Table of Contents
Introducción
Los reactores rápidos representan una piedra angular de los sistemas avanzados de energía nuclear porque pueden extraer significativamente más energía de uranio natural que los reactores térmicos convencionales, al tiempo que reducen la radiotoxicidad a largo plazo de los desechos de alto nivel. Central a la operación segura y fiable de estos reactores es la capacidad de mantener el núcleo adecuadamente enfriado bajo todas las condiciones, desde la operación de plena potencia normal hasta los escenarios de accidentes posulados.
Los fundamentos de la refrigeración del núcleo del reactor rápido
Los reactores rápidos funcionan con un espectro de neutrones que no se modera, lo que requiere un refrigerante que no ralentice significativamente los neutrones. Los metales líquidos son la clase refrigerante preferida porque combinan baja moderación de neutrones con alta conductividad térmica y altos puntos de ebullición. Los tres candidatos refrigerantes primarios son sodio, plomo y eutectic (LBE).
Sodio como un refrigerante
Sodium ha sido el refrigerante más utilizado en reactores rápidos experimentales y prototipos, incluyendo el BN‐600 y el reactor Phénix. Su alta conductividad térmica (aproximadamente 70 W/m·K a temperaturas de funcionamiento del reactor) y punto de fusión bajo (97.7 °C) permiten una transferencia de calor eficiente a una potencia de bombeo modesta. Sin embargo, el sodio reacciona exotérmicamente con agua y aire, que requieren una detección de calor cuidadosa.
Liderazgo y Guantes de Bismuth
El plomo y el LBE son alternativas atractivas debido a su inercia química con agua y aire, eliminando el riesgo de reacciones violentas. Sus puntos de ebullición más altos (cargo: 1749 °C; LBE: 1670 °C) permiten operar a presión atmosférica, simplificando el sistema primario y reduciendo la probabilidad de accidentes de pérdida de alcohol.
Sistemas de refrigeración pasiva: reducción de la dependencia de componentes activos
Un avance clave en la seguridad del reactor rápido es el desarrollo de sistemas de eliminación pasiva de decaimiento que funcionan sin bombas activas, válvulas o energía eléctrica. Estos sistemas dependen de la circulación natural impulsada por gradientes de densidad y cabeza gravitatoria, proporcionando márgenes de seguridad inherentes.
Reactor Vessel Sistema de enfriamiento Auxiliar (RVACS)
En el concepto RVACS, el calor descompuesto del reactor se transfiere por radiación y convección natural a un recipiente de contención exterior, que luego rechaza el calor al aire ambiente a través de una pila. El sistema es completamente pasivo: no se necesitan bombas, no hay acción de operador, y no se necesita energía externa. El diseño del PRISM (Power Reactor Innovative Small Module) por GE Hitachi incorpora un RVACS que puede eliminar un período de eficacia demostrado
Sistema de refrigeración auxiliar de reactores directos (DRACS)
DRACS combina la piscina del reactor a un bucle de circulación natural externo a través de un intercambiador de calor dedicado inmerso en la piscina caliente refrigerante. El bucle transfiere calor a un fregadero de calor de aire o agua. Este enfoque puede lograr mayores tasas de eliminación de calor que RVACS porque el intercambiador de calor se coloca más cerca del núcleo.El reactor de investigación MYRRHA (una instalación de espectro rápido refrigerado de plomo) emplea con éxito su arquitectura DRACS.
Circulación natural en el circuito primario
Además de sistemas de eliminación descay-calor dedicados, los diseños de reactores rápidos modernos explotan la circulación natural en el primer bucle refrigerante. Durante el funcionamiento normal, las bombas fuerza refrigerante a través del núcleo. Si las bombas fallan, la diferencia de densidad entre el núcleo caliente y el plenum superior más frío crea una vía de flujo de circulación natural. Este fenómeno permite que el núcleo mantenga suficiente refrigeración durante largos períodos sin potencia de la bomba.
