Universidad Politecnica de MadridGrado en Ingeniera de la Energa

ELFR. Reactor refrigerado porplomo

GRUPO 2Hector Burgueno RuedaSamanta Estevez Albuja

Mara Gonzalez Saez de HerediaCarolina Martn SantosLuis Miguel Munoz Daz

Daniel Anwar Ponce Arribas

Mayo 2014

INDICE INDICE DE FIGURAS

Indice

1. Introduccion 2

2. Caractersticas del refrigerante 32.1. Plomo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.2. Plomo-Bismuto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.3. Eleccion entre plomo y plomo-bismuto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

3. Integrantes del circuito primario 53.1. Vasija del reactor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53.2. Vasija interna del reactor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63.3. Nucleo del reactor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

3.3.1. Elementos Combustibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73.3.2. Pastillas de Combustible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

3.4. Generadores de vapor (GV) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93.5. Bombas de refrigeracion del reactor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

4. Sistemas de seguridad 104.1. Sistemas de extraccion de calor residual [DHR] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104.2. Sistemas de control y parada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124.3. Accidentes base de diseno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

5. Sistema secundario 12

6. Aspectos a mejorar 136.1. Aspectos relacionados con la corrosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136.2. Aspectos relacionados con la alta densidad del plomo . . . . . . . . . . . . . . . . 146.3. Aspectos relacionados con el alto punto de fusion del plomo . . . . . . . . . . . . 156.4. Aspectos relacionados con el espectro neutronico . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156.5. Aspectos relacionados con la pureza del plomo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

7. Analisis economico del ELFR 15

8. Conclusiones 16

Indice de figuras

1. Vista esquematica del circuito primario.[2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52. Vasijas del reactor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63. Nucleo del reactor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74. Composicion de los Elementos Combustibles ELFR [4] . . . . . . . . . . . . . . . 85. Composicion interna de la altura activa del elemento de combustible [4] . . . . . 86. Detalle del diametro hueco en las pastillas combustibles [20] . . . . . . . . . . . . 97. Configuracion de los GV y bombas de refrigeracion [3]. . . . . . . . . . . . . . . . 108. Simulacion de la bomba de refrigeracion del reactor [13] . . . . . . . . . . . . . . 119. Sistemas de extraccion de calor residual [10] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1110. Esquema del secundario de un LFR [11] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

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1 INTRODUCCION

1. Introduccion

Vivimos en una sociedad con una demanda creciente de energa y una necesidad del desarrollode energas sostenibles para reducir el impacto ambiental. Es por esto que la energa nuclear esuna buena candidata para el abastecimiento energetico del futuro, ya que es capaz de abastecera mucha poblacion sin emisiones de efecto invernadero.

Surge as la idea de los reactores de Generacion IV, que buscan ser la solucion del futuro alos problemas energeticos. Estos reactores pretenden, por un lado, mejorar los disenos actualesen seguridad, ciclos mas eficientes y reduccion de residuos radiactivos; y por otro, ser capaces deabastecer la demanda energetica, usar de forma sostenible los recursos naturales y servir paraotras finalidades como la produccion de hidrogeno, la desalinizacion del agua y el uso directodel calor.

Para poder desarrollar estos reactores, a principios del 2000 tiene lugar el Generation IVInternational Forum, tambien conocido como GIF, en el que se describen los requisitos quedeben cumplir los reactores de Generacion IV para poder ser licenciados y construidos.

En el foro, en el que participaron diez pases (Argentina, Brasil, Canada, Francia, Japon,Corea, Sudafrica, Suiza, el Reino Unido y los Estados Unidos), se acordo desarrollar seis tiposde reactores que cumplen los requisitos anteriormente mencionados, y que se pretende tenerlistos para 2030 , cuando las plantas actuales empiecen a cerrarse. Estos son: los reactores desales fundidas (MSR), los refrigerados por agua supercrtica (SCWR), los reactores a muy altatemperatura (VHTR) y los reactores rapidos refrigerados por gas (GFR), sodio (SFR) y plomo(LFR). Siendo este ultimo en el que nos centraremos en este trabajo.

Historicamente aunque no se ha construido ningun reactor refrigerado por plomo para laproduccion de energa electrica, la antigua URSS aprovecho dicha tecnologa para la propulsionde submarinos, debido a las excelentes propiedades del plomo como refrigerante; al contrarioque la tendencia occidental que popularizo la opcion del sodio fundido. A da de hoy se hanconstruido quince reactores refrigerador por plomo1 , pero ninguno de ellos para la generacionelectrica, siendo significativa la mencion de submarinos sovieticos con potencias del orden de155 MWe.

En este trabajo vamos a centrarnos principalmente en el proyecto europeo de los LFR,pero cabe mencionar que se estan desarrollando bastantes proyectos sobre este tipo de reactor.Entre ellos se encuentra el SSTAR, proyecto desarrollado por Estados Unidos, que usa comorefrigerante el plomo y tendra una potencia de 20 MW. En cuanto a las caractersticas de estereactor, podemos resumirlas en: pequeno, modular y rapido. Por otro lado tenemos los modelosrusos BREST-OD-300 y SVBR-100. El primero usa plomo puro como refrigerante,y destaca porsu aplicacion a la produccion de radioisotopos para la medicina, aparte de la produccion electrica.Mientras que el segundo usa el eutectico plomo-bismuto (del que hablaremos mas adelante). ElSVBR es un reactor modular y puede ser el primero en dar electricidad usando el Pb-Bi, ademasservira tambien para la desalinizacion del agua.

