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La seguridad en los LFTR

Uno de los aspectos que favorecen el desarrollo y la implantación de los LFTR es en la seguridad. He aquí un resumen en español de estos aspectos de seguridad que están fundamentados en la información que figura en Wikipedia, que me parece excelente.

Seguridad inherente. Los LFTR pueden diseñarse para que sean inherentemente seguros, es decir, puede disponer de seguridad nuclear pasiva, es decir, disponer de un elevado coeficiente de reactividad negativo ante variaciones de la temperatura . Esto quiere decir que cuanto más elevada sea la temperatura en el núcleo menor potencia desarrollará el reactor e inversamente, cuanto menor sea la temperatura del reactor, mayor tenderá a ser la potencia que desarrolle. Esta propiedad del reactor proviene dos fuentes. La primera, que el torio tiende a absorber más neutrones a medida que se calienta; es el llamado efecto Doppler. Esta mayor absorción disminuye el número de neutrones que está disponible para continuar la reacción en cadena, reduciéndose, con ello, la potencia. El segundo efecto está relacionado con la expansión térmica del combustible. A medida que el combustible se calienta, se dilata considerablemente, lo cual, debido a la naturaleza líquida del combustible, desplazará parte del mismo fuera de la región activa del núcleo, reduciendo la reacción en cadena, evitando que se produzcan daños en los componentes del reactor. Por el contrario, esto no sucede en los reactores de combustible sólido, que no pueden expandir mucho su combustible sin que se dañen los elementos combustibles, ya que se encuentran confinados en sus vainas contenedoras. Estas características del LFTR se producen al estar integrados el refrigerante y el combustible, siendo ambos inseparables, por lo que cualquier fuga o movimiento de combustible será intrínsecamente acompañada por una gran cantidad de refrigerante. De este modo, el refrigerante sigue la fuente de calor.

Es un regenerador lento. Los LFTR generan U-233 a partir del torio. Para completar este proceso es preciso pasar antes por una etapa intermedia, donde el torio primero decae a protactinio, que no es fisible. Posteriormente, el protactinio decae lentamente, en el transcurso de meses, en U-233 que es fisible. Esta generación lenta, no directa del material fisible constituye una característica de seguridad inherente. El material fisible se produce lentamente y, por tanto, la energía del torio no puede liberarse a la vez.

Refrigerante estable. Los fluoruros fundidos son químicamente estables y resistentes a la radiación. Las sales no se queman, ni explotan ni se descomponen, incluso bajo condiciones de temperaturas y radiación extremas. No hay ningún tipo de reacciones rápidas ni violentas con el agua y aire como sí ocurre en el caso de reactores cuyo refrigerante es el sodio. No hay ninguna producción de hidrógeno a partir del agua porque ésta no está presente en ninguna parte del circuito. El refrigerante de fluoruro fundido no tiene reacciones químicas significativas con cualquiera de los materiales presentes en el sistema del reactor.

Funcionamiento a baja presión. Los LFTR funcionan a presiones atmosféricas. El núcleo no está presurizado, no puede explotar ni está expuesto a un accidente por sobrepresión. Debido a su funcionamiento a baja presión y las escasas diferencias de presión en los intercambiadores de calor y bombas, se reduce también considerablemente el potencial de grandes fugas. Las sales tienen puntos de ebullición muy altos, por ejemplo, el fluoruro de cesio, 1.251 grados Celsius, el tetrafluoruro de uranio 1.417 grados Celsius, el fluoruro de torio 1680 grados Celsius, el fluoruro de estroncio 2.460 grados Celsius. Incluso una elevación de la temperatura de cien grados durante un evento inesperado o un accidente no provocaría ningún aumento significativo de la presión. No hay agua ni hidrógeno en el reactor que pueda causar una gran elevación de la presión o una explosión, como ocurrió en el accidente nuclear Fukushima Daiichi. En un LFTR, el edificio de contención no puede estar presurizado y, por tanto, no puede estallar.

