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¿Cómo combatir la corrosión en los reactores nucleares mas antiguos del mundo'

Los investigadores esperan extender la vida útil de los reactores con métodos y materiales avanzados que protegen contra la degradación causada por las duras condiciones.



Cuarenta años de trabajos forzados en condiciones de castigo suena como una sentencia interminable. Imagínese descubrir cerca del final de ese período que la sentencia se ha extendido por otros 20 años y tal vez otros 20 más.


Esa es la difícil situación de los reactores nucleares. Estos artilugios de metal gigantes fueron diseñados típicamente para generar electricidad durante unos 40 años, día tras día resistiendo el daño de un mundo corrosivo y acuoso de temperaturas, presiones y radiaciones ionizantes extremas. Ahora, a muchos se les pide que sigan como soldados durante al menos otros 20 años.


Para extender la vida útil de los reactores, los científicos e ingenieros están mejorando continuamente los métodos para monitorear y predecir la integridad y resistencia de estas estructuras metálicas multimillonarias. Y están desarrollando materiales de reemplazo resistentes a la corrosión para mantener los reactores nucleares funcionando de manera segura y confiable durante 60 años o más.



“La flota nuclear de EE. UU. Llegará allí en años”, dice Gary S. Was, científico de materiales e ingeniero nuclear de la Universidad de Michigan. Was, especialista en corrosión de metales, se refiere a los reactores nucleares comerciales que generan electricidad. Según la Administración de Información Energética (EIA) de EE. UU., 96 reactores funcionan en 29 estados de EE. UU. En 2019, suministraron aproximadamente el 20% de la electricidad en los EE. UU. Y, en promedio, tenían unos 38 años.


La mayoría de las empresas de servicios públicos que inicialmente tenían licencias para operar reactores nucleares durante 40 años ya han recibido extensiones de 20 años en sus plantas, dice Was.


Roger Hannah y Neil Sheehan, oficiales de asuntos públicos para las operaciones de la Comisión Reguladora Nuclear de EE. UU. En el sureste y noreste de EE. UU., Respectivamente, confirman que la planta nuclear de Turkey Point, a 40 km al sur de Miami, y la central de energía atómica Peach Bottom, a 80 km al sureste de Harrisburg , recientemente recibió extensiones adicionales que les permitirían continuar operando por un total de 80 años cada una. Hannah y Sheehan añaden que otras plantas buscan hacer lo mismo.



“Incluso se habla en la industria de llegar a los 100 años”, dice Was.


La tendencia a mantener los reactores funcionando cada vez más no se limita a los EE. UU. Los aproximadamente 440 reactores ubicados en todo el mundo tienen 30 años, en promedio, y están envejeciendo. Y aunque algunos de ellos están programados para cerrarse y desmantelarse, muchos se están actualizando con piezas nuevas para extender en gran medida sus años de funcionamiento.


Y hay más instalaciones nucleares en el horizonte. En los EE. UU., Por ejemplo, dos reactores nucleares están a punto de completarse en la planta de generación eléctrica de Vogtle cerca de Waynesboro, Georgia.


Mientras tanto, según la Asociación Nuclear Mundial, se están construyendo otros 50 reactores nucleares en 15 países, principalmente China, India, Rusia y los Emiratos Árabes Unidos. Y para ayudar a mantener el ritmo de un aumento proyectado del 28% en el uso mundial de energía para 2040, otros 100 reactores con una vida útil anticipada que abarcará muchas décadas están en orden o están planificados.


Cuando se trata de garantizar que estos reactores continúen entregando energía confiable de manera segura, "se trata de una gestión del envejecimiento", dice Mark Nutt, utilizando el eslogan de la industria para el programa de inspecciones y pasos de mitigación que permiten el envejecimiento de los vasos del reactor, las tuberías y otras fuentes de energía. componentes de la planta para seguir funcionando durante muchas décadas. Nutt, gerente de investigación de tecnología nuclear en el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL), dice que los avances en curso en la ciencia de los materiales y la corrosión juegan un papel importante en la longevidad del reactor.



DISEÑO DE CENTRALES NUCLEARES

Las reacciones de fisión en el núcleo (1) de un reactor nuclear (2) calientan el agua a presión, que fluye a través de las tuberías (3, rojo) hacia los generadores de vapor (4). Allí, el calor se transmite a un suministro de agua separado (5) para formar vapor (blanco), que impulsa la turbina (6) para generar electricidad. Luego, el vapor se enfría y se condensa en agua líquida (7), que regresa a los generadores de vapor.


