Reactor de sales fundidas

Un reactor de sales fundidas (MSR) es una clase de reactor de fisión nuclear en el que el refrigerante primario del reactor nuclear y/o el combustible es una mezcla de sales fundidas con un material fisionable.

Dos MSR de investigación operaron en los Estados Unidos a mediados del siglo XX. El Experimento de reactor de avión (ARE) de la década de 1950 estuvo motivado principalmente por el tamaño compacto de la tecnología, mientras que el Experimento de reactor de sales fundidas (MSRE) de la década de 1960 tenía como objetivo demostrar una planta de energía nuclear que utiliza un ciclo de combustible de torio en un reactor reproductor.

El aumento de la investigación sobre diseños de reactores de cuarta generación renovó el interés en el siglo XXI, con múltiples países iniciando proyectos. En mayo de 2023, China no había anunciado el encendido de su unidad de torio TMSR-LF1 después de la fecha prevista de febrero de 2023.

Los MSR eliminan el escenario de fusión nuclear presente en los reactores refrigerados por agua porque la mezcla de combustible se mantiene en estado fundido. La mezcla de combustible está diseñada para drenarse sin bombear desde el núcleo a un recipiente de contención en escenarios de emergencia, donde el combustible se solidifica, apagando la reacción. Además, no se produce desprendimiento de hidrógeno. Esto elimina el riesgo de explosiones de hidrógeno (como en el desastre nuclear de Fukushima). Operan a presión atmosférica o cerca de ella, en lugar de 75 a 150 veces la presión atmosférica de un reactor de agua ligera (LWR) típico. Esto reduce la necesidad y el costo de los recipientes a presión del reactor. Los productos de fisión gaseosos (Xe y Kr) tienen poca solubilidad en la sal del combustible y pueden capturarse de forma segura a medida que salen del combustible, en lugar de aumentar la presión dentro de los tubos de combustible, como ocurre en los reactores convencionales. Los MSR se pueden repostar mientras están en funcionamiento (esencialmente reprocesamiento nuclear en línea) mientras los reactores convencionales se apagan para repostar (las excepciones notables incluyen los reactores de agua pesada con tubos a presión como el CANDU o los PHWR de clase Atucha, y los reactores refrigerados por gas construidos en Gran Bretaña, como el Magnox). , AGR). Las temperaturas de funcionamiento del MSR son de alrededor de 700 °C (1292 °F), significativamente más altas que las de los LWR tradicionales, de alrededor de 300 °C (572 °F). Esto aumenta la eficiencia de la generación de electricidad y las oportunidades de calor de proceso.

Los desafíos de diseño relevantes incluyen la corrosividad de las sales calientes y la composición química cambiante de la sal a medida que es transmutada por el flujo de neutrones.

Propiedades

Los MSR, especialmente aquellos con combustible en la sal fundida, ofrecen presiones de funcionamiento más bajas y temperaturas más altas. A este respecto, un MSR es más similar a un reactor refrigerado por metal líquido que a un reactor convencional refrigerado por agua ligera. Los diseños de MSR suelen generar reactores con un ciclo de combustible cerrado, a diferencia del combustible de un solo paso que se utiliza actualmente en los generadores de energía nuclear convencionales.

Los MSR aprovechan un coeficiente de reactividad de temperatura negativo y un gran aumento de temperatura permitido para evitar accidentes de criticidad. Para diseños con combustible en sal, la sal se expande térmicamente inmediatamente con variaciones de potencia. En los reactores convencionales la reactividad negativa se retrasa ya que el calor del combustible debe transferirse al moderador. Un método adicional consiste en colocar un recipiente separado, enfriado pasivamente debajo del reactor. El combustible se drena en el contenedor durante el mal funcionamiento o el mantenimiento, lo que detiene la reacción.

Las temperaturas de algunos diseños son lo suficientemente altas como para producir calor de proceso, lo que llevó a que se incluyeran en la hoja de ruta GEN-IV.

Ventajas

Los MSR ofrecen muchas ventajas potenciales sobre los reactores de agua ligera:

• La eliminación pasiva de calor de decaimiento se logra en MSRs. En algunos diseños, el combustible y el refrigerante son un solo líquido, por lo que una pérdida de refrigerante lleva el combustible con él. Las sales de fluoruro se disuelven pobremente en el agua, y no forman hidrógeno quemado. El refrigerante de sal fundida no está dañado por el bombardeo de neutrones, aunque el recipiente del reactor es.
• Un MSR de baja presión no requiere un buque de contención de núcleo de acero caro, tubería y equipo de seguridad. Sin embargo, la mayoría de los diseños de MSR colocan líquido radiactivo en contacto directo con bombas y intercambiadores de calor.
• Los MSR permiten ciclos de combustible nuclear más bajos, ya que pueden operar con neutrones lentos. Los ciclos de combustible cerrado pueden reducir los impactos ambientales: la separación química convierte las actinides de larga duración en combustible del reactor. Los desechos descargados son en su mayoría productos de fisión con media vida más corta. Esto puede reducir la contención necesaria a 300 años frente a las decenas de miles de años que necesita el reactor de agua ligera gastado combustible.
• La fase líquida del combustible se puede piroprocesar para separar los productos de fisión de los combustibles. Esto puede tener ventajas sobre el reprocesamiento convencional.
• La fabricación de varilla de combustible se reemplaza con la síntesis de sal.
• Algunos diseños son compatibles con neutrones rápidos, que pueden "quemar" elementos transuranicos como ²⁴⁰
  Pu, ²⁴¹
  Pu de LWRs.
• Un MSR puede reaccionar a los cambios de carga en menos de 60 segundos (a diferencia de los LWR que sufren de envenenamiento por xenón).
• Los reactores de sal fundida pueden funcionar a altas temperaturas, lo que produce una alta eficiencia térmica. Esto reduce el tamaño, los gastos y los impactos ambientales.
• Los MSR pueden ofrecer un alto "poder específico", (alta potencia en masa baja), como lo demuestra ARE.
• La economía potencial de neutrones sugiere que MSR puede ser capaz de explotar el ciclo de combustible del tirio de neutrones pobres.

