Tema 4 Concepto de Moderador, Refrigerante y Reflector

Fundamentos de Reactores y Centrales Nucleares
Tema 4
Concepto de
Moderador, Refrigerante y
Reflector
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Concepto de Moderador, Refrigerante y Moderador
Contenido del Tema
4.1 Introducción
4.2 Moderador. Función del moderador.
4.3 Reflector. Función del reflector.
4.4 Refrigerantes para centrales nucleares.
4.5 Tipos de refrigerantes.
4.6 Ventajas y desventajas de los diferentes tipos de refrigerantes.
4.7 Diferentes tipos de circuitos de refrigerante.
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Concepto de Moderador, Refrigerante y Moderador
Objetivos del Tema
1.
Objetivos del tema.
2.
Dominar las características principales de los refrigerantes que se
emplean en los reactores nucleares.
3.
Analizar cuestiones teóricas relacionadas con el empleo de uno u
otro tipo de moderador, sus ventajas y desventajas.
4.
reconocer los tipos de sistemas de enfriamiento de acuerdo al tipo
de reactor.
5.
Definir los siguientes términos y conceptos:
a.
Refrigerante.
b.
Moderador.
c.
Reflector.
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4.1 Introducción

Como se ha indicado antes en otros temas, se ha utilizado una gran
variedad de líquidos y gases para refrigerar los reactores
nucleares.

En este capitulo se introducen algunas de las características
generales deseadas acerca de un refrigerante de reactor y se
describen los procesos reales de transferencia de calor, desde los
elementos combustibles hasta el refrigerante primario, y de este al
sistema de generación de vapor.

También se da un repaso de los diversos tipos de refrigerantes
(gaseoso, líquido y en ebullición) y se concluye exponiendo
algunos ejemplos de las características de ingeniería de los
circuitos de refrigeración utilizados en diversos tipos de reactor.
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4.2 Características Generales de un Refrigerante

Los rasgos generales que hacen a un fluido particular (gas o
liquido) de utilidad como refrigerante para un reactor nuclear son
los siguientes
siguientes::
1.
Calor especifico elevado.
2.
Elevadas tasas de transferencia de calor.
3.
Buenas propiedades nucleares.
4.
Estado de fase bien definida.
5.
Costo y disponibilidad.
6.
Compatibilidad.
7.
Facilidad de bombeo.
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4.2 Características Generales de un Refrigerante (cont. 1)

Ningún fluido en la práctica cumple con estos requisitos.

Todos los refrigerantes tienen una o más desventajas.

Las características termodinámicas y de transferencia de calor de
un refrigerante pueden compararse convenientemente utilizando un
parámetro llamado coeficiente de mérito, que se deduce de los
procesos de transferencia de calor y de la potencia de bombeo
necesaria.

El coeficiente de mérito F se define como:
C P2.8  2
F
 0.2
donde: CP es el calor específico,  es la densidad del fluido
(en kg/m3), y  la viscosidad.
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4.2 Características Generales de un Refrigerante (cont. 2)

Existen relativamente pocas elecciones de índole práctica para
refrigerantes de reactores nucleares.

Los principales se muestran en la siguiente tabla, que indica su
densidad, viscosidad, calor específico, conductividad térmica y
coeficiente de mérito.

En términos de este índice, el agua ordinaria resulta sobresaliente.
Sin embargo, tiene tres desventajas principales: punto de
ebullición bajobajo- que requiere operación a alta presión a fin de lograr
una eficiencia termodinámica moderadamoderada-, absorción de neutrones y
propiedades corrosivas.

Los dos inconvenientes últimos requieren del combustible y
materiales de contención especiales, respectivamente.
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4.2 Características Generales de un Refrigerante (cont. 3)
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4.2.2 Algunos Aspectos de Transferencia de Calor en el Núcleo

Al describir los procesos de transmisión térmica, es común definir
la densidad de flujo de calor q a través de una superficie, o sea, la
tasa de paso de energía térmica por unidad de área y por unidad de
tiempo, y tiene como unidad el joule por metro cuadrado y por
segundo (J/m2 . s), o bien el watt por metro cuadrado (W/m2).

Un flujo de calor generalmente se relaciona con una diferencia de
temperatura (o potencial termino) T por la ecuación:
q  K h T
donde Kh es una constante de proporcionalidad denominada
coeficiente de transferencia de calor. La cantidad T es la
diferencia entre la temperatura en la superficie del elemento
combustible Ts y la temperatura del refrigerante Tf.
T  Ts  T f
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4.2.2 Algunos Aspectos de Transferencia de Calor en el Núcleo
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4.2.2 Algunos Aspectos de Transferencia de Calor en el Núcleo


Los procesos de transferencia de calor en un reactor deben
diseñarse para impedir que el sistema exceda dos límites térmicos
principales:
1.
Temperatura máxima del combustible (2750 °C).
2.
Temperatura máxima de la envoltura (1200 °C).
Las temperaturas de la envoltura (máximas) típicas para la
operación continua estable de diversos sistemas de reactor son las
siguientes:
Envoltura
Envoltura
Envoltura
Envoltura
Envoltura
de
de
de
de
de
magnesio (magnox)
acero inoxidable AGR
reactor de agua a presión
reactor de agua en ebullición
reactor rápido
450
750
320
320
750
°C
°C
°C
°C
°C
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4.3 Reflector. Función del Reflector

Su función consiste en garantizar una menor fuga de neutrones y
también una menor fluencia de neutrones hacia la vasija del reactor
evitando su fragilización por irradiación.

