miniatura|Esquema d'un reactor de llit de còdols. Un reactor de llit de còdols (PBR) és un tipus de reactor nuclear on el combustible nuclear està contingut dins d'un llit d'esferes de grafit pirolític (còdols), amb el grafit que serveix com a moderador de neutrons. Els reactors de llit de còdols solen ser reactors refrigerats per gas d'alta temperatura (HTGR) i es poden reomplir de combustible durant el funcionament. El disseny PBR refrigerat per heli es considera un tipus de reactor de molt alta temperatura (VHTR), una de les sis classes de reactors nuclears de la iniciativa Generació IV. miniatura|Un còdol de combustible de grafit per a un reactor de llit de còdols El disseny bàsic presenta elements de combustible esfèrics anomenats còdols. Aquests elements de la mida d'una pilota de tennis (aproximadament 6.7 cm o 2,6 de diàmetre) estan fetes de grafit pirolític (que actua com a moderador) i contenen milers de partícules de combustible d'1 mm de mida anomenades partícules triestructurals-isotròpiques (TRISO). Aquestes partícules TRISO consisteixen en un material fissible (com ara ) envoltat per un recobriment ceràmic de carbur de silici per a la integritat estructural i la contenció dels productes de fissió. Milers de còdols s'acumulen per crear un nucli de reactor. El nucli es refreda amb un gas que no reacciona químicament amb els elements combustibles, com ara l'heli, el nitrogen o el diòxid de carboni. Altres refrigerants com el FLiBe (fos S'ha suggerit ).
El disseny de llit de còdols té característiques de seguretat passiva. Com que el reactor està dissenyat per suportar altes temperatures, pot refredar-se per circulació natural i sobreviure a escenaris d'accidents, que poden augmentar la temperatura del reactor fins a 1.600°C (2.910°F). Les seves temperatures normals de funcionament són més altes que les de les centrals nuclears tradicionals, cosa que permet una major eficiència tèrmica (fins a un 50%). A més, els gasos no dissolen contaminants ni absorbeixen neutrons com ho fa l'aigua, cosa que resulta en menys fluids radioactius al nucli.
El concepte va ser suggerit per primera vegada per Farrington Daniels a la dècada del 1940, inspirat en el disseny innovador del cremador de Bengasi per les tropes del desert britàniques a la Segona Guerra Mundial. El desenvolupament comercial va arribar a la dècada del 1960 a través del reactor AVR de l'Alemanya Occidental dissenyat per Rudolf Schulten. Aquest sistema estava ple de problemes i la tecnologia va ser abandonada.NGNP Point Design – Results of the Initial Neutronics and Thermal-Hydraulic Assessments During FY-03 pg 20 El disseny de l'AVR va ser llicenciat a Sud-àfrica com a PBMR i a la Xina com a HTR-10. El prototip HTR-10 es va desenvolupar en la planta de demostració HTR-PM de la Xina, que connecta dos reactors a una sola turbina que produeix 210 MWe, operant comercialment des del 2023. Altres dissenys estan en desenvolupament pel MIT, la Universitat de Califòrnia a Berkeley, General Atomics (EUA), l'empresa neerlandesa Romawa BV, Adams Atomic Engines, el Laboratori Nacional d'Idaho, X-energy i Kairos Power.
Disseny Una central elèctrica de llit de còdols combina un nucli refrigerat per gas i un nou embalatge de combustible.
Els combustibles nuclears d'urani, tori o plutoni es presenten en forma de ceràmica (normalment òxids o carburs) continguda dins de còdols esfèrics una mica més petits que la mida d'una pilota de tenis i fets de grafit pirolític, que actua com a moderador de neutrons principal. El disseny dels còdols és relativament senzill, amb cada esfera que consisteix en el combustible nuclear, la barrera de productes de fissió i el moderador (que en un reactor d'aigua tradicional serien parts diferents). Agrupar prou còdols en la geometria correcta crea criticitat.
Els còdols es mantenen en un recipient, i un gas inert (com ara heli, nitrogen o diòxid de carboni) circula pels espais entre els còdols de combustible per transportar la calor lluny del reactor. Els reactors de llit de còdols han d'evitar que el grafit dels còdols es cremi en presència d'aire si es trenca la paret del reactor (la inflamabilitat dels còdols és controvertida). El gas escalfat passa directament a través d'una turbina. Tanmateix, si el gas del refrigerant primari es pot fer radioactiu pels neutrons del reactor, o un defecte de combustible pot contaminar l'equip de producció d'energia, es pot portar a un intercanviador de calor on escalfa un altre gas o produeix vapor. L'escapament de la turbina és calent i es pot utilitzar per escalfar edificis o en altres aplicacions.
Els reactors de llit de còdols es refreden amb gas, de vegades a baixes pressions. Els espais entre els còdols substitueixen les canonades dels reactors convencionals. Com que no hi ha canonades reals al nucli i el refrigerant no conté hidrogen, la fragilització no és un problema de fallada. El gas preferit, l'heli, no absorbeix fàcilment neutrons ni impureses. Per tant, en comparació amb l'aigua, és més eficient i menys probable que esdevingui radioactiva.
Gran part del cost d'una central nuclear convencional refrigerada per aigua es deu a la complexitat del sistema de refrigeració, que no és un factor en els PBR. Les plantes convencionals requereixen sistemes de seguretat extensos i còpies de seguretat redundants. Els seus nuclis de reactor queden eclipsats pels sistemes de refrigeració. A més, el nucli irradia l'aigua amb neutrons, cosa que fa que l'aigua i les impureses que s'hi dissolguin es tornin radioactives. La canonada d'alta pressió del costat primari finalment es torna fragil i requereix inspecció i substitució.