Desventajas

• En los diseños de sal de combustible circulante, los radionúclidos se disolven en equipos de contacto de combustible como bombas y intercambiadores de calor, lo que podría requerir mantenimiento totalmente remoto.
• Algunos MSR requieren procesamiento químico in situ para gestionar la mezcla de núcleo y eliminar los productos de fisión.
• Cambios regulatorios para acomodar características de diseño no tradicionales
• Algunos diseños de MSR dependen de aleaciones costosas de níquel para contener la sal fundida. Tales aleaciones son propensas a embrittlement bajo el flujo de neutrones alto.
• Riesgo de corrosión. Las sales fundidas requieren una cuidadosa gestión de su estado de oxidación para gestionar los riesgos de corrosión. Esto es particularmente difícil para los diseños circulantes, en los que una mezcla de isótopos y sus productos de decaimiento circulan a través del reactor. Los diseños estaticos se benefician de modularizar el problema: la sal de combustible está contenida en los pines de combustible cuyo reemplazo regular, principalmente debido a la irradiación de neutrones, se normaliza; mientras que la sal refrigerante tiene una composición química más simple y no plantea un riesgo de corrosión a los pines de combustible o al recipiente del reactor. Los MSR desarrollados en ORNL en la década de 1960 fueron seguros para operar sólo por unos pocos años, y operaron a sólo unos 650 °C (1,202 °F). Los riesgos de corrosión incluyen la disolución del cromo por sales de fluoruro líquido a más de 700 °C (1,292 °F), lo que pone en peligro los componentes de acero inoxidable. La radiación neutron puede transmutar agentes comunes de aleación como Co y Ni, acortando la vida útil. sales de litio como FLiBe garantizan el uso de ⁷
  Li reducir la generación de tritios (el tritio puede penetrar aceros inoxidables, causar embrittlement y escapar al medio ambiente). ORNL desarrolló Hastelloy N para ayudar a abordar estos problemas, mientras que otros aceros estructurales pueden ser aceptables, como 316H, 800H, e inconel 617.
• Algunos diseños de MSR pueden convertirse en un reactor de cría para producir material nuclear de grado de armas.
• MSRE y ARE utilizaron uranio altamente enriquecido acercándose a nivel de armas. Estos niveles serían ilegales en la mayoría de los regímenes regulatorios modernos de centrales eléctricas. La mayoría de los diseños modernos emplean combustibles de bajo contenido.
• El daño de neutrones a materiales de moderador sólido puede limitar la vida del núcleo. Por ejemplo, MSRE fue diseñado para que su moderador de grafito tuviera tolerancias sueltas, por lo que el daño de neutrones podría cambiarlas sin consecuencias. "Dos fluidos" Los diseños de MSR no usan pipa de grafito porque el grafito cambia el tamaño cuando se bombardean con neutrones. Los MSR que usan neutrones rápidos no pueden usar grafito, porque modera neutrones.
• Los MSR térmicos tienen tasas de reproducción más bajas que los criadores de cuello rápido, aunque su tiempo de duplicación puede ser más corto.

Refrigerante

Los MSR se pueden enfriar de varias maneras, incluido el uso de sales fundidas.

Los reactores de combustible sólido enfriados con sales fundidas se denominan de diversas formas "sistemas de reactores de sales fundidas" en la propuesta de Generación IV, reactores convertidores de sales fundidas (MSCR), reactores avanzados de alta temperatura (AHTR) o reactores de fluoruro de alta temperatura (FHR, designación preferida del DOE).

Los FHR no pueden reprocesar el combustible fácilmente y tienen barras de combustible que deben fabricarse y validarse, lo que requiere hasta veinte años desde el inicio del proyecto. FHR conserva las ventajas de seguridad y costos de un refrigerante de baja presión y alta temperatura, que también comparten los reactores enfriados por metal líquido. En particular, no se crea vapor en el núcleo (como está presente en los reactores de agua en ebullición), ni tampoco un recipiente a presión de acero grande y costoso (como se requiere en los reactores de agua a presión). Dado que puede funcionar a altas temperaturas, la conversión del calor en electricidad puede utilizar una turbina de gas de ciclo Brayton liviana y eficiente.

Gran parte de la investigación actual sobre los FHR se centra en intercambiadores de calor pequeños y compactos que reducen los volúmenes de sales fundidas y los costos asociados.

Las sales fundidas pueden ser altamente corrosivas y la corrosividad aumenta con la temperatura. Para el circuito de enfriamiento primario, se necesita un material que pueda resistir la corrosión a altas temperaturas y radiación intensa. Los experimentos muestran que Hastelloy-N y aleaciones similares son adecuadas para estas tareas a temperaturas de funcionamiento de hasta aproximadamente 700 °C. Sin embargo, la experiencia operativa es limitada. Son deseables temperaturas de funcionamiento aún más altas: a 850 °C (1560 °F) se hace posible la producción termoquímica de hidrógeno. Los materiales para este rango de temperatura no han sido validados, aunque podrían ser viables compuestos de carbono, aleaciones de molibdeno (por ejemplo, TZM), carburos y aleaciones a base de metales refractarios o ODS.

Selección de sal fundida

Las mezclas de sales se eligen para hacer el reactor más seguro y práctico.

