Todos los reactores nucleares de Estados Unidos, que actualmente proporcionan más de la mitad de la energía libre de carbono del país, son reactores de agua ligera de primera o segunda generación. Esto significa que utilizan agua como refrigerante y moderador de neutrones para controlar la reacción nuclear y producir electricidad útil. Sin embargo, la creciente necesidad de más energía limpia está impulsando a los expertos científicos, a los responsables de las políticas y a los miembros de la industria privada a buscar con entusiasmo todo tipo de diseños de reactores.
Una nueva generación de reactores nucleares, “Gen-IV”, tiene como objetivo mejorar la seguridad y, al mismo tiempo, optimizar la eficiencia y el costo. Un diseño de reactor Gen-IV que está a la vanguardia del desarrollo es el reactor rápido refrigerado por sodio (SFR). Los SFR con combustible de aleación metálica están generando un gran interés porque tienen seguridad pasiva intrínseca y pueden producir más material de combustible nuclear del que consumen. Esto puede reducir la cantidad de desechos generados durante la vida útil del reactor.
En el Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE), famoso por la expansión pacífica del exitoso experimento de fisión Chicago Pile-1 de Enrico Fermi, la tecnología de reactores rápidos no es nada nuevo. De hecho, Argonne diseñó, construyó y operó el reactor reproductor experimental II (EBR-II) a gran escala y probó y validó la tecnología de sodio fundido durante 30 años hasta que el laboratorio cerró de manera segura el EBR-II en 1994.
La información que utiliza la industria nuclear en casi todo el mundo para validar los diseños de reactores y la industria estadounidense para tramitar las solicitudes de licencia y obtener las aprobaciones de la Comisión Reguladora Nuclear todavía está fuertemente influenciada por las operaciones del EBR-II y los datos de prueba y otras investigaciones de Argonne, o se produce directamente a partir de ellos. Hoy, los principales experimentos de SFR y las pruebas de componentes de Argonne se llevan a cabo en una innovadora instalación de gran altura en el campus del laboratorio, justo en las afueras de Chicago: la instalación de bucle de prueba de ingeniería de mecanismos (METL). En METL, científicos como el ingeniero nuclear principal Matthew Weathered trabajan con patrocinadores federales y socios de la industria para perseguir un objetivo común: probar y validar una nueva generación de diseños de reactores rápidos de sodio.
Una tradición de experiencia e innovación
Weathered obtuvo su doctorado en ingeniería nuclear y tiene casi una década de experiencia laboral. Pero en Argonne, donde ingenieros como Earl Feldman (que trabajó en EBR-II en 1974) todavía realizan investigaciones, Weathered se considera “en el inicio de su carrera”. Sin embargo, al igual que Feldman, su enfoque es la termohidráulica.
“La termohidráulica es el estudio de la transferencia de calor”, explicó Weathered.
“Transferimos el calor producido por la fisión nuclear sostenida a algo que puede producir electricidad, como el vapor que hace girar una turbina. En los reactores Gen-IV, buscamos optimizar los sistemas (como bombas, intercambiadores de calor y el núcleo del reactor) para que transfiramos el calor de manera eficiente y obtengamos el mejor retorno de la inversión. También queremos entender cómo se comportarán estos sistemas durante un escenario de accidente”.
El experimento principal de Weathered es el artículo de prueba experimental termohidráulico (THETA), una instalación de sodio tipo piscina de 500 litros que ofrece datos de alta fidelidad para el desarrollo y validación de códigos informáticos de reactores nucleares. El THETA tiene aproximadamente una sexta parte del tamaño de un reactor real, pero posee todos los componentes principales que se encuentran en un reactor de combustión de gas (SFR) típico. Puede validar un análisis a escala reducida en el software de diseño de reactores nucleares. El THETA funciona perfectamente dentro de uno de los recipientes de prueba de 71 cm de diámetro de METL y tiene un núcleo calentado eléctricamente, bombas mecánicas, instrumentación de caudalímetro electromagnético única en su tipo, sensores ópticos y un intercambiador de calor intermedio que disipa el calor a un circuito de sodio secundario. Mediante el uso de diversos medios de medición, Weathered puede simular lo que sucede durante las operaciones en estado estable o en condiciones similares a accidentes de un SFR de tamaño completo.
A la industria nuclear comercial le gusta mucho esta capacidad. THETA puede probar y validar nuevos códigos de software y componentes de nuevos diseños, lo que permite a las partes interesadas informar qué pruebas se deben realizar para satisfacer mejor sus necesidades en tiempo real. Esta es una capacidad que los datos de los experimentos históricos de reactores no pueden ofrecer.
“Las pruebas de pérdida de flujo sin protección realizadas a plena potencia en el reactor EBR-II para demostrar la seguridad pasiva intrínseca son fundamentales para las innovaciones actuales”, dijo Feldman. “Las capacidades proporcionadas por el THETA deberían contribuir al desarrollo de futuros reactores rápidos de combustión interna”.
Weathered completó recientemente más de 100 pruebas diferentes en una matriz de pruebas en el THETA para validar el software de diseño de reactores en una serie de escenarios simulados. El THETA también puede probar y validar otros diseños de reactores rápidos de combustión interna emergentes.
“Con los reactores Gen-IV, la mayor parte de esta tecnología aún no está ‘lista para usar'”, dijo Weathered, quien agregó que diseñar e implementar soluciones para problemas complejos de reactores rápidos es parte de lo que lo intriga sobre su investigación. “Esa es realmente la parte más fascinante: el material de vanguardia en el que trabajamos, pasando de los primeros principios a los conceptos operativos en un entorno de reactor”.
¿Será suficiente para mantenerlo en Argonne durante otros 40 años, inspirando a la próxima línea de científicos en el inicio de su carrera a embarcarse en una carrera en ingeniería nuclear? Weathered ciertamente reconoce que está a la vanguardia de una nueva era.
“Estamos viviendo un momento realmente emocionante y creo que será aún más emocionante en las próximas décadas”, afirmó. “Habrá una gran demanda de energía en relación con los recursos computacionales para la inteligencia artificial, y la energía nuclear es un sistema de energía limpia. Eso será realmente atractivo para la próxima generación”.
Fuente: Tech Xplore.
