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El agua pesada, conocido químicamente como óxido de deuterio (D2O), es la tecnología fundamental que permite que la serie de reactores CANDU (CANada Deuterium Uranium) funcione con flexibilidad de combustible sin igual. A diferencia de los reactores de agua ligera (LWR) que requieren uranio enriquecido, las estaciones CANDU utilizan agua pesada tanto como un moderador de neutrones y como el refrigerante de transporte de calor primario.
La Física de la Moderación del Agua Pesada
La ventaja principal del agua pesada sobre el agua ligera corriente se encuentra en las propiedades nucleares del átomo de deuterio. El núcleo del deuterio contiene un protón y un neutron, dándole una masa aproximadamente el doble que del hidrógeno ordinario (protio). Esta masa adicional altera fundamentalmente la forma en que los neutrones interactúan con el medio. El parámetro clave es la sección de absorción de neutrones térmicos.
El reactor de energía de neutrones, que se utiliza para el uso de energías de alta resistencia, permite que estos sistemas de energía de neutrones se desaceleren directamente, o se moderen, a las energías térmicas.
El poder de desaceleración de un moderador se cuantifica por la relación de moderación, que combina el decremento de energía logarítmica por colisión con la sección transversal dispersa dividida por la sección transversal de absorción. Para el agua ligera, esta proporción es de aproximadamente 70; para el agua pesada, supera los 6.000. Este contraste de estrellas explica por qué un reactor de agua pesada puede operar con uranio natural: el moderador no roba la precia cadena de neutrones
Producción industrial de Reactor-Grado D2O
El deuterio existe en agua natural a una concentración de aproximadamente 150 partes por millón (0.015%). Para funcionar eficazmente como moderador y refrigerante, esta concentración debe elevarse a un mínimo de 99.75% D2O. Este proceso de enriquecimiento es resistente térmica y tecnológicamente, haciendo del agua pesada un material estratégico de alto valor. La separación física explota las pequeñas diferencias de masa entre H2O y D2O, que se manifiestan en diferentes presiones de vapor.
El proceso de Sulfuro de Girdler (SG)
El proceso de sulfuro de Girdler, que se desplegó a una escala enorme en Canadá, Estados Unidos, India y otros lugares. El proceso de GS explota el equilibrio de temperatura-dependiente de la reacción de intercambio isótopo entre agua y gas sulfuro de hidrógeno: H2O(l) + HDS(g) sistemáticamente
El consumo de energía de alta calidad de la planta de GDU es un producto de alta intensidad de combustible para el consumo de combustible de alta calidad de la planta de combustible de alta calidad de la planta de combustible de alta calidad de la generación de gas de combustible de alta calidad de la planta de combustible de la energía de la planta de alta calidad de la generación de combustible de combustible de alta calidad de la energía de Ontario
Un aspecto a menudo sobrecogido del proceso de GS es su huella ambiental. Los grandes flujos de agua y los requisitos energéticos significan que una planta que produce 1.000 toneladas de D2O al año consume normalmente alrededor de 500–700 MWt de insumos térmicos y descarga millones de metros cúbicos de agua agotada. Las mejoras modernas de diseño han reducido el consumo de vapor, pero el proceso sigue siendo intensivo de capital.
Tecnologías de separación alternativas y emergentes
Existen otras tecnologías para la separación de deuterio, cada una con aplicaciones específicas. La destilación de agua explota la presión de vapor ligeramente inferior de D2O en comparación con H2O. Mientras que el factor de separación es muy pequeño (alrededor de 1.05 a presión atmosférica), requiere un enorme número de etapas y una alta energía.
Electrolisis] aprovecha el efecto isótopo cinético; debido a la mayor energía cero del bono O-H en comparación con el bono O-D, el protio se libera preferentemente como gas de hidrógeno en la catodio. Esto enriquece el deuterio en el líquido restante. El electrolisis se utiliza con granomovedor en la planta de Norsk Hydro en Vemork.
Los métodos avanzados actualmente en investigación incluyen ] separación isótopo de láser (LIS), que apunta al ligero cambio en las espectros de absorción entre H2O y HDO moléculas. Mientras que el éxito de la unidad de laboratorio se ha demostrado mediante el uso de las miles de toneladas necesarias para un núcleo de reactor sigue siendo un importante desafío de ingeniería.
La relación simbiótica entre el diseño CANDU y D2O
El diseño del reactor CANDU es fundamentalmente inseparable de las propiedades de agua pesada. El núcleo del reactor consiste en un tanque grande de baja presión llamado la calandria, que mantiene el moderador de agua pesada a una temperatura relativamente baja. El almacenamiento de la calandria son cientos de tubos de presión horizontales, cada uno que contiene paquetes de combustible.El refrigerante primario, separado del moderador, también es agua pesada, que pasa por los tubos de presión a la flexibilidad.