Intercambiadores de calor mejorados: Mejora del rendimiento térmico
Incluso con la circulación pasiva, la eficiencia de los intercambiadores de calor afecta directamente al calor máximo de desintegración que se puede eliminar y los márgenes de temperatura en el núcleo. Las innovaciones recientes en el diseño del intercambiador de calor han aportado notables mejoras en la compactidad, superficie y resistencia al fouling.
Intercambiadores de calor de circuito impreso (PCHEs)
El sistema de presión de los reactores de alta presión de los reactores de alta resistencia de los reactores de la Universidad de California, reduce el sistema de presión de los reactores de alta resistencia de los pies de alta presión y los de alta resistencia de los reactores de la Universidad de California.
Intercambiadores de calor Shell‐and-Tube con Tubos mejorados
Los diseños convencionales de shell‐and‐tube se están mejorando utilizando tubos con aletas helicales internas, insertos de cinta torcida o superficies difundidas que interrumpen la capa de límite térmico y aumentan los coeficientes de transferencia de calor en 30-50%. En los sistemas de refrigeración por sodio, estas mejoras ayudan a compensar el aumento de temperatura más bajo en el intercambiador de calor intermedio (IHX) y permiten un diseño más compacto.
Almacenamiento de energía térmica como un amortiguador enfriado
Algunos conceptos de reactores rápidos integran un sistema de almacenamiento de energía térmica (TES) que absorbe el exceso de calor durante los transientes o cuando la turbina está fuera de línea. El medio de almacenamiento puede ser de fundición de sal, metal líquido o cerámica sólida. Durante el funcionamiento normal, desviar una pequeña fracción de calor primario a los TES puede precalentar el ciclo secundario y reducir los choques térmicos en la turbina.
Materiales y revestimientos de refrigerante avanzados
La corrosión y la transferencia masiva de aleaciones estructurales en el refrigerante siguen siendo los mecanismos de degradación a largo plazo más importantes en reactores rápidos. Los avances en el control de química refrigerante y la selección de materiales son esenciales para mantener el rendimiento de refrigeración básica durante una vida de diseño de 60 años.
Plomo controlado por oxígeno y refrigerantes LBE
El Instituto de Control de Oxigenación de la UL es un proyecto de difusión que permite el desarrollo de la capa de oxido en las superficies de acero. Este proyecto de capas es válido para el sistema de control de la oxido y el sistema de transmisión de la tecnología de la energía de la energía, que se utiliza en el sistema de control de la energía.
Aleaciones de alta temperatura y aceros ODS
El acero inoxidable de la dispersión, fabricado por nanopartículas yttria mecánicamente aislantes en una matriz ferritática o martensitica, presenta una resistencia superior a la crep y resistencia a temperaturas de hasta 700 oC. En sodio con bajo oxígeno, los aceros ODS muestran una corrosión indecible y una excelente estabilidad dimensional bajo nivel de neutro
Química de refrigerante auto-sanación
Nuevos estudios exploran el concepto de un нериниениенименименименияныменименторованияныме нериниенименторования ненениениениениени нтеныментенымени ни ни ни ни ныментентеныме ныме нтеныментентеныментентены нтентеныменыменыменыменыменыме ныменте ныменыменыменыменыменымени ни ныменыменымен
Integración de los avances: Beneficios de Seguridad y Aceptación Reguladora
Cuando se combinan los refrigerantes pasivos, los intercambiadores de calor mejorados y los materiales refrigerantes avanzados, el resultado es un sistema de enfriamiento de núcleo que es demostrablemente más tolerante a los fallos y cargas extremas.
Frecuencia de Daños Centrales Reducidos
Evaluaciones de seguridad probabilísticas (PSAs) para los diseños avanzados de reactores rápidos como el PRISM GE‐Hitachi y el proyecto Westinghouse LFR una frecuencia de daño núcleo (CDF) por debajo de 10-7 por reactor por año, un orden de magnitud inferior al de los reactores de agua corriente de agua ligera.
