ENFRIAMIENTO PASIVO DE PISCINAS DE COMBUSTIBLE

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1 ENFRIAMIENTO PASIVO DE PISCINAS DE COMBUSTIBLE Julio L. Lerones IBERDROLA INGENIERIA Y CONSTRUCCION Elena Vilches Rodríguez IBERDROLA INGENIERIA Y CONSTRUCCION Antonio Cobos Perabad IBERDROLA INGENIERIA Y CONSTRUCCION Dawid T. Jodlowiec IBERDROLA INGENIERIA Y CONSTRUCCION Sinopsis: El uso de los sistemas pasivos en la industria nuclear ha tomado principal importancia y se hace casi obligatorio después del evento en la CN Fukushima. A parte de ofrecer mayor fiabilidad y seguridad, su aplicación permite reducir el uso de energía, los costes de operación y mantenimiento. El objeto de la ponencia es exponer el desarrollo de un sistema pasivo para la refrigeración del agua de una piscina de almacenamiento temporal de combustible gastado y las perspectivas de la implementación de este tipo de soluciones en las centrales nucleares existentes. El sistema propuesto está formado por lazos redundantes, la mitad de los cuales deberán tener capacidad para evacuar el 100% del calor generado. Los lazos están formados por intercambiadores de calor agua-agua sumergidos en la piscina de combustible, conectados con intercambiadores agua-aire instalados en las torres secas de refrigeración. Aunque el sistema está diseñado para un funcionamiento 100% pasivo, las torres secas dispondrán de un grupo de ventiladores capaces de aumentar el caudal de aire a través de los intercambiadores agua-aire. Dicho sistema auxiliar funcionará en operación normal, manteniendo la temperatura de la piscina por debajo de la temperatura de diseño, durante los meses más calientes. 1. INTRODUCCIÓN El almacenamiento de combustible nuclear gastado es una etapa en el ciclo de combustible nuclear y uno de los mayores retos para los países que operan centrales nucleares. Al termino de la vida útil del combustible (de 3 a 7 años dentro del núcleo del reactor), el combustible es descargado del núcleo y almacenado en las piscinas de combustible gastado de la central, debido a que estas piscinas tienen una capacidad limitada, una vez que el combustible se ha enfriado se llevan a un almacenamiento temporal a la espera de ubicarlo en un almacén definitivo. Se pueden establecer diferentes clasificaciones de los sistemas disponibles para almacenar temporalmente el combustible irradiado, si bien cabe diferenciar dos grandes grupos: el almacenamiento en húmeda (piscinas) y en seca (contenedores, nichos, bóvedas). La elección entre uno u otro está condicionada, además de por factores económicos, estratégicos o de disponibilidad tecnológica, por el tipo y características del combustible gastado.

2 2. ALMACENAMIENTO EN HÚMEDO Un almacén húmedo, independiente de la central nuclear, con una infraestructura propia, consta principalmente del correspondiente edificio, los dispositivos para la recepción y almacenaje de los elementos combustibles así como los sistemas necesarios para el funcionamiento seguro de la refrigeración y la limpieza del agua de la piscina. El combustible gastado se almacena en bastidores o "racks" en el interior de piscinas donde permanecerá almacenado varios años para que se reduzca la generación de calor y decaiga la actividad. El agua de las piscinas cumple por tanto, una doble función: por una parte, sirve de blindaje o barrera para la radiación que emite el combustible gastado y, por otra, para enfriarlo a medida que va decayendo su calor residual.. Los sistemas de refrigeración utilizados hasta ahora, toman el agua de la piscina en la zona superior de la piscina y vuelven a inyectar esta agua en la piscina después de su enfriamiento mediante los cambiadores de calor. Los recientes acontecimientos en Fukushima (Japón) han puesto de manifiesto la relativa fragilidad de los sistemas de seguridad convencionales (sistemas activos). Algunas causas potenciales de fallo en los sistemas activos, la falta de una acción humana o el fallo de suministro de energía, no existen cuando la seguridad pasiva es aplicada. Como consecuencia del accidente de Fukushima, se han propuesto una serie de mejoras en la piscina de combustible gastado en la instrumentación y la capacidad de refrigeración. Una de estas mejoras es la aplicación de sistemas de refrigeración pasivos, por ser sistemas intrínsecamente seguros. 3. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO DE LA PISCINA DE COMBUSTIBLE Las piscinas de combustible gastado suelen ser de hormigón armado, internamente revestido con acero inoxidable. Son estructuras resistentes a terremotos y generalmente presentan forma rectangular. Cuentan con: Sistema de refrigeración, mediante cambiadores de calor, que debe garantizar que la temperatura del agua es la adecuada. Sistemas de purificación y filtrado del agua, cuya misión es mantener la transparencia del agua de la piscina, del canal de transferencia y de la cavidad y extraer las impurezas y sustancias radiactivas que se hayan incorporado en el agua de recarga Sistema de agua de aporte, para garantizar que el combustible esté siempre sumergido. Detectores de fugas, que avisan a la sala de control si se detectan escapes. Sistema de ventilación El sistema de refrigeración de la piscina del combustible gastado debe estar diseñado para extraer el calor residual que es generado como resultado del decaimiento radioactivo (después de un año, el típico combustible nuclear gastado genera aproximadamente 10 kw de calor por