1Fuente: IAEA Workshop on Fast Reactor Science and Technology, Coolants for FBR: Lead

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2 CARACTERISTICAS DEL REFRIGERANTE

2. Caractersticas del refrigerante

2.1. Plomo

En este apartado se trataran las caractersticas del plomo y su influencia en el uso comorefrigerante.

Por un lado, el plomo es una interesante opcion, ya que tiene un muy alto punto de ebulli-cion (1745 C), el cual le permitira operar a altas temperaturas, unicamente limitado por losmateriales estructurales, y por otro lado, resulta beneficioso desde el punto de vista de la segu-ridad, pues evita la aparicion de fase gaseosa (disminuyendo en gran medida su coeficiente detransmision de calor) ante situaciones de emergencia donde se eleve la temperatura del nucleo.Por contra, tiene un punto de fusion tambien algo elevado (327.4 C), lo que requiere un avanceen la tecnologa para prevenir que el plomo solidifique en cualquier lugar del sistema; siendoespecialmente importante en los momentos en los que el reactor esta parado. Ademas, el plomoes un elemento corrosivo, acentuandose su efecto a altas temperaturas, y como consecuencia, losmateriales estructurales deben ser cuidadosamente seleccionados y se debe hacer un seguimientocontinuo de la pureza del plomo.Como se ve en la tabla 1 que resume las propiedades del plomo, este tiene un peso atomico

Pesoatomico

Punto de fu-sion [C]

Punto de ebu-llicion [C]

Reactividad conagua y aire

Compatibilidadcon materialesestructurales

Densidad[kg/m3 a400 C]

207.2 327.4 1745 Baja Corrosivo 10580

Tabla 1: Propiedades del plomo[18]

muy elevado, lo que lo convierte en un excelente escudo contra los rayos gamma. Ademas, pre-senta otras propiedades neutronicas atractivas como son: la pequena perdida energetica en ladispersion elastica de los neutrones (menor perdida de neutrones en el refrigerante), bajo poderde moderacion y baja captura neutronica (cambios despreciables en la reactividad frente a mo-dificaciones en el caudal de refrigerante).

Una ventaja frente a los SFR (Sodium Fast Reactor) es la ausencia de circuito intermedio,ya que el plomo, a diferencia del sodio, no reacciona con el agua, reduciendo en gran medida loscostes y la complejidad de la central. En referencia a las emisiones de contaminantes volatiles, elplomo tiene una alta retencion de los mismos, y en particular, tiende a reaccionar con el cesio yel yodo a temperaturas superiores a 600 C. Esto permite en ciertos accidentes evitar la emisionde productos de fision volatiles.

Debido a su alto punto de fusion, el primario puede estar a presion atmosferica, permitiendoreducir el grosor de las paredes de la vasija y evitar problemas de perdida de presion en el pri-mario, pues a presion ambiente se mantiene lquido. Ademas, en caso de rotura de este sistema,el plomo no se fuga de forma descontrolada, pues aparte de estar a la presion atmosferica comose ha dicho, el plomo solidifica a temperatura ambiente, cerrando as el orificio donde se producela fuga.

Con una buena configuracion de la vasija, al no existir riesgo de grandes fugas o ebullicion,practicamente no hay posibilidad de perder refrigerante en el circuito primario asegurandose larefrigeracion del nucleo y transferencia de calor en los generadores de vapor. Ademas, es posible

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2.2 Plomo-Bismuto 2 CARACTERISTICAS DEL REFRIGERANTE

evacuar calor del nucleo por conveccion natural en caso de perdida de aporte energetico externo.Cuando se incrementa la fraccion de volumen del refrigerante, aumenta el diametro hidraulicode este a traves del nucleo, con una correspondiente reduccion de la perdida de carga. Comoresultado de esos factores y de las propiedades termodinamicas del plomo, la circulacion naturales efectiva y puede evacuar una gran fraccion de potencia.

Finalmente, la alta densidad del plomo permite poder realizar un diseno de las pastillas decombustible tal que, en caso de fallo o perdida del revestimiento, este podra ser dispersado enel circuito primario de manera que servira para prever posibles accidentes de criticidad debidosa la compactacion del combustible, haciendo que no sea necesario un core catcher2 .Ademas,la alta densidad junto con la alta capacidad calorfica del plomo dotan al reactor de una altainercia termica permitiendo formar un sumidero de calor (creado por transitorios de potencia)durante las paradas del reactor.

2.2. Plomo-Bismuto

En el ano 1950, el eutectico de plomo-bismuto fue utilizado por primera vez como refrige-rante en reactores rapidos por A. I. Leypunsky para produccion de plutonio y energa, pero noobtuvo grandes resultados debido a la peor conductividad de calor del eutectico.

El punto de ebullicion del Pb-Bi se encuentra en torno a los 1670 C, lo cual permite seguirextrayendo el calor del nucleo aunque este aumente su temperatura. Ademas, el eutectico dePb-Bi es qumicamente inerte, reacciona levemente con el agua o el aire, a diferencia del so-dio que reacciona violentamente con estos. Por tanto, en caso de fuga en el primario o en elgenerador de vapor, no se formara hidrogeno y no dara lugar a ninguna reaccion exotermica;hecho que aumenta la seguridad. A esto debe anadirse que ninguno de los materiales en contactocon el refrigerante producen hidrogeno, reduciendo as la posibilidad de incendios o explosionesqumicas. El eutectico presenta una baja seccion eficaz de absorcion de neutrones y ademas,dado que produce una baja moderacion, favorece a la neutronica del reactor rapido.