Flúor

El flúor tiene un solo isótopo estable (¹⁹
F), y no se vuelve radiactivo fácilmente bajo bombardeo de neutrones. En comparación con el cloro y otros haluros, el flúor también absorbe menos neutrones y los ralentiza ("modera) mejor. Los fluoruros de baja valencia hierven a altas temperaturas, aunque muchos pentafluoruros y hexafluoruros hierven a bajas temperaturas. Deben estar muy calientes antes de que se descompongan en sus elementos constituyentes. Estas sales fundidas son "químicamente estables" cuando se mantienen muy por debajo de sus puntos de ebullición. Las sales de fluoruro se disuelven mal en agua y no forman hidrógeno quemable.

Cloro

El cloro tiene dos isótopos estables (³⁵
Cl y ³⁷
>Cl), así como un isótopo de lenta descomposición entre ellos que facilita la absorción de neutrones por ³⁵
>Cl.

Los cloruros permiten construir reactores reproductores rápidos. Se han realizado muchas menos investigaciones sobre diseños de reactores que utilizan sales de cloruro. El cloro, a diferencia del flúor, debe purificarse para aislar el isótopo estable más pesado, ³⁷
Cl, reduciendo así la producción de tetracloruro de azufre que se produce cuando ³⁵
Cl absorbe un neutrón para convertirse en ³⁶
> Cl, luego se degrada por desintegración beta a ³⁶
S.

Litio

El litio debe estar en forma de ⁷
>Li, porque ⁶
Li captura eficazmente neutrones y produce tritio. Incluso si es puro ⁷
>Li, las sales que contienen litio provocan una producción significativa de tritio, comparable a la de los reactores de agua pesada.

Mezclas

Las sales de los reactores suelen estar cerca de las mezclas eutécticas para reducir su punto de fusión. Un punto de fusión bajo simplifica la fusión de la sal al inicio y reduce el riesgo de que la sal se congele a medida que se enfría en el intercambiador de calor.

Debido a la alta "ventana redox" de sales de fluoruro fundidas, se puede cambiar el potencial redox del sistema de sales fundidas. Se puede utilizar flúor-litio-berilio ("FLiBe") con adiciones de berilio para reducir el potencial redox y casi eliminar la corrosión. Sin embargo, dado que el berilio es extremadamente tóxico, se deben incorporar precauciones especiales en el diseño para evitar su liberación al medio ambiente. Muchas otras sales pueden causar corrosión en las tuberías, especialmente si el reactor está lo suficientemente caliente como para producir hidrógeno altamente reactivo.

Hasta la fecha, la mayoría de las investigaciones se han centrado en FLiBe, porque el litio y el berilio son moderadores razonablemente eficaces y forman una mezcla de sales eutécticas con un punto de fusión más bajo que cada una de las sales constituyentes. El berilio también duplica los neutrones, mejorando la economía de neutrones. Este proceso ocurre cuando el núcleo de berilio emite dos neutrones después de absorber un solo neutrón. Para el combustible que lleva sales, generalmente se añade 1% o 2% (por mol) de UF4. También se han utilizado fluoruros de torio y plutonio.

Purificación de sales fundidas

Las técnicas para preparar y manipular sales fundidas se desarrollaron por primera vez en ORNL. La finalidad de la depuración de la sal es eliminar óxidos, azufre e impurezas metálicas. Los óxidos podrían provocar la deposición de partículas sólidas durante el funcionamiento del reactor. El azufre debe eliminarse debido a su ataque corrosivo a las aleaciones a base de níquel a temperatura operativa. Los metales estructurales como el cromo, el níquel y el hierro deben eliminarse para controlar la corrosión.

Se especificó que una etapa de purificación de reducción del contenido de agua utilizando HF y gas de barrido de helio funcionara a 400 °C. La contaminación por óxido y azufre en las mezclas de sales se eliminó mediante rociado de gas de la mezcla HF/H2, con la sal calentada a 600 °C. La contaminación por metales estructurales en las mezclas de sales se eliminó mediante rociado de gas hidrógeno a 700 °C. Se propuso el hidrofluoruro de amonio sólido como una alternativa más segura para la eliminación de óxido.

Procesamiento de sal fundida

La posibilidad de realizar el trámite en línea puede ser una ventaja para el MSR. El procesamiento continuo reduciría el inventario de productos de fisión, controlaría la corrosión y mejoraría la economía de neutrones al eliminar los productos de fisión con una sección transversal de alta absorción de neutrones, especialmente el xenón. Esto hace que el MSR sea especialmente adecuado para el ciclo del combustible de torio pobre en neutrones. El procesamiento de combustible en línea puede presentar riesgos de accidentes en el procesamiento de combustible, lo que puede desencadenar la liberación de radioisótopos.

En algunos escenarios de reproducción de torio, el producto intermedio protactinio ²³³
Pa se eliminaría del reactor y se permitiría que se descompusiera en estados altamente 233U puro, un atractivo material para fabricar bombas. Los diseños más modernos proponen utilizar una potencia específica más baja o una manta de cría de torio separada. Esto diluye el protactinio hasta tal punto que pocos átomos de protactinio absorben un segundo neutrón o, mediante una reacción (n, 2n) (en la que un neutrón incidente no se absorbe sino que expulsa un neutrón del núcleo), se genera ²³²
U. Porque ²³²
>U tiene una vida media corta y su cadena de desintegración contiene emisores gamma duros, lo que hace que la mezcla isotópica de uranio sea menos atractiva para fabricar bombas. Este beneficio vendría con el gasto adicional de un inventario fisible más grande o un diseño de dos fluidos con una gran cantidad de sal general.

