Reactores Reproductores R�pidos

Bajo condiciones de operaci�n apropiadas, los neutrones emitidos por las reacciones de fisi�n, puede "criar" m�s combustible a partir de los is�topos no fisibles. La reacci�n de reproducci�n m�s com�n es la del plutonio-239, a partir del uranio-238 no fisible. El t�rmino "reproductor r�pido" se refiere a los tipos de configuraciones que pueden realmente producir m�s combustible fisible del que consumen, tal como el LMFBR. Este escenario es posible porque el uranio-238 no fisible, es 140 veces m�s abundante que el U-235 fisible, y puede convertirse eficazmente en Pu-239, por los neutrones de una reacci�n de fisi�n en cadena.

Francia ha hecho la mayor implementaci�n de reactores reproductores con su gran reactor Super-Phenix, y un reactor a escala intermedia (BN-600), en el Mar Caspio, para la energ�a el�ctrica y la desalinizaci�n.

Reproducci�n de Plutonio-239

El plutonio-230 fisible, se puede producir a partir del uranio-238 no fisible, por la reacci�n ilustrada.

El bombardeo de uranio-238 con neutrones, desencadena dos decaimientos beta sucesivos, dando lugar a la producci�n de plutonio. La cantidad de plutonio producida depende de la relaci�n de reproducci�n..

Relaci�n de Reproducci�n del Plutonio

En la reproducci�n del combustible plutonio en los reactores reproductores, un concepto importante es la relaci�n de reproducci�n, la cantidad de plutonio-239 fisible producido, comparado con la cantidad de combustible fisible (como U-235), utilizado para producirlo. En el reactor l�quido metal, reproductor r�pido (LMFBR), el objetivo de la relaci�n de reproducci�n es 1,4, pero los resultados obtenidos han sido alrededor de 1,2. Esto se basa en 2,4 neutrones producidos por la fisi�n de U-235, con un neutr�n utilizado para mantener la reacci�n.

El tiempo requerido para que un reactor produzca suficiente material para alimentar un segundo reactor, se conoce como su tiempo de duplicaci�n. El objetivo de dise�o actual, prev� como tiempo de duplicaci�n unos diez a�os. Un reactor podr�a utilizar el calor de la reacci�n para producir energ�a durante 10 a�os, y al final de ese tiempo, tener suficiente combustible para alimentar otro reactor durante 10 a�os.

Reactor Reproductor R�pido Metal-L�quido

El reactor reproductor de plutonio-239, se denomina com�nmente reactor reproductor r�pido, y la refrigeraci�n y la transferencia de calor se realiza por un metal l�quido. Los metales que pueden lograr esto son el sodio y el litio, siendo el sodio el m�s abundante y m�s com�nmente utilizado. La construcci�n de un reproductor r�pido requiere un mayor enriquecimiento del U-235, que un reactor de agua ligera, t�picamente de 15 a 30%. El combustible del reactor est� rodeado por un "manto" de U-238 no fisible. No se utiliza moderador en el reactor reproductor, ya que los neutrones r�pidos son m�s eficientes en la transmutaci�n U-238 a Pu-239. A esta concentraci�n de U-235, la secci�n transversal para la fisi�n con neutrones r�pidos, es suficiente para mantener la reacci�n en cadena. El uso de agua como refrigerante puede frenar los neutrones, pero el uso de sodio l�quido evita esa moderaci�n, y proporciona un medio de transferencia de calor muy eficiente.

Ilustraci�n

�Enfriar con Sodio L�quido? �No es eso Peligroso?

Sodio L�quido Refrigerante

El sodio l�quido es usado como refrigerante y medio de transferencia de calor en el reactor LMFBR. Esto plantea inmediatamente la cuesti�n de la seguridad, puesto que el metal sodio es un producto qu�mico muy reactivo, y se quema al contacto con el aire o el agua (a veces de forma explosiva en contacto con el agua). Es cierto que el sodio l�quido, debe ser protegido del contacto con el aire o el agua en todo momento, y mantenido en un sistema cerrado sellado. Sin embargo, se ha encontrado que los problemas de seguridad no son significativamente mayores, que aquellos con alta presi�n de agua y vapor en los reactores de agua ligera.

El sodio es un s�lido a temperatura ambiente, pero se lic�a a 98�C. Tiene una amplia temperatura de trabajo, ya que no hierve hasta los 892�C. Esto soporta la gama de temperaturas de funcionamiento del reactor, de modo que no es necesario que sea presurizado como lo hace un sistema de refrigeraci�n por agua-vapor. Tiene un calor espec�fico grande, de modo que es un eficiente fluido para la transferencia de calor.

En la pr�ctica, los reactores que utilizan l�quidos refrigerantes de metal, han sido reactores r�pidos de neutrones. El refrigerante de metal l�quido tiene una gran ventaja ah�, porque el agua como refrigerante tambi�n modera o ralentiza los neutrones. Tales reactores de neutrones r�pidos, requieren un mayor grado de enriquecimiento del combustible de uranio, del que necesitan los reactores moderados por agua.

Referencias:
Wiki:Reactores refrigerados por metal l�quido

El Super-Phenix

El Super-Phenix fue el primer gran reactor reproductor. Fue puesto en servicio en Francia en 1984. Dej� de funcionar como planta de energ�a comercial en 1997.

El n�cleo del reactor est� formado por miles de tubos de acero inoxidable, que contienen una mezcla de �xidos de uranio y plutonio, aproximadamente 15-20% de plutonio-239 fisible. Rodeando el n�cleo hay una regi�n llamada la manta del reproductor, que consiste en tubos llenos s�lo con �xido de uranio. Todo el conjunto mide alrededor de 3x5 metros y est� soportado dentro del recipiente del reactor, que contiene sodio fundido. La energ�a de la fisi�n nuclear calienta el sodio a aproximadamente 500�C y transfiere esa energ�a a un segundo bucle de sodio, que a su vez calienta el agua que produce vapor para la producci�n de electricidad.

Esta es una foto de un modelo de la vasija de contenci�n de la Super-Phenix. Se muestra en el Museo Nacional de la Ciencia y la Tecnolog�a Nucleares en Albuquerque, NM.

Dicho reactor puede producir alrededor del 20% m�s de combustible, del que consume por la reacci�n de reproducci�n. Se produce suficiente exceso de combustible, para alimentar otro reactor igual, durante aproximadamente 20 a�os. La reproducci�n �ptima permite usar alrededor del 75% de la energ�a del uranio natural, en comparaci�n con el 1% en el reactor de agua ligera est�ndar.