¿Qué problemas prácticos quedan para la adopción de reactores de torio?

No estoy seguro de todo lo que has leído sobre ellos, pero intentaré aclarar al menos algunas cosas. Ciertamente no estaría de acuerdo con varias de sus afirmaciones.

Para empezar, dices "... no producen nada que puedas usar como fuente de material para armas nucleares". Los reactores de torio utilizan el torio como combustible fértil que se transmuta en U233 fisionable. Si bien el combustible gastado no contiene las mismas proporciones de elementos que un ciclo de combustible de uranio, sí contiene isótopos dignos de una bomba, así como algunos productos derivados y de fisión de vida más prolongada . De hecho, el ciclo del torio se utilizó para producir parte del combustible para la Operación Tetera en 1955.

Usted dice "... son mucho menos propensos a fallas catastróficas..." Si bien puede ser que los reactores de torio hayan tenido tradicionalmente menos fallas catastróficas que los reactores de uranio, también es cierto que las estadísticas son demasiado pequeñas para hacerlas. conclusiones razonables en cuanto a la fiabilidad de tales sistemas. Que yo sepa, ningún reactor comercial utiliza un ciclo de combustible de torio. En otras palabras, todos los reactores de torio son piezas de equipo únicas y de diseño único con personal de trabajo bien capacitado y bien informado.

Hay aproximadamente 435 plantas nucleares comerciales en operación con otras 63 en construcción. Ha habido del orden de 20 accidentes nucleares importantes a lo largo de los años. Solo hay 15 reactores de torio. Estadísticamente, los reactores de torio podrían tener una peor tasa de accidentes.

Ciertamente, hay una investigación en curso sobre las aplicaciones comerciales de un ciclo de combustible de torio. Curiosamente, como sugiere ese artículo, un ciclo de torio requiere otro isótopo para que la reacción comience, por lo que siempre habrá una necesidad de algunos reactores de ciclo de uranio. Como dijo P3trus, incluso fuera de la India (donde las reservas de torio proporcionan un buen incentivo económico) hay personas que consideran el torio.

En última instancia, la preferencia por un ciclo de combustible de uranio es pragmática. La industria nuclear tiene mucha experiencia con el uranio. Es cierto que hay más torio que uranio, pero el uranio no es raro. Es bastante común, de hecho, que ni siquiera hay muchas estimaciones del tamaño de las reservas.

Con respecto a la opinión pública, el torio no ofrece una diferencia tangible con el uranio más que un cambio de nombre. Mientras la opinión pública esté en contra de la energía nuclear, eso incluirá el torio. Si recurren a apoyar la energía nuclear, la economía seguirá apuntando al uranio.

Iba a comentar las respuestas de otras personas, pero esto se iba a alargar demasiado.

Casi todo el mundo no logra separar el torio (que es un tipo de combustible) y el tipo de reactor. La seguridad es una función del tipo de reactor y de la sal fundida en particular para esta cuestión. ¿La elección del combustible afecta la seguridad final del reactor? Sí, pero de forma limitada. Entonces, ¿cómo afecta el uso de torio como combustible a la seguridad final del reactor? Aquí:

1. El torio básicamente solo tiene un isótopo natural . Esto reduce el número de especies químicas de elementos pesados ​​que deben tratarse en un sistema químico. Esto lo hace más adecuado para un reactor de sal fundida que la mayoría de los ciclos de combustible, que la mayoría de la gente cree que es un diseño muy seguro.
2. El torio produce muy pocos neutrones por fisión . De hecho, es solo como 2.3 cuando otros están más cerca de 3.0 (pero no del todo). ¿Eso afecta la seguridad? Quizás. Dado que hay tan pocos neutrones, cualquier configuración crítica tiene menos capacidad física para volverse peligrosamente supercrítica, pero no enfatizaría demasiado ese punto. El factor más importante aquí es que la escasez de neutrones dificulta la fabricación de armas. Necesita 1 para reproducirse, por lo que le quedan 2.3-1 = 1.3 y solo tiene 0.3 neutrones por fisión perdidos en el medio ambiente (o reproducir más) y esto es difícil de manejar. Además, cualquier cosa que sea más eficiente en neutrones tiene menos productos de activación, por lo que es una planta menos radiactiva. En general, sin neutrones adicionales, esos neutrones adicionales no causan problemas.
3. El torio produce productos de fisión algo menos peligrosos . No importa qué ciclo de combustible nuclear utilice, aún tiene que lidiar con los productos de fisión porque son el resultado directo de la reacción de fisión al igual que el CO2 es un producto directo de las reacciones de combustión. Se dice que el torio tiene FP que son un poco más fáciles de manejar a largo plazo, pero creo que la diferencia es muy marginal. Esto puede mejorar la seguridad de los residuos.
4. El torio se puede generar a energías térmicas . Este es un punto tan importante que es un descuido no mencionarlo. El torio es único entre los combustibles potenciales en el sentido de que un reactor térmico puede generar combustible nuevo (fisionable) a perpetuidad. Los reactores térmicos son más pequeños, más baratos, más fáciles de manejar y probablemente más seguros. Actualmente utilizamos reactores térmicos de uranio-plutonio que se reproducen por debajo del punto de equilibrio. Un reactor de torio-uranio puede reproducirse a energías térmicas superiores al punto de equilibrio.

