Un reactor reproductor rápido ( FBR en inglés Fast neutron reactor ) es un reactor nuclear que utiliza neutrones rápidos que no son moderados en contraposición a los neutrones térmicos que pueden ser moderados por el grafito , el agua pesada o el agua ligera .
Hasta ahora, todos los reactores rápidos comerciales que se están desmantelando , construyendo o planificando están refrigerados por sodio , pero se han investigado otras tecnologías de reactores rápidos. Los reactores de neutrones rápidos se han vuelto a considerar desde 2001 en el marco del Foro Internacional Generación IV .
En ese día (febrero 2020), tres reactores de neutrones rápidos alimentan una red eléctrica : los reactores rusos Beloyarsk-3 ( BN-600 ) y Beloyarsk-4 ( BN-800 ) y el MCER de China. Un reactor se acerca a la fase operativa, el ( PFBR (en) ) en Kalpakkam , India, y otro está en construcción en China, el CFR-600. Ocho están parados.
Los neutrones emitidos durante la fisión de un actínido tienen inicialmente una alta velocidad que limita la probabilidad de que interactúen con el material fisible y provoquen una reacción en cadena.
Una primera solución es ralentizarlos (“ termalizarlos ”) mediante un moderador (agua, grafito o agua pesada ) que hace que pierdan su energía por sucesivos choques. Luego se denominan neutrones térmicos , "permitiendo una reacción en cadena eficiente y por tanto un mejor rendimiento del reactor para el uranio 235 cuya probabilidad de fisión por neutrones térmicos es alta" . Es esta solución la que se utiliza en reactores de corriente (tipos PWR, BWR, etc.).
La otra solución es elegir deliberadamente no incorporar un moderador. Luego tenemos neutrones rápidos , cuya energía cinética es alta. Estos neutrones rápidos tienen la ventaja de romper todos los núcleos pesados y no solo los materiales fisionables . El uso de neutrones rápidos también limita las capturas estériles (es decir las capturas que no dan lugar a una nueva fisión), lo que tiende a mejorar la eficiencia del reactor.
Por otro lado, la tasa de fuga de neutrones fuera del núcleo (neutrones que, por lo tanto, se pierden para el reactor) es mayor y la probabilidad de fisión por neutrones rápidos es menor que en un reactor de neutrones térmicos . Por tanto, es necesario tener un núcleo más enriquecido en material fisionable .
Además, se pueden colocar materiales fértiles en la periferia del corazón (hablamos de cobertura fértil) para aprovechar los neutrones que se escapan . Este es el principio de reproducción : recuperar los neutrones salientes para transmutar un material que a priori es inutilizable ( fértil pero no fisible) en material fisionable . Los FNR corresponden a tres de los seis tipos de reactores nucleares de IV Generación .
Los reactores de metal líquido pueden ser de tipo piscina o de tipo bucle. La arquitectura de la piscina permite mantener permanentemente el refrigerante del circuito primario dentro del tanque principal (las bombas primarias y los intercambiadores intermedios están sumergidos en el tanque principal), mientras que los reactores de circuito utilizan bombas primarias y tuberías con el exterior del tanque y los intercambiadores externos.
En 2007, todos los RNR en funcionamiento están diseñados con un circuito de refrigeración por el líquido de sodio . Es el sector de los reactores nucleares con neutrones rápidos y refrigerante de sodio . Aunque es inflamable en contacto con el aire, corrosivo y reacciona violentamente en contacto con el agua, se prefiere el sodio por las siguientes razones:
Se están estudiando otros refrigerantes metálicos, por ejemplo la aleación Pb - Bi o el plomo .
En los reactores de neutrones rápidos refrigerados por sodio (RNR-Na), el sodio líquido puede encenderse al entrar en contacto con el aire, desintegrar el hormigón y provocar una explosión al entrar en contacto con el agua. Esto es lo que sucedió durante el incendio ocurrido en el reactor de Monju (Japón) enDiciembre de 1995.
