Fundamentos de Reactores y Centrales Nucleares

Tema 4 Concepto de Moderador, Refrigerante y Reflector

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Concepto de Moderador, Refrigerante y Moderador Contenido del Tema 4.1 Introducción 4.2 Moderador. Función del moderador. 4.3 Reflector. Función del reflector. 4.4 Refrigerantes para centrales nucleares. 4.5 Tipos de refrigerantes. 4.6 Ventajas y desventajas de los diferentes tipos de refrigerantes. 4.7 Diferentes tipos de circuitos de refrigerante.

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Concepto de Moderador, Refrigerante y Moderador Objetivos del Tema 1.

Objetivos del tema.

2.

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

3.

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

4.

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

5.

Definir los siguientes términos y conceptos: a.

Refrigerante.

b.

Moderador.

c.

Reflector.

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Concepto de Moderador, Refrigerante y Moderador 4.1 Introducción 

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



En este capitulo se introducen algunas de las características generales deseadas acerca de un refrigerante de reactor y se describen los procesos reales de transferencia de calor, desde los elementos combustibles hasta el refrigerante primario, y de este al sistema de generación de vapor.



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

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Concepto de Moderador, Refrigerante y Moderador 4.2 Características Generales de un Refrigerante 

Los rasgos generales que hacen a un fluido particular (gas o liquido) de utilidad como refrigerante para un reactor nuclear son los siguientes siguientes:: 1.

Calor especifico elevado.

2.

Elevadas tasas de transferencia de calor.

3.

Buenas propiedades nucleares.

4.

Estado de fase bien definida.

5.

Costo y disponibilidad.

6.

Compatibilidad.

7.

Facilidad de bombeo.

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Concepto de Moderador, Refrigerante y Moderador 4.2 Características Generales de un Refrigerante (cont. 1) 

Ningún fluido en la práctica cumple con estos requisitos.



Todos los refrigerantes tienen una o más desventajas.



Las características termodinámicas y de transferencia de calor de un refrigerante pueden compararse convenientemente utilizando un parámetro llamado coeficiente de mérito, que se deduce de los procesos de transferencia de calor y de la potencia de bombeo necesaria.



El coeficiente de mérito F se define como:

C P2.8  2 F  0.2 donde: CP es el calor específico,  es la densidad del fluido (en kg/m3), y  la viscosidad.

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Concepto de Moderador, Refrigerante y Moderador 4.2 Características Generales de un Refrigerante (cont. 2) 

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



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



En términos de este índice, el agua ordinaria resulta sobresaliente. Sin embargo, tiene tres desventajas principales: punto de ebullición bajobajo- que requiere operación a alta presión a fin de lograr una eficiencia termodinámica moderadamoderada-, absorción de neutrones y propiedades corrosivas.



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

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Concepto de Moderador, Refrigerante y Moderador 4.2 Características Generales de un Refrigerante (cont. 3)

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Concepto de Moderador, Refrigerante y Moderador 4.2.2 Algunos Aspectos de Transferencia de Calor en el Núcleo 

Al describir los procesos de transmisión térmica, es común definir la densidad de flujo de calor q a través de una superficie, o sea, la tasa de paso de energía térmica por unidad de área y por unidad de tiempo, y tiene como unidad el joule por metro cuadrado y por segundo (J/m2 . s), o bien el watt por metro cuadrado (W/m2).



Un flujo de calor generalmente se relaciona con una diferencia de temperatura (o potencial termino) T por la ecuación:

q  K h T donde Kh es una constante de proporcionalidad denominada coeficiente de transferencia de calor. La cantidad T es la diferencia entre la temperatura en la superficie del elemento combustible Ts y la temperatura del refrigerante Tf.

T  Ts  T f 9 de 94

Concepto de Moderador, Refrigerante y Moderador 4.2.2 Algunos Aspectos de Transferencia de Calor en el Núcleo

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Concepto de Moderador, Refrigerante y Moderador 4.2.2 Algunos Aspectos de Transferencia de Calor en el Núcleo 



Los procesos de transferencia de calor en un reactor deben diseñarse para impedir que el sistema exceda dos límites térmicos principales: 1.

Temperatura máxima del combustible (2750 °C).

2.