3 decaimiento por tonelada, disminuyendo a aproximadamente 1 kw/t después de 10 años). Esta refrigeración se consigue mediante sistemas activos (bombeo de agua caliente de la piscina mediante un intercambiador de calor, y posteriormente se retorna el agua refrigerada a la piscina) o sistemas pasivos como es el alcance del presente documento. El sistema de refrigeración pasivo que se va a desarrollar se fundamenta en el principio físico del termosifón. El principio físico del Termosifón se usa para mover de forma natural fluidos entre dos focos de calor. El fluido portador al tomar calor del foco caliente disminuye su densidad y por lo tanto sube, al ceder el calor al foco frío aumenta su densidad y baja, produciéndose así el movimiento del fluido portador y trasvasando calor del foco caliente al foco frío. El combustible gastado libera calor, el agua se calienta (disminuye su densidad) y aprovechando la diferencia de densidades con respecto al agua de la superficie de la piscina (más fría y por tanto más pesada), se produce una circulación natural que arrastra al agua caliente hacia arriba donde se sitúan los cambiadores de calor que extraen el calor residual y enfrían el agua. En el intercambiador de calor agua-agua se transfiere el calor residual del combustible gastado a un fluido del circuito secundario (agua). En virtud del principio del termosifón, sube por los tubos hasta un colector situado en la parte superior, conectado a un intercambiador de aguaaire donde se enfría (ver esquema Figura 1) y vuelve al intercambiador una vez enfriado donde comienza otra vez el ciclo Figura 1 Esquema de un sistema de refrigeración de la piscina de almacenamiento de combustible

4 4. DESARROLLO El objeto de los estudios que se están desarrollando es establecer los requerimientos técnicos y de seguridad para el diseño de una opción de refrigeración pasiva, tecnológicamente óptima y viable, para las piscinas de almacenamiento de combustible. La metodología en este análisis se estructura en dos fases: 1) Definición de los componentes principales del sistema así como a establecer las variables/parámetros de diseño y operación del sistema de refrigeración para una piscina de almacenamiento de combustible tipo. 2) Validación del sistema a través de su modelización y simulación mediante herramientas de cálculos termo-hidráulicos Selección de la configuración básica El sistema de refrigeración de la piscina debería diseñarse teniendo en cuenta las siguientes consideraciones: - El sistema deberá diseñarse de forma que asegure la integridad y las propiedades del combustible durante su almacenamiento. Las siguientes funciones fundamentales de seguridad deberían cumplirse en todo momento para evitar los efectos de la radiación sobre el personal de la central y el público en general Mantenimiento de la subcriticidad del combustible; Eliminación del calor residual del combustible irradiado cuando la piscina este completamente llena tanto en operación normal como en caso de fallo/accidente. Deben asegurar que la temperatura del encamisado de combustible permanezca por debajo de los límites establecidos con el fin de limitar la oxidación de las mismas y así evitar su debilitamiento y fragmentación durante el enfriamiento. Confinamiento de las sustancias radiactivas. - El sistema de refrigeración debe estar diseñado para trabajar para un funcionamiento seguro en todos los estados operacionales (operación normal y fallo/accidente) - Ser redundante: dispone de las redundancias para que en el caso de fallo único en un componente pasivo, se asegure la plena capacidad del sistema. - Resistencia frente a acción sísmica (categoría sísmica I). Para tal fin, el sistema de refrigeración propuesto dispone de cuatro lazos de enfriamiento idénticos, de tal forma que con dos lazos en operación se provee de la capacidad de refrigeración del 100%. Cada uno de los lazos cuenta con dos cambiadores de calor agua-agua en serie (localizados entre la cabeza de los racks y la superficie de la piscina) conectados con un circuito de dos cambiadores agua-aire (instalado en una torres seca de refrigeración) y las tuberías, válvulas, instrumentación y controles necesarios para un comportamiento fiable y eficaz del sistema (ver Figura 2). Deberá tenerse en cuenta que en el trazado de tuberías se

