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Los reactores reproductores rpidos

de m etal lquido

por Eduard Khodarev

1 .

Intro duccin: Por qu son necesarios los reactores reproductores rpidos?

Segn el estudio de la futura demanda de energa y de las posibles fuentes energticas (carbn,

petr leo, gas, energa nuclear, hidrulica y solar), la co ntrib uci n de la fisin nuclear,

competitiva hoy con las fuentes energticas tradicionales, aumentar continuamente durante

los prximos decenios. La cantidad de combustible que ha de fabricarse cada ao para el

fun cion am iento de una central nuclear se calcula en decenas de toneladas; en cam bio, cada

una de las centrales alimentadas con carb n consume anualmente millones de toneladas de

combustible, y las reservas mundiales de combustibles fsiles, especialmente carbn, aunque

enormes, no son limitadas. La capacidad de la energa nuclear en su actual estadode

desarrollo de satisfacer la demanda mundial de electricidad depender, en gran medida, de

las reservas mundiales de ura nio natural y de la posibilidad de obtener uran io-23 5, c om o

com bustible nuclear, a precios razonables. Sin embargo, el porcentaje relativamente pequeo

de este istop o c onte nido en el uranio na tural limitar el desarrollo de la energa ncleo-

elctrica basado exclusivamente en los actuales reactores de agua ligera, que, debido a su

baja raun de conversin, solo utilizan el 2% de la energa potencial del uran io n atu ral.

Por tanto, a la larga, no podrn aprovecharse por completo las ventajas de la energa nuclear

a menos que se encuentren reservas importantes de uranio natural o que se consiga utilizar

ms eficazmen te el uranio.

Los reactores reproductores rpidos brindan la oportunidad de resolver fundamentalmente

el problema en un futuro prximo, pues aprovechan mejor los actuales recursos de uranio

natural (incluido el uranio empobrecido procedente de las plantas de enriquecimiento) y el

plutonio producido en el combustible de los reactores trmicos. Producen ms plutonio

que el que consumen y son capaces de utilizar del 60 al 70% del uranio. Si se emplean los

reactores rpidos con buenas propiedades de reproduccin no solo se reduce considerable

mente el consum o de ura nio natural sino que adems se puede estructurar de mod o ms

flexib le el sistema de generacin de electricida d, con objeto de m inimiza r los costos. Son

posibles con ellos grandes economas si se comparan con la utilizacin exclusiva de reactores

trmicos; de esta manera un pas puede conseguir en gran medida su independencia energtica.

Ref.

[1 ] .

2 . Principios generales de los reactores reproductores rpidos

El proceso de fisin se basa en el hecho de que cuando un neutrn es capturado por el ncleo

de un to mo de ma terial fisionab le, el tom o se escinde o fisiona. La energa liberada por

este proceso la aprovechan los reactores de potencia para producir vapor, que a su vez

acciona una turbina y genera electricidad.

Solo hay cuatro istopos pesados efectivamente fisionables: el uranio-233, el uranio-235,

el plutonio-239 y elp lu ton io-241.De estos, solo el uranio-235 existe en la naturaleza en

El Sr . Khodarev presta sus serv ic ios en la Seccin de Tecnologa Nucleoelctr ica Avanzada de la Div is in

de Energa Nuc leoe lc t r ica y Reac tores de l O IE A , y es tambin Secre ta r io C ien t f i co de l Gr up o

in te rnac iona l de t raba jo sobre reac tores rp idos .

