Simulador del Ciclo de Potencia del Reactor Nuclear

Simposio LAS/ANS 2007 / 2007 LAS/ANS Symposium
XVIII Congreso Anual de la SNM / XVIII SNM Annual Meeting
XXV Reunión Anual de la SMSR / XXV SMSR Annual Meeting
Copatrocinado por la AMEE / Co-sponsored by AMEE
Cancún, Quintana Roo, MÉXICO, del 1 al 5 de Julio 2007 / Cancun, Quintana Roo, MEXICO, July 1-5, 2007
Simulador del Ciclo de Potencia del Reactor Nuclear Rápido Enfriado por Gas
Ricardo Reyes R., Cecilia Martín-del-Campo M.
Departamento de Sistemas Energéticos, Facultad de Ingeniería,
Universidad Nacional Autónoma de México
Paseo Cuauhnáhuac 8532, Jiutepec, Mor., 62550, México
[email protected], [email protected],
Resumen
Este trabajo presenta el balance del ciclo termodinámico del reactor nuclear rápido
enfriado por gas, en adelante GFR (Gas Fast Reactor). El balance se programó en Visual
Basic 5 y se orientó a los principales sistemas del ciclo, mediante objetos visuales que
muestran los parámetros termodinámicos principales a la entrada y salida de cada
dispositivo que interviene en el ciclo GFR; como lo son: compresores de alta y baja
presión, interenfriador, recuperador, reactor nuclear, turbina y enfriador. No se realizó
ningún cálculo relacionado a la cinética de los neutrones, ya que este trabajo se realizará
con más detalle en trabajos posteriores. A partir de algunas propiedades del helio se
realizaron los cálculos de las propiedades de cada estado termodinámico del ciclo. Con
los valores calculados de cada propiedad se realizó un balance energético o de primera ley
de la termodinámica de la planta y un balance exergético o de segunda ley. Los resultados
fueron el trabajo o potencia de la planta, el calor suministrado a la misma, la exergía
destruida en cada sistema y total, la eficiencia energética y la eficiencia exergética de la
planta. Se construyó un pequeño programa cuyo objetivo primordial es la simulación del
balance de planta del reactor nuclear rápido enfriado por gas. El programa consta de
formularios, dentro de los cuales se colocaron herramientas como cajas de texto cuya
función es introducir datos de entrada al programa y visualizar datos de salida. Etiquetas
cuya función es mostrar información acerca de las propiedades del ciclo. Cajas de imagen
que sirven para desplegar los valores de los resultados del balance total y por dispositivo,
además de mostrar las imágenes de los dispositivos antes mencionados. Se cuenta también
con botones de pulsación cuya función es realizar los cálculos del ciclo, además de
mostrar y ocultar los formularios invocados que muestran información relevante al ciclo
termodinámico del GFR. Se tienen también botones de opción que sirven para
seleccionar el tipo de cálculo de propiedades se desean conocer, ya que este ciclo
termodinámico consta de 8 estados colocados a la salida y entrada de cada dispositivo y
para cada estado se tienen seis propiedades termodinámicas principales: presión,
temperatura, volumen, entalpía, entropía y exergía, las cuales se usaron para construir los
diagramas del ciclo, como: Diagrama Presión-Volumen (P-V) y Diagrama TemperaturaEntropía (T-S) que también se muestran en el simulador.
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1. INTRODUCCIÓN
El reactor nuclear rápido refrigerado por gas en adelante GFR (Gas Fast Reactor), es un diseño
que surgió a iniciativa de un grupo de países en el Generation IV International Forum. Es uno de
los seis prototipos de reactores nucleares considerados de cuarta generación y cuyos objetivos
están orientados a la sustentabilidad, resistencia a la proliferación, disponibilidad, economía,
seguridad y protección física.
El GFR está diseñado para trabajar en el espectro de energías de neutrones rápidos, tiene un ciclo
cerrado de combustible, para la conversión eficaz del uranio fértil y el manejo de actínidos. El
GFR se diseñó para una potencia térmica de 600 MW, una potencia eléctrica de 288 MW y una
eficiencia del 48%. Usa gas helio (He) como refrigerante y sustancia de trabajo.
