Microrreactor nuclear termomagnético, del tipo de los que comprenden un circuito (5) cerrado de circulación de un fluido comprendiendo una zona de imanación (1) de un fluido con propiedades magnéticas,

mediante un magneto (12), una zona de magnetización y calentamiento (2) del fluido con un magneto (22) y al menos una zona de calentamiento del fluido por un combustible nuclear (23), una zona de relajación térmica (3) mediante un magneto (32) y una zona de desimanación adiabática (4), obteniéndose producción eléctrica de la suma de fuerzas electromotrices de los magnetos (12, 22, 32) de las zonas (1, 2, 3). El fluido circulante es un ferrofluido (51) constituido por una mezcla de partículas ferromagnéticas nanoscópicas en un líquido solvente

Microrreactor nuclear termomagnético.

Objeto de la invención

La invención consiste en un microrreactor nuclear termomagnético de generación eléctrica por efecto termomagnético y desimanación adiabática de larga duración, por medio de una fuente de calor por radioisótopos principalmente, aunque cualquier otro tipo de fuente de calor es permitida por la invención.

Campo de la invención

Como se indicó arriba, el campo de la invención está destinado a ser utilizado en aplicaciones de la ingeniería nuclear, ya sea como un tipo de batería muy adecuada en situaciones donde no hay presencia humana y se necesitan potencia de varios centenares de vatios durante largos periodos de tiempo, situaciones donde los reactores convencionales como pilas de combustible, baterías y otros reactores no son económicamente viables, y donde no pueden usarse células fotovoltaicas (e.g misiones espaciales que se alejan tanto del Sol, que hace que el uso de paneles solares sea inviable). Está destinado principalmente para la ingeniería nuclear en sectores como aeroespacial (satélites, sondas espaciales no tripuladas) e instalaciones remotas (e.g submarinas) que no disponen de otro tipo de fuente eléctrica, también en la industria nuclear propiamente dicha, como un verdadero reactor nuclear semejante a los BWR (bowling water reactor) pero con ferrofluidos que modificaran la tecnología a utilizar en la extracción de la energía calórica de las barras de combustible nuclear.

Antecedentes de la invención

Los actuales reactores eléctricos por radioisótopos para satélites y sondas espaciales no tripuladas, llamados RTG (radioisotopic termoelectric generator) son dispositivos altamente ineficientes, basando su funcionamiento en el efecto Seebeck, es decir electricidad por termopar, sin embargo pocas alternativas existen que puedan competir, utilizando como fuente de calor radioisótopos, que garanticen periodos de vida largos (≥q 10 años), lo poco eficientes (≤ 10%) de utilizar un reactor de tipo termopar (efecto Seebeck), ha llevado al afán de buscar nuevas alternativas de generación eléctrica. Con el fin de aumentar la eficacia de conversión de energía, que se traduciría en una reducción substancial del material radioisotópico utilizado (e.g Pu₂₃₈) que son fuentes potenciales de contaminación si el contenedor se rompe. Varias alternativas han sido propuestas. Entre ellas son destacables los convertidores termoiónicos que pueden tener rendimientos de cómo máximo 10% a un 20%, pero requieren mayores temperaturas. Algunos reactores nucleares espaciales han usado convertidores termoiónicos, pero estos reactores son demasiado pesados para ser usados en la mayoría de misiones. Las células fotovoltaicas por su parte pueden convertir luz infrarroja en electricidad, su rendimiento es algo mayor, con rendimientos de hasta un 20%. Su problema es una degradación más rápida (de las células de silicio) que los termopares metálicos, especialmente en presencia de radiación ionizante (alfa, beta, gamma). Existen además, reactores dinámicos, que a diferencia de los termopares, constan de partes móviles que pueden averiarse y requieren mantenimiento.

El microrreactor nuclear termomagnético aquí propuesto actúa por un ciclo combinado de magnetización-desmagnetización adiabática representa una opción, en aras de obtener una mayor potencia eléctrica, con la misma cantidad de combustible nuclear, o lo que es lo mismo la misma potencia eléctrica con menos combustible nuclear, con una vida de duración superior o comparable a los actuales.

