja que la descrita anteriormente. Los neutrones en los reactores convencionales solo se mueven lo suficientemente rápido como para provocar la fisión del uranio enriquecido. La fisión de la mayoría de los actínidos requiere neutrones que se mueven mucho más rápido, lo que se puede lograr tanto en MSR como en reactores de combustible sólido, como el GE Hitachi PRISM.
Abundante energía más barata que la energía del carbón
¿Cómo logramos que los 7 mil millones de personas en el planeta (quizás 9 mil millones para 2050) acepten reducir drásticamente sus emisiones de CO2? La respuesta: hacerlo en su propio interés inmediato proporcionando energía barata libre de CO2 más barata de lo que pueden obtener quemando carbón.
Los MSR se pueden fabricar a bajo costo porque son simples en comparación con los reactores convencionales que tienen grandes cúpulas de contención presurizadas y muchos sistemas de seguridad redundantes diseñados (y no inherentes). Al tener muchas menos piezas que los reactores convencionales, los MSR son inherentemente más baratos. Esta simplicidad también permite que los MSR sean pequeños, lo que a su vez los hace ideales para la producción en masa en fábrica (a diferencia de los reactores convencionales). Las eficiencias de costos asociadas con la producción en masa reducen aún más el costo y pueden hacer que el aumento de la energía nuclear sea mucho más rápido.
Carga siguiendo la energía solar y eólica.
Una limitación importante de la energía solar y eólica es su intermitencia y falta de fiabilidad. Actualmente, estos problemas se resuelven en los EE. UU. mediante el encendido rápido de plantas de gas natural para cargar la energía solar y eólica. En otras palabras, las plantas de gas deben acelerar rápidamente cuando la energía del viento y el sol escasea, y disminuir rápidamente cuando el sol brilla o sopla el viento. Desafortunadamente, esta es una forma ineficiente de quemar gas natural, lo que puede resultar en casi la misma producción de CO2 de las plantas de gas aumentando y disminuyendo que cuando simplemente funcionan continuamente. Y, por supuesto, el uso continuo de gas natural requiere fracking continuo. (Aunque muchos esperan que una tecnología de almacenamiento de energía a nivel de la red algún día anule la necesidad de utilizar plantas de gas natural, no se vislumbra ningún almacenamiento de energía económico en el horizonte).
A diferencia de los reactores nucleares convencionales, las características de los MSR los convierten en buenos candidatos para el seguimiento de energía solar y eólica sin CO2. Esto se debe a que la desaceleración de las reacciones nucleares da como resultado una mayor liberación de gas xenón. Cuando los reactores convencionales hacen esto, deben esperar varios días para reiniciarse mientras el gas xenón se descompone. Este xenón adicional no es un problema para los MSR debido a su sistema de descarga de gases, que permite la eliminación inmediata del xenón; por lo tanto, no se necesita demora después de aumentar o disminuir un MSR.
Tenga en cuenta que los reactores convencionales se pueden diseñar para seguir la carga, pero normalmente no lo han hecho por razones económicas (se pueden obtener más ganancias haciendo funcionar los reactores convencionales a plena potencia para aplicaciones de carga base).
Abundante energía durante millones de años.
Aunque a veces se afirma que la energía nuclear no es sostenible, la verdad es que hay suficiente combustible nuclear en la tierra para proporcionar a la humanidad energía abundante durante millones de años. Los MSR pueden funcionar con uranio y reservas existentes de plutonio y desechos nucleares. Una variante de un MSR, un reactor de torio de fluoruro líquido (LFTR), podrá utilizar abundante torio como combustible. Además, los reactores reproductores (que incluyen algunos tipos de MSR) permiten utilizar como combustible el uranio-238, que constituye el 93,3% de todo el uranio natural. Los reactores convencionales usan solo uranio-235, que constituye solo el 0,7% del uranio natural.
Reemplaza los combustibles fósiles donde la energía eólica y solar son problemáticas
La tecnología MSR tiene un potencial mucho mayor que el de generar electricidad a bajo costo y sin emitir CO2. Por ejemplo, los MSR podrían usarse para reemplazar los combustibles fósiles en procesos industriales de alta temperatura, como la desalinización del agua y la producción de cemento y aluminio. (En los EE. UU., los procesos industriales representan un poco más del 5 % de los gases de efecto invernadero). Los MSR pueden incluso proporcionar mucho calor para la producción económica de materia prima para combustibles líquidos sintéticos y libres de CO2.