El diseño del núcleo se encuentra todavía en estudio, se tienen contempladas varias
configuraciones, como: varillas, placas o bloques prismáticos, además como se operará a grandes
temperaturas se tiene contemplado usar compuestos cerámicos para el combustible y
revestimientos también cerámicos, para asegurar la retención de los productos de fisión. El GFR
se está diseñando principalmente para la producción de electricidad, pero por su operación a
grandes temperaturas, también para producir Hidrógeno. Se espera que su madurez tecnológica se
alcance para el año 2030. De estas tres características nace el interés en la Universidad Nacional
Autónoma de México (UNAM) de estudiar este reactor y de participar en su diseño.
En la Facultad de Ingeniería de la UNAM se está trabajando en el modelado del balance
termodinámico de diferentes reactores avanzados, entre los que se encuentra el del reactor Pebble
Bed Modular Reactor [1] el cual es un reactor que describe un ciclo Brayton similar al del reactor
GFR que se presenta en este trabajo.
2. CICLO DE POTENCIA DEL GFR
2.1. Ciclo Termodinámico
Este reactor describe un ciclo Brayton de turbinas de gas. Usa gas helio como sustancia de
trabajo y está compuesto por 7 dispositivos principales: compresor de baja presión, interenfriador,
compresor de alta presión, recuperador, reactor nuclear (fuente de calor), turbina y enfriador (ver
Figura 1).
Su ciclo termodinámico consta de 8 estados localizados en puntos intermedios entre un
dispositivo y otro, de tal forma que un punto es la salida de un dispositivo y la entrada de otro.
Cada estado presenta principalmente 6 propiedades termodinámicas, las que se usaron para
realizar el balance de planta del GFR, de las cuales algunas se conocen por las fuentes de
información acerca de este tipo de tecnología y las demás se pueden calcular, ya que como se
trata de propiedades de estado y la mayoría depende de la temperatura, unas quedan determinadas
por el valor de otras, y otras más se determinan en función del conocimiento del proceso que se
realiza. Es decir hay procesos a volumen constante, a presión constante, adiabáticos y reversibles
entre otros.
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Turbina
7
6
5
Compresor Alta
4
3
Reactor
2
Interenfriador
Recuperador
8
Enfriador
Compresor Baja
1
Figura 1. Ciclo de potencia del reactor nuclear GFR
Los 7 dispositivos del sistema donde el helio sufre diferentes procesos son: fuentes de suministro
de trabajo al ciclo (los compresores); fuente de suministro de calor (el reactor nuclear); fuente de
extracción de trabajo (la turbina); fuente de recuperación de calor (el recuperador) y sumideros
(los enfriadores).
2.2. Propiedades Termodinámicas del Helio
El GFR funciona mediante un ciclo cerrado de turbinas de gas. El gas que usa como sustancia de
trabajo es helio, el cual tiene la ventaja de ser un gas monoatómico, no sufre cambio de fase, y
por ser un gas noble, no reacciona químicamente debido a que su configuración electrónica está
completa, por lo tanto no se inflama ni crea mezclas explosivas con los materiales de los
dispositivos que componen el sistema GFR.
Para este trabajo, se consideró al helio como un gas ideal, es decir sólo es función de la
temperatura, y por ser un gas monoatómico presenta una variación despreciable a grandes
intervalos de temperatura, por lo tanto sus propiedades termodinámicas como el calor específico
a presión constante y el calor específico a volumen constante, se proponen constantes para las
temperaturas de operación del ciclo GFR. Las demás propiedades no intervienen en el cálculo de
los estados termodinámicos de este gas. El helio es un elemento con número atómico 2, de
símbolo He, y de configuración electrónica 1s2. Sus propiedades termodinámicas se muestran en
la Tabla I.
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Tabla I. Propiedades termodinámicas del helio [2]
Propiedad
Símbolo
Valor
Unidades
Masa molecular
MHe
4,00
kg/kmol
Constante particular
del helio
RHe
2,08
kJ/kgK
Calor específico a
presión constante
Cp
5,19
kJ/kgK
Calor específico a
volumen constante
Cv
3,12
kJ/kgK
Coeficiente
politrópico
k= Cp/Cv
1,67
En la Tabla I, además de los calores específicos, se muestran propiedades como la constante
universal de los gases que en este caso particular es la constante para el gas helio, ya que el valor
de R se dividió entre la masa molecular del helio según la ecuación (1)1. El término k, el cual se
define como el coeficiente politrópico del gas, es un valor constante que se utilizará para realizar
los cálculos de presiones y temperaturas del ciclo ya que dichas propiedades se relacionan
mediante dicho coeficiente, el cual se define como la relación que existe entre el calor específico
a presión constante entre el calor específico a volumen constante según la ecuación (2).