También en régimen de ebullición, el microrreactor puede ser considerado como un verdadero reactor en ebullición (bowling reactor) trabajando en un ciclo cerrado (magnetización y calentamiento - relajación térmica - desimanación adiabática ∼ imanación) como una alternativa a los actuales BWR (Bowling water reactor), donde se trabaja por un ciclo Rankine. En el microrreactor termomagnético se aprovecharía la mejor conductividad térmica del ferrofluido para extraer energía térmica, y utilizado el mismo principio que los actuales BWR de convección natural (cambio de fase) extraería calor, pero a diferencia de estos, el calor cumpliría solo el objetivo de producir el movimiento del ferrofluido, que junto a la sucesión de campos magnéticos produciría directamente una fuerza electromotriz de inducción en una bobina, sin turbinas ni partes móviles que puedan averiarse y requerir mantenimiento, como las usadas en la tecnología actual, y el calor no tendría que ser condensado por ningún dispositivo exterior que requiriese energía (bombas) sino que el mismo proceso (zona de desimanación adiabática) lo devolvería a las condiciones de temperatura y fase iniciales, el microrreactor termomagnético no tendría los limites termodinámicos impuestos de eficiencia máxima dados por un ciclo perfecto de Carnot. Además un importantísimo concepto utilizado en la ingeniería nuclear, como es el de la seguridad pasiva, es decir sistemas que aseguren la correcta refrigeración del núcleo del reactor en caso de accidente, (evitar la fusión del núcleo) sin medios mecánicos que puedan fallar, tales medios son principalmente los acumuladores, que no son mas que grandes depósitos de agua (refrigerante), que en caso de perdida del mismo se accionan por válvulas de presión y actúan por la acción de la gravedad. En este sentido el ingenio aquí presentado cumple una función excepcional, ya que un efecto termomagnético debido al gradiente de temperatura y al campo magnético externo fijo generan un diferencial de presión de la forma:

Donde H es el campo magnético externo aplicado y Δ M es la diferencia en la magnetización que depende del gradiente de temperatura, así, si accidentalmente los rangos de seguridad de temperatura son sobrepasados, este aumento de temperatura conllevará a un aumento en el Δ M aumentando la velocidad del refrigerante y por tanto su capacidad de refrigeración, convirtiéndose en un extraordinario mecanismo de autocontrol, que es uno de los criterios primordiales en los diseños de reactores nucleares de vanguardia (EPR...). Además, el principio del microrreactor en cuanto a seguridad pasiva es igualmente efectivo en sistemas con gravedad cero, ya que el vector de aceleración gravitatoria vec{g} es reemplazado, si se da el caso, por un vector de fuerza magnetocalórico.

Descripción de la invención

El microrreactor nuclear termomagnético, objeto de esta invención, presenta unas particularidades técnicas destinadas a configurar un dispositivo creado para producir electricidad en grandes periodos de tiempo, teniendo como fuente calórica radioisótopos. Esencialmente, consta de un circuito principal por donde un ferrofluido circula en forma cíclica. El ferrofluido es en esencia una mezcla de partículas ferromagnéticas nanoscópicas en un líquido (e.g aceite, agua u otro solvente). Las condiciones principales del ferrofluido son las de tener un alto coeficiente piromagnetico frac{∂ial M}{∂ial T} y buen coeficiente de dilatación térmica frac{∂ial V}{∂ial T}.

El ciclo del microrreactor es cerrado y comprende cuatro fases por las cuales es sometido el ferrofluido, correspondientes a una imanación (IM), magnetización y calentamiento (MC), relajación térmica (RT) y desimanación adiabática (DA).