Ahora, el torio es mucho más sostenible que el uranio natural, todos estamos de acuerdo en eso. Pero el problema actual de la energía nuclear no es la sostenibilidad del suministro de combustible . Su pregunta es por qué no lo hemos adoptado como fuente de energía. Para empezar, no tenemos ninguna razón económica para adoptarlo. Podría preguntarse por qué no hemos adoptado el reactor de sales fundidas, para lo cual la respuesta es una cuestión de evolución tecnológica. Además, no tenemos muchos reactores de reproducción en general, lo que está relacionado con problemas más importantes como el reprocesamiento. Los ciclos de combustible de torio ofrecen su propio enfoque único para un ciclo de combustible de reproducción. Pero usar Torio es usar reproducción, y no hacemos reproducción (deliberada).

Al mismo tiempo que el torio tiene ventajas, tiene desventajas. El pequeño número de neutrones por fisión es un inconveniente para el diseño del reactor. La empresa Terrapower propone fabricar un reactor tipo vela con U-238. No podrías hacer esto con torio porque no tiene suficientes neutrones. El diseño no es lo suficientemente eficiente en neutrones. Un rector de sales fundidas (MSR), por otro lado, es uno de los diseños más eficientes en neutrones que jamás hayamos contemplado. Obviamente combina bien con el torio. El U-238 también podría usarse en un MSR, pero el torio no podría usarse en un diseño Terrapower.

Para resumir mi opinión, hay un fuerte argumento a favor del torio basado en la sostenibilidad, hay un argumento débil a favor del torio basado en los desechos y realmente no hay ningún argumento a favor del torio basado en la economía. Los diseños actuales se basan en la economía. QED.

El reactor alemán de alta temperatura de torio THTR-300 funcionó durante unas 16.000 horas y el OIEA elaboró ​​un informe sobre su cierre .

Así que no hay barreras físicas para los reactores de torio: hay una prueba de existencia para los reactores de torio.

Eso termina la respuesta relevante para este sitio.

Existen barreras económicas, de ingeniería, sociales, políticas, técnicas e institucionales; y grandes cantidades de exageraciones e información incorrecta sobre el tema; pero ninguno de ellos es relevante para este sitio.

La respuesta corta es no. Hay algunos materiales e ingeniería avanzados para aplicar, pero todavía tengo que encontrar obstáculos científicos.

La respuesta larga involucra la historia de la guerra fría, la inercia burocrática y otros factores fuera del tema, por lo que pasaré a explicar por qué los beneficios del torio incluyen el diseño de sal fundida:

La química del torio difiere de la química del uranio. El torio solo se puede oxidar a +4, y ThF4 permanece líquido en el LFTR, un reservorio de reproducción. El protactinio y el uranio se oxidan más, y sus fluoruros más altos se convierten en gas a la temperatura de funcionamiento de LFTR.

Esta diferencia brinda a los diseñadores de reactores la oportunidad de transmutar el torio fértil y luego separar los productos (y subproductos) del material de reproducción (en lugar de eliminar el material de reproducción de los productos). No podemos hacer eso con uranio convertido en plutonio; ambos forman hexafluoruros gaseosos. Por esa razón, los diseños de reactores de sales fundidas son ideales para el torio pero poco prácticos para el uranio.

Una vez que vemos que los diseños prácticos de sales fundidas son exclusivos del torio, entendemos por qué todas las ventajas de ese diseño se relacionan con la elección del combustible. Las ventajas incluyen:

• Se pueden eliminar los venenos de neutrones de un núcleo fluido para lograr tasas de combustión más altas. Los reactores de combustible sólido generalmente queman solo alrededor del 1% de su combustible. Los diseños de sal fundida bien pueden quemar el 99%.

• Reproducir torio y luego quemar casi todo el combustible fisionable deja virtualmente cero actínidos superiores (es decir, desechos de plutonio de larga duración) en la escoria final. De hecho, gran parte de los desechos de plutonio existentes podrían destruirse en un diseño de núcleo de plutonio + camisa de torio que un gobierno podría emplear para cebar la bomba de una incipiente industria LFTR.

• En un LFTR, una fusión es un mecanismo de apagado automático, no un desastre.

• LFTR es un diseño de baja presión (sin agua sobrecalentada que busca expandirse mil veces). Eso significa una contención más pequeña, más fácil y mucho menos costosa que con los diseños de BWR.