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suf ic iente cant idad const i tuye a l rededor de l 0 ,7% del uran io natura l ) y los actua les reactores

de potenc ia se basan en su em pleo . S in emba rgo, se pued en obte ner cant idades cons iderab les

de los o t ros t res istopos f is ionables cuando los neut rones son absorb idos por c ier tos

istopos de l tor io y de l uran io . E l mater ia l que se hace f is ionable a l absorber neut rones se

d e n o m i n a c o m b u s t i b l e p r i m a r i o o m a t e ri a l f r t i l . En el caso de los reactores

repr odu ctore s rp idos, el ma ter ia l fr t i l ms in teresante es e l ura n io -23 8 que , por abso rc in

neu t rn ica , se con v ie r te en p lu ton io - 23 9 , i s topo f i s ionab le . E l u ra n io na tu ra l con t iene ms

del 99% de uran io-238, y en e l uran io empobrec ido, que se acumula en las p lantas de

enr iquec imiento de uran io dest inado a las actua les cent ra les nuc leares, la proporc in es de

casi del 100%.

Al f is ionarse, los ncleos l iberan ms neutrones que los necesar ios para mantener la reaccin

en cadena. Una caracter s t ica de los reproductores rp idos es que, adems de energa,

p rodu cen ms mate r ia l fi s ionab le que e l consu men , de aq u el no mb re de rep rod uc to re s .

E l reac to r rep rodu c to r rp ido de meta l l q u id o se den om ina as po rq ue u t i l i za neu t rones de

al ta energa ( rp idos ) para conver t i r e l mater ia l fr t i l en mater ia l f is ionable y sod io como

ref r igerante, e l cua l permanece en estado l qu ido ( meta l l qu ido ) a las a l tas temperaturas

normales de t rabajo .

En un reactor rep rod uc tor rp ido , e l ma ter ia l fr t i l (ura n io- 23 8) se enc uen tra en e l n c leo y

en la zona fr t i l a l rededor de l mismo. E l nc leo est const i tu ido por una mezc la de x ido

de p lu ton io y de x ido de uran io . La f is in t iene lugar sobre todo en e l nc leo de l reactor ,

m ien t ras que la convers in de l u ran io -238 en p lu ton io -239 , po r cap tu ra de los neu t rones en

exceso, se real iza en ambas partes del reacto r.

Los conjuntos de e lementos combust ib les de la zona fr t i l es tn formados por barras de un

mater ia l de composic in un i forme. Los de l nc leo lo estn por barras cuya cent ra l es de

mater ia l f is ionable , mient ras que los ext remos son de mater ia l f r t i l . Por tan to , todo e l

nc leo de l reactor est rodeado por zonas fr t i les . Una vez ext ra dos de l reactor los con juntos

de e lementos combust ib les gastados de l nc leo y los con juntos de la zona f r t i l , e l p l u t o n i o

se separa de los mismos durante las operaciones de reelaboracin y se ut i l iza para fabr icar

e lem entos com bu st ib le dest inados a reactores rep rodu ctore s rp ido s o a cent ra les nuc leares

d e o t r o t i p o .

Desde muc hos pu nto s de v is ta , los reprodu ctores rp idos son anlogos a los actua les reactores

de potenc ia en serv ic io . No obstante, e l nc leo de los reproductores rp idos ha de ser mucho

ms compacto que e l de los reactores de agua l igera. Se ut i l i za como combust ib le p lu ton io

o u ran io mucho ms enr iquec ido ; l os e lementos combus t ib les son de d imet ro ms pequeo

y estn revest idos de acero inox idable en lugar de z i rca loy. Como e l agua modera

rp idamente los neut rones rp idos produc idos durante la f is in hasta un n ive l energt ico

in fer ior a l necesar io para la reproducc in no puede ut i l i zarse en los reactores reproductores

rp idos. Por tanto, en un reproductor rp ido tenemos que ext raer una gran cant idad de ca lor

de un pequeo vo lumen de combus t ib le y a la vez u t i l i za r un re f r ig ren te que no modere los

neut rones a un n ive l energt ico inaceptab le . En la prct ica, so lo a lgunos meta les l qu idos o

e l he l io a pres in c um plen estas con dic ion es. La t ransfere nc ia de ca lor es m ajor co n meta les

l qu ido s que con e l he lio a p res in , pe ro es te l t im o no m odera ta n t o los neu t rones c om o

aqul los . E l pequ eo nc leo de los repro duc tores rp idos neces i ta una e levada dens idad de