RHe = R / M He
(1)
k = Cp / Cv
(2)
3. CÁLCULO DE LAS PROPIEDADES DE LOS ESTADOS DEL CICLO GFR
3.1. Antecedentes
Para poder realizar los cálculos que nos permitan hacer los balances de primera y segunda ley de
la termodinámica para el ciclo de potencia GFR, se necesitan conocer ciertos valores referentes a
las propiedades del ciclo, y a partir de los cuales, calcular los demás, mediante las relaciones
antes mencionadas y los procesos descritos.
Como antecedente, se tiene que es un ciclo que maneja temperaturas de operación de 305 K como
temperatura mínima y 1123 K como temperatura máxima a la salida del reactor nuclear.
También maneja presiones de 9 MPa como presión máxima y una relación de presiones de 2.6.
1
La mayoría de las ecuaciones que aparecen en este trabajo, se usan para calcular las propiedades
de estado y los balances energéticos de los sistemas, las cuales se pueden encontrar en una amplia
variedad libros de termodinámica, para este trabajo se consultó la referencia [2].
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Se supuso al helio como gas ideal, pero para realizar los cálculos reales de compresión y
expansión, se tienen como antecedentes los valores de las eficiencias de los compresores y de la
turbina, las cuales se muestran en la Tabla II, junto con las demás propiedades.
Tabla II. Propiedades antecedentes del ciclo [3,4]
Propiedad
Valor
Unidad
Temperatura mínima
305
K
Temperatura máxima
1123
K
Presión máxima
9
MPa
Relación de presiones
2.6
91.1
%
Eficiencia del compresor (η sc )
Eficiencia de la turbina (η sT )
94.2
%
Flujo másico (m)
Caída de presión en el reactor
Temperatura de entrada al reactor
320
130
763
kg/s
kPa
K
3.2. Cálculo de Estados Termodinámicos del Ciclo de Potencia
El ciclo de potencia consta de 8 estados localizados entre cada dispositivo que interviene en el
ciclo. Por orden y conveniencia se propone que el ciclo comience a la entrada del compresor de
baja presión, a tal punto se le denominó estado 1. De tal estado se conoce únicamente su
temperatura de 305 K (32 ºC), la mayoría de los cálculos se realizó en grados Kelvin, debido a
que son las unidades que se manejan en propiedades termodinámicas como: entalpía, entropía y
exergía.
Para calcular las propiedades del estado 1 se conoce la presión máxima y la relación de presiones,
por lo tanto se puede conocer la presión 1 ya que la relación de presiones se define como la
relación que existe entre la presión máxima y la presión mínima del ciclo, ver las ecuaciones (3)
y (4).
RP = p max p min = p 4 p1
(3)
p1 = p min = p max / RP = p 4 / RP
(4)
Con las propiedades de temperatura y presión se puede calcular el volumen mediante la ecuación
de estado para gases ideales la cual se muestra en la ecuación (5).
pV =RHeT
(5)
De la ecuación (5) se conoce la presión y la temperatura, además del valor de la constante
particular para el helio, por lo tanto el volumen se puede despejar para conocer su valor.
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El cambio de entalpía, se define como el producto del calor específico a presión constante por la
diferencia de temperaturas del estado final menos el estado inicial, según lo muestra la ecuación
(6).
∆h =h final − hinicial =Cp (T final − Tinicial )
(6)
La entropía es función de la temperatura y la presión, la cual por la segunda ley de la
termodinámica, se define como: “El grado de desorden del sistema”. Esta propiedad es calculada
mediante la ecuación (7) con la que se calcula el incremento de entropía de un estado inicial a un
estado final después de un proceso.