Caso de seguridad simplificado
Los órganos reguladores como la Comisión Reguladora Nuclear de los Estados Unidos (NRC) y la Autoritiera de Sórretría Nuclaire (ASN) están desarrollando marcos de licencias para reactores avanzados que hacen mayor hincapié en el rendimiento determinista en lugar de en la redundancia del sistema activo complejo.El uso de sistemas de refrigeración pasivos simplifica el caso de seguridad porque hay menos componentes que fallar y menos iniciadores que pueden desafiar la función de repaso [LT]
Tiempo de copia prolongado
Una de las características más atractivas del enfriamiento pasivo es el tiempo largo ⁇ oping proporcionado sin acción del operador. En el diseño de RVACS para un módulo de 150 MWe sodium-cooled, los análisis muestran que el reactor puede mantener temperaturas básicas inferiores a 650 oC durante más de ocho días después de un desmayo de estación completa, asumiendo que no se reparan ni soporte externo.
Estudios de casos de sistemas avanzados de refrigeración en los reactores operativos y previstos
El Reactor del PRISM (USA)
El módulo de reactor PRISM, diseñado por GE Hitachi, es un reactor rápido de 311 MWt sodium-cooled pool‐type que se basa exclusivamente en la eliminación pasiva decay-heat. El RVACS proporciona el sumidero de calor máximo a través de la pared del reactor, mientras que un bucle intermedio Na‐to-Na transfiere calor a los generadores de vapor.
El proyecto MYRRHA (Bélgica)
MYRRHA (Multi‐Purpose Hybrid Research Reactor for High-Tech Applications) es un sistema de aceleración refrigerado de plomo (ADS) planeado en el Centro de Investigación Nuclear Belga (SCK mantienen) y su sistema de refrigeración de núcleo incluye una bomba primaria, un DRACS con un refrigerante de aire dedicado y un circuito secundario de refrigeración.
El diseño conceptual ASTRID (Francia)
El exceso de calor del SLT1 (AE) desarrolló el concepto de ASTRID (Avanzado Sodium Technology Reactor para la Demostración Industrial) como un reactor rápido refrigerado por sodio de 600 MWe. El sistema de refrigeración de núcleo de ASTRID incluye vías de extracción activas y pasivas del calor.
Desafíos e instrucciones de investigación pendientes
A pesar de los impresionantes avances, quedan varios desafíos técnicos antes de que los sistemas avanzados de refrigeración puedan ser desplegados comercialmente a escala. Los materiales estructurales de alta temperatura adecuados para las vidas de 60 años en refrigerantes corrosivos aún no han sido plenamente calificados. La estabilidad a largo plazo de los revestimientos de óxido bajo radiación todavía está bajo investigación. Reducción de costos en la fabricación de intercambiadores de calor, especialmente para las PCHEs en plantas de gran escala, sigue siendo un obstáculo económico.
La investigación en curso en el Grupo de Trabajo de Reactor Rápido del OIEA y el Foro Internacional Generación IV se está ocupando de estos temas a través de programas internacionales coordinados. El desarrollo de métodos de detección de alto rendimiento para aleaciones avanzadas, el uso de la máquina de aprendizaje para optimizar la geometría del intercambiador de calor, y la demostración de la lógica de control autónomo para sistemas pasivos son todas las áreas activas de investigación.
Conclusión
Los avances recientes en sistemas de refrigeración de núcleos de reactores rápidos han mejorado fundamentalmente el caso de seguridad de esta importante clase de reactores nucleares. Los sistemas de refrigeración pasivos que dependen de la circulación natural, los intercambiadores de calor mejorados con rendimiento térmico superior, y las químicaes de refrigeración innovadoras que mitiguen la corrosión se combinan para producir diseños de reactores rápidos que son inherentemente más seguros que sus predecesores.