A pesar de ciertos aspectos positivos, la baja transferencia de calor, respecto al sodio, dis-minuye la densidad de energa en el nucleo y se produce mayor cantidad de plutonio. Por elcontrario, el reactor es mas sencillo y mas economico.

2.3. Eleccion entre plomo y plomo-bismuto

A la hora de escoger el refrigerante, las caractersticas de ambos resultan parecidas, sin em-bargo el Pb-Bi puede presentar ciertos problemas.

En primer lugar, se produce en mayor cantidad Po-210, que es un emisor de partculas alfamuy peligroso en caso de inhalacion, incluso en pequenas dosis puede ser letal. Aun as, graciasa la vasija monobloque y a los disenos de seguridad del primario, la probabilidad de emision degases es reducida.En segundo lugar, el bismuto actualmente tiene un alto coste debido a que no es muy utilizadoen otras industrias y a que no se conocen muchas minas del mismo; de hecho, se estima que en elmundo hay alrededor de cinco millones de toneladas de este material. Sin embargo, actualmentese estan haciendo investigaciones para promocionar la produccion a gran escala de bismuto enRusia.

2Segun MATTIOLI, D. en [15]

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3 INTEGRANTES DEL CIRCUITO PRIMARIO

3. Integrantes del circuito primario

El circuito primario es una parte fundamental tanto en el diseno como en la operacion decualquier central nuclear, y por tanto, ELFR no va a divergir en gran medida respecto al canon dediseno de otros reactores rapidos pertenecientes a su misma generacion. Como se ha comentado,dicho circuito primario estara compuesto de: vasija del reactor, nucleo del reactor, generadoresde vapor, bombas de refrigeracion y sistemas de refrigeracion auxiliares3. Estos sistemas serantratados someramente en la siguiente parte del escrito, insistiendo en las particularidades delreactor ELFR, pudiendo ser extrapoladas para reactores semejantes como son los de diseno ruso(BREST). En la tabla 2 se muestran las principales caractersticas de la planta

Potencia [MWe] 600

Refrigerante del primario Plomo

Sistema del primario Tipo piscina, compacto

Circulacion del refrigerante del 1o Forzada (en potencia) y natural (en parada)

Maxima velocidad del refrigerante [m/s] 2

Temperatura en el interior del nucleo [oC] 400

Presion en el nucleo atmosferica

Altura/diametro del nucleo [m] 4.5/1.4

Combustible MOX

Temperatura del generador de vapor [oC] 480

Presion de vapor [MPa] 18

Eficiencia del secundario 42 %

Tabla 2: Parametros de diseno del ELFR. [2]

Figura 1: Vista esquematica del circuito primario.[2]

3.1. Vasija del reactor

La vasija del reactor ELFR recoge todos los demas sistemas del circuito, estando todos ellosen su interior o inmediatas proximidades. Como se ha comentado, al ser un reactor nuclearrefrigerado por plomo, se hace necesario este tipo de disposicion que protege el refrigerante y lo

3Mas adelante se hablara de ellos.

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3.2 Vasija interna del reactor 3 INTEGRANTES DEL CIRCUITO PRIMARIO

almacena en un gran deposito como es la vasija.

La vasija del reactor constituye la barrera primaria del reactor, siendo un componente delreactor de categora ssmica I. En su parte superior, se encuentra cerrada por una cubierta deacero, perforada para alojar la parte superior de los generadores de vapor y las bombas delcircuito primario, as como de los dip cooler (enfriadores de inmersion).

El volumen situado entre el nivel libre del plomo y la cubierta del reactor, es rellenadocon argon. En la seccion inferior, un tronco de cono soldado al fondo de la vasija restringe losmovimientos radiales de la vasija interna (Inner Vessel). Ambas vasijas, la del reactor y la vasijainterna, estan fabricadas de acero asutenstico con bajo nivel de carbono. (2a).

3.2. Vasija interna del reactor

La vasija interna del ELFR que es la estructura que rodea al nucleo del reactor (barreradel nucleo) presenta una forma cilndrica, y sus funciones son las de soporte de los elementoscombustibles y separacion entre el foco caliente (nucleo del reactor) y el foco fro (generadoresde vapor)(2b).

En la parte inferior de la vasija interna se encuentra la rejilla inferior del nucleo, consistenteen dos placas horizontales con perforaciones para alojar la parte inferior de los elementos com-bustibles. Estas placas estan separadas entre s una distancia suficiente como para garantizar laposicion totalmente vertical de los elementos combustibles.

En la parte superior de la vasija interna se encuentra la rejilla superior del nucleo, cuyafuncion es la de empujar los elementos combustibles al fondo de la vasija, de forma que se man-tengan en su posicion inferior. Para ello, se ayudan de unos resortes de disco precargados queapoyados en la rejilla superior, contrarrestan el empuje del plomo, evitando que los elementoscombustibles suban por flotabilidad en el plomo. En el interior de estos resortes se puede colocarinstrumentacion como por ejemplo termopares, al estar agujereados.

Por ultimo, una plancha de acero que recubre la cavidad en la que se aloja el reactor cons-tituye la Vasija de Seguridad (Safety Vessel).