∆S = S final − Sinicial =Cp ln(T final / Tinicial ) − RHe ln( p final / pinicial )
(7)
Por último se tiene la exergía, propiedad que se define como “La capacidad que tiene la
sustancia de realizar trabajo”. Esta propiedad se puede calcular con ayuda de la ecuación (8).
bi = (hi − hº ) − T º ( si − s º )
(8)
Siendo bi, hi, y si; la exergía, la entalpía y la entropía en el estado i. Y hº, Tº, y sº, la entalpía,
temperatura y entropía del ambiente estable de referencia, cuyos valores de estas últimas
propiedades se pueden observar en la Tabla III. En las ecuaciones (6) y (7), se seleccionaron
como estado inicial los valores del ambiente estable de referencia (AER), para poder realizar los
cálculos de las propiedades de estado.
Tabla III. Ambiente estable de referencia del helio [5]
Propiedad
Valor
Unidad
Temperatura
298
K
Presión
0.101
MPa
Volumen
6.13
m3/kg
Entalpía
1553.9
kJ/kg
Entropía
27.97
kJ/kg K
Para realizar los cálculos de las propiedades del estado 2, se sabe que el gas sufre el proceso de
compresión isentrópica es decir se supone un proceso a entropía constante, en otras palabras un
proceso ideal. Del estado 2 no se conoce ninguna propiedad termodinámica, pero se pueden
realizar los siguientes cálculos para conocer la presión intermedia del helio. Para tal efecto se
aplica el siguiente supuesto: “Para que el trabajo de compresión sea el mínimo, los trabajos
individuales de compresión deben ser iguales”. Entonces el trabajo realizado por el compresor de
baja presión es igual al trabajo realizado por el compresor de alta presión, por lo tanto las
relaciones de presión individuales son iguales, como se observa en la ecuación (9).
RP1 = RP2
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→
p 4 / p3 = p 2 / p1
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(9)
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p2 = p3 = pi
→
pi = p4 p1
(10)
Donde pi es la presión intermedia a la que se encuentra el gas entre el compresor de baja presión
y el de alta. Con la ecuación (10) se puede calcular el valor de la presión en el estado 2, sin
embargo aún falta conocer su temperatura a la salida del compresor.
Para calcular la temperatura es importante conocer que se está realizando un proceso politrópico,
es decir un proceso intermedio entre los procesos extremos isotérmico, el cual ocurre a
temperatura constante y adiabático sin transferencia de calor entre el sistema y los alrededores.
Dicho proceso relaciona las propiedades de presión y temperatura mediante sus relaciones del
estado 1 al estado 2 incluyendo el término que describe un proceso politrópico, según la ecuación
(11).
T final / Tinicial = ( p final / pinicial )
k −1
k
(11)
siendo k el coeficiente politrópico, cuyo valor se puede ver en la Tabla I, el valor de k para un
proceso ideal, es decir adiabático, reversible y a entropía constante es 1.4, inferior a 1.67, valor
dado para el helio.
De la ecuación (11), los estados inicial y final se encuentran a la entrada y salida del compresor
de baja presión, por lo tanto, para conocer el valor de la temperatura en el estado 2 en un proceso
ideal, sólo se despeja la temperatura del estado final, ya que los demás valores son conocidos,
esto se puede ver en la ecuación (12).
T2 s = T1 ( p2 / p1 )
k −1
k
(12)
Para realizar el cálculo de la temperatura 2 real, se introduce el concepto de eficiencia isentrópica
del compresor, la cual se define como la relación que existe entre el trabajo ideal entre el trabajo
real, ya que el trabajo real es mayor que el trabajo ideal, esto se puede observar en la ecuación
(13).
η sc = C p (T2 s − T1 ) / C p (T2 − T1 )
(13)
siendo ηsc la eficiencia isentrópica del compresor, cuyo valor se puede ver en la Tabla II. De la
ecuación (13) se puede despejar la temperatura T2 real, ya que las demás propiedades son
conocidas. Como el Cp se supuso constante, se elimina entre sí por lo que la eficiencia
isentrópica es sólo función de la temperatura. La ecuación (14) muestra cómo calcular la
temperatura T2 real a la salida del compresor.
T2 = T1 + (T2 s − T1 ) / η sc
(14)
Con el valor de la presión y principalmente con el de la temperatura, las demás propiedades
pueden ser calculadas con ayuda de las ecuaciones (5) a (8).