No hay acumulación de presión procedente de los productos de fisión. Los LFTR impiden la acumulación de presión debido a gases que se van formando durante el proceso de fisión. El proceso de fisión produce gases como el xenon o el kripton que son de naturaleza volátil y que no están combinados con el flúor, por ser gases nobles. En reactores convencionales de combustible sólido las barras de combustible están sometidas a incrementos de presión muy importantes debidos a la producción de estos gases. En el caso de un incremento súbito de la potencia o un accidente esto puede ser un problema importante ya que las barras de combustible pueden hincharse y deformarse a medida que se sobrecalientan, bloqueando el flujo de refrigerante entre las mismas barras de combustible, agravando el accidente. En un LFTR los productos gaseosos y volátiles son bien extraídos como el xenón y el kripton o bien permanecen en forma químicamente estable como fluoruros no volátiles en la propia sal (como el cesio en forma de fluoruro de cesio).

No hay reserva de combustible y hay menos radiactividad en el núcleo. Dado que en un LFTR el combustible es líquido, un equipo pequeño y relativamente simple puede estar extrayendo de forma continua los productos de fisión (las cenizas nucleares) y añadiendo nuevo combustible. Ello simplifica de forma determinante el comportamiento del reactor. Es más predecible, tiene menos productos de fisión en el núcleo y no tiene una gran reserva de combustible como si ocurre en los reactores de combustible sólido. Esto hace que el reactor sea más fácilmente controlable y más seguro que un reactor convencional de agua ligera (LWR).

Fácil de controlar. El reactor es fácil de controlar en todo momento. En los reactores de combustible sólido la presencia del xenón-135, un importante absorbente de neutrones dificulta el control de la reactividad y por tanto de la potencia. En un reactor LFTR, puede extraerse dicho gas en un lugar predecible, donde el combustible esté más frío, que es en el sistema de bombeo. En los reactores de combustible sólido, sigue estando presente junto al propio combustible y, por tanto, interfiere con el control del reactor. Esta característica de los LFTR, combinada con una reserva de reactividad baja que permite la alimentación continua de combustible y la retroalimentación negativa de reactividad en función de la temperatura, así como la ausencia de daños por radiación, térmicos o químicos en el combustible de fluoruro, simplifican el control de potencia del reactor.

Calentamiento lento. Los fluoruros líquidos tienen una elevada inercia térmica (elevada capacidad de absorber calor para un volumen dado) y en algunos casos como los fluoruros de litio y berilio, superior incluso al agua. Esto les permite absorber grandes cantidades de calor durante elevaciones inesperadas de la potencia o en caso de accidentes.

Enfriamiento pasivo del calor de decaimiento. Los LFTR funcionan a alta temperatura, por lo menos 650 grados Celsius, lo que facilita su enfriamiento pasivo tras el apagado del reactor del calor de decaimiento de forma mucho más efectiva; los objetos más calientes pierden el calor mucho más rápido que los objetos menos calientes. El edificio de la celda caliente y la contención podrían diseñarse para perder algo de calor de forma constante al medio ambiente, con el fin de garantizar la eliminación eficaz del calor de desintegración después de su apagado. De un modo similar, los intercambiadores de calor pueden diseñarse para enfriarse completamente de forma pasiva (sin presencia de bombas ni partes móviles). Esto haría imposible el tipo de accidente nuclear que ocurrió en Fukushima.

Núcleo a prueba de fallos. Los LFTR pueden incluir un tapón congelado (freeze plug) en la parte inferior que tiene que ser continua y activamente enfriado, generalmente por un pequeño ventilador eléctrico. Si el enfriamiento falla, digamos debido a un fallo de alimentación eléctrica, el ventilador se detiene, se funde el tapón y el combustible se drena hacia un tanque de almacenamiento subcrítico, enfriado pasivamente. Esto no sólo detiene el reactor, también el tanque de almacenamiento puede evacuar más fácilmente el calor de decaimiento de la desintegración radiactiva de corta vida de los combustibles nucleares irradiados. Incluso en el caso extremo de que se produjera un grave accidente en el núcleo, como una ruptura de una tubería, la sal se derramaría en la celda caliente donde el reactor se encuentra, con el suelo en pendiente y se drenaría la sal-combustible, por gravedad, al tanque de vaciado, que se encuentra pasivamente refrigerado.

