Sobre la mejora del combustible nuclear

Un elemento clave en el sistema de producción de energía nuclear es el combustible nuclear. El mismo producto costoso de alta tecnología, en cuya creación cientos de ingenieros han estado trabajando durante los últimos 50 años. Sin embargo, los accidentes graves, por ejemplo, en las plantas de energía nuclear Three Mile Island y Fukushima-Daiichi, mostraron que en condiciones extremas, es probable que el combustible nuclear falle y el accidente tendrá consecuencias significativas.

Reconociendo que los diseños actuales de combustible son vulnerables a accidentes graves, el renovado interés en los proyectos de combustibles alternativos será más resistente a las fallas y la producción de hidrógeno, como el factor principal que conduce a esta falla. Tales nuevos diseños de combustible deben ser compatibles con los sistemas de combustible y reactores existentes y cumplir con todos los requisitos reglamentarios de la energía nuclear moderna.

Un poco a las raíces y al estado actual de las cosas

Alrededor de 400 plantas de energía nuclear que operan en todo el mundo, que proporcionan más de 1/10 de la generación de electricidad en el planeta, consumen menos combustible (por peso) durante todo el año que una de las plantas de energía de carbón más grandes en un día.

Tales estadísticas generalizadas para comprender la intensidad energética del combustible nuclear.

El combustible nuclear actual o el conjunto de combustible (FA) para la mayoría de las plantas de energía nuclear es un producto de construcción de máquinas, que es un montón de capas cilíndricas de circonio (barras de combustible) llenas de pellets de uranio enriquecido y gas a presión. Este paquete se combina en un diseño único con rejillas espaciadoras tipo "panal" montadas en una tubería central.


Control de entrada de conjuntos de combustible de diseño occidental en centrales nucleares

Se cree que el circonio como la carcasa del elemento combustible fue propuesto por primera vez por el almirante Hyman Rickover en junio de 1946, para el programa del reactor de transporte de la Marina de los EE. UU. Este material tiene las propiedades deseadas y ha demostrado su eficacia durante mucho tiempo.

Como material de las tabletas, el óxido de metales pesados ​​se usa comúnmente. Por lo general, es dióxido de uranio, con mucha menos frecuencia, una mezcla de uranio y óxidos de plutonio. El uranio con un contenido de isótopos de 235U que no excede el 5% se usa en reactores de potencia modernos, incluida la composición de isótopos de uranio natural (~ 0.71%) o ligeramente enriquecido.

Mientras se mantenían estas características comunes durante las últimas décadas, ha habido un cambio gradual en las características estructurales "secundarias" de los conjuntos de combustible. Esto mejoró las propiedades de consumo del combustible, su fiabilidad y seguridad, proporcionando una ventaja competitiva tangible con versiones anteriores de conjuntos de combustible.

Aquí hay algunos de ellos:

1. Aumento del nivel de enriquecimiento: en la década de 1970 apenas superaba el 3%, mientras que hoy el enriquecimiento máximo para los reactores de agua ligera se acerca al 5%. Junto con un aumento en el nivel de enriquecimiento, se perfila en el núcleo del reactor, hasta las diferencias entre las partes de la tableta en el combustible prometedor.
2. Aumento de la carga de uranio en masa. Este cambio se produjo principalmente debido a un cambio en la geometría de los elementos combustibles y las partes estructurales del conjunto de combustible. Por ejemplo, para los reactores VVER, la longitud de la parte de "combustible" del conjunto aumentó - aproximadamente 15 cm. Para los reactores de diseño occidental, el número de barras de combustible en un conjunto de forma cuadrada cambió con el tiempo: fue 15x15, se convirtió en 17x17.
3. Cambios significativos en las aleaciones de circonio. Un ejemplo sorprendente de la modernización de los materiales de la carcasa es la introducción generalizada de niobio como uno de los principales elementos de aleación. A diferencia de las aleaciones comunes en el pasado, en las que el niobio estaba ausente o contenido en pequeñas cantidades (Zircaloy 4, Zircaloy 2), los materiales que contenían aproximadamente 1% de niobio se volvieron dominantes. Esto se aplica, por ejemplo, a las aleaciones de la marca Westinghouse (Zirlo, Zirlo mejorado, AXIOM), Framatome / Areva (M5, aleaciones Q) y Rosatom (aleaciones E110, E635). Además, en una serie de aleaciones de circonio, se redujeron o eliminaron componentes como el estaño, el níquel y el cromo. Tecnología mejorada para minimizar el contenido de hafnio en la aleación de circonio.
4. Mejora integral de los diseños de ensamblaje de combustible. Durante el desarrollo, se excluyeron algunos elementos de diseño de los conjuntos (carcasas y cubiertas de conjuntos de combustible). Hubo soluciones que aumentaron la resistencia del conjunto de combustible, su resistencia a la deformación, soluciones que proporcionan integridad adicional de la barra de combustible (introducción de filtros anti-residuos) y satisfacen nuevos requisitos reglamentarios, por ejemplo, a la resistencia a los terremotos. El diseño de los conjuntos de combustible se hizo plegable, permitiendo así el reemplazo de elementos de combustible individuales y la operación continua.

No todos se enumeran anteriormente, sino más bien los cambios más básicos en el diseño del combustible que se han producido desde la fabricación de los primeros conjuntos de combustible.

Escollo

Del primer párrafo se puede adivinar que los conjuntos de combustible actuales ya han logrado alcanzar los indicadores de límite de eficiencia y seguridad durante un largo tiempo de desarrollo, pero al menos dos factores ahora obligan a los diseñadores a continuar mejorando aún más el combustible nuclear.

Teniendo en cuenta la enorme liberación de potencia específica de la zona activa de un reactor de agua ligera ~ 150 W / cm3, combinada con la posibilidad de introducir reactividad positiva o pérdida de enfriamiento en este complejo sistema, los ingenieros que diseñaron los reactores desde el principio entendieron la importancia de diseñar sistemas de seguridad.

Para desarrollar una estrategia de mitigación de accidentes, se tomaron dos tipos de eventos como base para diseñar sistemas de seguridad: eventos basados ​​en un accidente de inserción de reactividad positiva (RIA ) y eventos basados ​​en la pérdida de pérdida de refrigerante. (LOCA) ). Los sistemas de seguridad básicos se han diseñado específicamente para responder a estos eventos de diseño.

Pero la experiencia de accidentes como las plantas de energía nuclear Three Mile Island y Fukushima-Daiichi demostró que con múltiples fallas y eventos iniciadores superpuestos, los sistemas de seguridad activos no pueden hacer frente a las funciones que se les asignan, en particular la eliminación del calor residual de los conjuntos de combustible ubicados en el núcleo .

La ecuación de transferencia de calor en su forma simple explica bien lo que está sucediendo en un reactor nuclear durante el desarrollo de un accidente con pérdida de disipador de calor:



El lado izquierdo de la ecuación describe el cambio de temperatura ( T ) con el tiempo ( t ); Este cambio también está determinado por la capacidad calorífica de los materiales en el núcleo ( pSr ). El primer término en el lado derecho en el caso general representa, de forma simplificada, los procesos de transferencia de calor (conducción, convección y radiación) para eliminar el calor del núcleo. El segundo término es la cantidad de calor generado en el núcleo ( Q ).

Durante los eventos antes mencionados, se viola el modo de enfriamiento de la zona activa, el primer término del lado derecho se vuelve numéricamente más pequeño y el calor Q causa gradualmente un aumento de la temperatura. Desde el momento en que el núcleo del reactor se expone parcial o completamente (el nivel del agua cae, el agua se reemplaza por vapor), la eficiencia de eliminación de calor del núcleo disminuye bruscamente, la temperatura de las barras de combustible continúa aumentando, lo que sirve como el comienzo de la degradación química y física de las barras de combustible. La degradación física del revestimiento de la barra de combustible comienza a temperaturas (700-1000 ° C) y provoca hinchazón y ruptura de los depósitos.