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Para pasar del estado 2 al estado 3 se tiene un proceso de transferencia de calor a presión
constante, y se pretende remover el exceso de calor del gas de tal forma que disminuya su
temperatura hasta el valor de la temperatura del estado 1 a la entrada del compresor de baja
presión, es decir la temperatura T3 es igual a la temperatura T1; y por ser un proceso a presión
constante p2 es igual a la presión p3. Las demás propiedades se calculan de forma similar al
estado 2.
Para pasar al estado 4 se tiene un proceso de compresión isentrópica, por lo tanto, las propiedades
del estado 4 se calculan de igual forma que las propiedades del estado 2.
Para pasar del estado 4 al estado 5, se pasa por el proceso de transferencia de calor a presión
constante en el recuperador. De los antecedentes se conoce la temperatura 5 a la salida de este
dispositivo y a la entrada del reactor nuclear, y como también se conoce la presión, las demás
propiedades también se pueden calcular con las ecuaciones (5) a (8).
El estado 6, a la salida del reactor nuclear, también es conocido, se sabe que se tiene una caída de
presión de 130 kPa y una temperatura de 1123 K (850 ºC)2, por lo tanto también pueden ser
calculadas las demás propiedades con las ecuaciones ya conocidas.
En el estado 7, a la salida de la turbina. Se procede similarmente como el caso para los
compresores, la diferencia radica en que a los compresores se les suministra trabajo, y a la turbina
se le extrae trabajo, por lo tanto para calcular la temperatura y la presión a la salida de la turbina
se sabe que ocurre un proceso de expansión isentrópica y que la presión a la salida de la turbina
es igual a la presión a la entrada del compresor de baja. La temperatura se calcula de forma
similar que para el compresor, mediante la relación que existe entre la relación de presiones y la
relación de temperaturas mediante el coeficiente politrópico según las ecuaciones (15) y (16).
Tinicial / T final = ( pincial / p final )
T7 s = T6 / ( p 6 / p 7 )
k −1
k
(15)
k −1
k
(16)
A diferencia del compresor, en la turbina la relación de temperaturas se define como la
temperatura de entrada entre la temperatura de salida, también la relación de presiones. Para
realizar el cálculo de la temperatura real del estado 7, se procede de forma similar que para las
temperaturas reales a la salida de los compresores de alta y baja presión, la única diferencia es la
eficiencia isentrópica de la turbina, la cual se define como la relación que existe del trabajo real
entre el trabajo ideal, según se muestra en las ecuaciones (17) y (18).
η sc = C p (T6 − T7 ) / C p (T6 − T7 s )
T7 = T6 − η sT (T6 − T7 s )
2
(17)
(18)
Ver la tabla II
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Lo mismo que los otros estados, las otras propiedades del estado 7 se pueden calcular con las
ecuaciones antes mencionadas. El estado 8 se encuentra a la salida del regenerador el cual tiene
dos circuitos el caliente compuesto por el flujo del estado 7 como entrada y el estado 8 como
salida, y el circuito frío compuesto por el flujo procedente del estado 4 como entrada y el estado
5 como salida. Se trata de un proceso de transferencia de calor a presión constante por circuito.
Entonces la presión del estado 8 tiene el mismo valor que la presión del estado 7. La temperatura
se puede calcular mediante un balance de energía del sistema, pero como se sabe que la mayor
parte de las propiedades del fluido son función de la temperatura, entonces la temperatura del
estado 8 se puede conocer mediante un balance de temperaturas el cual se puede ver en la
ecuación (19).
T8 = T5 − T4 − T7
(19)
Con los valores de la presión y la temperatura del estado 8, y mediante el uso de las ecuaciones
(5) a (8), se pueden realizar los cálculos de las demás propiedades.
Del estado 8 al estado 1 existe una transferencia de calor a presión constante, y como los estados
ya son conocidos, no es necesario realizar cálculos, sólo se menciona porque con este proceso se
cierra el ciclo e inicia nuevamente. Los resultados de los valores de las diferentes propiedades de
los estados termodinámicos del GFR se presentan en la Tabla IV.
4. BALANCE TERMODINÁMICO Y EXERGETICO DEL CICLO
El balance consta del balance energético o de primera ley es decir “La energía no se crea ni se
destruye, sólo se transforma”, el balance total debe coincidir. Lo que sale debe ser igual a lo que
entra. Se realizó el balance de cada componente, y el balance total del ciclo, además se realizó el
balance exergético, o de segunda ley, es decir sólo se toma en cuenta la capacidad de realizar
trabajo o exergía, para saber cuánta exergía se destruye en el ciclo y por componente debido a las
irreversibilidades del sistema.