Escasa movilidad de la radiactividad. Incluso si hay un accidente más allá de la base de diseño de los múltiples niveles de contención y sistemas de refrigeración pasiva, los fluoruros no tienden a dispersarse fácilmente en la biosfera. Las sales no se queman ni explotan ni se degradan químicamente en el aire y reaccionan lentamente con el agua. El Flúor se combina iónicamente con los productos de fisión de manera estable formando fluoruros. Esto no sólo constituye un primer nivel de contención propio de los reactores de sales fundidas de flúor sino que constituye un elevado nivel de seguridad inherente en cualquier suceso que pueda ocurrir más allá de la base de diseño. El flúor es especialmente bueno en el secuestro de determinados residuos, como el cesio-137 y el estroncio-90 que podrían llegar a ser biológicamente activos, para formar los compuestos estables y no volátiles CsF y SrF. Las sales de fluoruros radiactivos de actínidos y de productos de fisión no son generalmente solubles en agua a temperatura ambiente. Aunque el fluoruro de cesio es uno de los fluoruros de productos de fisión que son altamente hidrosolubles, su punto de ebullición es extremadamente alto y es químicamente estable, lo que combinado con la ausencia de fuentes de energía almacenada (en forma de hidrógeno, vapor, etc.) en el LFTR, impide que sea dispersado en el aire y que por efecto del viento pueda llegar a contaminar una gran superficie de tierra, como sucedió en el accidente nuclear de Fukushima Daiichi .

Refrigerante transparente. Los fluoruros fundidos son transparentes, como el agua, así que se pueden utilizar diversos instrumentos ópticos para inspeccionar y mantener el sistema del reactor.

Muy baja corrosión. Los fluoruros fundidos presentan tasas muy bajas de corrosión, inferiores a las que se observan en reactores de agua ligera, cuando el control de la química es correcto y se utiliza la aleación Hastelloy N modificada con un 2% de niobio. Dado que los LFTR usan combustible líquido, el estado químico de este combustible es relativamente fácil de controlar para que no sean corrosivas a los componentes del reactor. Por el contrario, en los reactores alimentados por combustible sólido existentes actualmente el combustible se encuentra completamente contenido en pequeñas barras de metal, lo cual no permite un control total de su estado químico. El proceso de fisión produce diversos elementos corrosivos, que pueden dañar las barras de combustible de metal con el tiempo.

Menos residuos por activación neutrónica. Los LFTR tienen muy poco material estructural dentro del núcleo. Sólo la sal portadora, el combustible disuelto en ella, el grafito y pequeñas cantidades de metales o compuestos se encuentran dentro del núcleo del reactor. Esto reduce la cantidad de neutrones perdidos en componentes estructurales, y permite mejorar la economía de neutrones reduciendo la cantidad de residuos estructurales. Ni el flúor, ni el litio ni el berilio tienen una activación neutrónica a largo plazo.

