Simulador del Ciclo de Potencia del Reactor Nuclear Rápido Enfriado por Gas

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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

Memorias CIC Cancún 2007 en CDROM 216 Proceedings IJM Cancun 2007 on CDROM

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 ricarera@yahoo.com.mx, cmcm@fi-b.unam.mx,

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 Temperatura-Entropía (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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Memorias CIC Cancún 2007 en CDROM 218 Proceedings IJM Cancún 2007 on CDROM

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. Turbina 7 6 5 Compresor Alta 4 Reactor 3 2 Recuperador Interenfriador 8 Compresor Baja Enfriador 1

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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).

He He R M R = / (1) Cv Cp k = / (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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Memorias CIC Cancún 2007 en CDROM 220 Proceedings IJM Cancún 2007 on CDROM 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

Eficiencia del compresor (ηsc) 91.1 %

Eficiencia de la turbina (ηsT) 94.2 %

Flujo másico (m) 320 kg/s

Caída de presión en el reactor 130 kPa

Temperatura de entrada al reactor 763 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). 1 4 min max p p p p RP= = (3) RP p RP p p p1 = min= max/ = 4/ (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).

T R

pV = _He (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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Memorias CIC Cancún 2007 en CDROM 221 Proceedings IJM Cancun 2007 on CDROM 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). ) ( final inicial inicial final h Cp T T h h= − = − ∆ (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.

) / ln( )

/

ln( final inicial He final inicial inicial

final S Cp T T R p p

S

S = − = −

∆ (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).

) º ( º ) º (h h T s s bi = i− − i− (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).

1 2 3 4 2 1 RP p /p p /p RP = → = (9)

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Memorias CIC Cancún 2007 en CDROM 222 Proceedings IJM Cancún 2007 on CDROM 1 4 3 2 p pi pi p p p = = → = (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). k k inicial final inicial final T p p T 1 ) / ( / − = (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).

k k s T p p T 1 1 2 1 2 ( / ) − = (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). ) ( / ) (T2 T1 C T2 T1 Cp s p sc = − − η (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.

sc

s T

T T

T₂ = ₁+( ₂ − ₁)/η (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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Memorias CIC Cancún 2007 en CDROM 223 Proceedings IJM Cancun 2007 on CDROM 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).

k k final incial final inicial T p p T 1 ) / ( / − = (15) k k s T p p T 1 7 6 6 7 /( / ) − = (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).

) ( / ) ( ₆ ₇ _p ₆ ₇_s p sc =C T −T C T −T η (17) ) ( ₆ ₇ 6 7 T sT T T s T = −η − (18) 2 Ver la tabla II

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Memorias CIC Cancún 2007 en CDROM 224 Proceedings IJM Cancún 2007 on CDROM 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). 7 4 5 8 T T T T = − − (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).

C T C T ciclo w w m h m h w = − = ∆ + ∆ (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; ∆h_T y ∆h_Cson las diferencias o incrementos de entalpía referidos a entalpía de salida menos la de entrada de cada dispositivo.

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Memorias CIC Cancún 2007 en CDROM 225 Proceedings IJM Cancun 2007 on CDROM 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. T salida entrada dT mb b w B = ( − )+ (21) C salida entrada dC m b b w B = ( − )− (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).

) (h6 h5 m h

Qciclo =∆ Q = − (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).

) ( _salida _entrada

sumidero m h h

Q = − (24)

La exergía destruida por estos dispositivos se calcula con la ecuación (25). )

( entrada salida

dSumidero mb b

B = − (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).

) ( * _entradas _salidas r recuperado m h h Q = Σ −Σ (26)

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Memorias CIC Cancún 2007 en CDROM 226 Proceedings IJM Cancún 2007 on CDROM ) ( * entradas salidas or drecuperad m b b B = Σ −Σ (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).

ciclo ciclo I =w /Q η (28) Q ciclo II =w /B η (29)

Donde B_Qes 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 ηII 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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Memorias CIC Cancún 2007 en CDROM 227 Proceedings IJM Cancun 2007 on CDROM 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 “Presión-Volumen” 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

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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

Estado Flujo másico M Presión p Volumen v Temperatura T Entalpía h Entropía s Exergía 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

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Memorias CIC Cancún 2007 en CDROM 229 Proceedings IJM Cancun 2007 on CDROM 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 Bd de control (MW) (MW) (MW) (%) Compresor 1 -118,67 8,45 9,61 Interenfriador -118,67 14,36 16,33 Compresor 2 -118,67 8,45 9,61 Regenerador -1,5E-10 18,08 20,56 Reactor 605,67 0,00 - Turbina 558,29 13,12 14,92 Enfriador -166,0 25,50 28,97 TOTAL 320,96 320,96 87,9 100% I η 52,99 % II η 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).