Diseño preliminar de un núcleo de un reactor nuclear de potencia del tipo de moderador orgánico de 100 MWe

Abstract

El uso de líquidos orgánicos como medio de transferencia de calor ha sido práctica común en las industrias química y petrolera durante más de treinta años. Su utilización como moderador y refrigerante para un reactor nuclear fue sugerida hace mucho tiempo por Enrico Fermi, durante el proyecto Manhattan, pero no se realizaron estudios sino hasta 1953 ya que se creía que sería necesario la utilización de uranio muy enriquecido y que la descomposición radiolítica sería muy elevada. Las investigaciones realizadas con posterioridad revelaron que ciertos tipos de líquidos orgánicos, particularmente, los polifeniles ofrecían excelente resistencia tanto a las altas temperaturas como a los niveles elevados de radiación ionizante. Los reactores que utilizan polifeniles como moderador y refrigerante poseen las siguientes ventajas: 1.- Presiones bajas en el sistema primario, para temperaturas en el rango de 600 a 800 °F. 2.- La corrosión en los materiales estructurales comunes es despreciable lo cual permite su utilización en la construcción del reactor. 3.- No hay reacciones químicas peligrosas entre los hidrocarburos y el uranio. 4.- No hay reacción química peligrosa entre los hidrocarburos y el agua o vapor en los intercambiadores de calor. 5.- La actividad inducida en el refrigerante es relativamente baja en comparación con el refrigerante de otros reactores. 6.- El fluido refrigerante-moderador proporciona, mediante el diseño apropiado, grandes coeficientes negativos de reactividad por temperatura. Las dos primeras ventajas hacen del reactor de moderador orgánico uno de los menos costosos para construir y las últimas ventajas lo hacen uno de los reactores más seguros. Junto a estas ventajas el reactor de moderador orgánico presenta ciertas desventajas, a saber: 1.- El fluido orgánico está sujeto a la descomposición por las altas temperaturas y la irradiación, lo cual hace necesario un sistema de purificación. 2.- Las propiedades de transferencia de calor del refrigerante orgánico son modestas en comparación con las propiedades del agua o de los metales líquidos. 3.- Los puntos de fusión de los hidrocarburos utilizados se hallan sobre la temperatura ambiente por lo que es necesario la provisión de un sistema de precalentamiento. Las características, en conjunto, del reactor con moderador orgánico son atractivas para una variedad de aplicaciones entre las que se encuentran las centrales de potencia. El moderador orgánico utilizado en el presente diseño fue la mezcla isométrica de terfeniles, denominada Santowax R. La selección de este moderador orgánico se basó en los resultados de las pruebas realizadas por la Atomics International en el Organic Moderated Reactor Experiment, en Idaho, USA. El estudio se llevó a cabo de acuerdo con las siguientes etapas: - Cálculo de las constantes de diseño de los materiales. Estas constantes fueron calculadas tanto teóricamente como mediante las correcciones apropiadas en los datos experimentales existentes. La temperatura promedio asumida en el núcleo del reactor fue de 600°F. - Se investigaron dos clases de reticulados, los cuales fueron optimizados desde el punto de vista nuclear. Como estimado preliminar se asumió un enriquecimiento del 1.6%, basado en características de reactores de potencia similares diseñados por la Atomice International. - Se calculó el volumen del núcleo considerando la teoría modificada de un grupo y la teoría de dos grupos. - Se realizó el estudio de la extracción del calor mediante cuatro sistemas diferentes de refrigeración. Se seleccionó el sistema más apropiado de acuerdo con el diseño nuclear y por su simplicidad desde el punto de vista mecánico. - Se seleccionó un enriquecimiento definitivo y se realizó un estudio de las variaciones de la reactividad con la temperatura. Todos los estudios que se llevaron a cabo tuvieron como objetivo hallar el orden de magnitud de las variables involucradas en el diseño, así como sus variaciones, para que sirvan para cálculos más detallados, en un diseño definitivo.