Temperatura máxima de la envoltura (1200 °C).

Las temperaturas de la envoltura (máximas) típicas para la operación continua estable de diversos sistemas de reactor son las siguientes:

Envoltura Envoltura Envoltura Envoltura Envoltura

de de de de de

magnesio (magnox) acero inoxidable AGR reactor de agua a presión reactor de agua en ebullición reactor rápido

450 750 320 320 750

°C °C °C °C °C

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Concepto de Moderador, Refrigerante y Moderador 4.3 Reflector. Función del Reflector 

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



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

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Concepto de Moderador, Refrigerante y Moderador 4.4 Refrigerantes para Centrales Nucleares 



Se ha considerado una amplia variedad de gases como refrigerantes para reactores nucleares. 1.

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

2.

Dióxido de carbono (empleado en el AGR).

3.

Helio (empleado en el reactor HTR).

4.

Vapor de agua.

5.

Óxidos de nitrógeno (empleado en reactor rápido de la exexURSS).

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

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Concepto de Moderador, Refrigerante y Moderador 4.5 Tipos de Refrigerantes 

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



A diferencia de los medios líquidos, no están sujetos a cambios de fase, con los complicados problemas resultantes de flujos bifásicos durante las condiciones de operación anormal.



Sin embargo, tienen el inconveniente de una baja capacidad térmica y bajos coeficientes de transferencia de calor, y esto último hace necesaria la intensificación de ésta, o bajas temperaturas de operación.



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

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Concepto de Moderador, Refrigerante y Moderador 4.5 Tipos de Refrigerantes (cont. 1) 

Refrigerantes gaseosos. 1.

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

2.

Dióxido de carbono (empleado en el AGR).

3.

Helio (empleado en el reactor HTR).

4.

Vapor de agua.

5.

Óxidos de nitrógeno (empleado en reactor rápido de la exexURSS).

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Concepto de Moderador, Refrigerante y Moderador 4.5 Tipos de Refrigerantes (cont. 2) 

En contraste con los medios enfriadores gaseosos, los líquidos pueden sufrir un cambio de fase (es decir, a vapor) si su temperatura se eleva lo bastante.



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



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

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Concepto de Moderador, Refrigerante y Moderador 4.5 Tipos de Refrigerantes (cont. 3) 

Refrigerantes líquidos. 1.

Agua ligera.

2.

Agua pesada.

3.

Líquidos orgánicos.

4.

Sales fundidas.

5.

Metales en estado líquido.

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Concepto de Moderador, Refrigerante y Moderador 4.7 Diferentes Tipos de Circuitos de Refrigerante 

Desde el primer reactor nuclear enfriado por aire construido bajo el campo deportivo de la Universidad de Chicago en diciembre de 1942, se ha ideado una asombrosa variedad de reactores nucleares y muchos de ellos vieron la luz y fueron construidos. En todos los casos se incluyó un circuito de refrigeración; los principales componentes de estos sistemas y los circuitos generalmente utilizados en reactores de potencia, se describieron en el Tema 2.



Desde luego, todos los circuitos de refrigeración para los reactores deben incluir el propio núcleo del reactor, un medio para hacer circular el refrigerante a través del núcleo, y un sistema para extraer el calor del medio refrigerante a fin de mantener la continua refrigeración del reactor, y al mismo tiempo (en los reactores de potencia), generar energía útil.

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Concepto de Moderador, Refrigerante y Moderador 4.7 Diferentes Tipos de Circuitos de Refrigerante (cont. 1) 

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



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

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Concepto de Moderador, Refrigerante y Moderador 4.7 Diferentes Tipos de Circuitos de Refrigerante (cont. 2) 

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



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



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

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Concepto de Moderador, Refrigerante y Moderador 4.7 Reactor tipo PWR

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Concepto de Moderador, Refrigerante y Moderador 4.7 Reactor tipo CANDU

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Concepto de Moderador, Refrigerante y Moderador 4.7 Reactor Marino (tipo integral)

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Concepto de Moderador, Refrigerante y Moderador 4.7 Reactor Rápido Enfriado con Metal Líquido

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Concepto de Moderador, Refrigerante y Moderador 4.7 Reactor Rápido Enfriado con Metal Líquido

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