Cómo funciona un reactor de alta temperatura (HTGR)

Dentro de una vasija de acero de 25 metros de alto, un cilindro de grafito de 3 metros de diámetro y 11 de alto contiene unas 420 000 esferas de combustible del tamaño de una pelota de tenis. No hay varillas ni elementos: el núcleo es un montón de bolas de grafito que descansan unas sobre otras y bajan muy despacio, por gravedad, hacia el cono de descarga del fondo.

El grafito del reflector y el de las propias esferas modera los neutrones. Las barras de control no entran al lecho: se deslizan por canales del reflector lateral, y como respaldo hay otros canales donde caen pequeñas esferas absorbentes de carburo de boro. El HTR-PM tiene dos de estos reactores, de 250 MW térmicos cada uno.

El refrigerante es helio a 70 bar: un gas inerte, transparente a los neutrones, que no se activa ni cambia de fase. Entra por la parte alta de la vasija a 250 °C, baja por los huecos entre las esferas y sale por el fondo a 750 °C, más del doble que el agua de un PWR. Un circulador de unos 4 MW lo mueve a 96 kg/s en cada módulo.

Esa temperatura es la razón de ser del diseño: produce vapor a 567 °C, como una central de carbón moderna, con una eficiencia del 42 %, y abre la puerta al calor industrial para hidrógeno o petroquímica. El helio caliente viaja por el tubo interior de un ducto coaxial y el frío vuelve por el anillo exterior, así la pared del ducto nunca ve los 750 °C.

Cada esfera de 6 cm es grafito con unas 12 000 partículas TRISO dispersas en su zona central, envueltas por 5 mm de grafito sin combustible. Cada partícula es un núcleo de óxido de uranio de medio milímetro, enriquecido al 8,5 %, cubierto por cuatro capas: un buffer de carbono poroso que aloja los gases de fisión, carbono pirolítico denso, carburo de silicio y otra vez carbono pirolítico.

Una esfera contiene apenas 7 gramos de uranio. La capa de carburo de silicio es el verdadero recipiente a presión: retiene los productos de fisión hasta unos 1 600 °C, muy por encima de cualquier temperatura que el reactor pueda alcanzar. Es la misma tecnología de casi todos los reactores avanzados de gas, y también de algunos refrigerados por sales fundidas.

A diferencia de un PWR, el generador de vapor no rodea a la vasija sino que tiene su propio recipiente de acero, al lado del reactor y algo más abajo, unido por el ducto coaxial. El helio entra por el centro, baja envolviendo un haz de tubos helicoidales y sale enfriado a 250 °C hacia el circulador, montado sobre la cúpula del generador.

Por dentro de los tubos el agua entra a 205 °C y, en un solo paso, sin recirculación ni separadores, sale como vapor sobrecalentado a 567 °C y 13,3 MPa. Los dos módulos del HTR-PM envían su vapor a un colector común que alimenta una única turbina de 210 MWe, más pequeña que la de cualquier central nuclear convencional y parecida a la de una térmica.

El reactor nunca se detiene para recargar. Las esferas salen una a una por el cono del fondo, unas 6 000 por día en cada módulo, y un detector de rayos gamma mide el quemado de cada una: si todavía tiene uranio útil, vuelve a la parte alta del núcleo por un tubo neumático impulsada por helio; si ya alcanzó unos 90 GWd por tonelada, se desvía a los contenedores de gastado.

Cada esfera atraviesa el núcleo unas quince veces en tres años. Así no hace falta compensar un exceso de reactividad con boro ni venenos, el quemado es muy uniforme y la central no tiene paradas de recarga: basta con reponer unas 400 esferas frescas por día.

La densidad de potencia del lecho es de 3 MW por metro cúbico, treinta veces menor que en un PWR, y la enorme masa de grafito tarda días en calentarse. Si se pierde el helio y fallan todos los sistemas, el calor residual sale de la vasija por conducción y radiación hacia paneles de agua en la pared de la cavidad, que circula por convección natural. El combustible no supera los 1 620 °C, por debajo del límite del carburo de silicio: el reactor no puede fundirse, y no necesita bombas ni electricidad para demostrarlo.

Los pioneros fueron el AVR alemán de 1967 y el THTR-300, cerrado en 1989, junto con los prismáticos Peach Bottom y Fort St. Vrain en Estados Unidos. Hoy operan el HTTR japonés, experimental y con helio a 950 °C, y el HTR-PM de Tsinghua y Huaneng en Shidaowan, en operación comercial desde diciembre de 2023. China proyecta un HTR-PM600 de seis módulos, X-energy planea el Xe-100 de lecho de esferas en Texas, y otras empresas adaptan las partículas TRISO a diseños prismáticos y a reactores de sales fundidas.