(a) Vasija del reactor [4] (b) Vasija interna del reactor [10]

Figura 2: Vasijas del reactor

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3.3 Nucleo del reactor 3 INTEGRANTES DEL CIRCUITO PRIMARIO

3.3. Nucleo del reactor

El nucleo del reactor se encuentra en el interior de la vasija en su parte mas inferior, for-mando parte de un bloque solido longitudinal que se extiende desde el fondo de la vasija hastasu parte superior, el cual se encuentra flotando en el refrigerante. Solo su parte superior seencuentra al descubierto, y es mantenido en una posicion vertical gracias a un sistema de gas.

En lo que concierne al nucleo del reactor, su diseno se ha ((guiado)) por dos objetivos funda-mentales:

1. El alcance de una configuracion optima con caractersticas pasivas e intrnsecas para laprevencion del dano al nucleo del reactor.

2. La rentabilidad del proceso, asegurando un ((recliclado)) o breeding ratio4 representado porla figura (3a) del propio combustible.

La disposicion de los elementos combustibles en el nucleo adopta una disposicion tal queestan agrupados concentricamente segun la antiguedad del combustible segun la figura (??)

(a) Variacion del Breeding ratio delcombustible a traves del tiempo[12]

(b) Disposicion del nucleo del reactor [4]

Figura 3: Nucleo del reactor

Tambien es de importancia la configuracion orientada a aplanar la distribucion de potenciamediante el uso de diferentes fracciones de enriquecimiento del combustible, decreciendo este enel sentido radial.

En cuanto a la altura activa del nucleo, en el ELFR consta de 90 centmetros, lo cual dotaal reactor de una potencia media de 228 W/cm y un maximo de potencia lineal de 341 W/cm.

3.3.1. Elementos Combustibles

Los elementos combustibles del ELFR presentan una configuracion hexagonal, en la que dancabida 169 vainas de combustible retenidas por rejillas espaciadoras entre s, y su longitud esde 10 m. (Figura 5a)La parte superior de los mismos se encuentra por encima del nivel libre delplomo, de forma que se facilita su extraccion tanto para inspecciones como para el repostaje.Los elementos combustibles se componen en las siguiente partes:

La espiga(spike), que garantiza el flujo de refrigerante por los canales internos de loselementos combustibles, entre elementos adyacentes y entre las dos placas de la rejillainferior del nucleo.

4Mediante procesos de captura del U 238 puede transmutar a un isotopo fisionable tal como es el PU 239

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3.3 Nucleo del reactor 3 INTEGRANTES DEL CIRCUITO PRIMARIO

La cubierta inferior (bottom bhroud), seccion en la cual se encuentran la altura activa delnucleo, las rejillas de bloqueo y espaciado de las pastillas de combustible.

El embudo (bunnel), cuya mision es garantizar la salida del refrigerante del elemento com-bustible y su redireccion hacia los generadores de vapor.

La cubierta superior (upper shroud), cuya funcion es unir el embudo del elemento combus-tible con el lastre de tungsteno.

El lastre (the ballast), situado en la parte superior de los elementos combustibles. Su funciones la de mantener los elementos combustibles en su posicion durante las recargas, ya quese levanta la rejilla superior del nucleo.

Cabezal superior (upper head), su funcion es la de mantener los elementos combustibles ensu lugar, estando conectado a la rejilla superior.

Algunos de los materiales considerados para componer las vainas del combustible son el ace-ro ferrtico-martenstico (T91). En operacion, la temperatura de funcionamiento de las vainassera cercana a los 550oC.

Figura 4: Composicion de los Elementos Combustibles ELFR [4]

(a) Colocacion vainas de combusti-ble

(b) Rejillas de soporte de las vainas

Figura 5: Composicion interna de la altura activa del elemento de combustible [4]

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3.4 Generadores de vapor (GV) 3 INTEGRANTES DEL CIRCUITO PRIMARIO

3.3.2. Pastillas de Combustible

Se componen de MOX (mezcla de oxido de uranio natural, uranio reprocesado o uranioempobrecido, y oxido de plutonio). El diametro hueco de las pastillas de combustible es uno delos parametros a tener en cuenta en el aplanamiento de la distribucion de potencia, junto con ladistribucion de elementos combustibles en el nucleo. (6)

Figura 6: Detalle del diametro hueco en las pastillas combustibles [20]

3.4. Generadores de vapor (GV)

El diseno del reactor contempla ocho generadores de vapor (GV), situados formando unacircunferencia concentrica al nucleo del reactor (7c). El GV posee unas atractivas caractersti-cas, tales como pertenecer al grupo de intercambiadores de calor planos en espiral (GV) (7b) oposeer un sistema propio de extraccion para su recambio.

Atendiendo a su primera caracterstica de diseno, el SG se compone de tubos arrollados heli-coidalmente ascendentes en planos, debido a su reducido angulo de cabeceo, por donde discurrela mezcla bifasica del circuito secundario. Se encuentra en la parte superior del downcomer,por encima de la lnea media del bloque del reactor, aspecto que mitiga la contaminacion delprimario con mezcla bifasica ante una ruptura de tubos (SGTR Steam Generator Tube Rupture)como se aprecia en (7a).

El refrigerante entra en el GV por su parte central inferior, evitando as la posible entradade gases. Asciende y lo atraviesa radialmente cediendo calor, para mas tarde, descender porel downcomer refrigerando la parte interna de la vasija. La perdida de carga del refrigeranteasociada a esta configuracion del GV es mnima dada su sencillez. Como comentario adicional,los sistemas separadores de vapor se encuentran externos a la vasija del reactor.