Ciclo de combustible de uranio natural
La capacidad de utilizar uranio natural sin enriquecimiento es la ventaja económica y estratégica más importante del sistema CANDU. Decora al operador del reactor del mercado internacional de enriquecimiento, dominado por un pequeño número de países y requiere arreglos de salvaguardias complejos. Los paquetes de combustible de uranio natural son más simples y más baratos para fabricar que los pellets enriquecidos requeridos para las LWR.
El ciclo natural de uranio también tiene implicaciones para la gestión del combustible gastado. Dado que el enriquecimiento inicial es bajo, el combustible gastado de un CANDU contiene alrededor del 0,3% de material fisible, en comparación con alrededor del 0,8–1% de un LWR. Menos plutonio se produce por unidad de energía, pero el volumen total de combustible gastado por MWh es mayor debido a la menor proliferación (alrede 7–8 GWd/t vs.
Factores de Refueling y Capacidad en Línea
El reductor de combustible pesado es un generador directo de repostaje en línea. En un LWR, el núcleo entero debe ser apagado y deprimido para reabastecimiento, normalmente cada 18–24 meses. En un CANDU, los tubos de presión horizontal permiten a las máquinas de reabastecimiento de combustibles acceder a cada canal de forma independiente mientras el reactor permanece en el poder.
La repostaje en línea también permite una maniobra de potencia flexible. Una estación CANDU puede ajustar su salida para satisfacer la demanda de rejilla manteniendo una tasa de repostaje casi constante. Esta capacidad de seguimiento de carga es cada vez más valiosa en las rejillas con alta penetración de fuentes de energía renovable variables.El moderador de agua pesada actúa como un búfer térmico, proporcionando estabilidad durante los transitorios y permitiendo al reactor responder rápidamente a los cambios de carga.
Gestión de agua pesada en el sito
La operación de una estación CANDU requiere sistemas y procedimientos dedicados para gestionar el inventario de agua pesada. El inventario D2O representa un activo de capital sustancial, y su pérdida o degradación tiene consecuencias económicas directas. Un reactor típico de 700 MWe CANDU 6 contiene aproximadamente 450 a 500 toneladas de agua pesada. A los costos de sustitución actuales de varios cientos de dólares por kilogramo, el inventario in situ puede ser valorado en los cientos de millones de dólares de prioridades de control de contaminación diluida, evitando
Mantener la pureza isotópica
El sistema de agua de alta calidad y la mejora de la energía de los reactores de alta presión, se reduce a la reducción de la energía de los reactores.El sistema de control de la energía de los reactores de alta calidad y la mejora de la energía de los reactores de alta presión de la energía de los sistemas de refrigeración de los sistemas de agua de alta calidad.
El proceso de actualización también elimina las impurezas químicas que pueden acumularse, como gases disueltos, productos de corrosión y compuestos orgánicos. Estos contaminantes pueden afectar el pH del agua pesada, aumentar la descomposición radiolítica o interferir con los neutrones. El modernizador es por tanto un sistema de purificación isotópica y química combinado, a menudo precedido por filtros, columnas de intercambio de iónicos y operaciones de gasográficos.
Control y regulación de tritios
La preocupación radiológica más importante asociada a las operaciones de agua pesada es la producción de tritio (H-3). El tritio se genera mediante la activación de neutrones del deuterio: 2H (n, γ) 3H. Con el tiempo, el agua pesada en el moderador y refrigerante acumula tritio, que puede alcanzar niveles de actividad altos y específicos.
Las estaciones CANDU administran exposiciones de tritios mediante una combinación de controles de ingeniería y eliminación activa. Instalaciones de eliminación de tritios (TRF) utilizan una combinación de intercambio catalítico y destilación criogénica para extraer tritio del flujo de agua pesada. El tritio extraído se estabiliza como un hidroide de metal y se puede almacenar, o purifico y vender para aplicaciones comerciales como
La concentración de tritio en los sistemas de moderadores CANDU puede alcanzar varias decenas de curies por kilogramo después de años de funcionamiento. Para mantener las exposiciones de radiación a los trabajadores lo más bajo posible, el TRF en Darlington ha estado extrayendo tritio desde finales de los años 80, reduciendo la actividad específica del moderador por más de un factor de 10 en comparación con las estaciones sin tales instalaciones.
Detección de Leak y recuperación económica
Las estaciones CANDU emplean extensas redes de sensores de puntos de rocío, monitores de tritio en aire y detectores de humedad para identificar incluso fugas minúsculas. Las filtraciones de agua pesada se clasifican como "visibles" o "invisibles" (vapor). Una fuga de tubo de generador de vapor, por ejemplo, puede permitir que el agua ligera se ingrese en el reactor primario depurativo, degradante.
El incentivo financiero para una gestión de las fugas es significativo. Una tasa de pérdida de sólo 1 toneladas al año a $300/kg representa un costo continuo de $300.000 al año. Durante una vida útil de 30 años, es decir, $9 millones de dólares de inventario perdido. Las estaciones modernas CANDU buscan pérdidas incontables de menos de 0,5 toneladas al año, logradas mediante programas agresivos de detección de fugas, mejores diseños de válvulas y sistemas de recuperación de vapor2 pueden ser un importante.
