Amplificador de energía

En física nuclear, un amplificador de energía es un tipo novedoso de reactor de energía nuclear, un reactor subcrítico, en el que se utiliza un haz de partículas energéticas para estimular una reacción, que a su vez libera suficiente energía para alimentar el acelerador de partículas y dejar una ganancia energética para la generación de energía. Más recientemente, se ha hecho referencia al concepto como sistema impulsado por acelerador (ADS) o reactor subcrítico impulsado por acelerador.

Ninguno ha sido construido.

Historia

El concepto se atribuye al científico italiano Carlo Rubbia, premio Nobel de física de partículas y ex director del laboratorio internacional europeo de física nuclear CERN. Publicó una propuesta para un reactor de potencia (apodado "Rubbiatron") basado en un acelerador ciclotrón de protones con una energía de haz de 800 MeV a 1 GeV y un objetivo con torio como combustible y plomo como refrigerante. El plan de Rubbia también se basa en ideas desarrolladas por un grupo dirigido por el físico nuclear Charles Bowman del Laboratorio Nacional de Los Álamos.

Principio y viabilidad

El amplificador de energía utiliza primero un acelerador de partículas (por ejemplo, linac, sincrotrón, ciclotrón o FFAG) para producir un haz de protones de alta energía (relativistas). El rayo está dirigido a estrellarse contra el núcleo de un objetivo de metal pesado, como plomo, torio o uranio. Las colisiones inelásticas entre el haz de protones y el objetivo dan como resultado la espalación, que produce de veinte a treinta neutrones por evento. Podría ser posible aumentar el flujo de neutrones mediante el uso de un amplificador de neutrones, una fina película de material fisionable que rodea la fuente de espalación; Se ha propuesto el uso de amplificación de neutrones en reactores CANDU. Si bien CANDU es un diseño crítico, muchos de los conceptos se pueden aplicar a un sistema subcrítico. Los núcleos de torio absorben neutrones, generando así uranio fisible-233, un isótopo de uranio que no se encuentra en la naturaleza. Los neutrones moderados producen la fisión del U-233, liberando energía.

Este diseño es totalmente plausible con la tecnología actualmente disponible, pero requiere más estudio antes de que pueda ser declarado práctico y económico.

Proyecto OMEGA (opción de ganancia extra de actinides y productos de fisión ()Causes)) está siendo estudiado como una de las metodologías del sistema impulsado por el acelerador (ADS) en Japón.

Richard Garwin y Georges Charpak describen el amplificador de energía en detalle en su libro "Megavatios y megatones: ¿un punto de inflexión en la era nuclear?" (2001) en las páginas 153-163.

Anteriormente, el concepto general de amplificador de energía, es decir, un reactor subcrítico impulsado por un acelerador, se abordó en "La segunda era nuclear" (1985) páginas 62–64, por Alvin M. Weinberg y otros.

Ventajas

El concepto tiene varias ventajas potenciales sobre los reactores de fisión nuclear convencionales:

