Comprender el agua pesada y el diseño CANDU

El reactor CANDU (CANada Deuterium Uranium) se distingue de otros sistemas de energía nuclear comercial por su uso de combustible de uranio natural y moderador de agua pesada. En el núcleo de esta tecnología se trata de óxido de deuterio, o agua pesada, una sustancia químicamente similar al agua corriente, pero con propiedades nucleares profundamente diferentes. Mientras que los reactores de agua ligera requieren uranio enriquecido (típicamente 3% al 5% de uranio-235), las unidades CANDU-2

Composición y propiedades nucleares de agua pesada

El reactor de hidrógeno se utiliza en un único protón y un solo electron. El agua pesada (D2O) reemplaza el núcleo de protio con deuterio, un isótopo de hidrógeno que contiene un protón y un neutron adicional. Este neutron extra duplica aproximadamente la masa del átomo de hidrógeno y reduce drásticamente la probabilidad de que un par de filosofríos se capture rápidamente.

La baja absorción de neutrones de agua pesada produce una excelente economía de neutrones, la relación de neutrones disponibles para nuevas fisiones a los perdidos para capturar o filtrar. En un CANDU, el núcleo está diseñado con una calandria (un vaso cilíndrico horizontal que alberga cientos de tubos de presión) a través de los cuales los paquetes de combustible se cargan en la fuerza.

Por qué el diseño CANDU depende del agua pesada

El agua pesada no es arbitraria, el agua ligera absorbe demasiados neutrones para sostener una reacción en cadena con uranio natural. Mediante el uso de agua pesada, los reactores CANDU eliminan la necesidad de instalaciones de enriquecimiento de uranio, que son costosas y llevan problemas de proliferación.El moderador de agua pesada ocupa el gran volumen de la calandria, rodeando los tubos de presión.

Propiedades de agua pesada relevantes para la iniciación y la apagación

Antes de examinar procedimientos específicos, es importante entender las características termodinámicas y nucleares de agua pesada que influyen en el comportamiento del reactor durante los transeúntes. El agua pesada tiene una densidad ligeramente superior y una capacidad de calor específica que el agua ligera. Su relación de moderación (una medida de la energía de desaceleración dividida por la sección de absorción) es aproximadamente 120 veces mayor que la del agua corriente, lo que lo convierte en el principal moderador para el combustible de uranio natural.

Papel de agua pesada en el inicio de reactor

La multiplicación de un reactor CANDU es un procedimiento cuidadosamente secuenciado que depende en gran medida de las propiedades del óxido de deuterio para lograr una reacción de cadena controlada y estable. Desde un estado de cierre frío, el reactor debe pasar a través de varios controles de seguridad, calentamiento del sistema de fluidos y inserción de reactividad que permiten que la población de neutrones crezca de los niveles de fuente a la potencia total.

Establecer condiciones iniciales de reactividad

Antes de comenzar, los sistemas de agua pesada deben ser verificados por la pureza isotópica correcta. Los reactores CANDU requieren una pureza de moderador de al menos 99.75% D2O por peso. Incluso un pequeño ingreso de agua ligera, un fuerte absorbente de neutrones, puede envenenar la reacción de cadena y hacer que la startup sea imposible con uranio natural.

Con el moderador y los circuitos refrigerantes llenos, las bombas de transporte de calor primario circulan refrigerantes de agua pesada para calentar los canales de combustible de una manera controlada. A medida que la temperatura aumenta, la densidad del moderador disminuye ligeramente, reduciendo su potencia de desaceleración e introduciendo una pequeña retroalimentación negativa, una característica que mejora la seguridad. Durante esta fase, el reactor sigue siendo completamente subcrítica, incluyendo detectores de flujo de neutrones de energía de energía de energía de energía de energía

Criticación aproximada con el sistema de control de la reactividad

El control de la reactividad en un CANDU se ejerce a través de varios mecanismos independientes: los controladores de zona líquida que ajustan los niveles de agua ligera en los compartimentos dentro del moderador, las barras de ajuste que aplanan la distribución del flujo de neutrones, los amortiguadores de control mecánico y dos sistemas de cierre de seguridad independientes para el cierre rápido.

Como se retiran los absorbentes, el factor de multiplicación eficaz aumenta. La tasa de arranque se supervisa mediante la trama de la relación de tasa inversa contra la adición de reactividad. Esta técnica clásica de “un-sobre-M” permite al operador del reactor predecir el punto de crítica precisamente. La economía de neutrones superior del agua pesada significa que el reactor alcanza la crítica con menos absorciones que serían necesarias en un reactor de agua ligera de tamaño comparable.