Frente a los GV genericos, poseen un reducido volumen; ya que para un volumen dado, laseccion del plano radial es al menos tres veces superior, y por tanto su altura disminuye propor-cionalmente dicha cantidad. Este hecho, junto al de refrigeracion de la vasija por el downcomer

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3.5 Bombas de refrigeracion del reactor 4 SISTEMAS DE SEGURIDAD

desencadena en una menor altura de la vasija al tener menor altura y no necesitar de sistemasauxiliares de refrigeracion de vasija respectivamente.

Por ultimo resaltar, que estos GV ofrecen posibilidad de recambio, ejecutando sencillos des-plazamientos verticales y radiales para su extraccion.

(a) Esquema del GV (b) Seccion del GV (c) Disposicion de bombas y GV

Figura 7: Configuracion de los GV y bombas de refrigeracion [3].

3.5. Bombas de refrigeracion del reactor

Se situan entre los GV en disposicion analoga; concentrica al nucleo del reactor en la partesuperior de la vasija como se puede ver en 7c.

El principal diseno consta de una bomba axial vertical (8) que induce una altura fija y cons-tante al refrigerante, de modo, que ascienda por el nucleo del reactor, situandose el propulsora chorro en la parte inferior de la vasija. Posee una elevada capacidad as como la propiedadde intercambiabilidad si esta se estropea (diseno modular). El diseno contempla tambien unadistribucion de tubos de medida de presion (tubos de pitot), as como un sistema distribuido determopares para la correcta medicion del flujo de refrigerante a traves del nucleo del reactor.

En cuanto a los materiales de construccion, dada la problematica del refrigerante, se reco-mienda el uso de MAXTHAL, una aleacion de titanio silicio y carbono as como una cubiertaprotectora para el rotor, de tantalio, para mitigar los efectos adversos del refrigerante a su pasopor la bomba de alimentacion del reactor ya que la velocidad lmite de diseno de este ronda los10 ms1.

4. Sistemas de seguridad

4.1. Sistemas de extraccion de calor residual [DHR]

En el reactor ELFR el sistema principal de extraccion del calor residual del sistema primario,es el sistema secundario de refrigeracion (por ejemplo el baipas al condensador); pero ademasconsta de dos sistemas de extraccion de calor independientes (fsicamente separados), pasivos(independientes de la red) y redundantes (con solo tres lazos es posible realizar la extraccionde calor); que son:

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4.1 Sistemas de extraccion de calor residual [DHR] 4 SISTEMAS DE SEGURIDAD

Figura 8: Simulacion de la bomba de refrigeracion del reactor [13]

DHR1: cuatro sistemas de condensadores de aislamiento (ICs) conectados a cuatro gene-radores de vapor.

DHR2: cuatro sistemas de condensadores de aislamiento (ICs) conectados a cuatro refri-geradores de inmersion (dip coolers) (DCs).

(a) Esquema del sistema DHR1 (b) Diseno del sistema DHR2.

Figura 9: Sistemas de extraccion de calor residual [10]

Tanto el DHR1 como el DHR2 constan de un intercambiador de calor (condensador de ais-lamiento) y una piscina de agua (donde esta inmerso el IC, con capacidad de operacion de tresdas). Ademas el DHR2 consta de un tanque de almacenamiento de agua subenfriada (por sifuera necesario presurizar este sistema), un intercambiador de calor agua-plomo (dip cooler) quese encuentra dentro del downcomer del reactor y un air header cuya funcion es prevenir laformacion de bolsas de agua en los tubos del IC.

Cuando hay un disparo del reactor las lineas de agua de alimentacion y las lineas aisladasde vapor auxiliar se ponen en marcha. En el caso de que el sistema secundario no pudiese

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4.2 Sistemas de control y parada 5 SISTEMA SECUNDARIO

funcionar correctamente el DHR1 se pondra en marcha, y si el DHR1 no tuviera ninguna desus cuatro lineas disponible, el DHR2 se usara para evacuar el calor residual.

4.2. Sistemas de control y parada

El reactor consta de dos sistemas de parada pasivos e independientes:

Barras neumaticas absorbentes: se inserta de manera pasiva mediante un sistemaneumatico (por despresurizacion) por la zona superior del nucleo. En caso de fallo del sis-tema neumatico, las barras de seguridad estan equipadas de un estabilizador de tungsteno(tungsten ballast) que obliga al absorbente a bajar por gravedad aunque con una velocidadmenor.

Barras absorbentes de flotabilidad: se inserta por debajo de la zona activa del nucleo,aprovechandose de la diferente densidad que presenta respecto al plomo. La expulsioninadvertida desde la parte activa del nucleo se evita por medio de un dispositivo mecanicoen la parte superior del nucleo que detiene las barras de control, una vez insertadas, alfinal de la zona activa.

4.3. Accidentes base de diseno

Tras varios analisis se ha llegado a ver los posibles accidentes base de diseno de un LFR ypueden ser:

Perdida del caudal del primario (por fallo de una o todas las bombas del primario, llevaraa una temperatura maxima, Tmax = 2070

C )

Transitorios de potencia (en HFP Tmax = 2178C y CZP Tmax = 619 C)

Perdida del sumidero de calor (Tmax = 619C)

Perdida del caudal del primario y del sumidero de calor (SBO, Tmax = 2062C)

Sobreenfriamiento de la parte del primario (Tmax = 2192C)

Perdida del refrigerante del primario (Tmax = 2062C)

Ruptura del tubos del GV y perdida del refrigerante del primario y sumidero de calor sinel DHR disponible

La maxima temperatura alcanzada durante el transitorio a HFP decrece rapidamente yno hay preocupacion de que haya fusion del combustible. El aumento de temperatura de loscomponentes durante la perdida de caudal del primario se reduce a 500 C tras una hora. Porlo tanto, la probabilidad de que exista un accidente que lleve a graves problemas es remota, yaque el sistema es bastante flexible incluso en las peores condiciones, y aun en estas existe ungran margen de tiempo.