Se ha demostrado la tecnología necesaria de reprocesamiento de sales combustibles, pero sólo a escala de laboratorio. Un requisito previo para el diseño de un reactor comercial a gran escala es la investigación y el desarrollo necesarios para diseñar un sistema de limpieza de sal de combustible económicamente competitivo.

Reprocesamiento de combustible

El reprocesamiento se refiere a la separación química del uranio fisionable y el plutonio del combustible gastado. Tal recuperación podría aumentar el riesgo de proliferación nuclear. En Estados Unidos, el régimen regulatorio ha variado dramáticamente entre administraciones.

Costos y economía

Una revisión sistemática de la literatura de 2020 concluye que existe información muy limitada sobre la economía y las finanzas de las MSR, con una baja calidad de la información y que las estimaciones de costos son inciertas.

En el caso específico del reactor de sal estable (SSR), donde el combustible radiactivo está contenido como una sal fundida dentro de las clavijas de combustible y el circuito primario no es radiactivo, es probable que los costos operativos sean menores.

Tipos de reactores de sales fundidas

Si bien se han propuesto muchas variantes de diseño, existen tres categorías principales con respecto al papel de las sales fundidas:

El uso de sal fundida como combustible y como refrigerante son opciones de diseño independientes: el MSRE de sal y combustible circulante original y el más reciente SSR de sal y combustible estático utilizan sal como combustible y sal como refrigerante; el DFR utiliza sal como combustible pero metal como refrigerante; y el FHR tiene combustible sólido pero sal como refrigerante.

Diseños

Los MSR pueden ser quemadores o reproductores. Pueden ser rápidos o térmicos o epitermales. Los reactores térmicos suelen emplear un moderador (normalmente grafito) para ralentizar los neutrones y moderar la temperatura. Pueden aceptar una variedad de combustibles (uranio poco enriquecido, torio, uranio empobrecido, productos de desecho) y refrigerantes (fluoruro, cloruro, litio, berilio, mixtos). El ciclo del combustible puede ser cerrado o de un solo paso. Pueden ser monolíticos o modulares, grandes o pequeños. El reactor puede adoptar una configuración en bucle, modular o integral. Las variaciones incluyen:

Reactor rápido de sales fundidas

El reactor rápido de sales fundidas (MSFR) es un diseño propuesto con el combustible disuelto en un refrigerante de sal fluorada. El MSFR es una de las dos variantes de MSR seleccionadas por el Foro Internacional Generación IV (GIF) para un mayor desarrollo, siendo la otra el FHR o el AHTR. El MSFR se basa en un espectro de neutrones rápidos y se cree que es un sustituto a largo plazo de los reactores rápidos de combustible sólido. Se han estudiado durante casi una década, principalmente mediante cálculos y determinación de propiedades físicas y químicas básicas en la Unión Europea y la Federación de Rusia. Un MSFR se considera sostenible porque no hay escasez de combustible. En teoría, el funcionamiento de un MSFR no genera ni requiere grandes cantidades de elementos transuránicos (TRU). Cuando se alcanza el estado estacionario en un MSFR, ya no hay necesidad de instalaciones de enriquecimiento de uranio.

Los MSFR pueden ser reactores reproductores. Funcionan sin un moderador en el núcleo, como el grafito, por lo que la vida útil del grafito ya no es un problema. Esto da como resultado un reactor reproductor con un espectro de neutrones rápidos que opera en el ciclo de combustible del torio. Los MSFR contienen inventarios iniciales relativamente pequeños de ²³³
U. Los MSFR funcionan con combustible líquido sin materia sólida dentro del núcleo. Esto conduce a la posibilidad de alcanzar potencias específicas muy superiores a las de los reactores que utilizan combustible sólido. El calor producido va directamente al fluido caloportador. En el MSFR, se reserva una pequeña cantidad de sal fundida para procesarla para eliminar el producto de fisión y luego devolverla al reactor. Esto les da a los MSFR la capacidad de reprocesar el combustible sin detener el reactor. Esto es muy diferente en comparación con los reactores de combustible sólido porque tienen instalaciones separadas para producir el combustible sólido y procesar el combustible nuclear gastado. El MSFR puede funcionar utilizando una gran variedad de composiciones de combustible debido a su control de combustible en línea y su procesamiento flexible de combustible.

El MSFR estándar sería un reactor de 3000 MWth que tiene un volumen total de sal de combustible de 18 m³ con una temperatura media del combustible de 750 °C. La forma del núcleo es un cilindro compacto con una relación altura-diámetro de 1 donde la sal combustible de fluoruro líquido fluye desde abajo hacia arriba. La circulación de retorno de la sal, de arriba a abajo, se divide en 16 grupos de bombas e intercambiadores de calor ubicados alrededor del núcleo. La sal de combustible tarda aproximadamente de 3 a 4 segundos en completar un ciclo completo. En cualquier momento dado durante el funcionamiento, la mitad del volumen total de sal del combustible se encuentra en el núcleo y el resto en el circuito externo de combustible (colectores de sal, separadores de burbujas de sal, intercambiadores de calor de combustible, bombas, inyectores de sal y tuberías). Los MSFR contienen un sistema de drenaje de emergencia que se activa y logra mediante dispositivos redundantes y confiables, como la tecnología de detección y apertura. Durante el funcionamiento, la velocidad de circulación de la sal combustible se puede ajustar controlando la potencia de las bombas en cada sector. La velocidad de circulación del fluido intermedio se puede ajustar controlando la potencia de las bombas del circuito intermedio. La temperatura del fluido intermedio en los intercambiadores intermedios se puede gestionar mediante el uso de un doble bypass. Esto permite mantener constante la temperatura del fluido intermedio en la entrada del intercambiador de conversión mientras que su temperatura aumenta de forma controlada en la entrada de los intercambiadores intermedios. La temperatura del núcleo se puede ajustar variando la proporción de burbujas inyectadas en el núcleo ya que reduce la densidad de la sal. Como resultado, reduce la temperatura media de la sal del combustible. Normalmente, la temperatura de la sal del combustible se puede reducir en 100 °C utilizando una proporción de burbujas del 3%. Los MSFR tienen dos modos de drenaje: drenaje de rutina controlado y drenaje de emergencia. Durante el drenaje de rutina controlado, la sal del combustible se transfiere a tanques de almacenamiento enfriados activamente. La temperatura del combustible se puede bajar antes de drenar, esto puede ralentizar el proceso. Este tipo de drenaje se podrá realizar cada 1 a 5 años cuando se reemplacen los sectores. El drenaje de emergencia se realiza cuando ocurre una irregularidad durante la operación. La sal de combustible se puede drenar directamente al tanque de drenaje de emergencia mediante dispositivos activos o por medios pasivos. El drenaje debe ser rápido para limitar el calentamiento de la sal combustible en caso de pérdida de eliminación de calor.

