El reactor completo de sales fundidas (en inglés Integral Molten Salt Reactor , SMI ) es un proyecto de pequeño reactor nuclear modular de la familia de reactores de sales fundidas (RSF). Relativamente pequeño, su potencia debe permanecer por debajo de los 300 MWe , mientras que su modularidad permitiría entregarlo prefabricado en el sitio de una central nuclear.
El diseño del IMSR se basa estrechamente en el del Reactor de sales fundidas desnaturalizadas (DMSR) en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge , y también incorpora ideas del Reactor Modular Pequeño Avanzado de Alta Temperatura (Reactor Modular Pequeño Avanzado de Alta Temperatura o SmAHTR), un diseño posterior del mismo laboratorio. El IMSR es desarrollado por Terrestrial Energy Inc. (TEI), una empresa con sede en Oakville , Canadá. El IMSR es un reactor “quemador” que utiliza combustible líquido, mientras que el combustible es sólido para los reactores nucleares convencionales; este líquido contiene combustible nuclear y también sirve como refrigerante primario.
El IMSR "integra" en una unidad de reactor nuclear compacta, sellada y reemplazable (la unidad central del IMSR) todos los componentes primarios del reactor nuclear que están en contacto con el combustible líquido de sal de fluoruro fundido: moderador, intercambiadores de calor. Calor primario, bombas y barras de control.
El IMSR es un pequeño reactor modular que pertenece a la clase de reactores de sales fundidas desnaturalizadas. Por lo tanto, utiliza combustible nuclear basado principalmente en uranio con el objetivo del ciclo del combustible de un simple convertidor (o "quemador"). Esto es diferente de la mayoría de los otros diseños de reactores de sales fundidas, que emplean el ciclo del combustible de torio , que requiere un objetivo de reproducción más complejo . Por lo tanto, el diseño utiliza el conocido ciclo del combustible de uranio y el combustible de uranio poco enriquecido, como la mayoría de los reactores en funcionamiento en la actualidad. El combustible IMSR en sí mismo está en forma de tetrafluoruro de uranio (UF 4 ). Este combustible se mezcla con sales portadoras, que también son fluoruros como el fluoruro de litio (LiF), el fluoruro de sodio (NaF) y / o el fluoruro de berilio (BeF 2 ). Estas sales portadoras aumentan la capacidad térmica del combustible (refrigerante) y reducen el punto de fusión del combustible de fluoruro de uranio.
Esta mezcla líquida de combustible y refrigerante se bombea a través de un núcleo de reactor nuclear crítico que está moderado por elementos de grafito, lo que lo convierte en un reactor de neutrones térmicos . Después de calentarse en el núcleo, las bombas obligan al combustible líquido a pasar a través de los intercambiadores de calor ubicados dentro de la vasija del reactor. La arquitectura "integrada" del reactor (todos los componentes primarios, intercambiadores de calor, etc. están colocados dentro de la vasija del reactor) evita el uso de tuberías externas que podrían tener fugas o romperse. La tubería fuera de la vasija del reactor contiene una sal refrigerante secundaria no radiactiva. Esta sal actúa como una barrera de contención y un disipador de calor adicional, y transfiere su energía a una instalación de turbina de vapor de grado industrial estándar para generar electricidad, o al uso directo del calor del reactor, o una combinación de ellos.
La unidad central del IMSR está diseñada para ser completamente reemplazable durante el funcionamiento normal. Durante el funcionamiento, periódicamente se funden pequeños lotes de sales de combustible frescas y se añaden al sistema del reactor. Este proceso de reabastecimiento de combustible en línea evita el equipo mecánico de reabastecimiento de combustible necesario para los sistemas de reactores de combustible sólido.
Estas características de diseño se basan en gran medida en dos diseños anteriores de reactores de sales fundidas del Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL): el reactor de sales fundidas desnaturalizadas (DMSR) de 1980 y el reactor modular pequeño avanzado de alta temperatura (SmAHTR), un combustible sólido de 2010 pero refrigerado por sal líquida. diseño. El DMSR, como se practica en el diseño del IMSR, había propuesto utilizar combustible de sales fundidas y un moderador de grafito en un diseño de convertidor simplificado, utilizando uranio poco enriquecido (LEU) (en combinación con torio, que podría utilizarse en el IMSR), con adiciones periódicas de combustible UFE. La mayoría de las propuestas anteriores de reactores de sales fundidas producían más combustible del necesario para su funcionamiento, por lo que eran reactores reproductores . Los reactores convertidores o "quemadores" como IMSR y DMSR también pueden utilizar plutonio, procedente del combustible gastado existente, como fuente de combustible para reabastecimiento. La propuesta SmAHTR más reciente era para un reactor modular pequeño enfriado con sales fundidas, pero alimentado por combustible TRISO sólido.