No se producen residuos de larga duración. Los LFTR pueden disminuir considerablemente la radiotoxicidad a largo plazo de los desechos del reactor. Los reactores de combustible sólido de uranio refrigerados por agua ligera tienen una composición de más del 95% de U-238. Estos reactores transmutan normalmente parte de U-238 a Pu-239, un isótopo transuránico tóxico. Casi todo el combustible, por tanto, está a sólo un paso de convertirse en un elemento transuránico de larga duración. El plutonio-239 tiene una vida media de 24.000 años y es el más común de los transuránicos que se producen en los reactores de agua ligera. Los transuránicos como Pu-239 causan la percepción de que los desechos del reactor son un problema eterno. Por el contrario, al utilizar el LFTR, el ciclo del combustible de torio, el torio se transmuta en U-233. Dado que el torio es un elemento más ligero, se requieren capturas consecutivas de neutrones para producir elementos transuránicos. El U-233 tiene dos posibilidades de fisión en un LFTR. En primer lugar como U-233 (90% de probabilidad de fisión) y, a continuación, el 10% restante tiene otra oportunidad una vez convertido en U-235 (80% de probabilidad de fisión). La fracción del combustible que llega a convertirse en neptunio-237, la más probable dentro de los elementos transuránicos, es, por tanto, sólo el 2%, unos 15 kg por año GWe. Se trata de una producción de transuránicos 20 veces menor que en los reactores de agua ligera, que producen 300 kg de transuránicos GWe-anuales. Esto es importante, porque una producción de transuránicos mucho menor supone una mayor facilidad para el reciclaje. Los reactores que operan en el ciclo de combustible de U238-plutonio producen muchos más transuránicos, dificultando tanto el funcionamiento del reactor como el sistema de reciclaje. Al combinar estas dos ventajas de menor producción de transuránicos y reciclaje resulta que el ciclo del torio como combustible reduce la producción de desechos transuránicos por un factor mayor de 1.000 en comparación con un reactor de agua ligera alimentado de uranio. Los únicos residuos de larga duración significativos son el combustible de uranio propiamente dicho, pero este puede usarse indefinidamente para generar electricidad. Si alguna vez se decide prescindir definitivamente del torio como fuente de energía, parte de los reactores se puede apagar y el conjunto del combustible de uranio se puede quemar en los reactores restantes, permitiendo el agotamiento de este residuo final en función de la demanda de la sociedad. El LFTR aún genera productos de fisión radiactivos como residuo, pero no permanecen durante un plazo de tiempo extraordinariamente elevado- la radiotoxicidad de estos productos de fisión está dominada por cesio-137 y el estroncio-90 . De ellos, el isótopo con un periodo de semidesintegración más largo es el cesio: 30.17 años. Así, después de 30,17 años el decaimiento reduce la radiactividad a la mitad. Diez vidas medias más reducirán la radioactividad a dos elevado a una potencia de diez, es decir por un factor de 1.024. Los productos de fisión en ese momento, en unos 300 años, son menos radiactivos que el uranio natural. En ese momento sería razonablemente seguro enterrar estos materiales en roca o arcilla porque siempre hemos vivido con la presencia del uranio natural en la roca. La mayoría de los productos de fisión pueden ser útiles, por lo que podrían seguramente ser recuperados para su uso, en lugar de enterrarlos.

Destrucción de la basura nuclear de largo plazo ya existente. Los LFTR pueden utilizar desechos transuránicos existentes, generados por las plantas nucleares hasta la fecha, para su carga fisible inicial mejor que cualquier reactor de combustible sólido por diversas razones técnicas y físicas. Dado que el combustible es líquido, siempre está perfectamente mezclado, es inmune a la radiación, presenta elevados coeficientes de expansión negativos y presenta una completamente homogénea disolución entre los actínidos y las sales portadoras, y puede aceptar cualquier composición de plutonio, neptunio, americio y curio (neptunio, americio y curio son a menudo llamados actínidos menores), con el límite que impone la solubilidad de estos en las sales. En contraste, los reactores rápidos alimentados por combustible sólido, aunque teóricamente superan a los LFTR en la quema de estos actínidos menores, sólo puede aceptar cantidades limitadas de estos elementos. Esto es debido a que el combustible no está perfectamente mezclado, está confinado en elementos de combustible sólido y también porque el coeficiente de vacío del refrigerante (en caso de sobrecalentamiento del refrigerante) puede ser positivo para niveles demasiado elevados de actínidos menores. Además, también es difícil la fabricación y el manejo de estos elementos de combustible sólido debido a que altas cantidades de americio y curio generan calor de decaimiento así como producción de helio. Como resultado, los reactores de combustible sólido normalmente sólo usan plutonio reprocesado pero no americio ni curio, que constituyen una gran parte de la radiotoxicidad a largo plazo de los residuos radiactivos.