5. Sistema secundario

El diseno de sistema secundario del ELFR sigue como referencia el desarrollado para elproyecto ELSY[1]. Este constara del tpico ciclo de una central nuclear pero de vapor sobreca-lentado y algunas diferencias mas. Como en un reactor PWR convencional el sistema consta dedos circuitos separados, el primario (plomo) y el secundario (mezcla agua-vapor). El generadorde vapor, nexo entre los dos circuitos, sera el encargado de transmitir el calor del primario al

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6 ASPECTOS A MEJORAR

secundario, siendo capaz de sobrecalentar el vapor y mantenerlo estable a 450C a 180 bar.

De esta manera el vapor procedente de la turbina de alta sera recalentado en primer lugarusando un separador de vapor seguido por dos recalentadores. El calor del primer recalentador(R1) procedera de una fraccion del vapor general, y calor del segundo (R2) de la primeraextraccion de la turbina(R1); y no podran ser recalentadas en el nucleo como es habitual.Este hecho mejora el diseno de la planta y permite al vapor de la lnea de baja expandirsecorrectamente hasta la presion del condensador; siendo posible alcanzar un rendimiento de hastael 42 %.

Figura 10: Esquema del secundario de un LFR [11]

En la figura (10) se muestra un esquema del circuito secundario donde se muestran los dosrecalentadores (R1 y R2) as como las dos turbinas que componen el sistema juntos con lossistemas tpicos de un ciclo de Rankine5 (condensador, desaireador, regeneradores, bombas...)

6. Aspectos a mejorar

6.1. Aspectos relacionados con la corrosion

El plomo utilizado como refrigerante puede producir una importante corrosion en los mate-riales estructurales, siendo parametros tales como la temperatura, la concentracion de oxgenodisuelto, la velocidad a la que fluye el metal lquido o la propia naturaleza de los aceros, los quecondicionan el alcance de la misma. Esta demostrado que a temperaturas inferiores a los 450oC,en aceros ferrticos-martensticos y austenticos, se forma una capa de oxido que protege de lacorrosion, si bien, es necesaria una adecuada concentracion de oxgeno disuelto en el metal lqui-do. Sin embargo, en un rango de temperaturas por encima de los 500oC, la citada capa pierde sus

5Se entiende por tpicos, los usados en un ciclo de Rankine para la produccion de energa electrica en unacentral nuclear (o termica)

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6.2 Aspectos relacionados con la alta densidad del plomo 6 ASPECTOS A MEJORAR

propiedades protectoras y puede tener lugar un mecanismo mixto de corrosion (disolucion de losaceros y formacion de oxidos no protectores). En el rango de altas temperaturas, la resistenciaa la corrosion de los materiales estructurales puede ser mejorada con un revestimiento de unaaleacion de Fe-Al, lo cual resulta efectivo hasta los 600oC.

Por tanto, las estrategias para combatir la corrosion pasan por instalar sistemas que permi-tan mantener una adecuada concentracion de oxgeno y sistemas para la extraccion de productosderivados de la corrosion, limitar la temperatura del refrigerante a la salida del nucleo a menosde 500oC (aproximadamente 480oC), as como la velocidad del mismo, revestir con aleacionesde Fe-Al o incluso demostrar la posibilidad de poder extraer componentes internos del reactor,reemplazandolos por nuevos. Es importante destacar que uno de los grandes frentes que quedaabierto es el desarrollo de materiales cuyas propiedades con respecto a la corrosion se mantenganhasta temperaturas de 650oC.

Atendiendo a lo anteriormente expuesto, como primera opcion se proponen como materialesestructurales el acero inoxidable austenstico 316L y el ferrtico-martenstico T91.

6.2. Aspectos relacionados con la alta densidad del plomo

Debido a la alta densidad del plomo, uno de los principales retos es el relacionado con larespuesta mecanica de la instalacion.

En particular, el comportamiento ssmico es uno de los aspectos fundamentales a estudiar.La estrategia a seguir para garantizar una adecuada respuesta ante las cargas ssmicas constade varios puntos.

En primer lugar, el edificio del reactor se situa sobre aisladores ssmicos 2D que desacoplanla estructura con respecto a tierra, aumentando el periodo natural de la misma, para alejarloen la mayor medida del periodo natural del sismo, y evitar fenomenos de resonancia. As, losrequisitos de configuracion del sistema son menos exigentes.

En segundo lugar, el diseno del primario ha de ser lo mas compacto posible. La densidadde potencia en el nucleo debe maximizarse para minimizar su tamano y poder obtener vasijasde poca altura. Ademas, el circuito de refrigerante ha de ser sencillo y corto para reducir lacantidad de plomo necesario.

Sin embargo, el aspecto ssmico no es el unico que precisa un estudio exhaustivo a raz de laalta densidad del plomo. El simple hecho de utilizar un metal lquido tan pesado como refrige-rante obliga a ser capaces de conservar la integridad estructural ante fenomenos de erosion. Porello, es preciso establecer el lmite superior de velocidad del refrigerante en 2 m/s en el canal.Los ya nombrados aceros ferrticos-martensticos (T91) y aceros inoxidables autensticos (316L),parecen ser firmes candidatos cuando se trabaja a temperaturas inferiores a los 500oC y los600oC, respectivamente; si bien, existen potenciales candidatos, como los aceros martensticosODS que amplan en rango de temperaturas hasta los 650oC, los aceros ferrticos ODS, com-puestos ceramicos y aleaciones refractarias para temperaturas aun mayores.