5 deberá evitar en lo posible tuberías horizontales o cambios complejos de dirección que impidan el efecto termosifón. Figura 2 Esquema del sistema de refrigeración Una vez desarrollado el sistema se verificará que se ha diseñado de forma que se garantice, con fiabilidad suficiente, que la temperatura del agua no exceda límites adecuados prefijados. Esta verificación se hará a través cálculos termo-hidráulicos dinámicos con un software validado. Los cálculos deberán demostrar que el sistema es capaz de evacuar el calor cuando la piscina contiene todos los elementos combustibles tanto en operación normal como en caso de accidente y con las condiciones medioambientales más desfavorables durante un periodo de tiempo representativo Pre-dimensionamiento de los cambiadores de calor agua-agua Los cambiadores de calor agua-agua están localizados entre la cabeza de los racks y la superficie de la piscina. El intercambiador será de placas sumergido de acero inoxidable y con una pérdida de carga mínima para evitar cualquier obstrucción al efecto termosifón. Para este cálculo se considera la temperatura máxima y media de la piscina y mediante un método computacional de dinámica de fluidos (CFD) se analiza el comportamiento del fluido de la piscina y las temperaturas que alcanzará este fluido con un pre-dimensionamiento del cambiador agua-agua.

6 Figura 3 Mapa de velocidad dentro de la piscina de almacenamiento de combustible gastado Se han simulado varias configuraciones de los intercambiadores de calor de las piscina en varias condiciones operacionales (operación normal y accidente) hasta conseguir la configuración óptima. Los análisis realizados determinan las máximas temperaturas locales alcanzadas en los elementos combustibles almacenados, para comprobar que no se alcanzan condiciones de ebullición del agua. Y se comprueba el movimiento natural del fluido (circulación natural) Pre-dimensionamiento de los cambiadores de calor agua-aire Consistirán en una serie de tubos aleteados (para aumentar el área de transferencia de calor) situados en una corriente de aire que puede ser forzada con ayuda de ventiladores (componentes auxiliares). Los ventiladores serán usados exclusivamente en condiciones de operación normal, cuando las condiciones ambientales exteriores lo requieran. En caso de fallo/accidente, el sistema está diseñado para funcionar únicamente en operación pasiva sin la necesidad de usar suministro de energía eléctrica y por tanto de los ventiladores. El objetivo es obtener un diseño preliminar de la torre de refrigeración seca que cumpla con los requisitos del sistema. Para este cálculo se considera el calor residual de la piscina a evacuar, las temperaturas ambientales máximas del entorno y mediante el programa HTRI se analiza el comportamiento del fluido dentro del air-cooler. Se han tenido que hacer varias iteraciones para las distintas condiciones de operación (operación normal con ventiladores) y modificando tamaño, disposición, configuración (tamaño y número de aletas), número de tubos y altura de la torre de refrigeración seca, para poder llegar a un diseño que consigue evaucar el calor residual de la piscina de combustible.

7 Figura 4 Representación gráfica de los cambiadores agua-aire con HTRI 4..4 Cálculo termo-hidráulico del circuito hidráulico. La siguiente etapa del proyecto que va ser lanzada es el análisis termo-hidráulico del circuito de enfriamiento con el pre-dimensionamiento realizado en la etapa anterior para asegurar el funcionamiento del sistema de refrigeración en termosifón y que no se superan los límites máximos de temperaturas establecidos dentro de la piscina de combustible. La resolución exacta del problema implicará conocer qué está ocurriendo en cada punto del sistema, es decir, el caudal y las variaciones de la densidad, se debe tener en cuenta que el fluido de entrada está influenciado por las condiciones del fluido de salida, el caudal que circula por el circuito varía a lo largo del día y del año, dependiendo de la energía absorbida y de las condiciones meteorológicas exteriores. 5. CONCLUSIÓN Los diseños originales de las piscinas no previeron ciertos escenarios, como el que algunos países abandonarían la opción del reprocesamiento, el no contar con instalaciones para el almacenamiento definitivo del combustible gastado, la extensión de la vida útil de las centrales, y los incrementos de potencia en los reactores, lo anterior ha ocasionado que la capacidad de las piscinas se haya empezado a saturar desde hace algunos años, por lo cual se ha tenido la necesidad de innovar tecnologías para el almacenamiento temporal del combustible gastado. Actualmente el uso de los sistemas pasivos está siendo muy demandado en las instalaciones nucleares debido a las recomendaciones post-fukushima gracias a su intrínseca seguridad y a la disminución en los costes durante su operación.