No hay acumulación de energía en el grafito. Un LFTR opera en o por encima de 650 ºC, muy por encima de los 250 ºC temperatura a la cual podría acumularse la Energía de Wigner en el grafito. Esto evita se acumule la energía de Wigner en el moderador de grafito ya que al estar sometido a temperaturas mayores esta no se llega a acumular y se impide su liberación repentina. Por lo tanto, un fuego similar al que ocurrió en el reactor para uso militar de Windscale, en el Reino Unido, causado por la energía de Wigner no podría suceder. Además, el grafito no reacciona con ninguno de los materiales que se encuentran en una contención LFTR (por ejemplo, no hay oxigeno con el que el grafito pudiera reaccionar).

Resistencia a la proliferación. El LFTR dificulta la desviación de combustible para la producción de armas nucleares de tres modos diferentes: en primer lugar, el torio-232 se transmuta a protactinio-233, que luego se desintegra en uranio-233. Si el protactinio permanece en el reactor, también se producen pequeñas cantidades de U-232.El U-232 tiene un producto de su cadena de desintegración, el talio-208, que emite rayos gamma muy potentes y peligrosos para la vida. Estos no son un problema dentro de un reactor, pero complica extraordinariamente la fabricación de bombas, porque dañaría a la electrónica y revelaría fácilmente la ubicación de la misma. En Segundo lugar, el LFTR produce muy poco plutonio, alrededor de 15 kg por año en una instalación de 1GW eléctrico. Este plutonio es principalmente Pu-238, que no puede ser utilizado para producir una bomba de fisión, debido al gran calor y la generación espontánea de neutrones que produce. En tercer lugar un LFTR no produce mucho combustible excedente. Se calcula que, en principio podría producir un 9% más combustible del que se quema, sin embargo es fácil diseñar un reactor que sólo produzca un 1% más. Si el objetivo de algún gobierno fuera producir armas nucleares tendría que tener reactores fuera de servicio, lo que constituiría una indicación fácil para la comunidad internacional de sus intenciones.

Estos son, en resumen los aspectos más destacables de la seguridad en un LFTR. Obviamente, no todo pueden ser ventajas. También existen algunos inconvenientes que pueden suponer algunos desafíos y que trataremos de exponer en otro artículo, más adelante. La mayor parte de los desafíos que pueden presentar el desarrollo y utilización de estos reactores se han solucionado o están en vías de solución. Independientemente de que sea preciso realizar un esfuerzo de diseño y desarrollo, lo más importante es que no parece que exista ningún tipo de impedimento técnico que impida su utilización. Más bien los impedimentos se encuentran en las legislaciones, en el desconocimiento y en la mentalidad de las personas que tienen que adoptar las decisiones más importantes para el progreso en el largo plazo de la civilización.

 

4 Responses

  1. javi.perez

    Efectivamente, las ventajas de seguridad, baja emisión, e incluso consumo de resuiduos y difícil aplicación de estos en la proliferación de WMDs, que se presentan en el artículo, dejan muy claro que los MSRs de Torio ganan por goleada a cualquier tipo de reactor de fisión actual. Respecto al efecto Doppler que comentas, entiendo que te refieres al Ensanchamiento Doppler. Aclaro brevemente este interesante efecto para mayor claridad:
    La reactividad del núcleo en un reactor es consecuencia de las propiedades nucleares y físicas, es decir, de las “secciones eficaces” macroscópicas de los materiales que integran el reactor nuclear. Por lo tanto, cualquier fenómeno que suponga una modificación de éstas se traducirá en una variación de la reactividad. Más concretamente, la sección eficaz de absorción de un núcleo depende de la energía relativa entre el neutrón incidente y el núcleo. El efecto de la temperatura del combustible sobre la reactividad de un reactor tiene su origen en la vibración de los núcleos del medio en que se mueven los neutrones alrededor de su posición de reposo. Esta vibración (es decir, la energía del núcleo) aumenta con la temperatura, y el resultado es que el rango de energías del neutrón incidente para el que se produce la absorción en los núcleos del medio (en los picos de las secciones eficaces de absorción denominados resonancias) es más amplio, con lo que la absorción neutrónica aumenta. Este fenómeno se denomina ensanchamiento Doppler de las resonancias, por similitud con los cambios de longitud de onda que se observan cuando una fuente luminosa monocromática está en movimiento. Pues bien, en un reactor donde el combustible se basa en sales fundidas de fluoruro de torio, en cuyo ciclo de fisión se genera U233, con óptima relación fisión/captura, este efecto de absorción es mayor que en un reactor basado en barras de combustible sólido.

