Thread by @fruf82

Leemos estos días que China está avanzando en el desarrollo de un reactor de generación IV, conocido por las siglas HTR-PM. ¿Por qué despierta tanta admiración en la industria nuclear?
#hilonuclear
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¿Qué significa HTR-PM? Es un Reactor de alta Temperatura refrigerado por gas con un manto de partículas o High-Temperature Gas-Cooled Reactor Pebble-Bed Module.

¿Te quedas igual? Pues vamos por partes.

Todo reactor nuclear necesita 3 componentes esenciales:
1.Combustible nuclear
2.Moderador de neutrones (excepto los reactores rápidos)
3.Un refrigerante para extraer el calor generado

Pues bien, el HTR-PM utiliza un combustible innovador: partículas TRISO.

¿Como? ¿Por qué?

Uno de los principales retos de la tecnología nuclear es minimizar la probabilidad de accidentes. De hecho, un criterio de diseño básico en reactores GEN-IV es no necesitar planes de emergencia exteriores y poder disminuir el radio de baja densidad de población.

Ese principio tiene dos ventajas: minimizar el riesgo y permitir el uso de los reactores para “district heating” o como cogeneración.

Las partículas de combustible TRISO, fabricadas con una capa de carburo de silicio que es capaz de contener en su interior el combustible (UO2) a temperaturas hasta 1800 ºC. Estas partículas de 1mm de diámetro se insertan en una matriz de 60 mm de diámetro de grafito (moderador).

Un reto que deben afrontar los reactores de fisión es la evacuación del calor residual tras detener la reacción en cadena. Para ello suele ser necesario la disponibilidad eléctrica para actuar componentes necesarios para esa refrigeración (bombas, válvulas, etc).

Precisamente eso es lo que falló en Fukushima. La falta de refrigeración del combustible provocó que la temperatura aumentara hasta producir la fusión (fundición) del núcleo.

Pues el reactor HTR-PM, en ausencia de suministro eléctrico, es capaz de refrigerarse por métodos pasivos (circulación natural) sin provocar la fusión del combustible.

Esto es posible también por la cantidad limitada de combustible dentro del núcleo. En un reactor convencional se carga todo el combustible necesario para operar durante 12, 18 o 24 meses. En el HTR-PM hay una carga y descarga continua de combustible.

Las esferas de combustible se insertan en el núcleo por el tubo superior y se extraen por el inferior. Una máquina analiza el estado de estas esferas. Las que estén agotadas o dañadas se desechan. El resto vuelven al núcleo.

Así, la cantidad de combustible presente en el núcleo es reducida, lo que disminuye significativamente el calor residual a extraer.

Si eliminamos la probabilidad de fusión del núcleo desaparece la necesidad de proteger a la población y el medio ambiente de los potenciales riesgos de la dispersión del material radiactivo contenido en núcleo del reactor.

Pues ya hemos visto que el combustible es UO2 en partículas TRISO contenidas en una matriz de grafito que ejerce de moderador de neutrones. En el seno de esas partículas se producen las fisiones y el calor generado se debe extraer con el refrigerante.

El manto de partículas de combustible está rodeado de una matriz de grafito que ejerce de reflector (hace que los neutrones no escapen hacia el exterior) y contiene los canales por donde se insertan las barras de control (absorben neutrones para controlar la potencia).

El HTR-PM se refrigera con gas Helio a 70 kg/cm2. El Helio entra en el reactor a 250 ºC impulsado por una soplante y sale a 750ºC hacia un generador de vapor. Esta alta temperatura facilita el uso de turbinas de vapor supercrítico, con una eficiencia de un 45%.

Incluso se puede aumentar la eficiencia usando un ciclo combinado de gas helio y vapor.

De igual modo, las altas temperaturas pueden resultar útiles para distintos fines:
-Producción de hidrógeno
-Gasificación/licuefacción de carbón
-Calor industrial

¿Y si el helio escapa de la vasija? En condiciones normales el helio no será altamente radiactivo. Si este fugara a la atmósfera no habría riesgo para personas ni medio ambiente. Por eso, no es necesario un edificio de contención.

El HTR-PM dispone de 2 reactores de 250 MWt que entregan un caudal de vapor de 673 t/h a 566 ºC y 135 kg/cm2 a una turbina de vapor capaz de accionar un alternador de 210 MWe.

¿Por qué dos reactores de 250 MW en lugar de uno de 500 MW? Precisamente para evitar que el calor residual provoque temperaturas en el combustible superiores a los 1800 ºC que es capaz de resistir.

Hacer los reactores más pequeños los hace más seguros, pero a la vez más caros. Por ese motivo la idea es construir centrales con hasta 8 reactores con una potencia eléctrica de 1200 MW.

Con esta configuración, se estima que el coste sea un 10-20% superior a un PWR estándar de 1200 MW. El precio del kWh pasa de 0.4 CNY a 0,48 CNY, muy inferior al coste del gas, eólica o solar en el mercado chino.

Aún falta la parte final del camino, pero ¡estamos muy cerca de ver la viabilidad de esta tecnología!

Referencias:
ceramics.org/ceramic-tech-t…
mendeley.com/catalogue/b02c…
researchgate.net/publication/24…
indico.ictp.it/event/8725/ses…
neutronbytes.com/2017/04/09/tri…

Como siempre, ¡gracias por llegar hasta el final!