Para evitar el riesgo de reacción sodio / agua, se adoptan varias precauciones:
Para limitar las consecuencias de la ignición en contacto con el aire:
El sector se desarrolló originalmente con el objetivo de reducir el costo de producción del combustible utilizado en las centrales, evitando la etapa de enriquecimiento de uranio , y porque se temía en los años 1960 una escasez de reservas de uranio . La justificación económica del reactor de neutrones rápidos proviene principalmente de su capacidad para generar o regenerar plutonio además de la energía producida, pudiendo luego este plutonio ser parcialmente reutilizado en el reactor, reciclado en plutonio militar, o transformado en combustible MOX (mezcla de uranio y plutonio).
Sin embargo, la rentabilidad del sector MOX resultante del mejoramiento , por ejemplo, ha sido cuestionada por la Academia de Ciencias de los Estados Unidos . De hecho, en 1995 consideró que no era rentable al precio de mercado del uranio . En 2001, también se detuvo la reproducción en los Estados Unidos . Por otra parte, el sector MOX resultante del tratamiento de combustible nuclear gastado de centrales eléctricas convencionales está en desarrollo en el mismo país, ya que está previsto que en 2016 se inaugure un centro de producción en Savannah River. Una comisión de investigación del parlamento francés sobre costos nucleares concluyó en 2014 que tenía grandes dificultades para evaluar el interés económico de MOX en comparación con el simple almacenamiento de desechos, pero que en el mejor de los casos "no cuesta más almacenar el combustible gastado directamente que reprocesarlo ”, el proceso MOX con mayores riesgos.
En Francia, el reactor de neutrones rápidos se diseñó con miras a utilizar plutonio militar en reactores civiles. La parada del reactor Superphénix supuso el desarrollo de un sistema MOX para abastecer, por un lado, a determinados reactores del sector PWR francés que fueron adaptados para poder utilizar este tipo de combustible (22 reactores de 58 reactores en 2013), por otro lado, las centrales eléctricas más recientes como la EPR , que por diseño también podría funcionar solo con combustible MOX. Este combustible tiene el inconveniente de producir más desechos a largo plazo que el plutonio en un reactor de neutrones rápidos, que al final del ciclo solo produce plomo.
Quienes se oponen a los reactores reproductores señalan que se necesitan entre 20 y 30 años para duplicar la cantidad de plutonio suministrada inicialmente a un reactor de neutrones rápidos (tiempo de duplicación). Dada la disminución de las reservas de uranio a partir de 2025, en el estado actual de los depósitos conocidos, la flota de reactores de agua a presión debería ser reemplazada gradualmente por una flota de reactores reproductores, para tener suficiente combustible de plutonio. De hecho, las centrales eléctricas francesas del sector tradicional sólo producen cada año diez toneladas de plutonio. La rentabilidad a largo plazo parece incierta, en particular debido a un alto grado de tecnicismo vinculado a la gestión de riesgos más importantes que para el sector tradicional. Así, por ejemplo, el desmantelamiento de Superphénix está previsto actualmente para una duración de 31 años, mientras que para el desmantelamiento de una central eléctrica ordinaria, las obras principales demoran unos veinte años, mientras que todos los residuos no pueden ser desmantelados durante al menos cincuenta años .
En ese día (febrero 2020), tres reactores de neutrones rápidos abastecen una red eléctrica : los reactores rusos Beloyarsk-3 ( BN-600 , de 560 MWe ) y Beloyarsk-4 ( BN-800 , de 820 MWe ) y el MCER chino (20 MWe ), cerca de Beijing.
Se están construyendo dos RNR, febrero 2020. Uno se acerca a la fase operativa, el PFBR (en) Indian (470 MWe ) a Kalpakkam . El otro está construido por China, un demostrador tipo CFR-600.
Otros ocho reactores rápidos están cerrados de forma permanente en Estados Unidos , Reino Unido , Francia , Alemania , Kazajstán y Japón .
