Fun ment n o t s o d e d R e R actore s y y Ce C nt n r t ales N uc leares Tem em 4 Concepto de Moderador, Moderador, R efrigerant e y e Reflect

(1)

Fundamentos de Reactores y Centrales Nucleares

Tema 4

Concepto de

Moderador, Refrigerante y

Reflector

(2)

Concepto de Moderador, Refrigerante y Moderador

4.1 Introducción 4.1 Introducción

4.2 Moderador. Función del moderador. 4.2 Moderador. Función del moderador. 4.3 Reflector. Función del reflector.

4.3 Reflector. Función del reflector.

4.4 Refrigerantes para centrales nucleares. 4.4 Refrigerantes para centrales nucleares. 4.5 Tipos de refrigerantes.

4.5 Tipos de refrigerantes.

4.6 Ventajas y desventajas de los diferentes tipos de refrigerantes. 4.6 Ventajas y desventajas de los diferentes tipos de refrigerantes. 4.7 Diferentes tipos de circuitos de refrigerante.

4.7 Diferentes tipos de circuitos de refrigerante.

Contenido del Tema

(3)

Concepto de Moderador, Refrigerante y Moderador

Objetivos del Tema

1.

1. Objetivos del tema.Objetivos del tema. 2.

2. Dominar las características principales de los refrigerantes que se Dominar las características principales de los refrigerantes que se emplean en los reactores nucleares.

emplean en los reactores nucleares. 3.

3. Analizar cuestiones teóricas relacionadas con el empleo de uno u Analizar cuestiones teóricas relacionadas con el empleo de uno u otro tipo de moderador, sus ventajas y desventajas.

otro tipo de moderador, sus ventajas y desventajas. 4.

4. reconocer los tipos de sistemas de enfriamiento de acuerdo al tipo reconocer los tipos de sistemas de enfriamiento de acuerdo al tipo de reactor.

de reactor. 5.

5. Definir los siguientes términos y conceptos:Definir los siguientes términos y conceptos: a. a. Refrigerante.Refrigerante. b. b. Moderador.Moderador. c. c. Reflector.Reflector.

(4)

Concepto de Moderador, Refrigerante y Moderador

4.1 4.1 Introducción

Introducción



 Como se ha indicado antes en otros temas, se ha utilizado una gran Como se ha indicado antes en otros temas, se ha utilizado una gran variedad de líquidos y gases para refrigerar los reactores

variedad de líquidos y gases para refrigerar los reactores nucleares.

nucleares.



 En este capitulo se introducen algunas de las características En este capitulo se introducen algunas de las características generales deseadas acerca de un refrigerante de reactor y se generales deseadas acerca de un refrigerante de reactor y se

describen los procesos reales de transferencia de calor, desde los describen los procesos reales de transferencia de calor, desde los elementos combustibles hasta el refrigerante primario, y de este al elementos combustibles hasta el refrigerante primario, y de este al sistema de generación de vapor.

sistema de generación de vapor.



 También se da un repaso de los diversos tipos de refrigerantes También se da un repaso de los diversos tipos de refrigerantes (gaseoso, líquido y en ebullición) y se concluye exponiendo (gaseoso, líquido y en ebullición) y se concluye exponiendo algunos ejemplos de las características de ingeniería de los algunos ejemplos de las características de ingeniería de los

circuitos de refrigeración utilizados en diversos tipos de reactor. circuitos de refrigeración utilizados en diversos tipos de reactor.

(5)

Concepto de Moderador, Refrigerante y Moderador

4.2 4.2 Características Generales de un Refrigerante

Características Generales de un Refrigerante



 LosLos rasgosrasgos generalesgenerales queque hacenhacen aa unun fluidofluido particularparticular (gas(gas oo liquido)

liquido) dede utilidadutilidad comocomo refrigeranterefrigerante parapara unun reactorreactor nuclearnuclear sonson los

los siguientessiguientes::

1.