Alguns dissenys es regulen per la temperatura en lloc de per les barres de control. Aquests reactors no necessiten funcionar bé amb els perfils de neutrons variables causats per les barres de control parcialment retirades.
Els PBR poden utilitzar còdols de combustible fets de diversos combustibles en el mateix disseny (encara que potser no simultàniament). Els defensors afirmen que els reactors de llit de còdols poden utilitzar tori, plutoni i urani natural no enriquit, així com urani enriquit.
En la majoria de dissenys estacionaris, la substitució del combustible és contínua. Els còdols es col·loquen en un reactor en forma de contenidor. Els còdols viatgen de baix a dalt unes deu vegades durant un període d'anys i es proven després de cada passada. Els còdols gastats es retiren a la zona de residus nuclears, substituïts per un còdol nou.
Seguretat Quan la temperatura del reactor augmenta, els àtoms del combustible es mouen ràpidament, cosa que provoca un eixamplament Doppler. El combustible experimenta aleshores un rang més ampli de velocitats de neutrons. L'urani-238, que forma la major part de l'urani, és molt més probable que absorbeixi neutrons ràpids o epitermals a temperatures més altes. Això redueix el nombre de neutrons disponibles per causar la fissió i redueix la potència. Per tant, l'eixamplament Doppler crea una retroalimentació negativa: a mesura que augmenta la temperatura del combustible, la potència del reactor disminueix. Tots els reactors tenen mecanismes de retroalimentació de reactivitat. El reactor de llit de còdols està dissenyat de manera que aquest efecte sigui relativament fort, inherent al disseny i no depengui de les parts mòbils. Aquesta retroalimentació negativa crea un control passiu del procés de reacció.
Així, els PBR es redueixen passivament a un nivell de potència segur en un escenari d'accident. Aquesta és la principal característica de seguretat passiva del disseny.
El reactor es refreda amb un gas inert i ignífug, que no té transicions de fase — sempre es troba en fase gasosa. El moderador és carboni sòlid; no actua com a refrigerant, ni es mou, ni canvia de fase.
La convecció del gas, impulsada per la calor dels còdols, garanteix que aquests es refredin passivament.
Fins i tot en cas que tota la maquinària de suport falli, el reactor no s'esquerdarà, es fondrà, explotarà ni expulsarà residus perillosos. S'escalfa fins a una temperatura de "repòs" dissenyada i s'hi manté. En repòs, el recipient del reactor irradia calor, però el recipient i les esferes de combustible romanen intactes i sense danys. La maquinària es pot reparar o es pot retirar el combustible.
En una prova de seguretat amb el reactor AVR alemany, es van retirar totes les barres de control i es va aturar el flux de refrigerant. El combustible va romandre intacte.
Els PBR funcionen intencionadament per sobre dels temperatura de recuit del grafit, de manera que no s'acumuli l'energia de Wigner. Això resol un problema descobert a l'incendi de Windscale. Un reactor (no un PBR) es va incendiar a causa de l'alliberament d'energia emmagatzemada com a dislocacions cristal·lines (energia de Wigner) al grafit. Les dislocacions són causades pel pas de neutrons a través del grafit. Windscale recuit regularment el grafit per alliberar l'energia de Wigner acumulada. Tanmateix, l'efecte no es va preveure i, com que el reactor es refredava amb aire ambient en un cicle obert, el procés no es podia controlar de manera fiable i va provocar un incendi.
El professor de Berkeley , Richard A. Muller, va descriure els PBR com a "en tots els sentits... més segurs que els reactors nuclears actuals".
Contenció La majoria dels dissenys de PBR inclouen múltiples nivells de reforç de contenció per evitar el contacte entre els materials radioactius i la biosfera:
La majoria dels reactors estan tancats en un edifici de contenció dissenyat per resistir accidents d'avions i terratrèmols. El reactor sol estar en una sala amb parets de dos metres de gruix amb portes que es poden tancar i plenums de refrigeració que es poden omplir d'aigua. El recipient del reactor normalment està segellat. Cada còdol, dins del recipient, fa esfera buida de grafit pirolític, embolicada en carbur de silici ignífug. Carbó pirolític porós de baixa densitat, carbó pirolític no porós d'alta densitat El combustible de fissió es presenta en forma d'òxids o carburs metàl·lics.
El grafit pirolític és el principal material estructural dels còdols. Se sublima a , més del doble de la temperatura de disseny de la majoria de reactors. Redueix la velocitat dels neutrons de manera eficaç, és fort, econòmic i té una llarga història d'ús en reactors i altres aplicacions d'alta temperatura. Per exemple, el grafit pirolític també s'utilitza, sense reforçar, per construir cons de reentrada de míssils i grans broquets de coets sòlids. La seva resistència i duresa provenen dels seus cristalls anisotròpics.
El carboni pirolític es pot cremar a l'aire quan la reacció és catalitzada per un radical hidroxil (per exemple, de l'aigua). Exemples infames inclouen els accidents at Windscale i Txernòbil — tots dos reactors moderats per grafit. Tanmateix, els PBR es refreden amb gasos inerts per evitar incendis. Tots els dissenys tenen almenys una capa de carbur de silici que serveix com a tallafocs i segellat.
Producció de combustible Tots els grans es precipiten a partir d'un sol-gel, després es renten, s'assequen i es calcinen. Els grans nord-americans utilitzen carbur d'urani, mentre que els grans alemanys (AVR) utilitzen diòxid d'urani. Els còdols de combustible produïts a Alemanya alliberen unes 1000 vegades menys gas radioactiu que els equivalents nord-americans, a causa d'aquest mètode de construcció.
Crítiques de disseny Combustió de grafit