Está formado por una combinación de agua y acero en donde los
componentes internos son los encargados de realizar esta función.
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4.4 Refrigerantes para Centrales Nucleares


Se ha considerado una amplia variedad de gases como
refrigerantes para reactores nucleares.
1.
Aire (se empleó en las llamadas ‘pilas’ nucleares).
2.
Dióxido de carbono (empleado en el AGR).
3.
Helio (empleado en el reactor HTR).
4.
Vapor de agua.
5.
Óxidos de nitrógeno (empleado en reactor rápido de la exexURSS).
A continuación se analizan los refrigerantes más empleados en la
energética nuclear.
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4.5 Tipos de Refrigerantes

Los medios enfriadores gaseosos tienen la gran ventaja de tener un
estado físico o fase, bien definido.

A diferencia de los medios líquidos, no están sujetos a cambios de
fase, con los complicados problemas resultantes de flujos
bifásicos durante las condiciones de operación anormal.

Sin embargo, tienen el inconveniente de una baja capacidad
térmica y bajos coeficientes de transferencia de calor, y esto último
hace necesaria la intensificación de ésta, o bajas temperaturas de
operación.

Se ha considerado una amplia variedad de gases como
refrigerantes para reactores nucleares.
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4.5 Tipos de Refrigerantes (cont. 1)

Refrigerantes gaseosos.
1.
Aire (se empleó en las llamadas ‘pilas’ nucleares).
2.
Dióxido de carbono (empleado en el AGR).
3.
Helio (empleado en el reactor HTR).
4.
Vapor de agua.
5.
Óxidos de nitrógeno (empleado en reactor rápido de la exexURSS).
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4.5 Tipos de Refrigerantes (cont. 2)

En contraste con los medios enfriadores gaseosos, los líquidos
pueden sufrir un cambio de fase (es decir, a vapor) si su
temperatura se eleva lo bastante.

Sin embargo, tienen una capacidad térmica mucho mayor y sus
mejores características de transferencia de calor (se describieron
anteriormente) permiten que funcionen con flujos de calor mucho
mas intensos que los gases.

Se ha utilizado una variedad de líquidos para el enfriamiento de un
reactor pero solo se consideraran aquí el agua (ligera y pesada),
líquidos orgánicos, sales fundidas y metales en estado liquido.
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4.5 Tipos de Refrigerantes (cont. 3)

Refrigerantes líquidos.
1.
Agua ligera.
2.
Agua pesada.
3.
Líquidos orgánicos.
4.
Sales fundidas.
5.
Metales en estado líquido.
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4.7 Diferentes Tipos de Circuitos de Refrigerante

Desde el primer reactor nuclear enfriado por aire construido bajo el
campo deportivo de la Universidad de Chicago en diciembre de
1942, se ha ideado una asombrosa variedad de reactores nucleares
y muchos de ellos vieron la luz y fueron construidos. En todos los
casos se incluyó un circuito de refrigeración; los principales
componentes de estos sistemas y los circuitos generalmente
utilizados en reactores de potencia, se describieron en el Tema 2.

Desde luego, todos los circuitos de refrigeración para los reactores
deben incluir el propio núcleo del reactor, un medio para hacer
circular el refrigerante a través del núcleo, y un sistema para
extraer el calor del medio refrigerante a fin de mantener la continua
refrigeración del reactor, y al mismo tiempo (en los reactores de
potencia), generar energía útil.
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4.7 Diferentes Tipos de Circuitos de Refrigerante (cont. 1)

En los reactores de potencia el sistema para extraer el calor del
refrigerante es casi universalmente un intercambiador de calor que
produce vapor de alta presión que puede ser utilizado en una
turbina de vapor que mueve un generador eléctrico.

Es conveniente dividir los diversos tipos de circuitos de reactor en
tres grupos:
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4.7 Diferentes Tipos de Circuitos de Refrigerante (cont. 2)

Circuitos del tipo de ramales (o lazos). El núcleo está contenido en
el recipiente del reactor, y la bomba del refrigerante primario y el
generador de vapor están conectados al recipiente del reactor
mediante sistemas de tubería apropiados.

Circuitos del tipo integral. El núcleo, la bomba del refrigerante
primario y el generador de vapor están contenidos dentro de un
solo recipiente, el agua de alimentación se introduce al mismo, y se
toma el vapor desde este para enviarlo a la turbina.

Circuitos del tipo de tanque.
tanque. El núcleo y la bomba del refrigerante
primarios están sumergidos en un tanque de medio enfriador. El
generador de vapor generalmente está fuera del recipiente del
reactor. Este tipo de circuito es intermedio entre los de tipo de
ramales y de tipo integral.
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4.7 Reactor tipo PWR
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4.7 Reactor tipo CANDU
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4.7 Reactor Marino (tipo integral)
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4.7 Reactor Rápido Enfriado con Metal Líquido
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4.7 Reactor Rápido Enfriado con Metal Líquido
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Fin
End