1. Calor especifico elevado. Calor especifico elevado.

2.

2. Elevadas tasas de transferencia de calor.Elevadas tasas de transferencia de calor.

3.

3. Buenas propiedades nucleares.Buenas propiedades nucleares.

4.

4. Estado de fase bien definida.Estado de fase bien definida.

5.

5. Costo y disponibilidad.Costo y disponibilidad.

6.

6. Compatibilidad.Compatibilidad.

7.

(6)

Concepto de Moderador, Refrigerante y Moderador

4.2 4.2 Características Generales de un Refrigerante

Características Generales de un Refrigerante (cont. 1)

(cont. 1)



 Ningún fluido en la práctica cumple con estos requisitos.Ningún fluido en la práctica cumple con estos requisitos.



 Todos los refrigerantes tienen una o más desventajas.Todos los refrigerantes tienen una o más desventajas.



 Las características termodinámicas y de transferencia de calor de Las características termodinámicas y de transferencia de calor de un refrigerante pueden compararse convenientemente utilizando un un refrigerante pueden compararse convenientemente utilizando un parámetro llamado coeficiente de mérito, que se deduce de los

parámetro llamado coeficiente de mérito, que se deduce de los procesos de transferencia de calor y de la potencia de bombeo procesos de transferencia de calor y de la potencia de bombeo necesaria.

necesaria.



 El coeficiente de mérito F se define como:El coeficiente de mérito F se define como:

2 . 0 2 8 . 2





P

C

F



donde: C

donde: C_P_P es el calor específico, es el calor específico,  es la densidad del fluido es la densidad del fluido (en kg/m

(7)

Concepto de Moderador, Refrigerante y Moderador

4.2 4.2 Características Generales de un Refrigerante

Características Generales de un Refrigerante (cont. 2)

(cont. 2)



 Existen relativamente pocas elecciones de índole práctica para Existen relativamente pocas elecciones de índole práctica para refrigerantes de reactores nucleares.

refrigerantes de reactores nucleares.



 Los principales se muestran en la siguiente tabla, que indica su Los principales se muestran en la siguiente tabla, que indica su densidad, viscosidad, calor específico, conductividad térmica y densidad, viscosidad, calor específico, conductividad térmica y coeficiente de mérito.

coeficiente de mérito.



 En términos de este índice, el agua ordinaria resulta sobresaliente. En términos de este índice, el agua ordinaria resulta sobresaliente. Sin embargo, tiene tres desventajas principales: punto de

Sin embargo, tiene tres desventajas principales: punto de ebullición bajo

ebullición bajo-- que requiere operación a alta presión a fin de lograr que requiere operación a alta presión a fin de lograr una eficiencia termodinámica moderada

una eficiencia termodinámica moderada--, absorción de neutrones y , absorción de neutrones y propiedades corrosivas.

propiedades corrosivas.



 Los dos inconvenientes últimos requieren del combustible y Los dos inconvenientes últimos requieren del combustible y materiales de contención especiales, respectivamente.

(8)

Concepto de Moderador, Refrigerante y Moderador

4.2

(9)

Concepto de Moderador, Refrigerante y Moderador

4.2.2 4.2.2 Algunos Aspectos de Transferencia de Calor en el Núcleo

Algunos Aspectos de Transferencia de Calor en el Núcleo



 Al describir los procesos de transmisión térmica, es común definir Al describir los procesos de transmisión térmica, es común definir la densidad de flujo de calor

la densidad de flujo de calor qq a través de una superficie, o sea, la a través de una superficie, o sea, la tasa de paso de energía térmica por unidad de área y por unidad de 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

tiempo, y tiene como unidad el joule por metro cuadrado y por segundo (J/m

segundo (J/m22 _{. s), o bien el watt por metro cuadrado (W/m}_{. s), o bien el watt por metro cuadrado (W/m}22_)._).