Actualmente, Terrestrial Energy se encuentra trabajando en 3 tamaños de unidad diferentes, 80 megavatios térmicos (MWth), 300 MWth y 600 MWth, generando respectivamente 33, 141 y 291 megavatios eléctricos (MWe) de electricidad, utilizando turbinas de vapor industriales de calidad estándar. La cogeneración también es posible.
El objetivo de TEI es que el IMSR esté acreditado y listo para el despliegue comercial en la primera mitad de la década de 2020.
La primera fase de la revisión del concepto por parte del regulador canadiense se completó en noviembre de 2017. Terrestrial Energy fue entonces el primer reactor en obtener una opinión regulatoria oficial de un regulador occidental para la Generación IV . El IMSR está, enoctubre 2018, el primer concepto de la IV Generación en entrar en la segunda fase de este proceso: la de prelicencias , cuya finalización allanará el camino para las solicitudes de licencias de sitios. Terrestrial Energy espera poner en servicio sus primeros reactores a finales de la década de 2020.
Un elemento clave del diseño propuesto del IMSR es la unidad central reemplazable. En lugar de abrir la vasija del reactor, reemplazar el grafito y otros componentes que forman el núcleo del reactor nuclear y luego cerrar la vasija, la unidad central del IMSR se reemplaza en su totalidad. Incluye las bombas, los motores de la bomba, la barra de control y los intercambiadores de calor, todos los cuales están dentro del tanque o directamente conectados.
Para facilitar la sustitución, hay dos silos del reactor en el edificio del reactor, uno con una unidad central en funcionamiento y el otro en reposo o en refrigeración. Después de 7 años de funcionamiento, la unidad central se apaga y se deja enfriar. Al mismo tiempo, se activa una nueva unidad central en el segundo silo del reactor, previamente sin explotar. Esto implica conectarse a la tubería de sal de enfriamiento secundaria, colocar la cubierta de contención con su escudo biológico y cargar con sal de combustible fresca. La cubierta de contención proporciona una segunda barrera de contención (la primera es la propia vasija del reactor sellada). La nueva unidad central ahora puede comenzar sus 7 años de operaciones de energía, mientras que la unidad que anteriormente funcionaba en el silo de al lado se enfría para permitir que los radionucleidos de vida corta se descompongan.
Después de este período de enfriamiento, la unidad central desgastada se retira y se reemplaza, lo que permite que el ciclo regrese al primer silo, 7 años después, para las operaciones de energía. Funciona porque el IMSR, con su combustible líquido, se beneficia del reabastecimiento en línea. Durante el período de operación de energía, periódicamente se funden pequeños lotes de sal de combustible fresca y se añaden al sistema del reactor. Con un reactor de combustible líquido, este proceso no requiere equipo de repostaje mecánico. Gracias a las unidades centrales reemplazables y al reabastecimiento de combustible en línea, la vasija del reactor IMSR nunca se abre, lo que garantiza un entorno de trabajo limpio. La planta IMSR acumula en el sitio unidades centrales selladas usadas y tanques de sal de combustible gastado en silos debajo del nivel del suelo. Este modo de operación también ayuda a reducir las incertidumbres sobre la vida útil a largo plazo de los materiales y equipos, reemplazándolos por diseño en lugar de permitir que se acumulen problemas relacionados con el envejecimiento, como la fluencia o la corrosión .
Los reactores de energía nuclear tienen una gran cantidad de requisitos básicos de seguridad, que pueden clasificarse en tres categorías: control, enfriamiento y confinamiento.
El requisito más obvio para un reactor nuclear es mantener el control de la criticidad de la reacción en cadena nuclear . Por lo tanto, el diseño debe proporcionar un control preciso de la reactividad del núcleo del reactor y debe garantizar una parada confiable cuando sea necesario. En condiciones normales de funcionamiento, el IMSR se basa en la estabilidad intrínseca para el control de su reactividad. Se trata de un comportamiento de potencia de retroalimentación negativa (o contrarreacción ): con una autorregulación de la potencia de salida y la temperatura, el reactor se caracteriza como un reactor de control de carga. El sistema de respaldo del IMSR es una barra de control de flujo controlado, que desciende al núcleo si se pierde el flujo bombeado. Una segunda protección la proporciona una caja de fusibles colocada dentro de la unidad central y llena con un veneno de neutrones muy fuerte que se derrite y apaga permanentemente una unidad central si se sobrecalienta.