Reactor de alta temperatura refrigerado por sales de fluoruro

El reactor de alta temperatura (FHR) refrigerado por sales de fluoruro, también llamado reactor avanzado de alta temperatura (AHTR), también es una variante propuesta del reactor de sales fundidas de cuarta generación que se considera prometedora para el futuro a largo plazo. El reactor FHR/AHTR utiliza un sistema de combustible sólido junto con una sal de fluoruro fundida como refrigerante.

Una versión del reactor de muy alta temperatura (VHTR) que se está estudiando fue el reactor de muy alta temperatura de sal líquida (LS-VHTR). Utiliza sal líquida como refrigerante en el circuito primario, en lugar de un único circuito de helio. Se basa en "TRISO" Combustible disperso en grafito. Las primeras investigaciones del AHTR se centraron en el grafito en forma de varillas de grafito que se insertarían en bloques de grafito moderadores hexagonales, pero los estudios actuales se centran principalmente en combustibles de tipo guijarro. El LS-VHTR puede funcionar a temperaturas muy altas (el punto de ebullición de la mayoría de los candidatos a sales fundidas es >1400 °C); enfriamiento a baja presión que puede usarse para adaptarse a las condiciones de las instalaciones de producción de hidrógeno (la mayoría de los ciclos termoquímicos requieren temperaturas superiores a 750 °C); mejor eficiencia de conversión eléctrica que un VHTR refrigerado por helio que funcione en condiciones similares; sistemas de seguridad pasiva y una mejor retención de los productos de fisión en caso de accidente.

Reactor de torio de fluoruro líquido

Los reactores que contienen sal de torio fundida, llamados reactores de torio de fluoruro líquido (LFTR), aprovecharían el ciclo del combustible de torio. Empresas privadas de Japón, Rusia, Australia y Estados Unidos, y el gobierno chino, han manifestado interés en desarrollar esta tecnología.

Los defensores estiman que quinientas toneladas métricas de torio podrían satisfacer las necesidades energéticas de Estados Unidos durante un año. El Servicio Geológico de Estados Unidos estima que el depósito de torio más grande conocido en Estados Unidos, el distrito de Lemhi Pass en la frontera entre Montana e Idaho, contiene reservas de torio de 64.000 toneladas métricas.

Tradicionalmente, estos reactores se conocían como reactores reproductores de sales fundidas (MSBR) o reactores de sales fundidas de torio (TMSR), pero Kirk Sorensen promovió el nombre LFTR como un cambio de marca a principios de la década de 2000.

Reactor de sal estable

El reactor de sal estable es un concepto relativamente reciente que mantiene estáticamente el combustible de sal fundida en pasadores de combustible LWR tradicionales. Ya no es necesario bombear la sal de combustible ni todos los problemas de corrosión/deposición/mantenimiento/contención que surgen de la circulación de un fluido altamente radiactivo, caliente y químicamente complejo. Las clavijas de combustible están sumergidas en una sal de fluoruro no fisionable separada que actúa como refrigerante primario.

Reactores de sales fundidas de doble fluido

Un ejemplo prototípico de un reactor de fluido dual es el reactor alimentado con sal y refrigerado por plomo.

Historia

década de 1950

Experimento de reactor de avión, EE. UU.

La investigación de MSR comenzó con el Experimento de Reactores de Aviación de EE.UU. (ARE) en apoyo del programa de Propulsión Nuclear de Aviación de los Estados Unidos. ARE fue un experimento de reactor nuclear de 2,5 MWth diseñado para alcanzar una alta densidad de energía para su uso como motor en un bombardero nuclear.

El proyecto incluyó experimentos, incluidas pruebas de alta temperatura y de motores, denominados colectivamente Experimentos del reactor de transferencia de calor: HTRE-1, HTRE-2 y HTRE-3 en la Estación Nacional de Pruebas de Reactores (ahora Laboratorio Nacional de Idaho), así como un experimento. Reactor de sales fundidas de alta temperatura en el Laboratorio Nacional Oak Ridge (ARE).

SE utilizan sales de fluoruro fundidas NaF/ZrF₄/UF₄ (53-41-6 mol%) como combustible, moderado por óxido de berilio (BeO). El sodio líquido era un refrigerante secundario.

El experimento tuvo una temperatura máxima de 860 °C. Produjo 100 MWh durante nueve días en 1954. Este experimento utilizó la aleación Inconel 600 para la estructura metálica y las tuberías.