 Un flujo de calor generalmente se relaciona con una Un flujo de calor generalmente se relaciona con una diferencia de diferencia de temperatura (o

temperatura (o potencial termino) potencial termino) T por la ecuación:T por la ecuación:

T

K

q



_h



donde K

donde K_h_h es una constante de proporcionalidad denominada es una constante de proporcionalidad denominada coeficiente de transferencia de calor. La cantidad

coeficiente de transferencia de calor. La cantidad T es la T es la diferencia entre la temperatura en la superficie del elemento diferencia entre la temperatura en la superficie del elemento combustible T

combustible T_s_s y la temperatura del refrigerante Ty la temperatura del refrigerante T_ff..

f

s

T





(10)

Concepto de Moderador, Refrigerante y Moderador

4.2.2

(11)

Concepto de Moderador, Refrigerante y Moderador

4.2.2 4.2.2 Algunos Aspectos de Transferencia de Calor en el Núcleo

Algunos Aspectos de Transferencia de Calor en el Núcleo



 Los procesos de transferencia de calor en un reactor deben Los procesos de transferencia de calor en un reactor deben

diseñarse para impedir que el sistema exceda dos límites térmicos diseñarse para impedir que el sistema exceda dos límites térmicos principales:

principales:

1.

1. Temperatura máxima del combustible (2750 Temperatura máxima del combustible (2750 °°C).C).

2.

2. Temperatura máxima de la envoltura (1200 Temperatura máxima de la envoltura (1200 °°C).C).



 Las temperaturas de la envoltura (máximas) típicas para la Las temperaturas de la envoltura (máximas) típicas para la

operación continua estable de diversos sistemas de reactor son las operación continua estable de diversos sistemas de reactor son las siguientes:

siguientes:

Envoltura de magnesio (magnox)

450 °C

Envoltura de acero inoxidable AGR

750 °C

Envoltura de reactor de agua a presión

320 °C

Envoltura de reactor de agua en ebullición

320 °C

(12)

Concepto de Moderador, Refrigerante y Moderador

4.3 4.3 Reflector. Función del Reflector

Reflector. Función del Reflector



 Su función consiste en garantizar una menor fuga de neutrones y Su función consiste en garantizar una menor fuga de neutrones y también una menor fluencia de neutrones hacia la vasija del reactor también una menor fluencia de neutrones hacia la vasija del reactor evitando su fragilización por irradiación.

evitando su fragilización por irradiación.



 Está formado por una combinación de agua y acero en donde los Está formado por una combinación de agua y acero en donde los componentes internos son los encargados de realizar esta función. componentes internos son los encargados de realizar esta función.

(13)

Concepto de Moderador, Refrigerante y Moderador

4.4 4.4 Refrigerantes para Centrales Nucleares

Refrigerantes para Centrales Nucleares



 Se ha considerado una amplia variedad de gases como Se ha considerado una amplia variedad de gases como refrigerantes para reactores nucleares.

refrigerantes para reactores nucleares.

1.

1. Aire (se empleó en las llamadas ‘pilas’ nucleares).Aire (se empleó en las llamadas ‘pilas’ nucleares).

2.

2. Dióxido de carbono (empleado en el AGR).Dióxido de carbono (empleado en el AGR).

3.

3. Helio (empleado en el reactor HTR).Helio (empleado en el reactor HTR).

4.

4. Vapor de agua.Vapor de agua.

5.

5. Óxidos de nitrógeno (empleado en reactor rápido de la exÓxidos de nitrógeno (empleado en reactor rápido de la ex--URSS).

URSS).



 A continuación se analizan los refrigerantes más empleados en la A continuación se analizan los refrigerantes más empleados en la energética nuclear.

(14)

Concepto de Moderador, Refrigerante y Moderador

4.5 4.5 Tipos de Refrigerantes

Tipos de Refrigerantes



 Los medios enfriadores gaseosos tienen la gran ventaja de tener un Los medios enfriadores gaseosos tienen la gran ventaja de tener un estado físico o fase, bien definido.

estado físico o fase, bien definido.