Los MSR también podrían usarse para impulsar grandes buques portacontenedores, que actualmente funcionan con diésel. Los 15 más grandes de estos barcos producen tanta contaminación del aire todos los días como todos los automóviles del planeta.
Preocupaciones sobre la proliferación de armas
Ningún reactor nuclear puede hacerse a prueba de proliferación, pero los MSR tienen algunas ventajas significativas para la resistencia a la proliferación. Primero, los desechos de los MSR no son útiles para su uso en armas nucleares ya que los MSR fisionan casi todos los actínidos. En segundo lugar, los MSR pueden utilizar las reservas existentes de desechos nucleares de los reactores convencionales, así como las reservas existentes de plutonio, lo que hace que estos materiales no estén disponibles para su uso en armas nucleares.
Una muy breve historia de la tecnología MSR
Un soldador terminando el MSR de Oak Ridge hace más de 40 años. Imagen: dominio público
Los MSR se desarrollaron por primera vez en los EE. UU. en la década de 1950 para su uso en un bombardero de aviones de propulsión nuclear (la idea es que el bombardero podría permanecer en el aire indefinidamente). Aunque un pequeño reactor experimental funcionó con éxito, el programa se canceló cuando quedó claro que el reabastecimiento de combustible en el aire de los bombarderos era viable.
Bajo la supervisión de Alvin Weinberg en la década de 1960, el Laboratorio Nacional de Oak Ridge construyó un MSR experimental que funcionó con éxito durante cuatro años. Weinberg se dio cuenta desde el principio de que los MSR eran el tipo ideal de reactor para uso civil porque no pueden fundirse. Finalmente, la administración de Nixon lo despidió por esta defensa.
El NB-36 realizó varios vuelos en la década de 1950 transportando y operando reactores nucleares. La tripulación trabajaba desde una cabina blindada con plomo. Imagen: ASME
En la década de 2000, el entonces ingeniero de la NASA Kirk Sorenson, a quien se le encomendó descubrir cómo alimentar una estación en la luna, descubrió que los MSR eran la mejor solución. También se dio cuenta de que los MSR son una gran solución en la tierra. Su incansable defensa de los MSR ha generado mucho interés.
Conclusión
El Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático, la Agencia Internacional de Energía, las Naciones Unidas, la Administración de Obama e incluso más del 70 % de los científicos del clima están de acuerdo en que debemos aumentar la energía nuclear si queremos tener éxito en enfrentar el cambio climático. Debido a su excepcional seguridad y bajo costo, quizás la tecnología MSR sea una tecnología nuclear que la mayoría de las personas pueda adoptar.
Correcciones, adiciones y aclaraciones (21 de enero de 2019):
- cesio-137 y yodo-141 cambiado a: yodo-131, cesio-134 y cesio-137.
- Se agregó lo siguiente a la sección sobre el seguimiento de la carga: tenga en cuenta que los reactores convencionales pueden diseñarse para seguir la carga, pero generalmente no lo han hecho por razones económicas (porque se pueden obtener más ganancias al hacer funcionar los reactores convencionales a plena potencia para aplicaciones de carga base).
- Se agregó lo siguiente a la sección sobre el uso de desechos nucleares y plutonio como combustible: Nota: La razón por la cual los reactores convencionales no pueden usar todos los actínidos en sus barras de combustible es un poco más compleja que lo que se describe anteriormente. Los neutrones en los reactores convencionales solo se mueven lo suficientemente rápido como para provocar la fisión del uranio enriquecido. La fisión de la mayoría de los actínidos también requiere neutrones que se mueven mucho más rápido, lo que se puede lograr tanto en MSR como en reactores de combustible sólido, como el GE Hitachi PRISM.
- Se cambió la oración sobre los reactores reproductores a: Además, los reactores reproductores (que incluyen algunos tipos de MSR) permiten utilizar uranio-238 como combustible, que constituye el 93,3 % de todo el uranio natural. Los reactores convencionales usan solo uranio-235, que constituye solo el 0,7% del uranio natural.
- Se agregó la siguiente oración a Reemplaza los combustibles fósiles donde la energía eólica y solar son problemáticas: los MSR pueden incluso proporcionar calor alto para la producción económica de materia prima para combustibles líquidos sintéticos y libres de CO2.
Este fue un artículo aportado por el lector de ZME Science, Stephen Williams. ¿Es usted un experto en su campo? ¿Le gustaría compartir tecnologías e ideas emocionantes que podrían cambiar el mundo para miles de personas? Contáctenos y definitivamente lo haremos realidad.
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