Ademas las altas densidades pueden conllevar problemas de bombeo, los cuales pueden sersolucionados con la adecuada eleccion de las bombas.

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6.3 Aspectos relacionados con el alto punto de fusion del plomo7 ANALISIS ECONOMICO DEL ELFR

6.3. Aspectos relacionados con el alto punto de fusion del plomo

Debido a esta caracterstica del plomo (temperatura de fusion de 327oC) se requiere un lmiteinferior para la temperatura del refrigerante a la entrada del nucleo, la cual, cumpliendo conel compromiso de evitar la fragilizacion de los aceros, suele situarse en los 400oC. Tambien sonnecesarios sistemas de calentamiento activos redundantes para evitar la solidificacion del plomo(especialmente en la puesta en marcha, el mantenimiento y la parada).

6.4. Aspectos relacionados con el espectro neutronico

El duro espectro neutronico impuesto por este tipo de reactores impone severas restriccionesen lo que concierne al dano de las estructuras. De acuerdo a lo anterior, el tiempo de permanenciade los elementos combustibles dentro del reactor debe ajustarse para mantener el flujo rapidopor debajo de 4 1023 n/cm2; por lo tanto, el lmite correspondiente a la maxima irradiacionpodra obligar a una reduccion en el quemado planeado.

6.5. Aspectos relacionados con la pureza del plomo

Es necesario el conocimiento y manejo de propiedades de solubilidad y difusividad del oxgenoy de ciertos elementos metalicos en el plomo lquido, pues sob necesarias para el desarrollo deestrategias implicadas en ciertos aspectos, tales como:

Prevencion de la oxidacion del refrigerante

Diseno e ingeniera de sistemas de purificacion del refrigerante

Desarrollo de estrategias para prevenir la corrosion en los aceros, atendiendo a los criteriosanteriormente mencionados

Tal y como se ha podido comprobar en los parrafos anteriores, vemos que existen multiplesestrategias para poder solucionar aquellas cuestiones que puedan mostrar matices desfavorables,haciendo as del reactor refrigerado por plomo, una firme apuesta entre los demas reactoresavanzados.

7. Analisis economico del ELFR

El factor economico representa un problema creciente por diversos motivos, tales como lamejora de los sistemas de seguridad, los retrasos en los plazos de construccion, la falta de inver-sion o la reduccion del consumo electrico en Europa, entre otros.

El foro internacional GIF hace uso de dos modelos de aproximacion con objeto de realizaruna estimacion fiable del coste de las instalaciones de un central nuclear del tipo LFR.

En primer lugar, el modelo bottom-up (de abajo a arriba) parte de la base del reactor paradividirla en sus componentes, aportando mediante costes realistas de estos, la estimacion delcoste total de la instalacion En segundo lugar, el modelo top-down (de arriba abajo), utiliza mo-delos contables desarrollados por el Foro Internacional de la Generacion IV, que estan apoyadosen la experiencia en reactores de la generacion III e informacion acerca de costes preliminaresdel proyecto ELSY.

Es destacable que estos resultados deben tomarse meramente como ordenes de magnitud,dada la enorme incertidumbre al realizar estimaciones acerca del futuro y la alta variabilidad

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8 CONCLUSIONES

temporal de la tecnologa, demanda energetica, etc.

Basicamente, estos dos modelos reducen la central nuclear a un conjunto de componentes,de los cuales, individualmente, es mas facil realizar estimaciones.El Foro Internacional de la Generacion IV ha desarrollado un codigo a partir del cual poderrealizar las estimaciones, y se basa en factores de escala entre los costes de la tecnologa corres-pondiente a la generacion III y los modelos actuales de LWR, y los de un LFR. Esto permiteque dentro de un rango de valores aceptable, se puedan realizar estimaciones de costes en lascentrales LFR.

Resultado de estos modelos, y partiendo de la referencia de una central de generacion III,con seguridad pasiva y 1100 MWe de potencia, cuyo coste de la instalacion ronda los 3200 e/kWe, se obtiene el equivalente para el reactor ELFR de 600 MW de potencia, que supone uncoste de 4083 e/ kWe. Si los dos reactores (reactor de generacion III de referencia y LFR) fuerande 600 MW, el incremento de coste de la instalacion del LFR frente al reactor de generacion IIIascendera a apenas el 10 %.

En los estudios de sensibilidad posteriores a estos modelos, se ha delimitado el rango de costede la instalacion de un reactor LFR, el cual consta de un 20 % de incertidumbre, existiendo unosmargenes de 3600 a 4900 e/ kWe.En la siguiente tabla se presentan los costes de generacion electrica para diferentes contextos:

Costes Optimista(e/kWe)

Pesimista(e/kWe)

Neutro (e/kWe)

Ingeniera, licencia y cons-truccion

3600 4100 4900

Ingeniera, licencia y cons-truccion

4100 5200 6300

Operacion y mantenimiento 81 110 143

Ciclo de combustible 4 8 143

Generacion de energa 22,5 37,5 69

Tabla 3: Fuente: Analisis de costes de los componenetes[21]

Mediante el metodo bottom-up antes mencionado, ENEA ha establecido un precio base alproyecto ALFRED (prototipo experimental de central con vistas a la rentabilidad y estabilidadoperacional) de 915 Me. Lo cual, si se anaden los costes debido a la incertidumbre (estimados enun 43 %, 389.9 Me) y la contingencia debida a modificaciones de los costes, problemas tecnicosy comerciales imprevistos, etc., de alrededor del 30 % del precio base, 275.1 Me, resulta en unalto precio de la instalacion, 1580 Me, siendo la mejor de las estimaciones de 1305 Me.

