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¿Cómo funciona un reactor de sales líquidas de torio?

Para producir electricidad habitualmente necesitamos algo que produzca movimiento, que sea capaz de accionar un generador. Ese algo generalmente suele ser vapor de agua. El vapor de agua se emplea en casi todas las centrales térmicas, es decir, de carbón, de fuel-oil, de gas y también en las nucleares. Cuando ese vapor se comprime mucho tiene mucha energía, que se transfiere por medio de una turbina al generador eléctrico. Al perder esa energía el vapor deja de tener una alta densidad y ya no es capaz de producir movimiento, por lo que es enfriado y recuperado en forma de agua líquida. Lo que diferencia a las tecnologías entre sí, es lo que produce el calor. En el caso del carbón es su combustión, al pasar de carbono a CO2, una vez se combina con el oxígeno de la atmósfera. En el caso del gas natural es la rotura del enlace de metano CH4 al combinarse con el oxígeno de la atmósfera para formar CO2 y H2O. En el caso de las centrales nucleares de agua ligera es la rotura de los núcleos de los átomos de uranio 235 y también del plutonio 239 que se va formando a medida que se irradia el uranio 238 contenido en las barras de combustible.

Esquema del funcionamiento de un reactor de sales líquidas

¿Y en un LFTR? También ocurre algo parecido. El calor lo produciría la ruptura de los núcleos de los átomos de uranio 233 (o uranio 235, opcionalmente) dentro del reactor. Pero aquí acabarían las semejanzas. El combustible nuclear no estaría en forma sólida, es decir, en forma de barras de combustible en estado sólido, sino que se disolvería en una sal de fluoruro de litio y fluoruro de berilio. No vale cualquier sal, tiene que ser una sal que sea casi transparente al flujo de neutrones, es decir, que no absorba neutrones y que, además, sea capaz de disolver el tetrafluoruro de uranio así como el tetrafluoruro de torio. Ambos están presentes en el reactor en forma de disolución. Su concentración dentro de las sales es muy pequeña, pero suficiente para que en el reactor se genere una masa critica que permita mantener una reacción en cadena. Las sales, con el material fisible en disolución, entrarían en el reactor en estado líquido a 650ºC, se calentarían dentro del reactor hasta los 700-750ºC como consecuencia de la fisión que tiene lugar dentro del mismo, y saldrían hacia el primer intercambiador de calor. El calor se transfiere a otro bucle de sales fundidas, esta vez sin presencia de material nuclear. Posteriormente, el calor se transfiere a un tercer bucle, esta vez de gas de helio, en lugar de agua. El helio super calentado y a alta presión es capaz de mover varias turbinas de gas que accionan, por un medio de un eje, el generador eléctrico que produce la electricidad.

¿Qué sucede en el primer bucle? Una vez se han enfriado relativamente, las sales de flúor con el material nuclear vuelven al reactor para volver a calentarse. Lo interesante es que sólo se produce la reacción nuclear en el reactor ya que sólo allí existen las condiciones para que se produzca ésta: la presencia de una masa critica suficiente y de un moderador que frene la velocidad de los neutrones para que hagan fácilmente “blanco” en los núcleos de uranio 233 y de torio. Fuera del reactor, en las diversas conducciones, bombas y depósitos del sistema primario no se produce ninguna reacción nuclear, si bien los elementos de fisión sí generan calor residual para alcanzar su estabilidad.

Para dar la máxima seguridad al reactor es necesario un sistema de seguridad que sea único y que funcione el 100% de las veces. Y este sistema está basado en la gravedad y está siempre funcionando. El ingenioso y sencillo sistema de seguridad que caracteriza a este reactor se llama freeze plug (tapón solidificado) y no es más que un tubo sobre el cual un ventilador sopla aire para mantener dicha sal en estado sólido. Si por, cualquier motivo, el reactor se sobrecalentara también fundiría ese tapón y las sales saldrían del reactor hacia unos depósitos especialmente diseñados para detener cualquier reacción nuclear y evacuar el calor de desintegración del material nuclear. Estos depósitos son capaces de evacuar el calor de forma pasiva, sin requerir ningún tipo de energía eléctrica. Por tanto, este reactor está totalmente diseñado para pararse automáticamente y sin ninguna intervención humana, cualquiera que sean las condiciones de energía en la planta, tanto, en situación de falta de suministro eléctrico como en situación de sobrecalentamiento no prevista.

