Vasija de contención sumergida para un reactor nuclear.

Un conjunto modular (50) de energía que comprende:

un núcleo (6) de reactor sumergido en un refrigerante primario (100);

una vasija (52) de reactor que aloja el refrigerante primario (100) y el núcleo (6) del reactor;

una vasija (54) de contención sumergida en líquido (16), estando la vasija (54) de contención seca internamente yrodeando sustancialmente a la vasija (52) del reactor en una situación de presión por debajo de la atmosféricadurante la operación normal del conjunto modular (50) de energía, en el que la vasija (54) de contención estáconfigurada para prohibir una liberación del refrigerante primario (100) fuera de la vasija (54) de contención, en elque sustancialmente todo el refrigerante primario (100) contenido en la vasija (54) de contención está alojado en lavasija (52) del reactor durante la operación normal del conjunto modular (50) de energía; y

un respiradero (58) configurado para, durante una incidencia de presurización excesiva, liberar de forma controlableel refrigerante primario (100) en la vasija (54) de contención;

en el que el calor de decaimiento del núcleo (6) del reactor se elimina a través de la condensación del refrigeranteprimario (100) sobre una superficie interna (55) de la vasija (54) de contención.

Vasija de contención sumergida para un reactor nuclear.

Campo técnico

La presente invención versa acerca de un sistema para eliminar el calor de decaimiento de un reactor nuclear.

Antecedentes En la búsqueda por obtener energía barata y fiable, algunos reactores nucleares han sido diseñados con el objetivo de ser operados de forma pasiva. En estos sistemas pasivos puede emplearse las leyes de la física para garantizar que se mantiene la operación segura del reactor nuclear durante la operación normal o incluso en una situación de emergencia sin la intervención o la supervisión de un operario, al menos durante algún periodo predefinido de tiempo. Un objetivo de los sistemas operativos pasivos es minimizar el número de motores, bombas u otros dispositivos eléctricos o mecánicos de los que tradicionalmente se ha dependido para operar el reactor nuclear.

Un proyecto de reactor pequeño de agua ligera para aplicaciones múltiples realizado con la colaboración del Laboratorio Nacional de Ingeniería y Medio Ambiente de Idaho, NEXANT y el Departamento de Ingeniería Nuclear de la Universidad de Oregón buscaba desarrollar un reactor seguro y económico de agua ligera natural. Los resultados de este proyecto se describen en la monografía técnica "Multi-Application Small Light Water Reactor Final Report", de S. M. Modro y otros, XP002533314. La Figura 1 ilustra un diseño 20 de reactor nuclear resultado de ese proyecto.

El diseño 20 de reactor nuclear incluye un núcleo 6 de reactor rodeado por una vasija 2 de reactor. El agua 10 de la vasija 2 del reactor rodea el núcleo 6 del reactor. El núcleo 6 del reactor está situado, además, en una envuelta 22 del núcleo que rodea el núcleo 6 del reactor en torno a sus lados. Cuando el agua 10 es calentada por el núcleo 6 del reactor como consecuencia de eventos de fisión, el agua 10 se dirige desde la envuelta 22 subiendo hasta el interior de un anillo 23 situado por encima del núcleo 6 del reactor y saliendo de una tubería ascendente 24. Esto da como resultado que se lleve más agua 10 al interior de la envuelta 22 para ser calentada, a su vez, por el núcleo 6 del reactor, que lleva aún más agua 10 al interior de la envuelta 22. El agua 10 que emerge de la tubería ascendente 24 es refrigerada y dirigida hacia el exterior de la vasija 2 del reactor y luego vuelve al fondo de la vasija 2 del reactor mediante circulación natural. En la vasija 2 del reactor se produce vapor 11 a presión cuando el agua 10 se calienta.

Un cambiador 35 de calor hace circular agua de alimentación y vapor en un sistema secundario 30 de refrigeración para generar electricidad con una turbina 32 y un generador 34. El agua de alimentación pasa a través del cambiador 35 de calor y se convierte en vapor supercalentado. El sistema secundario 30 de refrigeración incluye un condensador 36 y una bomba 38 de agua de alimentación. El vapor y el agua de alimentación del sistema secundario 30 de refrigeración están aislados del agua 10 de la vasija 2 del reactor, de tal modo que no se les permite mezclarse ni entrar en contacto mutuo.

La vasija 2 del reactor está rodeada por una vasija 4 de contención. La vasija 4 de contención está situada en una piscina de agua 16. La piscina de agua 16 y la vasija 4 de contención están bajo tierra 28 en una dársena 26 del reactor. La vasija 4 de contención no permite que escape agua alguna ni vapor de la vasija 2 del reactor a la piscina de agua 16 ni al entorno circundante. En una situación de emergencia, se expulsa vapor 11 de la vasija 2 del reactor a través de la válvula 8 de vapor al interior de una mitad superior 14 de la vasija 4 de contención, y el agua 10 hierve súbitamente al ser liberada a través de una válvula 18 sumergida de purga que está situada en una piscina 12 de supresión. La piscina 12 de supresión incluye agua subenfriada. Por lo tanto, la presurización excesiva de la vasija 2 del reactor se reduce liberando tanto vapor 11 a través de la válvula 8 de vapor como agua 10 a través de la válvula 18 de purga al interior de la vasija 4 de contención. Las tasas de liberación del vapor 11 y el agua 10 al interior de la vasija 4 de contención varían según la presión dentro de la vasija 2 del reactor. El calor de decaimiento se elimina del núcleo 6 del reactor a través de una combinación de la condensación del vapor 11 y la transferencia de energía del agua 10 al agua de la piscina 12 de supresión.