combus t ib le , l o que favorece e l emp leo de meta les l qu idos como re f r ige ran tes en e l reduc ido

espac io d isponib le ; los grandes nc leos de los reproductores rp idos de cent ra les indust r ia les

requieren menor dens idad de combust ib le y , en este caso, e l espac io d isponib le en e l nc leo

es suf ic iente para permi t i r la re f r igerac in por he l io a pres in. S in embargo, desde hace aos

se ut i l i za n m eta les l qu ido s (p or e jem plo , m erc ur io , mezc las de sod io y pota s io , y sod io)

como re f r ige ran tes en los rep roduc to res rp idos exper imen ta les , l os cua les han func ionado

con x i to en todo e l mundo , con lo que se ha acumu lado una g ran exper ienc ia pos i t i va .

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La prod uccin de energa en el ncleo de un reprod uctor rpido es intensa, comparada c on

la de un reactor t rm ico , y, por c onsiguiente, el refrigerante debe poseer m uy buenas

caractersticas de transferencia del calor. Para los reproductores rpidos que utilizan un

sistema refrigerante a base de m etal lq ui do , el sodio es el elemen to elegido puesto que puede

extraer eficazmente el calor del ncleo compacto del reactor y permanecer en estado lquido

dentro de una gama relativamente amplia de temperaturas. El sodio, frente a otros posibles

refrigerantes, presenta la me jor c om binac in de caractersticas necesarias, en p articu lar,

excelentes propiedades de transferencia de calor, necesidad de una baja potencia de bombeo,

no muy elevadas presiones (puede emplearse prcticamente a la presin atmosfrica),

capacidad de absorber una considerable energa en condiciones de emergencia (ya que

trabaja muy por debajo del punto de ebullicin), tendencia a disolver o reaccionar con muchos

productos de fisin capaces de penetrar en el refrigerante debido a un fallo de los elementos

combustibles (y por lo tanto retenerlos), y, por ltimo, muy buenas propiedades neutrnicas.

Entre las caractersticas desfavorables del sodio, figuran su reactividad qumica con el aire

y el agua, su activacin al ser irradiado, su opacidad ptica y sus definiciones propiedades de

moderacin y absorcin neutrnicas, pero estos inconvenientes en la prctica quedan

compensados por las ventajas que ofrece como refrigerante. Ref. [2].

El sodio del circ uit o prim ario (es decir, el que est en con tacto direc to con el ncleo) no se

utiliza en ningun o de los diseos de reproductor rpido para produc ir vapor. En su lugar se

recurre a un circuito intermedio de sodio (circuito secundario), que permite evitar la fuga

de sodio radiactivo en caso de fallo del generador de vapor. Esto exige emplear intercambia

dores intermedios de calor entre los circuitos primario y secundario de sodio. El circuito

secundario de sodio aisla el circuito primario y por consiguiente, el reactor lleno de sodio

de todo contacto con el agua. Desde luego esto no facilita el diseo de los generadores de

vapor capaces de mantener separados eficazmente el sodio y el agua.

3. Principales tipos de reproductores rpidos y u parmetros de diseo

Hay dos diseos bsicos de reproductores rpidos refrigerados por sodio: el tipo piscina

(integrado) y el tip o de cir cu ito . En el tip o piscina, la vasija del reactor contiene, adems

del nc leo, otros com ponentes. La figura 1 es una representacin esquemtica de este

tip o de reactor. Ref. [3 ]. La vasija del reactor, que est llena de sodio aproxim adam ente a

la presin atmos frica con tiene el ncleo, la maquinaria de recarga de comb ustible , el ncleo

del circuito primario y los intercambiadores intermedios de calor. Por consiguiente, todo el

circ uito prim ario de sodio refrigerante est contenido en esta vasija. Este diseo perm ite

reducir de mo do apreciable la cantidad de tuberas exteriores. A t t u lo de ejemplo las

Figuras 2 y 3 muestran el reactor francs Phnix.