Este tipo de reactor nuclear es uno de los sectores examinados por el foro internacional Generación IV con el objetivo de diseñar futuros reactores nucleares.
El reactor BN-350 está ubicado en Aktau (anteriormente Shevchenko de 1964 a 1992 ), Kazajstán, a orillas del Mar Caspio . Este reactor reproductor rápido se puso en servicio en 1973 y se cerró en 1999. Además de producir electricidad para la ciudad vecina (150 MW ), producía plutonio ( generador de combustible) y agua potable por desalación (120.000 m 3 / día ).
En Rusia, el reactor BN-600 de 600 MWe funciona desde 1980 en la central nuclear de Beloyarsk . El reactor BN-800 , de la misma tecnología pero de 800 MWe , está en funcionamiento desde 2016.
Francia ha construido tres reactores rápidos en la cadena de refrigerante sódico de reactores rápidos :
ASTRID es una propuesta francesa para un nuevo prototipo de reactor rápido de refrigerante de sodio de 4ª generación . Este proyecto liderado por el CEA , con una capacidad de 600 MWe y cuya puesta en funcionamiento debía comenzar en 2020; se suspende en 2019, al menos hasta la “segunda mitad del siglo” .
En Alemania, se construyó un RNR en 1973 en Kalkar, en el Bajo Rin . Después de muchas protestas, no se encargó como estaba previsto en 1987.
El sitio de Dounreay en el extremo norte de Escocia albergaba dos prototipos de reactores de neutrones rápidos:
El sitio de Dounreay pertenece a la NDA desde 2004 . Su desmantelamiento está a cargo de Dounreay Site Restauration Limited bajo la supervisión de la Autoridad de Energía Atómica del Reino Unido (UKAEA). Su desmantelamiento es parte de la prioridad número dos de la NDA , después del sitio de Sellafield .
En este sitio también se encuentra el DMTR (Dounreay Materials Test Reactor), un reactor de investigación del tipo DIDO (in) , que divergió por primera vez en 1958. Su primer objetivo fue fabricar materiales bajo pruebas de alto comportamiento de flujo de irradiación de neutrones. Fue arrestado en 1969.
El Reactor Experimental de Neutrones Rápidos de China (MCER), un prototipo chino de RNR, fue construido por los rusos OKBM Afrikantov, OKB Gidopress, Nikiet y el Instituto Kurchatov cerca de Beijing. Este primer reactor chino de neutrones rápidos experimental de cuarta generación proporciona 20 MWe (65 MWt ) de energía eléctrica . Realizó su primera divergencia en21 de julio de 2010 y estaba conectado a la red en 21 de julio de 2011.
Rusia iba a construir dos reactores rusos de tipo BN-800 en la ciudad de Sanming , como parte de una asociación concluida en 2009, y ponerse en servicio después de 2020. Los desacuerdos sobre los costos y las transferencias de tecnología finalmente decidieron que China capitalizara la experiencia de el MCER para diseñar y construir su propio modelo FNR.
Así, la CNNC anunció tardediciembre de 2017el inicio de la construcción de un demostrador de 600 MWe diseñado por el Instituto Chino de Energía Atómica , el CFR-600, en Xiapu , provincia de Fujian . Podría seguir un segundo espécimen, un tercero a muy alta temperatura y otros cuatro con neutrones térmicos.
Un modelo comercial de aún mayor potencia, el CFR-1000, se encuentra en fase de diseño y podría tener un primer inicio en el sitio en 2028, para producir de 1,000 a 1,200 MWe en 2034. Finalmente, el modelo CFR-1200 está previsto en el marco de el foro internacional Generación IV .
CNNC también anunció en octubre de 2017la creación de una empresa conjunta con la estadounidense TerraPower , una empresa creada en 2006 y financiada por Bill Gates , que planea comercializar un reactor de onda viajera de tecnología (TWR, reactor de onda viajera ).
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