Ascenso de energía y el papel de la temperatura de agua pesada

Una vez confirmado la crítica de baja potencia, el reactor se calienta gradualmente y se eleva al nivel de potencia requerido para la sincronización con la red eléctrica. La temperatura del agua pesada del sistema de transporte térmico se eleva en etapas, expandiendo los tubos de calandria ligeramente y cambiando la reactividad. Los operadores utilizan el sistema de control de zona líquida, una red de compartimentos sellados dentro de la calandria que se puede llenar o drenar con agua ligera, para mantener un control de reactividad precisa.

Durante el ascenso de energía, los sistemas de purificación de agua pesada funcionan continuamente para eliminar los productos de fisión de absorción de neutrones que pueden haber filtrado en el refrigerante o moderador. El diseño CANDU permite la recarga de energía, pero una nueva puesta en marcha de la apagada fría es el único momento en que sólo se produce un combustible completamente fresco o de baja quemadura, por lo que la reactividad vale el agua pesada está en su máximo canal de control.

Manejo de la pureza del agua pesada durante el inicio

La planta de actualización de agua pesada en línea juega un papel incluso antes de que el reactor alcance la crítica. A medida que el moderador se calienta, cualquier agua ligera disuelta tiende a migrar de tanques de almacenamiento en el sistema. El modernizador procesa continuamente un flujo lateral de agua pesada moderado, destilando agua ligera para mantener el objetivo de pureza del 99,75%. Esto es especialmente importante porque el exceso de reactividad de agua pesada es más alto en el arranque en frío correctamente 0

Aguas pesadas en procedimientos de cierre de emergencia y control

Cerrar un reactor CANDU requiere que la reacción de cadena se rescinda rápidamente y que el calor residual se remueva continuamente del núcleo. El agua pesada es esencial en ambos roles. Aunque la reacción de la cadena de neutrones se detiene por sistemas de apagado independientes, la capacidad de circulación de refrigerante de agua pesada después de apagado es lo que mantiene el combustible dentro de los límites de temperatura seguros durante días y semanas después.

Iniciando la operación de la cadena

Un cierre normal y planificado comienza con una reducción gradual de la energía del reactor mediante dispositivos de control de reactividad. Los compartimentos de control de zona líquido se desaceleran parcialmente, las barras de ajuste se insertan en una secuencia predefinida, y la temperatura del sistema de transporte de calor se reduce a las condiciones de derivación de la turbina.

Cuando se requiere un cierre inmediato — ya sea por comando del operador o por señal de viaje automática— los dos sistemas de cierre independientes del reactor actúan en segundos. Las varillas de apagado, que son cadmio de absorción de neutrones o varillas de gadolinio que se mantienen fuera del núcleo por electromagnetes, desciendan a la calandria por gravedad cuando los circuitos de viaje se desactivan rápidamente.

Desagüe de la eliminación de calor utilizando refrigerante de agua pesada

El calor se mantiene a la baja, el combustible sigue generando calor de la desintegración radiactiva de los productos de la fisión. Inmediatamente después de la desintegración, la energía de descomposición es alrededor del 7% de la producción térmica de funcionamiento anterior y disminuye durante horas y días.El sistema de transporte térmico primario, lleno de agua pesada, debe seguir circulando por los canales de combustible para transportar este calor a los generadores de vapor, donde se transfiere al lado secundario y se rechaza por completo

El sistema de refrigeración de agua sigue siendo un factor de seguridad que se mantiene intacto en el sistema de refrigeración de la energía, y que se mantiene en frío durante el funcionamiento de la energía total. Debido a que el agua pesada tiene una capacidad de calor ligeramente superior a la del agua ligera, absorbe más energía térmica por grado de cambio de temperatura, aunque la diferencia es modesta.

Asegurar la subcritica profunda durante el reabastecimiento y mantenimiento

Para que una desconexión sea lo suficientemente estable para las actividades de mantenimiento, la crítica debe ser imposible incluso si el dispositivo de control más reactiva fue retirado inadvertidamente. En los reactores CANDU, los operadores verifican esto midiendo el margen de cierre utilizando la instrumentación de flujo de neutrones. La alta pureza del agua es un aliado en esta verificación: incluso pequeños cambios en el nivel de moderador o la entrada de agua ligera se detectarían como cambios en el reactor subcrigado

Vigilancia posterior al retiro y recuperación de agua pesada

El sistema de transporte de agua pesada se mantiene en el agua pesada, pero el sistema de transporte de agua pesada se mantiene caliente (aproximadamente 60-80°C) durante los cortos desfase para minimizar el ciclo térmico de los tubos de presión, lo que reduce el estrés en los componentes de la aleación de nitronio.

