miniatura|Una partícula de combustible TRISO de 0,845 mm que ha estat esquerdada, mostrant les múltiples capes que envolten el nucli esfèric El combustible isotròpic triestructural (TRISO) és una forma de combustible nuclear de micropartícules. Cada partícula consisteix en un nucli de combustible de diòxid d'urani (UO2) (de vegades UC o UCO), que ha estat recobert amb quatre capes de tres materials isotròpics dipositats mitjançant deposició química de vapor en llit fluiditzat. Les partícules de combustible TRISO estan dissenyades per no esquerdar-se per tensions tèrmiques o mecàniques a temperatures de fins a 1600°C, i per tant pot contenir els productes de fissió radioactius fins i tot durant accidents greus.

Cada partícula està recoberta d'una capa amortidora porosa feta de carboni que absorbeix els retrocessos dels productes de fissió, seguida d'una densa capa interior de carboni pirolític protector (PyC), seguida d'una capa ceràmica de carbur de silici (SiC) per retenir els productes de fissió a temperatures elevades i donar a la partícula TRISO més integritat estructural, i segellada per una densa capa exterior de PyC. Les partícules TRISO acabades s'incrusten en una matriu de grafit per formar elements combustibles esfèrics o cilíndrics.

Històricament, el TRISO s'ha utilitzat en reactors refrigerats per gas d'alta temperatura (HTGR), tant de bloc prismàtic com de llit de còdols. El primer reactor a utilitzar TRISO va ser el reactor Dragon, mentre que la primera central comercial va ser la central nuclear de Fort Saint Vrain, un HTGR de bloc prismàtic. A partir del 2026, els compactes de combustible TRISO s'utilitzen en alguns reactors experimentals, com ara l'HTR-10 a la Xina i el reactor de proves d'enginyeria d'alta temperatura al Japó, així com comercialment en l'HTGR de llit de còdols HTR-PM de 100 MW.

Història Els combustibles ceràmics de partícules recobertes es van desenvolupar inicialment al Regne Unit com a part del projecte del reactor Dragon. Durant el desenvolupament del reactor Dragon, els seus dissenyadors es van preocupar per la necessitat de purgar els productes de fissió gasosos del nucli del reactor i la seva possible migració a altres parts del reactor. Aquesta preocupació va portar a l'elecció del combustible de partícules recobertes, on el combustible es formaria a partir de petites partícules d'urani i després es recobririen amb carboni pirolític. La inclusió del carbur de silici com a barrera de difusió va ser suggerida per primera vegada per DT Livey el 1961, per tal de retenir millor els productes de fissió. miniatura|Les partícules de combustible TRISO es poden formar en elements combustibles esfèrics o prismàtics El treball sobre combustibles de partícules recobertes també va tenir lloc al mateix temps als Estats Units a la Comissió d'Energia Atòmica. Unitat 1 de Peach Bottom, un reactor de reacció atmosfèrica (HTGR) de demostració de 40 MWe utilitzava combustible de partícules recobertes prismàtiques que consistia en carbur d'urani altament enriquit (HEU) barrejat amb carbur de tori i recobert amb una sola capa de carboni pirolític al seu primer nucli. A causa de la fracturació de la capa de carboni pirolític, es va afegir una capa amortidora de carboni porós de baixa densitat abans de la densa capa de PyC per absorbir els retrocessos dels productes de fissió i adaptar-se a la inflor del gas de fissió. Aquest nou disseny es va utilitzar al segon nucli del reactor, i el disseny de partícules de dues capes es va anomenar combustible isotròpic amortidor o isotròpic biestructural (BISO).A Alemanya, el reactor AVR experimental utilitzat - Combustible BISO, però en forma de còdol esfèric en lloc de blocs prismàtics. Això va ser substituït per TRISO a finals dels anys setanta. El reactor comercial THTR-300 posterior utilitzava combustible BISO d'òxid similar a l'AVR i va funcionar des del 1983 fins al 1988.

El primer HTGR comercial, i el primer reactor comercial a utilitzar TRISO, va ser el 330 MWe, Central nuclear de Fort Saint-Vrain. Utilitzava blocs prismàtics - Combustible similar a Peach Bottom, juntament amb fèrtil en preparació per investigar un cicle complet del combustible de tori utilitzant - Aquest combustible utilitzava un recobriment TRISO complet de quatre capes, i els elements combustibles van funcionar millor del que els seus dissenyadors havien previst. Tanmateix, la planta va patir problemes greus amb els seus components mecànics, en particular els seus circuladors d'heli, i va aconseguir una disponibilitat de només el 14,6%. L'experiència del programa dels EUA amb combustible de carbur va conduir a la transició a una barreja del 80%- , 20%- , conegut com a oxicarbur d'urani (UCO), a causa de la seva superior retenció de productes de fissió en comparació amb el carbur d'urani pur ( ).

El reactor experimental de prova d'alta temperatura al Japó, construït el 1998, utilitza prismàtics Combustible TRISO. La Universitat de Tsinghua va construir el prototip de HTGR de llit de còdols de 10 MW, l'HTR-10, l'any 2000. Va utilitzar Còctels TRISO que contenien urani poc enriquit i es van utilitzar com a prototip per al més gran reactor modular petit de 100 MWe HTR-PM, que va entrar en funcionament el desembre de 2021. A partir del 2026, és l'únic reactor alimentat amb TRISO en funcionament comercial.

Als Estats Units, s'està explorant el TRISO per al seu ús en el concepte de reactor de molt alta temperatura, una de les sis classes de dissenys de reactors de la iniciativa Generació IV que intenta assolir temperatures de sortida HTGR més altes. L'HTGR de llit de còdols X-energy Xe-100 té previst utilitzar còdols esfèrics que contenen partícules de TRISO que contenen UCO₂, mentre Kairos Power està construint un reactor de sals foses de llit de còdols de 50 MW que utilitza combustible UCO TRISO que conté urani d'alt anàlisi i baix enriquiment.

Combustible QUADRISO miniatura|Una partícula QUADRISO, que incorpora una capa de verí incendiable El combustible QUADRISO és un concepte basat en TRISO que incorpora una capa de verí de neutrons combustible (òxid d'europi o òxid d'erbi o carburs) que envolta el nucli de combustible de les partícules TRISO ordinàries per gestionar millor l'excés de reactivitat. Durant el funcionament del reactor, la irradiació de neutrons del verí fa que es "cremi" o es transmuti progressivament en isòtops no verinosos, esgotant aquest efecte de verí i deixant progressivament més neutrons disponibles per mantenir la reacció en cadena. Aquest mecanisme compensa l'acumulació de verins de neutrons indesitjables que són una part inevitable dels productes de fissió, així com l'esgotament normal del combustible fissible. El concepte es va concebre al Laboratori Nacional d'Argonne.

Producció El combustible TRISO es fabrica més habitualment mitjançant el procés sol-gel, desenvolupat al Laboratori Nacional Oak Ridge dels Estats Units. Primer, l'urani o el tori es dissol amb àcid nítric i s'utilitza amoníac per precipitar. o ("sol"). El sol es ruixa a través d'un líquid orgànic escalfat, on la tensió superficial forma petites esferes de gel. Per formar UCO, el carboni es dispersa a través del gel per promoure la formació de La deposició química de vapor en llit fluiditzat s'utilitza en diversos passos per aplicar els recobriments de carboni porós, PyC interior, SiC i PyC exterior. Les partícules de TRISO acabades s'incrusten en una matriu de grafit i resina, després s'escalfen i es premsen.

Referències

Categoria:Energia nuclear Categoria:Centrals nuclears