En 1957 se operó un MSR en el Centro de Experimentos Críticos del Laboratorio Nacional de Oak Ridge. Formaba parte del programa de reactor de combustible circulante de Pratt & Compañía de aviones Whitney (PWAC). Este se llamó Pratt and Whitney Aircraft Reactor-1 (PWAR-1). El experimento se llevó a cabo durante algunas semanas y prácticamente a potencia cero, aunque alcanzó un punto crítico. La temperatura de funcionamiento se mantuvo constante en aproximadamente 675 °C (1250 °F). El PWAR-1 utilizó NaF/ZrF₄/UF₄ como combustible principal y refrigerante. Fue uno de los tres MSR críticos jamás construidos.

Décadas de 1960 y 1970

MSRE en Oak Ridge, EE. UU.

El Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) tomó la iniciativa en la investigación de MSR durante la década de 1960. Gran parte de su trabajo culminó con el Experimento del reactor de sales fundidas (MSRE). MSRE era un reactor de prueba de 7,4 MW_th que simulaba el "núcleo" de un tipo de reactor reproductor epitermal de sales fundidas de torio llamado reactor de torio de fluoruro líquido (LFTR). La gran (cara) capa de sal de torio se omitió en favor de las mediciones de neutrones.

Las tuberías, la tina central y los componentes estructurales de MSRE se fabricaron con Hastelloy-N, moderado con grafito pirolítico. Llegó a un estado crítico en 1965 y estuvo en funcionamiento durante cuatro años. Su combustible era LiF/BeF₂/ZrF₄/UF₄ (65-29-5-1)mol%. El núcleo de grafito lo moderó. Su refrigerante secundario era FLiBe (2LiF·BeF₂). Alcanzó temperaturas de hasta 650 °C (1202 °F) y logró el equivalente a aproximadamente 1,5 años de funcionamiento a plena potencia.

Diseños teóricos en Oak Ridge, EE. UU.

Reactor reproductor de sales fundidas

De 1970 a 1976, ORNL investigó durante el período 1970-1976 un diseño de reactor reproductor de sales fundidas (MSBR). El combustible debía ser LiF/BeF₂/ThF₄/UF₄ (72-16-12-0.4) % molar con moderador de grafito. El refrigerante secundario debía ser NaF/Na[BF₄]. Su temperatura máxima de funcionamiento debía ser de 705 °C (1301 °F). Seguiría un calendario de reemplazo de 4 años. El programa MSR cerró a principios de la década de 1970 en favor del reactor reproductor rápido de metal líquido (LMFBR), después de lo cual la investigación se estancó en los Estados Unidos. En 2011, ARE y MSRE seguían siendo los únicos reactores de sales fundidas jamás en funcionamiento.

El proyecto MSBR recibió una financiación de 1968 a 1976 de (en dólares de 2022) 74,9 millones de dólares.

Oficialmente, el programa fue cancelado porque:

• El apoyo político y técnico para el programa en Estados Unidos era demasiado delgado geográficamente. Dentro de los Estados Unidos la tecnología se entendía bien sólo en Oak Ridge.
• El programa de MSR estaba en competencia con el programa de cría rápida en ese momento, que tuvo un comienzo temprano y tenía fondos de desarrollo del gobierno con contratos que beneficiaron a muchas partes del país. Cuando el programa de desarrollo de la MSR había progresado lo suficientemente lejos como para justificar un programa ampliado que conducía al desarrollo comercial, la Comisión de Energía Atómica de los Estados Unidos no podía justificar la desviación de fondos sustanciales de la LMFBR a un programa competidor.

Reactor de sales fundidas desnaturalizadas

El reactor de sales fundidas desnaturalizadas (DMSR) fue un diseño teórico de Oak Ridge que nunca se construyó.

Engel et al. 1980 dijo que el proyecto "examina [la viabilidad conceptual de un reactor de energía de sales fundidas alimentado con uranio desnaturalizado-235 (es decir, con uranio poco enriquecido) y operado con un mínimo de procesamiento químico". La principal prioridad del diseño fue la resistencia a la proliferación. Aunque en teoría el DMSR puede funcionar parcialmente con torio o plutonio, alimentarlo únicamente con uranio poco enriquecido (LEU) ayuda a maximizar la resistencia a la proliferación.

Otros objetivos del DMSR eran minimizar la investigación y el desarrollo y maximizar la viabilidad. El Foro Internacional Generación IV (GIF) incluye el "procesamiento de sal" como una brecha tecnológica para los reactores de sales fundidas. En teoría, el diseño DMSR requiere un procesamiento químico mínimo porque es un quemador en lugar de un reproductor.

Reino Unido

El Establecimiento de Investigación de Energía Atómica (AERE) del Reino Unido estaba desarrollando un diseño MSR alternativo en sus Laboratorios Nacionales en Harwell, Culham, Risley y Winfrith. AERE optó por centrarse en un concepto de reactor rápido de sales fundidas (MSFR) de 2,5 GWe refrigerado por plomo utilizando un cloruro. También investigaron el gas helio como refrigerante.

La MSFR del Reino Unido habría sido alimentada con plutonio, un combustible considerado "gratuito" para la industria. por los científicos investigadores del programa, debido a las reservas de plutonio del Reino Unido.

A pesar de sus diferentes diseños, ORNL y AERE mantuvieron contacto durante este período con intercambio de información y visitas de expertos. El trabajo teórico sobre el concepto se llevó a cabo entre 1964 y 1966, mientras que el trabajo experimental estuvo en curso entre 1968 y 1973. El programa recibió una financiación gubernamental anual de alrededor de £ 100 000 a £ 200 000 (equivalente a £ 2 millones – £ 3 millones en 2005). Esta financiación llegó a su fin en 1974, en parte debido al éxito del prototipo de reactor rápido en Dounreay, que se consideró una prioridad para la financiación, ya que se volvió crítico ese mismo año.