4.1. Sistema de Turbo-Compresión
Este sistema está integrado por el acople turbina-compresores, ya que todos están acoplados a la
misma flecha. Dicho sistema se encarga de manejar el trabajo del ciclo; el cual está integrado por
el trabajo que entra menos el trabajo que sale. Los compresores aportan trabajo y la turbina lo
extrae. Por lo tanto el trabajo del ciclo es el trabajo de la turbina menos el trabajo de los
compresores ver la ecuación (20).
wciclo = wT − wC = m∆hT + m∆hC
(20)
Siendo wT el trabajo de la turbina; wC el trabajo de compresión igual a la suma de los trabajos
realizados por el compresor de baja y el de alta presión; ∆hT y ∆hC son las diferencias o
incrementos de entalpía referidos a entalpía de salida menos la de entrada de cada dispositivo.
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La exergía destruida de este sistema, es la suma de la exergía destruida por cada componente
individual. Con las ecuaciones (21) y (22) se pueden realizar los cálculos de exergía destruida en
la turbina y en el compresor.
BdT = m(bentrada − bsalida ) + wT
(21)
BdC = m(bentrada − bsalida ) − wC
(22)
4.2. Fuente de Calor del Ciclo
La fuente de generación de calor que se suministra al ciclo se lleva acabo en el reactor nuclear, y
su valor se determina por la ecuación (23).
Qciclo = ∆hQ = m(h6 − h5 )
(23)
Como este dispositivo es la fuente de calor se supone que no existe exergía destruida en este
sistema, por lo tanto el valor de exergía destruida es cero.
4.3. Sumideros de Calor
Dentro del ciclo, existen dos sumideros de calor, se tiene el Interenfriador situado entre los
compresores de alta y baja presión y el enfriador que se encuentra entre el recuperador y el
compresor de baja presión; el calor que se extrae de estos dispositivos se calcula con la diferencia
de entalpías, según la ecuación (24).
Qsumidero = m(hsalida − hentrada )
(24)
La exergía destruida por estos dispositivos se calcula con la ecuación (25).
BdSumidero = m(bentrada − bsalida )
(25)
4.4. Recuperador de Calor
El gas que se encuentra a la salida de la turbina, aún tiene cierta cantidad de energía que se puede
recuperar y aprovechar dentro del ciclo. Esta energía se extrae en el recuperador el cual es un
intercambiador de calor donde existe una transferencia de calor de un circuito caliente a un
circuito frío, y cuyo balance muestra la cantidad de calor que se pierde en este sistema, además
de la exergía destruida dentro del mismo. Los cálculos de pérdida de calor y exergía destruida
dentro del sistema se realizan con ayuda de las ecuaciones (26) y (27).
Qrecuperador = m * (Σhentradas − Σhsalidas )
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(26)
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Bdrecuperador = m * (Σbentradas − Σbsalidas )
(27)
Ya que se conoce el balance energético y exergético por componente, el balance del ciclo es la
suma de las contribuciones de calor y trabajo de todos los componentes que intervienen en el
ciclo. Con el balance del ciclo y por componente se pueden definir dos cantidades más: el
rendimiento energético del ciclo, el cual se define como la relación del trabajo del ciclo entre el
calor suministrado al ciclo. Y el rendimiento exergético, que se define como la relación que existe
entre el trabajo suministrado al ciclo entre la exergía total de entrada al ciclo, cuyos cálculos se
pueden hacer con las ecuaciones (28) y (29).
η I = wciclo / Qciclo
(28)
η II = wciclo / BQ
(29)
Donde BQ es la exergía total del ciclo igual al trabajo del ciclo más la exergía destruida, η I es el
rendimiento energético correspondiente a la primera ley de la termodinámica, y η II es el
rendimiento exergético correspondiente a la segunda ley de la termodinámica.
5. PROGRAMACION DEL SIMULADOR
El simulador se programó en Visual Basic 5, el cual es un programa orientado a objetos, fácil de
utilizar, ya que a partir de herramientas de programación prefabricadas, se pueden crear interfaces
máquina usuario que permiten interactuar y reconocer claramente lo que se está simulando, ya
que visual basic tiene un grupo de controles todos visuales que permiten construir ordenadamente
casi cualquier cosa.