Insertando barras de control (11) en el núcleo de un reactor y retirándolas, los operadores de la planta regulan la temperatura del reactor y la potencia de salida. Hechas de materiales que absorben neutrones como cadmio, boro y hafnio, las varillas impiden la reacción en cadena nuclear.


Cientos de conjuntos, cada uno de los cuales consta de cientos de tubos largos y delgados llenos de bolitas de dióxido de uranio, pasan años sumergidos en reactores nucleares que generan electricidad.



UNA MIRADA AL INTERIOR DE LOS REACTORES

Los sistemas de energía nuclear aprovechan el intenso calor liberado en las reacciones nucleares y lo usan indirectamente para generar electricidad. El principio de funcionamiento es muy similar al de las centrales eléctricas que queman carbón, gas natural y otros combustibles fósiles, que en conjunto representaron aproximadamente el 63% de la producción de electricidad en los EE. UU. En 2019, según la EIA. En todas estas plantas, el calor se utiliza para producir vapor y el vapor impulsa el movimiento giratorio de una turbina para generar electricidad. En plantas hidroeléctricas y turbinas eólicas, el agua que fluye o el viento hace girar directamente una turbina.



A diferencia de las centrales eléctricas que generan calor mediante la quema de combustibles fósiles, los reactores nucleares comerciales suelen utilizar gránulos de dióxido de uranio con diámetros y longitudes del orden de 10 mm. Los fabricantes de combustible cargan estos gránulos del tamaño de un frijol en tubos de metal delgados de 4,5 m de largo hechos de un material de revestimiento de circonio permeable a los neutrones. Luego, agrupan los tubos, formando conjuntos de aproximadamente 200 o más barras de combustible, según el diseño y el tamaño del reactor. Cientos de estos conjuntos que contienen millones de gránulos que pesan un total de aproximadamente 100 toneladas métricas se sumergen en un recipiente gigante lleno de un medio portador de calor o refrigerante. En la gran mayoría de los reactores comerciales, el refrigerante es agua.


El calor que impulsa el reactor proviene de núcleos de 235 U en los pellets de combustible. A medida que estos núcleos se someten a una fisión espontánea, se dividen en dos núcleos más pequeños y liberan calor y neutrones. Los neutrones pueden chocar con otros núcleos de 235 U en los gránulos y hacer que se fisionen, liberando más calor y neutrones adicionales. Esos neutrones pueden golpear otros núcleos, desencadenando así una reacción en cadena que calienta los conjuntos de barras de combustible y, a su vez, calienta el agua. Los operadores de la planta regulan la reacción en cadena y la temperatura del reactor insertando barras de control que absorben neutrones en el núcleo y retirándolas.


El tipo más común de reactor de energía nuclear es un reactor de agua a presión. Estos reactores mantienen el agua a altas presiones, superiores a 15 MPa (150 atm), de modo que sigue siendo un líquido caliente a medida que fluye sobre las barras de combustible. El agua puede alcanzar temperaturas de unos 320 ° C. Para evitar la propagación de material radiactivo, el agua de esta sección circula a través de un ciclo cerrado: un sistema de tuberías conocido como circuito primario, que no hace contacto directo con el mundo exterior. Esta circulación de agua supercaliente y presurizada transfiere calor a un circuito secundario, lo que hace que otra colección de agua no radiactiva hierva, se convierta en vapor y accione la turbina.



El contacto constante con agua a alta temperatura y alta presión puede afectar el metal sin importar cuán resistente sea. Y debido a la intensidad del calor, la presión y la radiación en el entorno del reactor, un pequeño defecto puede convertirse rápidamente en uno grande. Por esa razón, los inspectores utilizan regularmente ultrasonido de alta resolución, imágenes electromagnéticas y otros métodos para buscar pequeñas fallas, grietas y signos de fatiga en las paredes del reactor de 25 cm de espesor, los sistemas de seguridad y otros componentes del reactor, dice Aaron Díaz de PNNL. un director de proyecto que desarrolla técnicas analíticas para inspeccionar reactores.


Fuente: cen.acs



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