Reactores Reproductores Rápidos

Bajo condiciones de operación apropiadas, los neutrones emitidos por las reacciones de fisión, puede "criar" más combustible a partir de los isótopos no fisibles. La reacción de reproducción más común es la del plutonio-239, a partir del uranio-238 no fisible. El término "reproductor rápido" se refiere a los tipos de configuraciones que pueden realmente producir más combustible fisible del que consumen, tal como el LMFBR. Este escenario es posible porque el uranio-238 no fisible, es 140 veces más abundante que el U-235 fisible, y puede convertirse eficazmente en Pu-239, por los neutrones de una reacción de fisión en cadena.

Francia ha hecho la mayor implementación de reactores reproductores con su gran reactor Super-Phenix, y un reactor a escala intermedia (BN-600), en el Mar Caspio, para la energía eléctrica y la desalinización.

Reproducción de Plutonio-239

El plutonio-230 fisible, se puede producir a partir del uranio-238 no fisible, por la reacción ilustrada.

El bombardeo de uranio-238 con neutrones, desencadena dos decaimientos beta sucesivos, dando lugar a la producción de plutonio. La cantidad de plutonio producida depende de la relación de reproducción..

Relación de Reproducción del Plutonio

En la reproducción del combustible plutonio en los reactores reproductores, un concepto importante es la relación de reproducción, la cantidad de plutonio-239 fisible producido, comparado con la cantidad de combustible fisible (como U-235), utilizado para producirlo. En el reactor líquido metal, reproductor rápido (LMFBR), el objetivo de la relación de reproducción es 1,4, pero los resultados obtenidos han sido alrededor de 1,2. Esto se basa en 2,4 neutrones producidos por la fisión de U-235, con un neutrón utilizado para mantener la reacción.

El tiempo requerido para que un reactor produzca suficiente material para alimentar un segundo reactor, se conoce como su tiempo de duplicación. El objetivo de diseño actual, prevé como tiempo de duplicación unos diez años. Un reactor podría utilizar el calor de la reacción para producir energía durante 10 años, y al final de ese tiempo, tener suficiente combustible para alimentar otro reactor durante 10 años.

Reactor Reproductor Rápido Metal-Líquido

El reactor reproductor de plutonio-239, se denomina comúnmente reactor reproductor rápido, y la refrigeración y la transferencia de calor se realiza por un metal líquido. Los metales que pueden lograr esto son el sodio y el litio, siendo el sodio el más abundante y más comúnmente utilizado. La construcción de un reproductor rápido requiere un mayor enriquecimiento del U-235, que un reactor de agua ligera, típicamente de 15 a 30%. El combustible del reactor está rodeado por un "manto" de U-238 no fisible. No se utiliza moderador en el reactor reproductor, ya que los neutrones rápidos son más eficientes en la transmutación U-238 a Pu-239. A esta concentración de U-235, la sección transversal para la fisión con neutrones rápidos, es suficiente para mantener la reacción en cadena. El uso de agua como refrigerante puede frenar los neutrones, pero el uso de sodio líquido evita esa moderación, y proporciona un medio de transferencia de calor muy eficiente.

Ilustración

¿Enfriar con Sodio Líquido? ¿No es eso Peligroso?

Sodio Líquido Refrigerante

El sodio líquido es usado como refrigerante y medio de transferencia de calor en el reactor LMFBR. Esto plantea inmediatamente la cuestión de la seguridad, puesto que el metal sodio es un producto químico muy reactivo, y se quema al contacto con el aire o el agua (a veces de forma explosiva en contacto con el agua). Es cierto que el sodio líquido, debe ser protegido del contacto con el aire o el agua en todo momento, y mantenido en un sistema cerrado sellado. Sin embargo, se ha encontrado que los problemas de seguridad no son significativamente mayores, que aquellos con alta presión de agua y vapor en los reactores de agua ligera.

El sodio es un sólido a temperatura ambiente, pero se licúa a 98°C. Tiene una amplia temperatura de trabajo, ya que no hierve hasta los 892°C. Esto soporta la gama de temperaturas de funcionamiento del reactor, de modo que no es necesario que sea presurizado como lo hace un sistema de refrigeración por agua-vapor. Tiene un calor específico grande, de modo que es un eficiente fluido para la transferencia de calor.

En la práctica, los reactores que utilizan líquidos refrigerantes de metal, han sido reactores rápidos de neutrones. El refrigerante de metal líquido tiene una gran ventaja ahí, porque el agua como refrigerante también modera o ralentiza los neutrones. Tales reactores de neutrones rápidos, requieren un mayor grado de enriquecimiento del combustible de uranio, del que necesitan los reactores moderados por agua.

Referencias:
Wiki:Reactores refrigerados por metal líquido

El Super-Phenix

El Super-Phenix fue el primer gran reactor reproductor. Fue puesto en servicio en Francia en 1984. Dejó de funcionar como planta de energía comercial en 1997.

El núcleo del reactor está formado por miles de tubos de acero inoxidable, que contienen una mezcla de óxidos de uranio y plutonio, aproximadamente 15-20% de plutonio-239 fisible. Rodeando el núcleo hay una región llamada la manta del reproductor, que consiste en tubos llenos sólo con óxido de uranio. Todo el conjunto mide alrededor de 3x5 metros y está soportado dentro del recipiente del reactor, que contiene sodio fundido. La energía de la fisión nuclear calienta el sodio a aproximadamente 500°C y transfiere esa energía a un segundo bucle de sodio, que a su vez calienta el agua que produce vapor para la producción de electricidad.

Esta es una foto de un modelo de la vasija de contención de la Super-Phenix. Se muestra en el Museo Nacional de la Ciencia y la Tecnología Nucleares en Albuquerque, NM.

Dicho reactor puede producir alrededor del 20% más de combustible, del que consume por la reacción de reproducción. Se produce suficiente exceso de combustible, para alimentar otro reactor igual, durante aproximadamente 20 años. La reproducción óptima permite usar alrededor del 75% de la energía del uranio natural, en comparación con el 1% en el reactor de agua ligera estándar.