El Simulador se construyó con ayuda de los siguientes objetos: Formularios, sirven como
ventanas para mostrar información referente al sistema y componentes individuales del mismo.
Además de soporte para construir las diversas interfaces del sistema. Cajas de Texto, sirven para
introducir información referente al sistema y como salida de información del mismo, ya que se
muestran los resultados de los estados termodinámicos del sistema entre otros valores. Botones de
opción: sirven para seleccionar el tipo de cálculo que se desee realizar por el simulador según los
valores de la propiedad termodinámica que se quiera conocer. Botones de pulsación: sirven para
realizar las acciones que el usuario decida, como realizar algún cálculo en particular o la apertura
de algún formulario u ocultamiento del mismo. Cajas de Imagen: muestran imágenes de los
diferentes dispositivos, diagramas termodinámicos y también despliegan resultados del balance
realizado a cada componente y del ciclo de potencia. Etiquetas: sirven para ordenar la
información referente a cada control o propiedad que se calcule dentro del ciclo.
La ventana principal muestra los datos de entrada que es la información antecedente del GFR.
Esta información se encuentra en cajas de texto de color verde. También muestra las propiedades
de cada estado termodinámico en las cajas de texto de color amarillo, la cual se puede calcular
oprimiendo el botón llamado “Calcular”; previa selección de la propiedad a calcular, la cual se
puede hacer con uno de los botones de opción que se encuentran agrupados en el marco llamado
“Propiedades termodinámicas”. También hay una caja de imagen color gris, la cual despliega la
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información referente al balance del ciclo GFR. Dentro de este mismo formulario existen otros
botones llamados GFR, P-V y T-S los cuales al oprimirse, despliegan otros formularios que
muestran información referente al ciclo termodinámico analizado, como los diagramas “PresiónVolumen” y “Temperatura-Entropía”; además del diagrama esquemático del ciclo, el cual tiene
un grupo de botones de pulsación que al oprimirse despliegan otro formulario que muestra
información referente a cada componente del ciclo. Ver las Figuras 2, 3 y 4.
Figura 2. Ventana principal del simulador del ciclo de potencia GFR
Figura 3. Datos referentes al flujo energético del compresor de baja presión
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Figura 4. Diagrama P-V del ciclo de potencia GFR
6. PRESULTADOS Y DISCUSIÓN
Los resultados de los valores de las propiedades del ciclo y del balance por componente se
muestran en las Tablas IV y V.
Tabla IV. Propiedades termodinámicas del ciclo GFR
Flujo
másico Presión Volumen Temperatura Entalpía Entropía Exergía
Estado
M
p
v
T
h
s
b
(kg/s) (MPa) (m3/kg)
(K)
(kJ/kg) (kJ/kg K) (kJ/kg)
1
324
3,46
0,18
305,15
1590,2
20,75
2189,0
2
324
5,58
0,14
375,68
1956,5
20,84
2529,2
3
324
5,58
0,11
305,15
1590,2
19,76
2484,9
4
324
9
0,09
375,68
1956,5
19,85
2825,0
5
324
9
0,18
763,15
3968,5
23,53
3739,8
6
324
8,87
0,26
1123,15
5837,8
25,57
5001,9
7
324
3,46
0,47
791,31
4114,7
25,70
3238,2
8
324
3,46
0,24
403,84
2102,7
22,21
2267,7
AER
324
0,101
6,13
298,15
1553,9
27,974
0
En los resultados obtenidos del ciclo termodinámico para cada estado, se propuso un flujo másico
de 324 kg/s y los resultados que se muestran en la Tabla V se dan en MW tanto para los valores
Memorias CIC Cancún 2007 en CDROM
228
Proceedings IJM Cancún 2007 on CDROM
R. Reyes et al, Simulador del Ciclo de Potencia del Reactor Nuclear Rápido Enfriado por Gas
de calor, trabajo y exergía destruida, además se muestran en porcentaje de exergía destruida por
componente y total.