Un reactor nuclear genera calor , lo transporta y finalmente convierte ese calor en movimiento en una turbina de vapor . Tales sistemas requieren que el calor generado se elimine del sistema. Un problema fundamental de los reactores nucleares es que, incluso cuando se detiene el proceso de fisión nuclear , la desintegración radiactiva de los productos de fisión sigue generando un calor considerable durante días e incluso meses después de la parada. Esta energía residual es el principal problema de seguridad para la refrigeración de reactores nucleares porque es imposible extinguirla. Para los reactores de agua ligera convencionales, la presencia de esta potencia residual significa que, en todas las circunstancias, un flujo de agua de refrigeración es fundamental para evitar daños y fusión del combustible sólido. Los reactores de agua ligera operan con un refrigerante volátil , lo que requiere operación a alta presión y despresurización en caso de emergencia. En su lugar, el IMSR utiliza combustible líquido a baja presión. El IMSR no depende del suministro de refrigerante al reactor, ni de su despresurización: se basa en un único sistema de enfriamiento pasivo. La unidad central está sujeta a una pérdida de calor constante. En funcionamiento normal, estas pérdidas están limitadas por el uso de un aislante fusible, en forma de sal tampón normalmente sólida. La sal tampón se coloca en un depósito anular que rodea el reactor en todos los lados excepto en la parte superior. Al detener las bombas de sal primarias, el reactor se apaga pasivamente, pero aún puede calentarse lentamente debido a la pequeña, pero constante, energía residual, como se describió anteriormente. Este calentamiento fundirá la sal tampón, y así absorberá la potencia residual inicialmente por el calor latente de fusión , para luego un enfriamiento por convección a través de la sal tampón, ahora líquida. En el exterior del depósito de sal amortiguador anular hay una serie de tubos de enfriamiento llenos de agua: la camisa de enfriamiento. Con la sal amortiguadora fundida, hay mucha menos resistencia térmica y la sal amortiguadora se convierte en un refrigerante de convección natural que transporta calor a la cáscara. Esto hace que el agua se evapore en la camisa de enfriamiento. Hay suficiente agua en el sobre para más de 7 días de enfriamiento por evaporación. Más allá de este período, las pérdidas de calor al aire y al suelo corresponden a la generación de energía residual, y se evita la necesidad de reponer el agua de refrigeración. En general, la dinámica térmica y la inercia de todo el sistema de unidad central del IMSR en su silo de contención es suficiente para absorber y dispersar la energía residual.
El IMSR es un tipo de reactor de sal fundida . Todos los reactores de sales fundidas tienen una serie de características que contribuyen a una contención segura , especialmente en lo que respecta a las propiedades de la sal en sí. Las sales son químicamente inertes . No arden y no generan ningún material combustible. La sal también tiene baja volatilidad , lo que permite bucles de enfriamiento y una presión de funcionamiento del tanque muy baja. En otras palabras, las sales tienen puntos de ebullición extremadamente altos, alrededor de 1400 ° C. Esto proporciona un margen muy grande a la temperatura de funcionamiento normal de aproximadamente 600 ° C a 700 ° C. Por tanto, es posible el funcionamiento a baja presión, sin riesgo de que el combustible / refrigerante hierva. Además, la alta estabilidad química de la sal evita reacciones químicas energéticas como la generación y detonación de hidrógeno gaseoso y la combustión de sodio , que plantean desafíos para el diseño y operación de otro tipo de reactores. En términos técnicos, hay una falta de energía potencial almacenada, química o física. La propia sal de fluoruro confina muchos productos de fisión como fluoruros no volátiles y químicamente estables, como el fluoruro de cesio . Asimismo, otros productos de fisión de alto riesgo, como el yodo, se disuelven en sal combustible donde permanecen unidos como sal de yoduro.
Además de la contención proporcionada por las propiedades de la sal, el IMSR tiene varias barreras físicas de contención. La unidad central del IMSR es una unidad de reactor integral y completamente sellada con una probabilidad muy baja de fugas. Está rodeado por el depósito de sal tampón, en sí mismo una unidad completamente sellada, rodeada de acero estructural y hormigón. La unidad central del IMSR está cubierta desde arriba por una cubierta de contención de acero que a su vez está cubierta por gruesas placas redondas de acero. Las placas sirven como pantalla protectora contra la radiación, pero también protegen contra agresiones externas como explosiones o penetración por un accidente aéreo. El edificio del reactor proporciona una capa adicional de protección contra estos riesgos externos, con una zona de contención controlada y filtrada.
La mayoría de los reactores de sales fundidas utilizan un tanque de drenaje por gravedad para el almacenamiento de respaldo de la sal combustible fundida. El IMSR evita deliberadamente este tanque de sumidero con sus preocupaciones particulares de seguridad, ya que el control del reactor o el enfriamiento de emergencia se basa en los otros métodos ya descritos. Esto simplifica el diseño y elimina la línea de drenaje y los riesgos asociados con una abertura en la parte inferior del tanque. El resultado es un diseño más compacto y robusto, con menos piezas y menos escenarios de falla.