• El diseño subcrítico significa que la reacción no podría huir — si algo sale mal, la reacción se detendría y el reactor se enfría. Un derretimiento podría ocurrir sin embargo si la capacidad de enfriar el núcleo se perdió.
• El torio es un elemento abundante, mucho más que el uranio, que reduce las cuestiones estratégicas y políticas de suministro y elimina la separación costosa y energéticamente intensiva de isótopos. Hay suficiente torio para generar energía durante al menos varios miles de años a tasas de consumo actuales.
• El amplificador energético produciría muy poco plutonio, por lo que se cree que el diseño es más resistente a la proliferación que la energía nuclear convencional (aunque la cuestión del uranio-233 como material de armas nucleares debe evaluarse cuidadosamente).
• Existe la posibilidad de utilizar el reactor para consumir plutonio, reduciendo el arsenal mundial del elemento de vida muy larga.
• Se producen menos desechos radiactivos de larga vida: el material de desecho se desintegraría después de 500 años al nivel radiactivo de ceniza de carbón.
• No se requiere nueva ciencia; se han demostrado todas las tecnologías para construir el amplificador energético. La construcción de un amplificador energético sólo requiere esfuerzo de ingeniería, no investigación fundamental (a diferencia de propuestas de fusión nuclear).
• La generación de energía podría ser económica en comparación con los actuales diseños de reactores nucleares si se consideran los costos totales del ciclo del combustible y la descomposición.
• El diseño podría funcionar en una escala relativamente pequeña, y tiene el potencial de cargar-siguiendo modulando el haz de protón, haciéndolo más adecuado para los países sin un sistema de red eléctrica bien desarrollado.
• La seguridad inherente y el transporte seguro de combustible pueden hacer que la tecnología sea más adecuada para los países en desarrollo, así como en zonas densamente pobladas.
• La transmutación nuclear deseada podría emplearse deliberadamente (en vez de como consecuencia inevitable de la fisión nuclear y la irradiación de neutrones) para transmutar los desechos de alto nivel (como los productos de fisión de larga vida o los actinidos menores) en sustancias menos dañinas, para producir radionúclidos para su uso en medicina nuclear o para producir metales preciosos de materias primas de bajo precio.
• La menor fracción de neutrones retrasados en la fisión de ²³⁹
  Pu en comparación con ²³⁵
  U, lo que dificulta el uso de combustibles que contienen plutonio en reactores críticos (que necesitan operar en la banda estrecha de flujo de neutrones entre críticos rápidos y críticos retrasados), no es de ninguna preocupación ya que no se alcanza ni se necesita ninguna crítica de ningún tipo
• Si bien el reprocesamiento nuclear entra en el problema de que el combustible MOX no puede ser reciclado más para su uso en los reactores actuales de agua ligera, ya que la concentración de plutonio de grado reactor de isótopos fisibles no se logra debido a ²⁴⁰
  Pu impurezas superiores a niveles aceptables, todos los isótopos fisibles y fértiles de actinoides pueden ser "quemados" en un reactor subcrítico, cerrando así el ciclo del combustible nuclear sin necesidad de reactores de cría rápida

Desventajas

• Cada reactor necesita su propia instalación (acelerador de partículas) para generar el haz de protones de alta energía, que es muy costoso. Aparte de aceleradores lineales de partículas, que son muy caros, ningún acelerador protón de suficiente energía y energía (Consejo ~12 MW a 1 GeV) ha sido construido. Actualmente, la Fuente de la Spallation Neutron utiliza a 1.44 MW haz protón para producir sus neutrones, con actualizaciones previstas para 5 MW. Es... 1.1 mil millones de dólares EE.UU. El costo incluía equipo de investigación no necesario para un reactor comercial. Las economías de escala podrían entrar en juego si los aceleradores de partículas (que actualmente sólo se construyen raramente a las fortalezas mencionadas anteriormente y sólo para fines de investigación) se convierten en una tecnología más "mundana". Un efecto similar se puede observar al comparar el costo del Proyecto Manhattan hasta la construcción de Chicago Pile-1 a los costos de posteriores investigaciones o reactores de energía.
• El material de combustible debe ser elegido cuidadosamente para evitar reacciones nucleares no deseadas. Esto implica una planta de reprocesamiento nuclear a gran escala asociada al amplificador energético.
• Si, por cualquier razón, el flujo de neutrones excede las especificaciones de diseño suficientes para que el montaje alcance la crítica, puede ocurrir un accidente de crítica o una excursión de potencia. A diferencia de un reactor "normal", el mecanismo de scram sólo requiere el "switching off" de la fuente de neutrones, que no ayudaría si se producen más neutrones constantemente que consumidos (es decir, crítica), ya que no hay ninguna disposición para aumentar rápidamente el consumo de neutrones, por ejemplo mediante la introducción de un veneno de neutrones.
• Usar plomo como refrigerante tiene desventajas similares a las descritas en el artículo sobre reactores rápidos refrigerados por plomo
• Muchas de las actuales fuentes de neutrones basadas en la espalamentación utilizadas para la investigación son "pulsadas" es decir, proporcionan flujos de neutrones muy altos durante muy corta duración del tiempo. Para un reactor de potencia se desea un flujo de neutrones más pequeño pero constante. La Fuente de Spallation Europea será la fuente de neutrones más fuerte del mundo (medida por el flujo máximo de neutrones) pero sólo será capaz de pulsos muy cortos (en el orden de milisegundos).