La degradación química se expresa principalmente a través de la oxidación con vapor de circonio. El factor clave es la exotermia de esta reacción. Y, por supuesto, el producto de esta reacción es hidrógeno explosivo. Por ejemplo, ~ 125 kg de circonio en cada conjunto de combustible de un reactor a presión produce aproximadamente 820 MJ de calor y más de 2700 mol de hidrógeno gaseoso en reacción con vapor.

Dependiendo del diseño del reactor de agua ligera, alrededor de 25-40 toneladas de circonio están presentes en el núcleo, con la oxidación completa de la cual se generará una gran cantidad de calor, además de la liberación de energía residual (en el mejor de los casos) del combustible.


El valor de la potencia térmica del sistema en función del tiempo de parada del reactor, teniendo en cuenta la reacción exotérmica de la oxidación del circonio.

El hidrógeno generado, a su vez, no se acumulará pacíficamente y, sin el funcionamiento adecuado de los sistemas para su eliminación, provocará una explosión o incendio a gran escala, mientras que el núcleo puede derretir el recipiente y absorber el hormigón del compartimento del reactor.

Concepto de combustible resistente a accidentes.

El escenario apocalíptico descrito anteriormente básicamente repite los eventos en la central nuclear de Fukushima en 2011. Este evento condujo a la revisión de una serie de normas de seguridad nuclear, especialmente las relacionadas con el diseño serio y los accidentes más allá de la base del diseño (con un bloqueo total de la instalación del reactor y la pérdida de refrigerante). En particular, gracias a este accidente, la competencia de las centrales nucleares con otras fuentes de energía se ha intensificado en muchas regiones del mundo, lo que aumenta significativamente los requisitos para la economía de las centrales nucleares y su seguridad (con un rendimiento económico igual o a veces perdido de los proyectos, los inversores pueden preferir fuentes de energía no nucleares).

Este factor aumenta significativamente los requisitos para todos los elementos de producción de electricidad en las centrales nucleares, especialmente el combustible nuclear. En la década actual, se ha intensificado el trabajo para crear un combustible fundamentalmente nuevo que pueda soportar accidentes graves mientras mantiene o mejora el rendimiento económico y la seguridad durante el funcionamiento normal. Muchos desarrollos de este tipo se han denominado colectivamente Combustible Tolerante a Accidentes (ATF) , un combustible con mayor resistencia a accidentes.

La filosofía de los cambios en el diseño de los conjuntos de combustible se basa en la sustitución de materiales de los componentes principales del combustible nuclear, principalmente depósitos de elementos combustibles y pastillas de combustible, con materiales que serán más resistentes a los procesos que ocurren en el momento del accidente.

TVEL shell

El enfoque principal al elegir los elementos combustibles para los elementos combustibles de una barra de combustible para combustible ATF es la necesidad de eliminar o reducir el grado de reacción vapor-circonio y, como consecuencia, la liberación de calor adicional e hidrógeno. Una solución rápida y obvia es aplicar una capa protectora a la superficie de la cubierta de circonio. Los revestimientos finos en la cubierta de circonio deberían tener un efecto mínimo sobre las características físicas térmicas y de neutrones del combustible. Los científicos han descubierto que el cromo, el aluminio y el silicio tienen buena resistencia a la oxidación del vapor a altas temperaturas. Estas impurezas demuestran estabilidad en un medio de vapor a alta temperatura, a pesar de que pueden reaccionar de alguna manera con el vapor.


Velocidad de oxidación parabólica para varios materiales en pares dependiendo de la temperatura.

Como se puede ver en el gráfico, la velocidad de oxidación de estos materiales, que se forman y, en consecuencia, están protegidos por sus películas de óxido, es dos órdenes de magnitud menor que la velocidad de oxidación del circonio. Una disminución en la velocidad de oxidación del vapor afecta directamente la velocidad del calor y la evolución del hidrógeno durante la LOCA severa en el núcleo del reactor.

