¿Qué es el reactor de agua supercrítico? – SCWR – Definición

Reactor de agua supercrítico – SCWR

El reactor de agua supercrítico (SCWR) es un concepto de reactor de Generación IV, que funciona a presión supercrítica (es decir, superior a 22,1 MPa). El término supercrítico en este contexto se refiere al punto termodinámico crítico del agua (T _CR = 374 ° C; p _CR = 22.1 MPa), y no debe confundirse con la criticidad del núcleo del reactor , que describe los cambios en la población de neutrones en El núcleo del reactor .

El reactor de agua supercrítico puede funcionar como un reactor térmico o como un reactor de neutrones rápidos , dependiendo del diseño del núcleo. El concepto del reactor de agua supercrítico puede basarse en recipientes a presión clásicos como en PWR comerciales o en tubos de presión como en reactores CANDU. El diseño de los recipientes a presión de los reactores de agua supercríticos se desarrolla principalmente en la UE, EE. UU., Japón, Corea y China, mientras que el diseño del canal de presión se desarrolla principalmente en Canadá y Rusia. El diseño del recipiente a presión permite utilizar un diseño tradicional de circuito de alta presión. El diseño del canal de presión permite las características clave del accidente pasivo y la eliminación del calor de descomposición por radiación y convección de los canales distribuidos, incluso sin enfriamiento activo y fusión del combustible, y el uso de flujos de reactor de múltiples pasos que hacen posible el recalentamiento y el sobrecalentamiento.

Para los diseños de recipientes a presión y tubos de presión, se ha previsto un ciclo de vapor único, omitiendo cualquier recirculación de refrigerante dentro del reactor. Es similar a los reactores de agua hirviendo , el vapor se suministrará directamente a la turbina de vapor y el agua de alimentación del ciclo de vapor se devolverá al núcleo.

Así como el reactor de agua supercrítica puede usar agua ligera o agua pesada como moderador de neutrones . Como puede verse, hay muchos diseños de SCWR, pero todos los SCWR tienen una característica clave, que es el uso de agua más allá del punto crítico termodinámico como refrigerante primario. Dado que esta característica permite aumentar la temperatura máxima , los reactores de agua supercríticos se consideran un avance prometedor para las centrales nucleares debido a su alta eficiencia térmica (~ 45% frente a ~ 33% para los LWR actuales).

Ventajas y desafíos de los SCWR

Como se puede deducir de su nombre, la característica clave del SCWR es el uso de agua más allá del punto crítico termodinámico (T _CR = 374 ° C; p _CR = 22.1 MPa) como refrigerante primario. Los diseños SCWR tienen características únicas que ofrecen muchas ventajas en comparación con los reactores de agua ligera (LWR) actuales.

• Alta eficiencia térmica. Dado que los SCWR suministran vapor supercrítico a presiones y temperaturas, que son mucho más altas que en los LWR convencionales, alcanzarán una mayor eficiencia termodinámica de la central eléctrica (~ 45% frente a ~ 33% para los LWR actuales).
• Caudal másico de refrigerante más bajo.  El caudal de refrigerante del reactor de SCWR es mucho más pequeño que el de BWR y PWR porque el aumento de entalpía en el núcleo es mucho mayor , lo que da como resultado componentes de baja capacidad del sistema primario. Por lo tanto, las bombas de refrigerante, las tuberías y otros equipos de soporte se vuelven más pequeños. Además, las únicas bombas que accionan el refrigerante en condiciones normales de funcionamiento son las bombas de agua de alimentación y las bombas de extracción de condensado.
• La mayor entalpía de vapor permite disminuir el tamaño del sistema de turbina y, por lo tanto, reducir los costos de capital de la isla convencional.
• Inventario de refrigerante más pequeño. El inventario de refrigerante es más pequeño, lo que reduce el tamaño de la contención con piscinas de supresión de presión.
• Dado que el agua supercrítica no sufre un cambio de fase y existe en una sola fase termodinámica, no puede ocurrir la crisis de ebullición (es decir, desviación del punto de ebullición del nucleado – DNB o secado ) .
• Con un ciclo directo de refrigerante supercrítico, los componentes como secadores de vapor, separadores y generadores de vapor se omiten por completo, lo que reduce el número de componentes principales y elimina los costos asociados.
• Muchos de los componentes (p. Ej., La turbina) se desarrollan fácilmente y están disponibles en plantas de energía a base de combustibles fósiles supercríticos.

Se espera que la combinación de tecnología avanzada de reactor refrigerado por agua y tecnología fósil supercrítica avanzada dé como resultado un concepto de reactor que pueda usarse para generar electricidad de carga base de manera muy económica y eficiente. Esta característica también hace que el SCWR sea un concepto muy atractivo para las empresas de servicios públicos, especialmente aquellos que tienen experiencia con reactores refrigerados por agua y plantas fósiles supercríticas.

Por otro lado, deben resolverse numerosos desafíos antes de que se puedan construir las primeras centrales eléctricas de este tipo:

• Los materiales de revestimiento tienen que soportar temperaturas más altas (600-650 ° C en condiciones normales de funcionamiento) que en los LWR actuales.
• Los fenómenos de transferencia de calor de la superficie del revestimiento al fluido supercrítico deben entenderse a fondo. Especialmente en el caso de transitorios internos con despresurización de condiciones supercríticas a subcríticas.
• Debido al menor inventario de refrigerante, el secado del núcleo progresa más rápido en caso de un accidente por pérdida de refrigerante (LOCA).

Características de los SCWR

Los SCWR funcionan a presiones superiores a la presión crítica, las propiedades del agua en el reactor cambian gradualmente y de forma continua de las que normalmente asociamos con un líquido (alta densidad, pequeña compresibilidad) a las de un gas (baja densidad, gran compresibilidad) sin cambio de fase. . No hay cambio en la fase del agua en el núcleo. Por otro lado, las propiedades físicas como la densidad, el calor específico, la entalpía específica experimentan cambios significativos, especialmente en el rango de temperatura de la región pseudocrítica (para 25 MPa entre 372 ° C y 392 ° C). Por ejemplo,

• la densidad del agua supercrítica en la entrada y en la salida es de aproximadamente 777 kg / m ³  (para 25MPa y 280 ° C) y 90 kg / m ³ (para 25MPa y 500 ° C),
• La entalpía específica del agua supercrítica en la entrada y en la salida es de aproximadamente 1230 kJ / kg (para 25MPa y 280 ° C) y 3165 kJ / kg (para 25MPa y 500 ° C)

Desde el punto de vista de la neutrónica, la densidad del agua es el factor más importante. Hay un cambio significativo en el espectro de neutrones , que cambia con la coordenada axial del núcleo. Es causada por la mayor moderación en lugares con mayor densidad. Por esta razón, un cálculo acoplado de neutrónica – hidráulica térmica es inevitable para obtener la distribución del flujo de neutrones dentro del núcleo. En cada reactor nuclear , existe una proporcionalidad directa entre el flujo de neutrones y la potencia térmica del reactor .

Dado que el refrigerante (moderador) sufre un cambio significativo en la densidad, el SCWR también puede diseñarse como un reactor de neutrones rápido. Esta propiedad depende de cierto diseño del reactor.