Análisis neutrónico de una configuración ADS con combustible nuclear embebido en metal líquido

Abstract

La energía nuclear de fisión se presenta en la actualidad como una valiosa alternativa a los
combustibles convencionales para afrontar el aumento progresivo de demanda de energía
en el mundo. Las centrales nucleares tienen ventajas privilegiadas: tienen factores de carga
que ascienden hasta un 90%, hay abundantes reservas y recursos del combustible que
emplean, las centrales actuales tienen una alta potencia media, en torno a 1000 MeV, etc.
Aunque parece una solución competitiva y viable para abastecer de energía al planeta, esta
energía cuenta con algunos inconvenientes, entre los cuales se encuentran los residuos
radiactivos que se generan tras la fisión. Algunos de estos desechos, tienen una vida
radiactiva de miles de años, teniendo que ser aislados de la población para garantizar su
seguridad. Actualmente existen tecnologías para almacenar estos residuos de alta actividad,
pero ante el futuro incremento masivo de la demanda energética, la solución del
almacenamiento no es lo suficientemente sostenible.
Los reactores del futuro buscan emplear un ciclo cerrado del combustible, es decir,
reahbilitar el combustible quemado para su uso en otros reactores. Entre las aplicaciones de
este ciclo cerrado, está la transmutación de los actínidos minoritarios presentes en los
residuos del combustible nuclear, los cuales representan los elementos con vida media más
larga y, por tanto, los que más tiempo de confinamiento necesitarían para dejar de ser
peligrosos. Algunos de estos elementos son: Am, Np, Cu, etc.
El proceso de transmutación consiste en “reducir” los actínidos minoritarios a productos con
menor vida media, es decir, radiactivos durante un inferior periodo de tiempo. Para que se
produzca esto, se somete a fisión a los núcleos de estos elementos. Este proceso se lleva a
cabo en reactores cuyo combustible está compuesto por elementos fisionables, como el
uranio o el plutonio, incluyéndose pequeñas cantidades de estos actínidos distribuidos en el
núcleo del reactor. Para facilitar la fisión cabe preguntarse qué reactor es más adecuado.
El estudio y ensayo de la transmutación de actínidos actualmente se lleva a cabo en
reactores rápidos subcríticos. ¿Por qué escoger este tipo de reactor? La relación de la
sección eficaz de fisión con respecto a la de captura neutrónica de los elementos de interés
muestra valores elevados ante neutrones rápidos, es decir, si se emplearan neutrones
térmicos, aunque la sección eficaz de fisión de los elementos sea elevada, la de captura es
aún mayor. Por el contrario, empleando neutrones rápidos, la probabilidad de que estos
produzcan fisión es superior a la probabilidad de que sean capturados por el núcleo de un
actínido. Por otro lado, la transmutación en sistemas críticos presenta problemas de control,
siendo mucho más seguro un reactor que trabaje en un sistema subcrítico.
Los sistemas subcríticos se caracterizan porque requieren una fuente externa que genere
neutrones para mantener las reacciones de fisión. Al contrario que los reactores críticos, los
cuales generan neutrones suficientes en la fisión para poder autosostener las reacciones,
los subcríticos dependen de esa fuente para funcionar.
Los reactores ADS, “Acceleration Driven Systems” o “Sistemas acelerados conducidos”, son
una solución viable para llevar a cabo la transmutación de actínidos. Estos se caracterizan
por ser rápidos, subcríticos y por emplear un acelerador de partículas para generar los
neutrones.