9 Responses

  1. Alex

    Hasta que punto esto es así? Ya hay algún reactor nuclear de sales fundidas funcionando?

    • b.serrano

      La pregunta que haces es muy abierta. No hay ningún reactor nuclear de sales fundidas funcionando en la actualidad. Se ha investigado mucho sobre la tecnología para llevarlo a la práctica y se han fabricado dos reactores experimentales para dar validez a la teoría. El primero funcionó en el año 1954 y se realizó por encargo de la fuerza aérea de Estados Unidos. Lo que trataban de investigar era un reactor nuclear que permitiera tener un avión de propulsión nuclear. En aquella época la marina de EEUU desarrolló un reactor que era apto para propulsar submarinos (básicamente el reactor de presión de agua ligera, el PWR). El ejército de tierra siguió por el mismo camino que la marina, aprovechando el desarrollo de esta. Pero para propulsar un avión los requisitos técnicos eran absolutamente distintos. Era necesario disponer de algo radicalmente distinto porque tenía que ser muy simple y muy ligero, algo que permitiera variar la potencia en poco tiempo y además que funcionara sin grandes presiones (que sin duda condicionaría el peso del reactor). Y era necesario poder evacuar los subproductos de fisión gaseosos que contaminaban la reacción nuclear y contribuirían a incrementar la presión en el núcleo. Y por eso desarrollaron esta tecnología tan radicalmente distinta de lo que existía en el campo de la marina y, posteriormente de la energía nuclear civil.
      El segundo reactor funcionó desde 1965 a 1969. Este reactor se diseñó para ser el núcleo de un sistema civil más complejo capaz de generar su propio combustible nuclear. El reactor que se realizó se denominó Molten Salt Reactor Experiment (MSRE) y funcionó durante un total de 17.000 horas. Fue el primer reactor en funcionar con tres combustibles nucleares: el uranio 235, el uranio 233 y el plutonio 239, y tuvo un funcionamiento muy exitoso. De hecho, el éxito cosechado por el el MSRE abrió la puerta para que fuera considerado uno de los candidatos al programa de reactor regenerador comercial. Finalmente el desarrollo de este tipo de reactor se paró, debido a que los fondos para financiarlo competían con el programa del Liquid Metal Fast Breeding Reactor (LMFBR, que tenía todo el apoyo de la industria además del político). Hay que señalar que todos los programas MSR en EEUU han recibido tan sólo el 1% de la inversión de I+D frente al 99% de la inversión que se destinó al LMFBR. Estoy convencido de que si hubiera recibido algo más el mercado energético mundial sería muy diferente del que es hoy en día, pero evidentemente, no hay forma de demostrarlo.

      Algunos países están rescatando esta tecnología por muchos motivos: medioambientales, de disposición de residuos radiactivos, por motivos de suficiencia, por motivos estratégicos y, lo más relevante, para producir patentes que puedan esgrimirse cuando esta tecnología se difunda efectivamente. China es un ejemplo de este último motivo. En 2011 su academia de Ciencias aprobó un programa para desarrollar esta tecnología en el plazo declarado de 20 años y puso al frente del programa al Dr. Jiang Mienheng, hijo de quien fuera Primer Ministro de China Jiang Zemin. Esto en la nomeclatura china no es ninguna broma. China, con sus defectos, es un gran país y piensa con objetivos a largo plazo, al contrario que muchas democracias occidentales.