El segundo ti po , con ocid o com o diseo de circ uito , se parece ms a los reactores trad icionales

de agua ligera: los distintos componentes del sistema de refrigeracin, situados fuera de la

vasija del reactor, estn conectados entre s por tuberas, en tanto que dentro de la propia

vasija del reactor solo se encuentra el ncleo y el equipo con l relacionado . Com o ilustracin

de este tipo de diseo, la Figura 4 presenta el sistema bsico del reactor Monju, Ref. [4],

En ambos diseos del circuito primario, la vasija que contiene los componentes primarios

est rodeada por otra vasija protectora, de modo que en caso de ruptura del sistema del

circuito primario no ocurran grandes prdidas de sodio radiactivo.

En un re produc tor rp ido , sea cual fuere el tip o, dotad o de un sistema de refrigeracin por

sodio,

la finalidad es minimizar el tiempo de parada necesario para recargar el reactor.

Tanto en los de tipo piscina com o de circu ito se uti l iza con frecuencia un tap n rota torio

situado en la parte sup erior de la vasija del reactor, en la cubierta de cierre. La m quina de

recarga del com bus tible en el ncleo est mon tada sobre este tapn ro ta to rio . Los

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1 Nc leo 5 Generador de vapo r 9 Bom ba de l agua de

2 Bom ba p r ima r ia de l sod io 6 Turb ina a l imen tac in

3 In te rcam b iador i n te rme d io 7 A l te rn ado r

1 0

Agua de re fr igerac in

4 Bom ba secundar ia de l sod io 8 Condensad or de l conden sador

V /

Figura 1 . Diagrama esquemtico de una central con un reactor rpido tipo piscina.

mecanismos de acc ionamiento de las barras de co n tr ol , instalados tam bin en este tap n ,

se desconectan del ncleo antes de hacer girar el ta p n. De esta m anera es posible trasladar

el combustible del ncleo a cualquier punto dentro del reactor y viceversa utilizando la

maq uinaria destinada a ese traslado. En el tip o piscina, el com bus tible gastado suele

colocarse en un b idn de almacenamiento provisional situado den tro de la vasija del reactor,

en el que permanece mientras se disipa el calor de desintegracin de los productos de fisin.

La m aqu inaria de recarga del com bus tible fuera de la vasija se ut iliza despus para trasladar

el combustible gastado al lugar de almacenamiento situado fuera de la vasija del reactor.

Esto puede efectuarse sin parar el reactor. En el tipo de cir cu ito , el com bus tible gastado pasa

directamente del ncleo

a

las instalaciones de almacenamiento fuera del reactor.

Un importante problema en el caso de los reproductores rpidos es el de la vida til del

com bus tible. En los reactores trmicos solo un pequeo porcentaje de los tomos del

com bustible se fisionan antes de su extraccin desde el ncleo al lugar de almacenam iento

del combustible gastado o a la planta de reelaboracin. Normalmente, la cantidad de material

fisionable en el combustible de un reactor trmico no es superior al 4%, y como en dichos

reactores es baja la razn de conversin frtil a fisin, solo se alcanza un grado de quemado

de 2 a 3%. C on un grado de quemado ms elevado, pueden provocarse daos en el

revestimiento del combu stible y fallos de ste. En los reprodu ctores rpidos, el 15% o ms

del com bustible est constituido por m aterial fisionable, y com o la razn de reproducc in

es mayor que la unidad, el grado de quemado no est limitado normalmente por la cantidad

de material fisionable presente sino por la resistencia a los daos radioinducidos. En

condiciones tpica s, el grado de quemado puede alcanzar del 10 al 15%. Por ta nto, mientras

en los actuales reactores de agua ligera el grado de quemado es de 20 000 a 35 000 MW d/ton,

la cifra correspon diente para los reproductores rpidos actua lmente en diseo es de

100 000 a 150 0 00 en el MW .d/ton. El Cuadro

presenta las caractersticas bsicas de los

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Figura 2 . Corte de un reactor reproductor rpido tipo piscina Phnix).

reproductores rpidos de demostracin y las proto ripo en funcio nam iento o en diseo.