 A diferencia de los medios líquidos, no están sujetos a cambios de A diferencia de los medios líquidos, no están sujetos a cambios de fase, con los complicados problemas resultantes de flujos

fase, con los complicados problemas resultantes de flujos bifásicos durante las condiciones de operación anormal. bifásicos durante las condiciones de operación anormal.



 Sin embargo, tienen el inconveniente de una baja capacidad Sin embargo, tienen el inconveniente de una baja capacidad

térmica y bajos coeficientes de transferencia de calor, y esto último térmica y bajos coeficientes de transferencia de calor, y esto último hace necesaria la intensificación de ésta, o bajas temperaturas de hace necesaria la intensificación de ésta, o bajas temperaturas de operación.

operación.



 Se ha considerado una amplia variedad de gases como Se ha considerado una amplia variedad de gases como refrigerantes para reactores nucleares.

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Concepto de Moderador, Refrigerante y Moderador

4.5 4.5 Tipos de Refrigerantes

Tipos de Refrigerantes (cont. 1)

(cont. 1)



 Refrigerantes gaseosos.Refrigerantes gaseosos.

1.

1. Aire (se empleó en las llamadas ‘pilas’ nucleares).Aire (se empleó en las llamadas ‘pilas’ nucleares).

2.

2. Dióxido de carbono (empleado en el AGR).Dióxido de carbono (empleado en el AGR).

3.

3. Helio (empleado en el reactor HTR).Helio (empleado en el reactor HTR).

4.

4. Vapor de agua.Vapor de agua.

5.

5. Óxidos de nitrógeno (empleado en reactor rápido de la exÓxidos de nitrógeno (empleado en reactor rápido de la ex--URSS).

(16)

Concepto de Moderador, Refrigerante y Moderador

4.5 4.5 Tipos de Refrigerantes

Tipos de Refrigerantes (cont. 2)

(cont. 2)



 En contraste con los medios enfriadores gaseosos, los líquidos En contraste con los medios enfriadores gaseosos, los líquidos pueden sufrir un cambio de fase (es decir, a vapor) si su

pueden sufrir un cambio de fase (es decir, a vapor) si su temperatura se eleva lo bastante.

temperatura se eleva lo bastante.



 Sin embargo, tienen una capacidad térmica mucho mayor y sus Sin embargo, tienen una capacidad térmica mucho mayor y sus mejores características de transferencia de calor (se describieron mejores características de transferencia de calor (se describieron anteriormente) permiten que funcionen con flujos de calor mucho anteriormente) permiten que funcionen con flujos de calor mucho mas intensos que los gases.

mas intensos que los gases.



 Se ha utilizado una variedad de líquidos para el enfriamiento de un Se ha utilizado una variedad de líquidos para el enfriamiento de un reactor pero solo se consideraran aquí el agua (ligera y pesada), reactor pero solo se consideraran aquí el agua (ligera y pesada), líquidos orgánicos, sales fundidas y metales en estado liquido. líquidos orgánicos, sales fundidas y metales en estado liquido.

(17)

Concepto de Moderador, Refrigerante y Moderador

4.5 4.5 Tipos de Refrigerantes

Tipos de Refrigerantes (cont. 3)

(cont. 3)



 Refrigerantes líquidos.Refrigerantes líquidos.

1.

1. Agua ligera.Agua ligera.

2.

2. Agua pesada.Agua pesada.

3.

3. Líquidos orgánicos.Líquidos orgánicos.

4.

4. Sales fundidas.Sales fundidas.

5.