Cadena de Suministros Globales y Impacto Económico
La cadena mundial de suministro de agua pesada es relativamente madura y consolidada. El inventario inicial de un nuevo CANDU se suministra normalmente en virtud de un acuerdo de arrendamiento de un arsenal nacional, como el gestionado por Atomic Energy of Canada Limited (AECL) y ahora los Laboratorios Nucleares canadienses, lo que evita los gastos de capital inicial masivos necesarios para construir un nuevo centro de producción. El modelo de arrendamiento también proporciona un incentivo económico para que los operadores reduzcan al mínimo las pérdidas y mantengan la calidad de inventarios.
La demanda de agua pesada se debe principalmente a la necesidad de maquillaje para pérdidas y nuevas construcciones. India opera sus propias plantas de SG para abastecer su flota nacional de RPH, habiendo superado los déficits históricos para convertirse en autosuficientes. Argentina produce agua pesada en la planta PIAP en Neuquén, que suministra las estaciones Embalse y Atucha.
El costo del agua pesada ha fluctuado durante las décadas. En los años 70, cuando se construyeron plantas de SG, el precio fue de alrededor de $100/kg en términos ajustados por la inflación. Después del cierre de la planta Bruce y el final de la producción canadiense, los precios aumentaron a más de $300/kg. Hoy, el mercado es relativamente estable, con la mayoría de la demanda de la producción india y argentina.
Futuros Trayectorias: Producción, Recolectores de Novelas y Ciclos de Combustible Avanzados
En vista de lo que está por delante, es probable que el papel del agua pesada en la energía nuclear vaya más allá de la flota tradicional CANDU 6, ya que el inventario actual es suficiente para apoyar la flota de operaciones actual durante décadas. Sin embargo, los conceptos de reactores emergentes y los ciclos de combustible avanzados pueden impulsar una nueva demanda de agua pesada o de deuterio en sí mismo.
Tecnología avanzada de producción
Mientras que el proceso GS es maduro, sus altos costos de capital y funcionamiento han estimulado el interés en métodos más eficientes.El proceso de Electrolisis Combinado y Intercambio Catalítico (CECE) es una técnica avanzada prometedora de separación que ofrece el potencial para un menor consumo de energía y mayores factores de separación de un solo estadio en comparación con el proceso de GS. El proceso CECE integra la electrolisis de hidrógeno con el intercambio isópico catalítico, permitiendo la concentración eficiente de nanoestación.
Otra vía prometedora es el uso de calor geotérmico o desperdicio para impulsar el proceso de SG, que podría reducir significativamente su huella de carbono. La integración de bombas de calor y intercambiadores de calor avanzados también podría mejorar la eficiencia energética general. Sin embargo, ninguna de estas tecnologías se ha desplegado a escala comercial, y el proceso de SG probablemente seguirá siendo el punto de referencia para el próximo decenio.
Ciclos de combustible avanzados
La excelente economía de neutrones de reactores de agua pesada los hace ideales para quemar combustibles avanzados. Se ha realizado una investigación considerable en el uso de reactores CANDU para consumir excedente de plutonio de armas nucleares desmanteladas o de reactores de agua ligera gastados. La flexibilidad del sistema de recarga en línea permite la gestión precisa de la reactividad y los perfiles de flujo necesarios para estos combustibles de torio mixto.
El uso de reactores de agua pesada para quemar actinides menores de LWR gastó combustible es otro área activa de investigación. El flujo de neutrones térmicos altos y la capacidad de ajustar la composición de combustible en la mosca hacen que los reactores CANDU sean atractivos para reducir la radiotoxicidad a largo plazo de los desechos nucleares. Estos ciclos de combustible avanzados requerirían modificaciones en el manejo del combustible y posiblemente en la química refrigerante, pero la infraestructura de agua pesada existente proporciona una base sólida.
Reactores modulares pequeños (SMR) y Fusión
El manejo de combustibles nucleares en el sector de la extracción de combustibles nucleares es un factor de fusión de combustibles nucleares que se utiliza en el sistema de extracción de combustibles, y que puede ser un factor de resistencia a la proliferación.
La cadena de suministro de agua pesada también puede ver cambios si la fusión se vuelve comercial. Una planta de fusión de 1 GWe con combustible D-T consumiría unos 50 kg de tritio por año, que tendría que ser criada de litio. El deuterio requerido sería de unos 5 kg por año, una fracción insignificante de la producción actual. Sin embargo, el inventario de arranque para un reactor de fusión podría requerir varios cientos de kilogramos de reactores de fusión, que necesitaría
Conclusión
El manejo de agua pesada es mucho más que un refrigerante o un moderador; es la elección tecnológica que define el reactor de la economía, el perfil de seguridad y el valor estratégico del sistema de reactores CANDU.Las propiedades nucleares únicas del deuterio permiten el uso de uranio natural, proporcionando independencia del ciclo del combustible que es raro en la industria nuclear global.