  2. Alex

    Eso suena a que a alguien no le interesó que otra tecnología tuviese una oportunidad de establecerse como alternativa a los reactores nucleares de agua a presión. Por lo que deduzco, los LFTR son todo ventajas y creo que prueba de ello es que los chinos se estan metiendo a saco. Solo espero que no vuelva a ser otra promesa de energía barata y abundante sin desventajas como nos vendieron la energía nuclear en los 70 y luego llega el despertar de la realidad. Me preocupa en especial el tema de los residuos de larga duración de los reactores actuales y si los LFTR realmente pueden “quemar” los residuos actuales para mi es un factor decisivo para invertir en ésta tecnología.

    • b.serrano

      Bien, los LFTR están en principio, diseñados para funcionar con U233 o con U235 como material fisible. Pero hay otros diseños de reactores de sales líquidas (MSR) que serían capaces de funcionar con los residuos nucleares que se han producido en las centrales nucleares que tenemos. Por ejemplo, en Francia han diseñado lo que ellos denominan Molten Salt Fast Reactor (MSFR) capaz de funcionar bien con U233 o con plutonio y otros actínidos procedentes de centrales nucleares. http://www.snetp.eu/www/snetp/images/stories/Docs-SRA2012/sra_annex-MSRS.pdf
      Lo que resulta absolutamente desolador es el plazo tan largo de desarrollo que proponen. Esto no se debe a motivos técnicos sino sobre todo a una falta de compromiso político en su financiación. Con presupuestos de I+D tan bajos no es de extrañar que el prototipo lo retrasen hasta 2040. Es cierto que es una tecnología nueva en muchos aspectos, pero no estamos hablando de fusión nuclear; esto es muchísimo más fácil.

  3. Me encantó leer los artículos; y en particular la respuesta del señor B. Serrano con la descripción de los 2 experimentos de MSR en los años ’50-’60 que no conocía en detalle.
    Sobre la situación en Francia, añado que “dinero” hay! pero va casi todo a los “surgenerateurs” a Plutonio (después de 50 años, la misma obsesión, como en una película de zombies).

    Si les interesa, he hecho una traducción en español (voz en off) de la presentación de Mianheng Jiang en Shanghai sobre el proyecto TMSR en China.
    La duración del video es 13 minutos (la mitad de los 27 minutos del video original; he reducido muchísimas pausas, y eliminado algunos trozos sin interés).
    El video no añade mucho sobre el MSR desde el punto de vista ingenieristico; pero la análisis de los problemas de China y del porque necesitan el MSR es simplemente apasionante.

    Y hay también una vena “apasionada” muy soprendiente: ver la descripción de la destrucción del el primer EV (auto eléctrica) de GM en California; y como después cuenta porque el EV fallò también en China.
    Y dice: “necesitamos algo revolucionario también en esta parte del mundo” (dicho por un comunista, es bárbaro). Y esta revolución está basada sobre el MSR!

    Noten también como China quiere un MSR que trabaje no a 750 sino que a 900 Celsius (para producir Hidrógeno, y de ahí combustibles líquidos).

    Video en: http://www.youtube.com/raulparolari

    Añadí versiones en otros idiomas, y una en el Inglés original de Jiang (subtitulada en Inglés, para una exacta comprensión).
    Por mala suerte, no pude entender mucho de lo que dijo el Dr.Xu (el otro discurso importante) y no pude hacer un video presentable.
    Saludos.

  4. No se muestra el ciclo de la sal de manto (FLi-Fbe-FTh) donde el Th es bombardeado por neutrones, que decae en protactinio para generar luego el U233. Sugiero muestren ese ciclo y expliquen como el U233 es extraido de la sal de manto, para luego alimentar la sal combustible.

  5. Estoy preparando unos diagramas en Autocad del reactor de torio LFTR de dos ciclos (sal de manto/sal combustible) con detalles del interior del reactor si estan interesados lo puedo compartir. Que cortes del reactor le podrian interesar para educar a la gente sobre esta tecnologia?

  6. Como observacion, en el intercambio de calor a la entrada y salida del reactor, considero que es poco el delta ” t ” de 600 oC – 750oC, porque ahi entra el circuito del generador de vapor y/o helio, que toman calor para accionar la turbina y generador electrico, mi pregunta es si es correcto estos valores de entrada y salida del reactor,gracias.

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