Unión Soviética

En la URSS, en la segunda mitad de la década de 1970 se inició un programa de investigación de reactores de sales fundidas en el Instituto Kurchatov. Incluyó estudios teóricos y experimentales, en particular la investigación de las propiedades mecánicas, de corrosión y de radiación de los materiales del contenedor de sales fundidas. Los principales hallazgos respaldaron la conclusión de que ningún obstáculo físico ni tecnológico impidió la implementación práctica de los MSR.

Siglo XXI

El interés por MSR se reanudó en el nuevo milenio debido a los continuos retrasos en la energía de fusión y otros programas de energía nuclear y a la creciente demanda de fuentes de energía que generarían emisiones mínimas de gases de efecto invernadero (GEI).

Proyectos comerciales/nacionales/internacionales

Canadá

Terrestrial Energy, una empresa con sede en Canadá, está desarrollando un diseño DMSR llamado Reactor Integral de Sal Fundida (IMSR). El IMSR está diseñado para poder desplegarse como un pequeño reactor modular (SMR). Su diseño actualmente en trámite de licencia es de 400MW térmicos (190MW eléctricos). Con altas temperaturas de funcionamiento, el IMSR tiene aplicaciones en los mercados de calor industrial, así como en los mercados de energía tradicionales. Las principales características del diseño incluyen moderación de neutrones a partir de grafito, alimentación con uranio poco enriquecido y una unidad central compacta y reemplazable. El calor de descomposición se elimina pasivamente utilizando nitrógeno (con aire como alternativa de emergencia). Esta última característica permite la simplicidad operativa necesaria para la implementación industrial.

Terrestrial completó la primera fase de una revisión previa a la licencia por parte de la Comisión Canadiense de Seguridad Nuclear en 2017, que proporcionó una opinión regulatoria de que las características del diseño son en general lo suficientemente seguras como para eventualmente obtener una licencia para construir el reactor.

China

China inició un proyecto de investigación de torio en enero de 2011 y gastó alrededor de 3 mil millones de yuanes (500 millones de dólares estadounidenses) en él hasta 2021. Un demostrador de 100 MW de la versión de combustible sólido (TMSR-SF), basado en tecnología de lecho de guijarros, Estaba previsto que estuviera listo para 2024. Un piloto de 10 MW y un demostrador más grande de la variante de combustible líquido (TMSR-LF) estaban previstos para 2024 y 2035, respectivamente. Luego, China aceleró su programa para construir dos reactores subterráneos de 12 MW en las instalaciones de investigación de Wuwei para 2020, comenzando con el prototipo TMSR-LF1 de 2 megavatios. El proyecto pretendía probar nuevos materiales resistentes a la corrosión. En 2017, ANSTO/Instituto de Física Aplicada de Shanghai anunció la creación de una aleación NiMo-SiC para su uso en MSR.

En 2021, China declaró que la operación del prototipo de Wuwei podría iniciar la generación de energía a partir de torio en septiembre, y que un prototipo proporcionaría energía para alrededor de 1.000 hogares. Es el primer reactor nuclear de sales fundidas del mundo después del proyecto Oak Ridge. Se esperaba que el sucesor de 100 MW tuviera 3 metros de alto y 2,5 metros de ancho y fuera capaz de suministrar energía a 100.000 hogares.

Se anunció que se seguirán trabajando en reactores comerciales con una fecha de finalización prevista para 2030. El gobierno chino planea construir reactores similares en desiertos y llanuras del oeste de China, así como hasta 30 en países involucrados en el &#34 de China. ;La Franja y la Ruta" iniciativa.

En 2022, el Instituto de Física Aplicada de Shanghai (SINAP) recibió la aprobación del Ministerio de Ecología y Medio Ambiente para encargar un MSR experimental impulsado por torio.

Dinamarca

Copenhagen Atomics es una empresa danesa de tecnología de sales fundidas que desarrolla reactores de sales fundidas fabricables en masa. El quemador de residuos de Copenhagen Atomics es un reactor de sales fundidas controlado de forma autónoma, de espectro térmico, a base de fluoruro, moderado por agua pesada y de un solo fluido. Está diseñado para caber dentro de un contenedor de envío de acero inoxidable de 40 pies, hermético. El moderador de agua pesada está aislado térmicamente de la sal y se drena y enfría continuamente por debajo de 50 °C (122 °F). Un deuteróxido de litio-7 fundido (⁷
LiOD) también se está investigando la versión del moderador. El reactor utiliza el ciclo del combustible de torio utilizando plutonio separado del combustible nuclear gastado como carga fisionable inicial para la primera generación de reactores, y eventualmente pasa a un generador de torio. Copenhagen Atomics desarrolla y prueba activamente válvulas, bombas, intercambiadores de calor, sistemas de medición, sistemas de purificación y química de sales, y sistemas de control y software para aplicaciones de sales fundidas.

Seaborg Technologies está desarrollando el núcleo de un reactor compacto de sales fundidas (CMSR). El CMSR es un MSR térmico de sal única y alta temperatura diseñado para ser crítico con uranio poco enriquecido disponible comercialmente. El diseño CMSR es modular y utiliza un moderador NaOH patentado. Se estima que el núcleo del reactor será reemplazado cada 12 años. Durante la operación, el combustible no será reemplazado y arderá durante toda la vida útil del reactor, de 12 años. Está previsto que la primera versión del núcleo Seaborg produzca 250 MW_th y 100 MW_e. Como central eléctrica, la CMSR podrá suministrar electricidad, agua potable y calefacción/refrigeración a unos 200.000 hogares.

Francia

El proyecto EVOL (Evaluación y viabilidad del sistema de reactor rápido de combustible líquido) del CNRS, con el objetivo de proponer un diseño del reactor rápido de sales fundidas (MSFR), publicó su informe final en 2014. Varios proyectos MSR como FHR, MOSART, MSFR y TMSR tienen temas comunes de investigación y desarrollo.