(18)

Concepto de Moderador, Refrigerante y Moderador

4.7 4.7 Diferentes Tipos de Circuitos de Refrigerante

Diferentes Tipos de Circuitos de Refrigerante



 Desde el primer reactor nuclear enfriado por aire construido bajo el Desde el primer reactor nuclear enfriado por aire construido bajo el campo deportivo de la Universidad de Chicago en diciembre de

campo deportivo de la Universidad de Chicago en diciembre de

1942, se ha ideado una asombrosa variedad de reactores nucleares 1942, se ha ideado una asombrosa variedad de reactores nucleares y muchos de ellos vieron la luz y fueron construidos. En todos los y muchos de ellos vieron la luz y fueron construidos. En todos los casos se incluyó un circuito de refrigeración; los principales

casos se incluyó un circuito de refrigeración; los principales componentes de estos sistemas y los circuitos generalmente componentes de estos sistemas y los circuitos generalmente

utilizados en reactores de potencia, se describieron en el Tema 2. utilizados en reactores de potencia, se describieron en el Tema 2.



 Desde luego, todos los circuitos de refrigeración para los reactores Desde luego, todos los circuitos de refrigeración para los reactores deben incluir el propio núcleo del reactor, un medio para hacer

deben incluir el propio núcleo del reactor, un medio para hacer circular el refrigerante a través del núcleo, y un sistema para circular el refrigerante a través del núcleo, y un sistema para

extraer el calor del medio refrigerante a fin de mantener la continua extraer el calor del medio refrigerante a fin de mantener la continua refrigeración del reactor, y al mismo tiempo (en los reactores de refrigeración del reactor, y al mismo tiempo (en los reactores de potencia), generar energía útil.

(19)

Concepto de Moderador, Refrigerante y Moderador

4.7 4.7 Diferentes Tipos de Circuitos de Refrigerante

Diferentes Tipos de Circuitos de Refrigerante (cont. 1)

(cont. 1)



 En los reactores de potencia el sistema para extraer el calor del En los reactores de potencia el sistema para extraer el calor del refrigerante es casi universalmente un intercambiador de calor que refrigerante es casi universalmente un intercambiador de calor que produce vapor de alta presión que puede ser utilizado en una

produce vapor de alta presión que puede ser utilizado en una turbina de vapor que mueve un generador eléctrico.

turbina de vapor que mueve un generador eléctrico.



 Es conveniente dividir los diversos tipos de circuitos de reactor en Es conveniente dividir los diversos tipos de circuitos de reactor en tres grupos:

(20)

Concepto de Moderador, Refrigerante y Moderador

4.7 4.7 Diferentes Tipos de Circuitos de Refrigerante

Diferentes Tipos de Circuitos de Refrigerante (cont. 2)

(cont. 2)



 Circuitos del tipo de ramales (o lazos).Circuitos del tipo de ramales (o lazos). El núcleo está contenido en El núcleo está contenido en el recipiente del reactor, y la bomba del refrigerante primario y el el recipiente del reactor, y la bomba del refrigerante primario y el generador de vapor están conectados al recipiente del reactor generador de vapor están conectados al recipiente del reactor mediante sistemas de tubería apropiados.

mediante sistemas de tubería apropiados.



 Circuitos del tipo integral.Circuitos del tipo integral. El núcleo, la bomba del refrigerante El núcleo, la bomba del refrigerante primario y el generador de vapor están contenidos dentro de un primario y el generador de vapor están contenidos dentro de un solo recipiente, el agua de alimentación se introduce al mismo, y se solo recipiente, el agua de alimentación se introduce al mismo, y se toma el vapor desde este para enviarlo a la turbina.

toma el vapor desde este para enviarlo a la turbina.



 Circuitos del tipo de tanqueCircuitos del tipo de tanque. El núcleo y la bomba del refrigerante . El núcleo y la bomba del refrigerante primarios están sumergidos en un tanque de medio enfriador. El primarios están sumergidos en un tanque de medio enfriador. El generador de vapor generalmente está fuera del recipiente del generador de vapor generalmente está fuera del recipiente del reactor. Este tipo de circuito es intermedio entre los de tipo de reactor. Este tipo de circuito es intermedio entre los de tipo de ramales y de tipo integral.