8. Conclusiones

Debido a la necesidad de desarrollar una tecnologa capaz de suministrar las necesidadesfuturas de energa, y debido a todas las caractersticas descritas, el LFR sera probablemente unbuen candidato como reactor rapido del futuro.

Es un reactor aun en fase experimental, pero se han realizado grandes avances en los ultimosanos, que junto a los proyectos que se estan llevando a cabo, entre los que se encuentran el

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8 CONCLUSIONES

ALFRED, ELSY, BREST o el ELFR, parecen demostrar su viabilidad y fiabilidad como reac-tor de potencia. Por otro lado, este reactor cumple con todos los requisitos impuestos por el GIF.

Como se ha visto, el plomo puede presentar ciertos puntos que suponen desafos tecnologicos,entre los que podramos destacar el aspecto corrosivo del refrigerante; si bien, existen estrategiaspara poder hacer frente a tales cuestiones. Aunque con las soluciones planteadas a da de hoy yaes posible un reactor seguro y operativo, el avance tecnico que venimos experimentando, cadavez brinda mas soluciones, como los aceros ODS recientemente desarrollados.

Ademas, el plomo permite la operacion a presion atmosferica, lo que posibilita simplificacio-nes importantes en el diseno del reactor. Sin embargo, no es esta la unica caracterstica inherenteal refrigerante que proporciona beneficios. Debido a su alta densidad no se precisa core-catcher,(se puede asegurar que se reducen las posibilidades de recriticidad en caso de fusion del nucleo)y se reduce la probabilidad de la entrada de gases o vapores al nucleo; su alto punto de ebullicionnos permite mantener un buen coeficiente de transferencia de calor aun en caso de accidente, ya su vez, su alto punto de fusion evita las perdidas masivas de refrigerante en caso de rotura.Esto ultimo, puede contribuir a reducir la cantidad de radiactividad emitida al ambiente en casode rotura del primario.

Las altas temperaturas de trabajo a las que se puede operar, y que se derivan de las ca-ractersticas anteriormente mencionadas, proporcionan altos rendimientos termodinamicos yademas, permitiran una compatibilidad entre la produccion electrica y otros fines, tales co-mo la produccion de hidrogeno. De hecho, tal es la versatilidad de este reactor, que es posibleincluso la modulacion.

Uno de los aspectos mas atractivos frente a otros reactores rapidos, como puede ser el desodio, es el hecho de no reaccionar con el agua o el aire, lo que reduce el riesgo de incendios yexplosiones e implica un diseno de mayor sencillez, al ser prescindible el circuito intermedio.

Aparte de la seguridad debida a las propiedades del refrigerante, el reactor cuenta con nu-merosos sistemas de seguridad, entre los cuales encontramos varios sistemas pasivos, que llevanla planta a un estado seguro, incluso en las peores condiciones. Estos proporcionan la reduc-cion necesaria de temperaturas para que entren en juego los aspectos de seguridad intrnsecaal refrigerante reflejados con anterioridad. En definitiva, la probabilidad de llegar a un acciden-te con graves consecuencias es remota. Ademas el uso de sistemas de seguridad pasivos comoacumuladores, sistemas de inyeccion de seguridad y de condensacion, no solo son beneficiososdesde el punto de vista de seguridad, sino que ademas garantizan un compromiso con el aspectoeconomico. De este modo, costes asociados a los sistemas activos, que requieren varias bombasy generadores electricos externos, se reducen en lo que incumbe a instalaciones, mantenimientoy operacion.

Tampoco debemos olvidar que LFR puede utilizar MOX, haciendo que el ciclo de combus-tible sea cerrado y por tanto, podamos disminuir la cantidad de residuos radiactivos.

En cuanto a la parte economica, el reactor tiene un coste de inversion razonable. Esto esdebido, tal y como se ha ido esbozando, a la simplicidad del diseno del reactor, en la que juegaun papel fundamental la ausencia de un sistema de refrigeracion intermedia. Ademas, todos suscomponentes internos son moviles, lo que facilita labores de reparacion .El aspecto de ser unainversion segura y equiparable a otras energas resulta fundamental, pues, por muchas que seanlas ventajas de un reactor, ha de ser economicamente viable.

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IntroduccinCaractersticas del refrigerantePlomoPlomo-BismutoEleccin entre plomo y plomo-bismuto

Integrantes del circuito primarioVasija del reactorVasija interna del reactorNcleo del reactorElementos CombustiblesPastillas de Combustible

Generadores de vapor (GV)Bombas de refrigeracin del reactor

Sistemas de seguridadSistemas de extraccin de calor residual [DHR]Sistemas de control y paradaAccidentes base de diseo

Sistema secundarioAspectos a mejorarAspectos relacionados con la corrosinAspectos relacionados con la alta densidad del plomoAspectos relacionados con el alto punto de fusin del plomoAspectos relacionados con el espectro neutrnicoAspectos relacionados con la pureza del plomo

Anlisis econmico del ELFRConclusiones