El proyecto EVOL será continuado por el proyecto Safety Assessment of the Molten Salt Fast Reactor (SAMOFAR), financiado con fondos europeos, en el que colaboran varios institutos de investigación y universidades europeos.

Alemania

El Instituto Alemán de Física Nuclear de Estado Sólido de Berlín ha propuesto el reactor de fluido dual como concepto para un MSR de reproducción rápida refrigerado por plomo. El concepto original de MSR utilizaba la sal fluida para proporcionar los materiales de fisión y también para eliminar el calor. Por lo tanto, tuvo problemas con la velocidad de flujo necesaria. Se cree que usar 2 fluidos diferentes en círculos separados resuelve el problema.

India

En 2015, investigadores indios publicaron un diseño de MSR, como una vía alternativa a los reactores basados en torio, según el programa de energía nuclear de tres etapas de la India.

Indonesia

Thorcon está desarrollando el reactor de sales fundidas TMSR-500 para el mercado indonesio. La Agencia Nacional de Investigación e Innovación, a través de su Organización de Investigación para la Energía Nuclear, anunció su renovación de interés en la investigación del reactor MSR el 29 de marzo de 2022 y planeó estudiar y desarrollar MSR para reactores nucleares alimentados con torio.

Japón

El reactor de sales fundidas de Fuji es un LFTR de 100 a 200 MWe que utiliza tecnología similar al proyecto Oak Ridge. Un consorcio que incluye miembros de Japón, Estados Unidos y Rusia está desarrollando el proyecto. El proyecto probablemente tardaría 20 años en desarrollar un reactor de tamaño completo, pero parece que carece de financiación.

Rusia

En 2020, Rosatom anunció planes para construir un MSR con quemador FLiBe de 10 MW. Se alimentaría con plutonio procedente del combustible nuclear gastado VVER reprocesado y fluoruros de actínidos menores. Se espera que se lance en 2031 en Mining and Chemical Combine.

Reino Unido

La Fundación Alvin Weinberg es una organización británica sin fines de lucro fundada en 2011, dedicada a crear conciencia sobre el potencial de la energía del torio y LFTR. Se lanzó formalmente en la Cámara de los Lores el 8 de septiembre de 2011. Lleva el nombre del físico nuclear estadounidense Alvin M. Weinberg, quien fue pionero en la investigación de MSR con torio.

El reactor de sal estable, diseñado por Moltex Energy, fue seleccionado como el más adecuado de seis diseños de MSR para su implementación en el Reino Unido en un estudio de 2015 encargado por la agencia de innovación del Reino Unido, Innovate UK. El apoyo del gobierno del Reino Unido ha sido débil, pero Moltex obtuvo el apoyo de New Brunswick Power para el desarrollo de una planta piloto en Point Lepreau, Canadá, y respaldo financiero de IDOM (una empresa de ingeniería internacional) y actualmente participa en la revisión del diseño de proveedores canadienses. proceso.

Estados Unidos

El Laboratorio Nacional de Idaho diseñó un reactor alimentado con sales fundidas y refrigerado por sales fundidas con una potencia prevista de 1000 MWe.

Kirk Sorensen, ex científico de la NASA y tecnólogo nuclear jefe de Teledyne Brown Engineering, es un promotor desde hace mucho tiempo del ciclo del combustible de torio y acuñó el término reactor de torio con fluoruro líquido. En 2011, Sorensen fundó Flibe Energy, una empresa destinada a desarrollar diseños de reactores LFTR de 20 a 50 MW para alimentar bases militares. (Es más fácil aprobar nuevos diseños militares que diseños de centrales eléctricas civiles en el entorno regulatorio nuclear de Estados Unidos).

Transatomic Power persiguió lo que denominó un reactor de sales fundidas de aniquilación de residuos (WAMSR), destinado a consumir el combustible nuclear gastado existente, desde 2011 hasta que dejó de funcionar en 2018 y abrió el código fuente de su investigación.

En enero de 2016, el Departamento de Energía de los Estados Unidos anunció un fondo de adjudicación de 80 millones de dólares para desarrollar diseños de reactores de Generación IV. Uno de los dos beneficiarios, Southern Company, utilizará los fondos para desarrollar un reactor rápido de cloruro fundido (MCFR), un tipo de MSR desarrollado anteriormente por científicos británicos.

En 2021, la Autoridad del Valle de Tennessee (TVA) y Kairos Power anunciaron la construcción de un reactor de prueba de 140 MWe, refrigerado por sal y fluoruro a baja presión, alimentado con TRISO, en Oak Ridge, Tennessee. La Comisión Reguladora Nuclear (NCR) de EE. UU. emitió un permiso de construcción para el proyecto en 2023. Se espera que el diseño funcione con una eficiencia del 45%. La temperatura de salida es de 650 °C (1202 °F). La presión del vapor principal es de 19 MPa. La estructura del reactor es de acero inoxidable 316. El combustible se enriquece al 19,75%. La refrigeración por pérdida de potencia es pasiva.

También en 2021, Southern Company, en colaboración con TerraPower y el Departamento de Energía de EE. UU., anunció planes para construir el experimento del reactor de cloruro fundido, el primer reactor de sal de espectro rápido en el Laboratorio Nacional de Idaho.

La Universidad Cristiana de Abilene (ACU) ha solicitado a la NRC una licencia de construcción para un reactor de investigación de sales fundidas (MSRR) de 1 MWt, que se construirá en su campus de Abilene, Texas, como parte de las Pruebas Experimentales de Energía Nuclear (NEXT ) laboratorio. ACU planea que el MSRR alcance la criticidad en diciembre de 2025.