El ferrofluido entra en la zona de imanación a la temperatura mas baja posible y merced al campo magnético de un magneto, sus dominios magnéticos serán alineados produciendo una magnetización. A su vez, este ferrofluido magnetizado producirá un campo magnético total que seguirá la dirección de avance donde aparecerá el inicio de una bobina produciendo en esta una variación de flujo magnético y por tanto una fuerza electromotriz (f.e.m) generando un voltaje. El ferrofluido entra a la zona de magnetización y calentamiento con sus dominios magnetizados al máximo y en esta zona el campo magnético externo es el mismo que el anterior, pero dado por otro magneto y el ferrofluido es calentado, ya que en esta zona es donde se encuentra el combustible nuclear. Este combustible podría estar en forma de barra en la parte central o en cualquiera otra presentación descrita más adelante. En esta zona el ferrofluido presenta un gradiente de temperatura, ya que el ferrofluido que ha llegado a la salida de la zona de magnetización y calentamiento esta a una distinta temperatura que el que se encuentra en el punto de entrada, T₂...

1. Microrreactor nuclear termomagnético, del tipo de los que comprenden un circuito (5) cerrado de circulación de un fluido con al menos una zona de calentamiento del fluido, preferentemente por un combustible nuclear (23) y elementos de obtención de energía eléctrica de dicha circulación, caracterizado porque comprende una zona de imanación (1) de un fluido con propiedades magnéticas, mediante un magneto (12), una zona de magnetización y calentamiento (2) del fluido con un magneto (22) y la zona de calentamiento, una zona de relajación térmica (3) mediante un magneto (32) y una zona de desimanación adiabática (4), obteniéndose producción eléctrica de la suma de fuerzas electromotrices de los magnetos (12, 22, 32) de las zonas (1, 2 3); y porque el fluido circulante es un ferrofluido (51).

2. Microrreactor, según la reivindicación 1, caracterizado porque el ferrofluido (51) es una mezcla de partículas ferromagnéticas nanoscópicas en un líquido solvente.

3. Microrreactor, según la reivindicación 1, caracterizado porque el magneto (12) de la zona de imanación (1) comprende uno o más imanes permanentes.

4. Microrreactor, según la reivindicación 1, caracterizado porque la zona de calentamiento de la zona de magnetización y calentamiento (2) comprende una varilla o elemento radiactivo dispuesto en el centro del conducto del circuito (5).

5. Microrreactor, según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende unos blindajes magnéticos (42) a la entrada y a la salida del conjunto de las zonas (1, 2, 3).

6. Microrreactor, según la reivindicación 1, caracterizado porque la zona de desimanación adiabática (4) comprende una cámara de refrigeración principal (43).

7. Microrreactor, según la reivindicación 1, caracterizado porque alrededor de los magnetos (12, 22, 32) de la zona de imanación (1), la zona de magnetización y calentamiento (2) y la zona de relajación térmica (3) se encuentra una circuito auxiliar (6) de refrigeración.

8. Microrreactor, según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende una configuración múltiple con dos o más células (8) dispuestas en serie y/o en batería con una zona de desimanación adiabática (4) común, estando cada célula (8) constituida por una zona de imanación (1), zona de magnetización y calentamiento (2) y zona de relajación térmica (3).

9. Microrreactor, según la reivindicación 1, caracterizado porque el circuito (5) configurado por la zona de imanación (1), zona de magnetización y calentamiento (2), zona de relajación térmica (3) y zona de desimanación adiabática (4) es simétrico.

10. Microrreactor, según la reivindicación 1, caracterizado porque la zona de desimanación adiabática (4) comprende un presionador termomagnético (7) constituido por una cámara con un pistón (73) de desplazamiento interior, configurando dos subcámaras, estando una subcámara conectada mediante una toma (71) con la salida de la zona de relajación térmica (3) y la otra subcámara conectada con una toma (72) un punto intermedio de la zona de desimanación adiabática (4).

11. Microrreactor, según la reivindicación 10, caracterizado porque el pistón (73) del presionador termomagnético (7) está asociado a un elemento elástico (74) de retroceso a una posición de reposo.

12. Microrreactor, según la reivindicación 10, caracterizado porque el circuito (5) de fluido presenta unas válvulas antirretorno (52, 53) en una posición anterior y posterior de la conexión (72) del presionador termomagnético (7).