Investigadores de la Universidad de Liverpool y Copenhagen Atomics dicen que la pureza de la sal es el factor crítico para prevenir la corrosión del acero inoxidable en reactores de sales fundidas. Mientras tanto, han comenzado los ensayos de irradiación de materiales para dichos reactores en el reactor de alto flujo de los Países Bajos.

La sal líquida calentada se vierte en un recipiente pequeño (Imagen: Copenhagen Atomics)

Los reactores de sales fundidas (MSR) utilizan sales de fluoruro fundido como refrigerante primario, a baja presión. Pueden operar con espectros epitermales o de neutrones rápidos, y con una variedad de combustibles. Gran parte del interés actual en revivir el concepto de MSR se relaciona con el uso de torio (para producir uranio fisionable 233), donde una fuente inicial de material fisionable como el plutonio 239 necesita ser proporcionada. Hay una serie de diferentes conceptos de diseño MSR, y una serie de desafíos interesantes en la comercialización de muchos, especialmente con torio.

El estudio realizado por la Universidad de Liverpool del Reino Unido y Copenhagen Atomics de Dinamarca-publicado en el Journal of Nuclear Materials-muestra que una alta pureza de sal previene la corrosión del acero inoxidable 316L-un material ampliamente utilizado y rentable-en MSR. Este descubrimiento allana el camino para sistemas de energía nuclear de próxima generación más asequibles, duraderos y escalables. El ambiente duro y de alta temperatura de las sales de fluoruro fundido históricamente ha causado una rápida corrosión de los materiales estructurales, limitando su viabilidad comercial. Las soluciones anteriores se basaban en aleaciones caras y de alto contenido de níquel, que aumentaban los costos y complicaban la fabricación.

Los investigadores realizaron pruebas de corrosión a largo plazo en el acero inoxidable 316L en sales fundidas purificadas y no tratadas (FLiNaK y LiThF) a temperaturas de hasta 700 ° C. Los resultados indicaron que las sales no tratadas-que contienen humedad y óxidos-causaron corrosión severa, con pérdida de metal, degradación de la superficie y debilitamiento estructural después de solo 1,000 horas. Sin embargo, las sales purificadas, con las impurezas eliminadas, resultaron en una corrosión insignificante incluso después de 3.000 horas. El acero conservó su integridad, con sólo una fina capa protectora de carburo de cromo formando en su superficie.

"La pureza de la sal es absolutamente central para el control de la corrosión en los reactores de sales fundidas", dijo Maulik Patel, profesor de Materiales Nucleares de la Universidad de Liverpool, coautor del estudio. "Estos resultados confirman lo que décadas de investigación, incluyendo el trabajo en Oak Ridge durante la era MSRE, han apuntado hacia: si se eliminan las impurezas reactivas, las sales fundidas pueden convertirse en un ambiente estable y manejable para los materiales del reactor. Este es un gran paso adelante para el campo ".

Thomas Steenberg, cofundador y vicepresidente de Materiales Críticos de Copenhagen Atomics, añadió: "Esperemos que este estudio acabe de una vez por todas con el 'mito de la corrosión' de que MSR es inviable debido a la corrosión. El uso de controles de ingeniería es altamente preferible al uso de aleaciones exóticas de unobtano ".

"Si bien este estudio establece una base sólida, se necesita más investigación para evaluar el impacto de la radiación, los productos de fisión y las condiciones dinámicas del reactor en el rendimiento del material a largo plazo", señaló Copenhagen Atomics. "La optimización de los métodos de purificación de la sal también será esencial para eliminar incluso las impurezas traza."

Copenhagen Atomics está desarrollando un reactor contenerizado de sales fundidas. Moderado con agua pesada sin presión, el reactor consume residuos nucleares mientras cría nuevo combustible a partir de torio. Lo suficientemente pequeño como para permitir la fabricación en masa y la producción en línea de montaje, el reactor tiene una potencia de 100 MWt.

Pruebas de irradiación

Mientras tanto, NRG-Pallas ha anunciado que la investigación sobre materiales para MSR ha comenzado en el reactor de alto flujo (HFR) en Petten, Países Bajos. Esta investigación sobre irradiación -que se está llevando a cabo como parte del programa de investigación NRG-Pallas en nombre del Ministerio de Asuntos Económicos y Política Climática- examinará la interacción entre la sal y los materiales de construcción de un futuro MSR.

(Imagen: NRG-Pallas)

Desde 2015, NRG-Pallas ha estado desarrollando capacidades para calificar combustible de sal fundida y materiales de construcción MSR (aleaciones, grafito, etc.) para su uso en un campo de neutrones de alta temperatura.

El HFR es uno de los pocos reactores de ensayo de materiales en el mundo que puede investigar combustibles nucleares y lograr daños significativos por neutrones en materiales de construcción. El reactor se utiliza tanto para la producción de isótopos médicos como para la investigación en energía nuclear, y funciona a plena potencia durante aproximadamente 260 días al año, con paradas intermitentes para el mantenimiento y la carga de combustible. Un alto flujo de neutrones en combinación con instrumentación permite pruebas aceleradas de materiales y combustibles bajo condiciones controladas. El HFR será sustituido por el nuevo reactor de Pallas, actualmente en construcción en Petten, lo que garantizará la continuidad de estos servicios únicos de irradiación de combustibles y materiales nucleares.

"El programa de sales fundidas de NRG PALLAS incluye la investigación de materiales de construcción adecuados, el procesamiento y purificación de sales fundidas y la estabilización de residuos radiactivos", dijo Arjan Vreeling, gerente de irradiación nuclear de NRG-Pallas. "Ya se han completado varios proyectos dentro del programa. Esta irradiación es innovadora porque la influencia de la irradiación en la corrosión de los materiales de construcción no ha sido probada antes. Dentro de unos años, podremos ver cómo se comporta el material.

"Además, estamos identificando qué productos de fisión se liberan del combustible durante la irradiación. El combustible debe permanecer lo más puro posible durante su uso, por lo que es importante saber si los productos de fisión formados permanecen disueltos, precipitados o son gaseosos. En el marco de este programa de sales fundidas, estamos colaborando con el Centro Común de Investigación [de la Comisión Europea]. La sal se suministra desde Karlsruhe y el diseño de la instalación de irradiación se está llevando a cabo en colaboración con Petten. Esta es una investigación única que está acercando aún más la realización de los reactores de sales fundidas ".