Qué es la entalpía – Combustible nuclear – Definición

Entalpía de combustible nuclear – Criterios de aceptación

Como se escribió, la entalpía es uno de los potenciales termodinámicos y representa una medida de energía en un sistema termodinámico.

La entalpía  es una cantidad extensa, depende del tamaño del sistema o de la cantidad de sustancia que contiene.

H = U + pV

La entalpía del combustible nuclear también se utiliza como criterio de aceptación en tipos muy específicos de accidentes, conocidos como accidentes iniciados por reactividad  (RIA), como los accidentes de eyección de varillas. Los RIA consisten en accidentes postulados que implican una inserción repentina y rápida de reactividad positiva. Como resultado de una rápida excursión de potencia, las temperaturas del combustible aumentan rápidamente, lo que provoca la expansión térmica de los pellets de combustible. La excursión de potencia se mitiga inicialmente por el coeficiente de temperatura del combustible (o retroalimentación Doppler), que será  la primera  retroalimentación, que compensará la reactividad positiva insertada.

En estos accidentes, la deposición rápida y grande de energía en el combustible puede provocar la fusión, la fragmentación y la dispersión del combustible. La acción mecánica asociada con la dispersión de combustible puede ser suficiente para destruir el revestimiento y la geometría del haz de barras del combustible y producir pulsos de presión en el sistema primario. La expulsión de combustible caliente al agua tiene el potencial de causar una rápida generación de vapor y estos pulsos de presión, lo que podría dañar los conjuntos de combustible cercanos. Se utilizan límites en la entalpía de combustible específica, ya que las pruebas experimentales muestran que el grado de daño de la barra de combustible se correlaciona bien con el valor máximo de la entalpía específica de pastillas de combustible.

Los criterios de aceptación regulatoria varían según el país y el tipo de reactor, pero generalmente hay dos tipos de límites de entalpía de combustible:

1. CRITERIOS BÁSICOS DE COOLABILIDAD . La reducción de la capacidad de enfriamiento puede resultar de la expulsión violenta de combustible, lo que podría dañar los conjuntos de combustible cercanos. En el pasado, se revisaron los criterios de refrigeración del núcleo para abordar específicamente los fenómenos a corto plazo (p. Ej., Interacción de combustible a refrigerante, explosión de la barra) y a largo plazo (p. Ej., Globo de la barra de combustible, bloqueo del flujo) que desafían la geometría y el reactor refrigerables. Integridad del límite de presión. Un límite definido para el daño del núcleo, que no debe superarse en ninguna posición en ninguna barra de combustible en el núcleo. De acuerdo con el Apéndice B del Plan de Revisión Estándar, Sección 4.2, estos criterios son, por ejemplo:
   1. La entalpía media radial máxima del combustible debe permanecer por debajo de 230 cal / g. Por encima de esta entalpía, las partículas de combustible caliente pueden ser expulsadas de una barra de combustible.
   2. La temperatura máxima del combustible debe permanecer por debajo de las condiciones incipientes de fusión del combustible.
2. CRITERIOS DE FALLA DE RECUBRIMIENTO DE COMBUSTIBLE . Un umbral de falla de la barra de combustible, que define si una barra de combustible debe considerarse como fallida o no en los cálculos de liberación radiactiva (término fuente). De acuerdo con el Apéndice B del Plan de Revisión Estándar, las barras de combustible de la Sección 4.2 pueden fallar por varios mecanismos de daño:
   1. El criterio de falla de temperatura de revestimiento alta para condiciones de potencia cero es una entalpía de combustible promedio radial máxima de 170 cal / g para barras de combustible con una presión interna de barra en o por debajo de la presión del sistema y 150 cal / g para barras de combustible con una presión interna de barra superior a presión del sistema
   2. El criterio de falla de PCMI es un cambio en la entalpía de combustible promedio radial mayor que el límite dependiente de corrosión descrito en el Apéndice B del Plan de Revisión Estándar, Sección 4.2.

Como se puede ver, la entalpía específica del combustible, es decir, la entalpía por unidad de masa del material de pastillas de combustible, es por lo tanto un parámetro fundamental en las discusiones sobre accidentes iniciados por reactividad. La falla del revestimiento de combustible puede ocurrir casi instantáneamente durante el aumento rápido de la entalpía del combustible (debido a PCMI) o puede ocurrir a medida que aumenta la entalpía total del combustible (rápido + retrasado), el flujo de calor y la temperatura del revestimiento. Con el propósito de calcular la entalpía de combustible para evaluar las fallas de PCMI, el aumento rápido de la entalpía del combustible se define como el aumento promedio radial de la entalpía del combustible en el momento correspondiente a un ancho de pulso después del pico del pulso rápido. Para evaluar las fallas de alta temperatura del revestimiento, se debe usar la entalpía de combustible promedio radial total (pronta + retardada).

Referencia especial: US NRC. Plan de revisión estándar – NUREG-0800. 4.2 DISEÑO DEL SISTEMA DE COMBUSTIBLE. Revisión 3 – Marzo de 2007.

Referencia especial: Informe de última generación de la Agencia de Energía Nuclear de la OCDE, “Comportamiento del combustible nuclear en condiciones RIA”, 2010.

Referencia especial: Peter Rudling, Lars Olof Jernkvist. Comportamiento de combustible nuclear en condiciones RIA. Advanced Nuclear Technology International, 12/2016.

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