Ref. [5 y 6].

En muchos pases adelantados se considera que en el fu tu ro cobrarn impo rtancia creciente

los reactores rpidos con fines industriales. Hoy da hay en servicio importantes

reproductores rpidos experimentales refrigerados por sodio, por ejemplo, EBR-II (Estados

Unidos de Am rica), R apsodie-Fortssimo (Francia), Joyo (Japn), KN K- II (Repblica

Federal de Alemania) y BOR-60 (Unin Sovitica), y estn en construccin reactores

experimentales an ms grandes, por ejemplo, PEC (118 MW(t)), en Italia, y FFTF

(400 MW(t)) reactor experimental multifuncional para estudios sobre el combustible

(Estados Unidos de Amrica).

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Figura 3. Seccin vertical del reactor Phnix.

Se est ganado experiencia en el fucnionamiento de los primeros prototipos de reproductores

rpidos, en particular, BN -350 M W (el), de la U nin S ovitica, Phnix (250 MW (e)), Francia

y PFR (250 M W (e)|, Gran Bretaa. Estn en con struc cin centrales nucleares que emplean

reactores rpidos, por ejemplo, Super-Phnix (120 0 M W (e)), el prime r reprod uctor rpido

de demostracin de tamao n atural, en F rancia, SN R-300 (327 MW (e)), en la Repblica

Federal de Alema nia, y BN-600 (600 MW (e)), en la Un in Sovitica. De la misma manera

varios pases desarrollan otros proyectos.

Al evaluar la experiencia adquirida en el diseo, construccin y funcionamiento de los

reactores reproductores experimentales refrigerados por sodio, en particular los primeros

prototipos, puede afirmarse que la importante experiencia industrial para determinar si los

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Figura 4. Diagrama esquemtico del reactor Monju

reproductores rpidos representan una proporcin interesante es favorable y parece indicar

que este tipo de reactor posee, en trminos generales, caractersticas satisfactorias tales como

simplicidad, estabilidad en el control, y posibilidad de alcanzar un elevado rendimiento

energtico y un elevado grado de quemado. Las dificultades con que se ha tropezado en el

funcionamiento inicial de BN-350, Phnix y PFR no son consecuencia de problemas

fundam entales de este tip o sino de ciertas deficiencias tecnolgicas en la fab ricacin de

algunos componentes no nucleares.

El gran volumen de datos tecnolgicos recogidos y la experiencia ad quirida en el diseo y

funcionamiento de prototipos de reproductor rpido refrigerado por sodio indican que

podemos pasar a la prxima etapa de desarrollo, a saber, el diseo de centrales con un

mnimo de costos de generacin de electricidad y caractersticas ptimas de reproduccin.

Tras la fase de los primeros reactores de demostrac in, todos los pases con importantes

programas de reactores rpidos proyectan instalar reactores de potencia de demostracin

a plena escala, para co ntinu ar con una serie de grandes centrales de potencia com prendida

entre 1000 y 1800 MW(e). En Francia est en construccin actualmente una central de

demostracin de tamao natural: Super Phnix. Se encuentran en desarrollo centrales

anlogas en la Gran Bretaa, la Repblica Federal de Alemania y la Unin Sovitica.

Como resultado de los rpidos progresos de su programa de reactores rpidos, el Japn

proyecta terminar un prototipo de 300 MW(e) a mediados de los aos 80 para pasar a

con tinua cin a una cen tral de demostracin a plena escala.

La necesidad de introducir los reproductores rpidos lo antes posible es ms acuciante en el

caso de pases que imp orta n la m ayor parte du su energa. Japn im po rta el 90% de la

energa que consume, y Francia el 77%. Esos pases consideran que la introduccin de los

reproductores rpidos lo antes posible es de capital impo rtancia para su independencia

energtica.

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