El actualización de agua pesada y la gestión de inventarios

Un aspecto práctico del uso de agua pesada en la startup y apagado de CANDU es la necesidad de mantener la pureza isotópica. Con el tiempo, el agua pesada en los sistemas de transporte de calor y moderador absorbe la humedad del aire, e incluso las fugas microscópicas pueden permitir que el agua ligera se suba. Una planta de mejora de agua pesada en el sitio se destila o electroliza continuamente un flujo lateral de agua pesada para eliminar la contaminación de agua ligera.

El sistema de recuperación de agua pesada [FLT] también se mantiene en el sistema de reposición de agua pesada, ya que el sistema de reposición de agua se extrae de agua natural mediante procesos intensivos de energía, como el intercambio de Girdler o la destilación de agua, es un factor económico significativo.

Beneficios de seguridad y eficiencia Únicos al núcleo de agua pesada de CANDU

La combinación de propiedades nucleares de agua pesada y el diseño de tubos de presión del reactor resulta en un caso de seguridad que es marcadamente diferente de los reactores de agua ligera. El coeficiente de vacío positivo de la reactividad — el aumento de la reactividad que ocurriría si el refrigerante de agua pesada se hiriera— se mitiga por el volumen de moderador muy grande que permanece intacto. Los sistemas de apagado están diseñados con diversidad e independencia para que ningún fallo puede evitar un cierre rápido.

El agua pesada también permite una estrategia de repostaje flexible. A diferencia de los reactores de agua ligera que deben cerrarse para repostaje por lotes cada 12 a 24 meses, las unidades CANDU remanen diariamente a la fuerza mediante la introducción de paquetes de combustible fresco en un extremo de un canal y la eliminación del combustible gastado del otro. La economía de neutrones de agua pesada hace posible cambiar la distribución del flujo a lo largo del tiempo sin perder la capacidad de la reacción de la cadena durante el reactor de repostaje.

Durante el cierre para la inspección desactivación o canal, la inercia térmica del moderador de agua pesada mantiene los elementos de combustible a una temperatura estable durante horas después de la pérdida de refrigeración forzada. Varias publicaciones del Organismo Internacional de Energía Atómica han documentado esta capacidad de disipación de calor inherente como una característica distintiva. En el contexto del análisis severo de accidentes, el buque de calandria lleno de actos de agua pesada como una barrera de calor

Ventajas comparadas sobre los reactores de agua ligera

En los reactores de agua ligera, el moderador y refrigerante son el mismo agua ligera, y el núcleo se encuentra en un único recipiente de presión. Durante un accidente de pérdida de refrigeración, el moderador se pierde rápidamente, y la eliminación de calor descompuesto depende totalmente de los sistemas de refrigeración de núcleos de emergencia. Además, el moderador de agua pesada separado del CANDU permanece en su lugar incluso si el período de eliminación de refrigeración es muy largo.

Supervisión Reguladora e Investigación Científica

El uso de agua pesada en reactores de energía está sujeto a una supervisión rigurosa por parte de los reguladores nucleares nacionales. En Canadá, la Comisión Canadiense de Seguridad Nuclear (CNSC) establece requisitos estrictos para la pureza isotópica de agua pesada, la frecuencia de salida forzada y la eficacia del sistema de cierre. Asimismo, las inspecciones regulares y las auditorías verifican que las plantas cumplan con el sobre operativo seguro documentado.

Los reactores de investigación como la NRU en los Laboratorios del Río Chalk han proporcionado históricamente la base experimental para entender cómo el agua pesada se comporta en los núcleos de CANDU durante los transientes. Estudios sobre coeficientes de temperatura moderadores, el efecto de los venenos disueltos, y el comportamiento del agua pesada bajo condiciones de cocción han moldeado los procedimientos de arranque y cierre actuales del OIEA.

Conclusión

El sistema de energía de la energía nuclear, que se mantiene en el mundo, permite que el sistema de la energía nuclear siga siendo fiable. El sistema de la energía de la energía nuclear, que permite la recuperación de la energía, y que permite que el núcleo se base en el sistema de control de la energía nuclear y que los operadores mantengan un control preciso sobre el ascenso de la energía.