  2. Mani

    Vaya pedazo de artículo. Gracias por aclarar esto.

    Saludos

  3. Enrique Toral

    Hola B. Serrano. He leído tus textos sobre los reactores a base torio. Me interesa mucho tu opinión y tus conocimientos. Vivo en México y estoy en un grupo de inversores que deseamos dotar de electricidad a las comunidades pequeñas que no tienen acceso a ella y por lo mismo no tienen escuela, empleo ni desarrollo. Para México y América Latina se necesitan unos 100,000 small modular reactors con potencia de solo 50 kWe, porque además necesitan escuelas, talleres, riego de sus sembrados, etc. Creo que el gran milagro solo el torio lo puede lograr, pero lo poco que he investigado, las pocas que hay están en desarrollo. ¿Tú sabes de algún fabricante que pudiera fabricarlas, digamos, en 4 años? Porque no tenemos 10 años para esperar a iniciar, pues hay personas que mueren de hambre y cuesta mucho llevarles la red pública para que tengan luz y agua. Hemos pensado comprar miles de plantas pequeñas, en vez de unos cientos de 50 kW, otros de 200 kW, otros de 500 kW, y así sucesivamente. Es más rápido y menos costoso un solo diseño producido por millares, que además se pueden inter conectar para lograr la potencia necesaria en cada caso y en cada lugar. Creo que el torio es lo único que puede hacerse de tamaño pequeño, porque no tiene riesgo de fundirse el núcleo radiactivo (si me equivoco me corriges ¿si?). Y sus ventajas, pues las has descrito claramente. En especial se requiere seguridad ya que van a trabajar cerca de sus usuarios. Espero que me puedas orientar, pues es un problema muy urgente e importante. Gracias. Enrique Toral.

  4. b.serrano

    Enrique, perdona por tardar en contestar. Por desgracia no estamos en la fase de implantación sino mas bien en la fase de desarrollo. Esta fase de desarrollo se interrumpió de forma abrupta en los años 70 y ahora estaríamos en una etapa de recuperar las capacidades y las habilidades que teníamos hace 40 años. Los científicos de entonces se han jubilado o peor aun, se han muerto. Los laboratorios donde se investigaba se dedican a otras cosas. Y la opinión publica en general tiene animadversión contra la energía nuclear, y no lo olvidemos, la energía del torio es tambien energía nuclear. Los políticos, que son algunos de los que podrían dirigir recursos hacia el desarrollo se guían en sus actuaciones por la opinión publica.

    Por otra parte, la energía del torio requiere un desarrollo que aun no ha tenido, hay que experimentar mucho aun en el comportamiento en la vida real de estos reactores.
    Sobre el tamaño que pueden tener estos reactores, es posible hacer reactores pequeños, pero ello no presupone que deban ser instalaciones desatendidas como lo pueda ser un generador diesel. Para llegar a ese punto hace falta mucha investigación y desarrollo y además mucha experiencia en reactores supervisados. Así que no hay posibilidad de encontrar un proveedor de equipos miniaturizados en 4 años, ni siquiera probablemente en 10 años.
    China esta construyendo un reactor experimental de 2MW termicos. Pero es experimental. El tamaño del prototipo comercial estaría en los 50MW-100MW eléctricos.

    No solo hay que desarrollar la parte nuclear sino también la conversión eléctrica con generadores de ciclo Brayton basado en CO2 súper crítico, que reemplazarían los grandes generadores de ciclo Rankine movidos por vapor actuales, que además requieren disponibilidad de agua líquida para su refrigeración.

    Si las comunidades que hay que atender están aisladas de la red eléctrica general una mejor opción es la energía fotovoltaica apoyada en baterías de plomo. La solución no es barata pero para poca demanda eléctrica puede ser suficiente.

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