• Un núcleo líquido permite una extracción de subproductos más sencilla, antes de que los isótopos útiles se descompongan.

Supongo que su pregunta es más específica por qué no estamos construyendo reactores de torio de sal fundida (también conocidos como LFTR). Primero para corregir algunas afirmaciones.

1. "sus productos de fisión tienen una vida relativamente corta". Los productos de fisión de cualquier reactor nuclear son prácticamente iguales. PERO una diferencia clave con los reactores de agua ligera (LWR) es que un LFTR alimentado con torio producirá significativamente menos plutonio (alrededor de 20 veces menos) que un LWR. Además, es más factible reciclar el plutonio de regreso al reactor y quemarlo. Son el plutonio y otros transuránicos (TRU) como el americio y el curio los que constituyen un grave problema en la eliminación de residuos nucleares. Entonces, si bien los desechos de productos de fisión son los mismos, el problemático problema de los desechos de TRU mejora significativamente con los LFTR.

2. el uso de armas - depende mucho de los detalles del diseño - algunas versiones de LFTR son las más resistentes a la proliferación de cualquier planta de energía nuclear - y podría imaginar otras que serían ideales para producir combustible apto para armas.

Dependiendo del diseño, hay algunas preguntas desafiantes: hacer que la pared del primer reactor resista el bombardeo de neutrones, hacer un recipiente fluorador que resista el gas flúor para separar el uranio mientras está lo suficientemente caliente para mantener la sal fundida, asegurándose de que el tritio no lo haga. Las fugas, la separación del plutonio de los productos de fisión (en una instalación segura) son algunas de las que me vienen a la mente. No creo que ninguno de estos requiera una ciencia innovadora, sino que están más en la línea de la ingeniería de I + D.

Sin embargo, ninguna de estas razones es suficiente para evitar el desarrollo del reactor. El desarrollo del reactor requerirá una cantidad sustancial de dinero ( $ 1B para un prototipo a gran escala y $ 5-10B para obtener el primer reactor comercial de su tipo). El reactor es diferente a los LWR y requerirá regulaciones diferentes. Cualquier inversión tiene un riesgo significativo de que las regulaciones no sean razonables o incluso no estén desarrolladas. La inversión también tardará mucho tiempo en pagarse, probablemente más de 10 años, incluso con un plan agresivo. Por lo tanto, es una venta muy difícil a inversores privados (aunque no imposible, ya que hoy en día se están realizando algunos esfuerzos privados a pequeña escala).

Prácticamente, la pregunta es qué impide que el gobierno haga una inversión seria en reactores de próxima generación y por qué es tan conservador. Estas no son preguntas de física.

La respuesta contundente a su pregunta es que la física no es lo que sostiene LFTR.

Solo estoy aumentando la respuesta de AlanSE en un punto:

Una gran desventaja del torio es que el torio tiene talio 208 como uno de los productos secundarios, este es un emisor gamma alto.

Esta característica, por un lado, es una ventaja porque entonces sería imposible para los contrabandistas sacar de contrabando barras de combustible a través de monitores de radiación y se puede lograr mejor la no proliferación.

Pero, por otro lado, causa serias preocupaciones con el costo de fabricación del combustible, tanto en términos de costo tecnológico como de hombre-rem.

Se consideran en nuevos tipos de reactores. Por ejemplo, el reactor de sal fundida de generación 4 es especialmente adecuado para el ciclo del combustible de torio.

La construcción de un reactor nuclear es una inversión a gran escala y, dado que los reactores de torio no están probados y ya existe una gran infraestructura para el ciclo del combustible de uranio (extracción, purificación, enriquecimiento, fabricación de varillas, etc.), un reactor de uranio se considera una inversión más segura.

El enfoque ideal a seguir con los reactores reproductores de torio, que también pueden permitir que estos reactores utilicen U-238 como combustible reproductor, es diseñar estos reactores reproductores comerciales para utilizar disparadores termonucleares continuos como fuente principal de neutrones. Los reactores reproductores híbridos nucleares/termonucleares que usan disparadores termonucleares continuos también podrán quemar la mayoría (aproximadamente el 80 %) de sus desechos nucleares como combustible. Esto significa que podremos utilizar el 100 % de uranio y el 100 % de torio como combustibles reproductores, combinados con aprox. El 80% de los desechos nucleares también se utiliza como combustible nuclear, lo que a su vez proporcionará muchos miles de años de energía para nuestro planeta en el futuro, al mismo tiempo que resolverá el calentamiento global.

La oposición al reciclaje del combustible nuclear gastado, ya sea por el plutonio de la irradiación de 238U o por el 233U de la irradiación de Th, es un impedimento importante. Hay mucha más experiencia en el reprocesamiento para Pu que para Th, debido a los programas de armas, por lo que si el reprocesamiento alguna vez gana una amplia aceptación, probablemente será para Pu.