El recubrimiento de las carcasas de TVEL con cromo metálico ahora se considera la tecnología más prometedora para un mayor desarrollo. Los revestimientos TVEL sin el uso de circonio también se consideran prometedores, por ejemplo, materiales FeCrAl y SiC / SiC.


Prueba de la cubierta de silicio de combustible EnCore (Westinghouse) a temperaturas superiores a 1300ºC

Pilas de combustible

La segunda dirección más importante en el desarrollo del combustible ATF es la selección y justificación del material de la matriz de combustible, que tendrá una mejor conductividad térmica en comparación con la cerámica clásica. Esto, a su vez, requiere resolver una serie de problemas emergentes: evitar reacciones químicas de la carcasa y el combustible, hinchazón y daños a la carcasa por el combustible, localización de productos de fisión, etc.

El Instituto de Energía Atómica de Corea del Sur (KAERI) está trabajando en la creación de tabletas de microelementos (microcelda) para aumentar la capacidad de retención de los productos de fisión y una mejor conductividad térmica en comparación con las tabletas convencionales de dióxido de uranio.


Concepto de píldora de combustible de microelemento

La figura muestra una ilustración conceptual donde se puede ver que los granos o gránulos de UO2 están rodeados por una pared delgada. La tarea principal de crear tales tabletas es reducir la producción de productos de fisión de las tabletas. La capacidad mejorada para retener los productos de fisión reduce el agrietamiento por corrosión bajo tensión en el interior de una barra de combustible causada por el yodo y el cesio.

Se espera que esto pueda afectar positivamente la resistencia de las barras de combustible. Además, la estructura de microelementos evitará la fragmentación masiva de la tableta durante un accidente, proporcionando así una retención adicional de los productos de fisión radiactiva.

La conductividad térmica de tales tabletas puede mejorarse agregando materiales con un alto coeficiente de conductividad térmica, por ejemplo, utilizando metales en forma de una pared de un elemento.


Estructura típica de oligoelementos con metal

Este cambio reducirá la temperatura en el centro de la tableta en condiciones normales y de emergencia de operación de los elementos combustibles.

Para comprender cómo se implementan las innovaciones anteriores en la práctica, daré el siguiente ejemplo. Westinghouse crea un combustible tolerante bajo la marca EnCore, que es una tableta de siliciuro de uranio U3Si2, inicialmente encerrada (en la primera etapa de este programa) en una carcasa hecha de aleación de circonio cromado Zirlo.

Se espera que el combustible de siliciuro de uranio supere el dióxido tradicional en más de 5 veces en conductividad térmica y en ~ 1/5 en densidad, y la absorción de neutrones por la cubierta de carburo de silicio debería ser ~ 1/4 menos que en aleaciones de circonio.

Debido a los dos últimos parámetros, la compañía tiene la intención de mantener el enriquecimiento de EnCore dentro del 5%, lo que facilitará su promoción en el mercado. En 2018, Westinghouse planea lanzar la producción piloto de barras de combustible en una carcasa de circonio cromado, en 2019, para comenzar a probarlas como parte de los ensambles de combustible estándar en Byron NPP en los EE. UU.

Resumen

Los cambios descritos anteriormente son parte de los proyectos reales que se están implementando ahora. Quizás en el futuro seremos testigos de la introducción de soluciones más exóticas .

Hasta ahora, solo vale la pena señalar que la aparición en el mercado de proyectos económicamente viables y nuevos, desde el punto de vista de la seguridad, ayudará a fortalecer la posición de la energía nuclear en el mundo.

Autor: Yatsenko Mikhail.

Fuentes:

1. Kurt A. Terrani "Desarrollo de revestimiento de combustible tolerante a accidentes: promesa, estado y
   desafíos ";
2. IAEA-TECDOC-1797 "Conceptos de combustible tolerante a accidentes
   para reactores de agua ligera ";
3. Materiales de la revista "Atomic Expert" No. 3, mayo de 2018.