Desarrollan sensores para reactores nucleares de próxima generación

Las plantas de energía nuclear representan el 20% de la energía del país. Para garantizar su funcionamiento seguro, los ingenieros de las plantas dependen de sensores que proporcionan información sobre diversos parámetros, como la temperatura, la potencia del reactor y la tensión en las paredes del recipiente.

Un nuevo grupo de reactores avanzados se encuentra en desarrollo para apoyar la infraestructura de energía nuclear en EE. UU., pero carecen de sensores comerciales que puedan soportar las altas temperaturas que estos nuevos reactores pueden alcanzar, que oscilan entre 500 y 1,000 grados Celsius.

Después de dos años de pruebas y desarrollo, científicos e ingenieros de la Universidad de Maine crearon un sensor microelectrónico que puede resistir tanto los niveles de radiación en el núcleo como las temperaturas extremas que existen dentro de estos reactores nucleares avanzados.

El microchip basado en nanotecnología que se encuentra en el corazón de este sistema de sensores no solo sobrevive a los entornos más duros del reactor, sino que también proporciona datos operativos en tiempo real. Esto puede ayudar a los ingenieros y operadores de plantas nucleares a identificar problemas técnicos más rápidamente y reducir los costos de mantenimiento.

"Esta es la primera demostración de una tecnología de microchip capaz de medir la potencia del reactor hasta 800 grados Celsius, o aproximadamente 1,500 grados Fahrenheit", afirmó Mauricio Pereira da Cunha, profesor de Ingeniería Eléctrica y de Computación y principal investigador del proyecto.

"Dado que muchos reactores avanzados actualmente en desarrollo operan a estas temperaturas, existe una alta demanda de sensores para monitorearlos".

Los reactores avanzados de alta temperatura, que incluyen tecnologías de microreactores, pueden generar más energía de la misma cantidad de combustible nuclear en comparación con los reactores convencionales, gracias a las mayores eficiencias térmicas que se logran a temperaturas más altas. Por eso, esta tecnología de sensores, que ha sido perfeccionada durante casi dos décadas por ingenieros de UMaine, puede abordar una brecha crítica en la instrumentación para los reactores nucleares de próxima generación.

"Los sensores comercialmente disponibles que miden la potencia en reactores nucleares no operan hasta 800 grados Celsius", dijo Pereira da Cunha. "Ahora hemos demostrado que se puede hacer".

El equipo de UMaine también ha atraído la atención del grupo de Sensores Avanzados e Instrumentación del Laboratorio Nacional de Idaho del Departamento de Energía.

"Oportunidad: esa es la palabra del día", dijo Luke Doucette, científico investigador senior y coordinador del programa de I+D del proyecto. "Tenemos la oportunidad de ser una institución líder en este área, pero necesitamos actuar ahora".

Desde 2013 hasta 2024, el equipo instaló sensores similares en otros entornos de plantas de energía, como la planta de vapor de UMaine, la planta de energía renovable Penobscot Energy en Orrington, Maine, y una planta de carbón en Virginia Occidental, para monitorear las operaciones de la planta durante tres años. La tecnología ahora ha sido adaptada para ser resistente a altas dosis de radiación gamma y un intenso flujo de neutrones para aplicaciones en reactores avanzados.

"Además de las temperaturas extremas, ahora también estamos exponiendo estos sensores a niveles intensos de radiación nuclear en el núcleo al mismo tiempo. Esto añade una nueva dimensión de dificultad en términos de qué tipos de materiales de sensor pueden sobrevivir en estas condiciones y seguir siendo funcionales", dijo Doucette.

El equipo de investigación, que también incluye al científico investigador del Instituto Frontier de UMaine para la Investigación en Tecnologías de Sensores, Morton Greenslit, ya ha realizado dos pruebas de una semana en el Laboratorio de Investigación Nuclear de la Universidad Estatal de Ohio (OSU NRL). Este reactor de prueba es parte de la red de Instalaciones de Usuarios de Ciencia Nuclear gestionada por el Laboratorio Nacional de Idaho.

Durante estas pruebas preliminares, su tecnología de sensores demostró la capacidad de operar continuamente durante todo el período de prueba sin una degradación significativa en el rendimiento. Los investigadores de UMaine están actualmente refinando su tecnología de sensores para soportar potencias de reactor aún más altas y ser probados durante despliegues más prolongados.

El equipo también planea extender su tecnología de sensores nucleares para conectividad inalámbrica, que no requiere baterías y es alimentada y operada completamente por la señal de interrogación inalámbrica.

Tanto los estudiantes de posgrado como los de pregrado en ingeniería desempeñan un papel integral en el proyecto, adquiriendo experiencia práctica en una de las salas limpias de UMaine. Las habilidades que adquieren son altamente transferibles, preparándolos para carreras en las industrias de microelectrónica y semiconductores.

Las colaboraciones con el Laboratorio Nacional de Idaho y las pruebas en OSU NRL han posicionado a UMaine como un jugador importante, con aplicaciones potenciales que incluyen microreactores y energía comercial para centros de computación de alto rendimiento y almacenamiento de datos.

Los investigadores esperan avanzar más allá de ensayos más cortos para simular años de operación continua del reactor a niveles de radiación más altos. También tienen como objetivo trabajar con otras organizaciones industriales y académicas de Maine, y ya han iniciado discusiones de planificación con algunas de estas partes.

Su objetivo a largo plazo es establecer un laboratorio formal dedicado a sensores y materiales para aplicaciones de microreactores y reactores avanzados.

"El desarrollo exitoso de estos sensores abordará y aliviará las barreras tecnológicas que actualmente obstaculizan el despliegue de reactores nucleares avanzados", dijo Pereira da Cunha.

"El apoyo continuo a nuestro trabajo permitirá a UMaine desempeñar un papel importante en esta área emergente y ayudar a satisfacer las crecientes necesidades energéticas de nuestra nación".