Tabla V. Balance por componente
Volumen
Q
W
Bd
de control
(MW)
(MW)
(MW)
Compresor 1
-118,67
8,45
Interenfriador
-118,67
14,36
Compresor 2
-118,67
8,45
Regenerador
-1,5E-10
18,08
Reactor
605,67
0,00
Turbina
558,29
13,12
Enfriador
-166,0
25,50
TOTAL
320,96
320,96
87,9
ηI
%
52,99
η II
Bd
(%)
9,61
16,33
9,61
20,56
14,92
28,97
100%
%
75,17
Según los valores de la Tabla V, el trabajo del ciclo (321 MW), es ligeramente alto se esperaba un
trabajo neto de la planta GFR de 288 MW, sin embargo en la Tabla V sólo se está tomando en
cuenta la potencia del ciclo termodinámico, falta considerar el rendimiento del generador, las
pérdidas parásitas y los usos propios de la planta GFR. Sin embargo; el balance de primera ley es
consistente, ya que los resultados muestran que la suma de calor del ciclo es igual a la suma de
trabajo.
El calor suministrado también es ligeramente alto (605.7 MW), ya que su valor esperado es de
600 MW, se piensa que el flujo másico incide en esos datos, sin embargo el flujo se puede
disminuir, pero la relación de potencia térmica y eléctrica están relacionadas más que por el flujo,
por las condiciones de operación del sistema. Es decir si disminuyo el flujo másico la potencia
térmica disminuirá en la misma proporción que la potencia eléctrica.
Los rendimientos energético y exergético también son elevados, se esperaba un rendimiento
térmico del 48% y los resultados muestran un rendimiento del 53%, sin embargo es importante
decir que es el rendimiento del ciclo termodinámico, no es el rendimiento neto de la planta, por lo
que se pueden agregar a los cálculos, el rendimiento del generador, pérdidas parásitas y usos
propios de la planta que podrían acercar el rendimiento bruto del ciclo al 48% como rendimiento
neto de la planta.
Se observa que los intercambiadores de calor (sumideros y regenerador), son los dispositivos que
destruyen más exergía. También se observa que se suministra el mismo trabajo a los compresores,
además que el calor extraído por el interenfriador tiene el mismo valor que el trabajo
suministrado al compresor de baja presión.
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7. CONCLUSIONES Y COMENTARIOS
El simulador que se construyó, es una herramienta muy sencilla que puede acercar a cualquier
persona al conocimiento del reactor nuclear rápido enfriado por gas e interactuar con sus
propiedades termodinámicas y conocer cómo funciona su ciclo termodinámico.
Cabe mencionar que la eficiencia termodinámica de este reactor es más alta que la de los
reactores enfriados por agua con ciclo Rankin por lo tanto la energía del combustible es mejor
aprovechada.
Además, el helio a la salida del reactor GFR tiene muy alta temperatura y puede ser aprovechado
para la producción de hidrógeno. Esta producción puede hacerse mediante el típico proceso de
reformado de metano con vapor de agua, el cual requiere de temperaturas entre 700 y 850 °C.
También puede hacerse mediante el proceso termoquímico yodo-azufre, que requiere de una
temperatura de 900 °C, el cual se encuentra aún en desarrollo pero tiene la ventaja de no producir
bióxido de carbono.
REFERENCIAS
1. J. Valle H., J. B. Morales S., “Análisis Termodinámico de una Planta Núcleo-eléctrica
PBMR”, First American IRPA Congress 2006, XXIV SMSR Annual Meeting, XVII Annual
SNM Congress. Acapulco México (2006).
2. Gordon J. Van Wylen, Richard E. Sonntang, Claus Borgnakke, Fundamentos de
Termodinámica, Editorial Limusa, D. F. México (1999).
3. P. Hejzlar, V. Dostal, M.J. Driscoll, P. Dumaz, G. Poullennec and N. Alpy. “Assessment of
Gas Cooled Fast Reactor with Indirect Supercritical CO2 Cycle”, Nuclear Engineering and
Technology ICAPP 2005, Vol. 38, p. 110, 112 (2005).
4. H. Khalil, “The Gas-Cooled Fast Reactor System”, Argone National Laboratory, United
States (2005).
5. J. V. Hernández, Diseño y Construcción de un Simulador de Nucleoeléctrica con Reactor
PBMR Basado en Modelos de Orden Reducido, Tesis de Licenciatura, México D. F., México
(2006).
6. F.J. Ceballos, Visual Basic Versión 5 Curso de Programación, Editorial RA-MA, Madrid,
España (1997).
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