El agua de la piscina 12 de supresión proporciona prestaciones de supresión de la presión y de aporte de líquido en caso de una pérdida de refrigerante o de la rotura de una tubería en la vasija 4 de contención. Sin embargo, esto también significa que los componentes eléctricos y mecánicos de la vasija 4 de contención están constantemente sometidos a un entorno corrosivo, que introduce problemas de fiabilidad. El aislamiento que rodea a la vasija 2 del reactor pierde alguna de sus propiedades aislantes cuando está situado en un entorno mojado o húmedo, y puede precisar su sustitución a intervalos regulares. Pueden usarse materiales caros y exóticos para el aislamiento de la vasija del reactor. Además, debe llevarse a cabo el mantenimiento, la monitorización y la inspección de los componentes eléctricos y mecánicos para garantizar la fiabilidad continuada de su operación.

La presente invención aborda estos y otros problemas.

La patente estadounidense nO 3.865.688 da a conocer un diseño de central nuclear con un sistema de contención que evita que el combustible nuclear se caliente en demasía en caso de un accidente de pérdida de refrigerante mediante un sistema de contrapresión de contención elevada y rellenado del reactor. La contención primaria consiste en varias celdas interconectadas, que incluyen una celda de la vasija del reactor, que aloja una vasija de reactor, cuatro celdas de generadores de vapor, cuatro celdas de bombas de refrigerante del reactor, etcétera. El refrigerante primario procedente de la vasija del reactor sale de la vasija del reactor al interior del lado primario de los generadores de vapor situados en las celdas de los generadores de vapor.

La presente invención está definida por las reivindicaciones independientes. Las reivindicaciones dependientes conciernen a características opcionales de algunas realizaciones de la invención.

Breve descripción de los dibujos La FIG. 1 ilustra un sistema de energía nuclear conocido en la técnica.

La FIG. 2 ilustra un conjunto modular de energía novedoso que incluye una vasija de contención internamente seca.

La FIG. 3 ilustra el conjunto modular de energía de la FIG. 2 durante una operación de emergencia.

La FIG. 4 ilustra una tasa ejemplar de condensación del vapor liberado dentro de una vasija de contención.

La FIG. 5 ilustra una fluctuación ejemplar de la presión en una vasija de contención durante una incidencia de presurización excesiva.

La FIG. 6 ilustra una realización alternativa de un conjunto modular de energía que incluye una vasija de contención que tiene aletas de refrigeración.

La FIG. 7 ilustra una realización de un conjunto modular de energía que incluye múltiples zonas de contención.

La FIG. 8 ilustra un procedimiento novedoso de refrigeración de un conjunto modular de energía.

Resumen de la invención En el presente documento se da a conocer un conjunto modular de energía que incluye un núcleo de reactor sumergido en un refrigerante y una vasija de reactor que aloja el refrigerante y el núcleo del reactor. Una vasija de contención seca internamente está sumergida en líquido y rodea sustancialmente la vasija del reactor en un entorno gaseoso. Durante una incidencia de presurización excesiva, la vasija del reactor está configurada para liberar el refrigerante al interior de la vasija de contención y eliminar el calor de decaimiento del núcleo del reactor por medio de la condensación del refrigerante sobre una superficie interna de la vasija de contención.

En el presente documento se da a conocer que un módulo del reactor nuclear incluye una vasija de contención diseñada para prohibir una liberación de líquido y una vasija de reactor montada dentro de la vasija de contención, estando expuesta una superficie externa de la vasija del reactor a una situación de presión por debajo de la atmosférica. El módulo del reactor nuclear incluye, además, un núcleo de reactor sumergido en el líquido y un respiradero de vapor conectado a la vasija del reactor, en los que, cuando el núcleo del reactor se calienta en exceso, el respiradero de vapor está configurado para expulsar vapor al interior de la vasija de contención.

En el presente documento se da a conocer un procedimiento... [Seguir leyendo]

1. Un conjunto modular (50) de energía que comprende:

un núcleo (6) de reactor sumergido en un refrigerante primario (100) ;

una vasija (52) de reactor que aloja el refrigerante primario (100) y el núcleo (6) del reactor;

una vasija (54) de contención sumergida en líquido (16) , estando la vasija (54) de contención seca internamente y rodeando sustancialmente a la vasija (52) del reactor en una situación de presión por debajo de la atmosférica durante la operación normal del conjunto modular (50) de energía, en el que la vasija (54) de contención está configurada para prohibir una liberación del refrigerante primario (100) fuera de la vasija (54) de contención, en el que sustancialmente todo el refrigerante primario (100) contenido en la vasija (54) de contención está alojado en la vasija (52) del reactor durante la operación normal del conjunto modular (50) de energía; y un respiradero (58) configurado para, durante una incidencia de presurización excesiva, liberar de forma controlable el refrigerante primario (100) en la vasija (54) de contención;

en el que el calor de decaimiento del núcleo (6) del reactor se elimina a través de la condensación del refrigerante primario (100) sobre una superficie interna (55) de la vasija (54) de contención.

2. El conjunto modular (50) de energía según la reivindicación 1

en el que el respiradero (58) comprende un limitador de flujo montado en la vasija (52) del reactor para expulsar el refrigerante primario (100) como vapor (41) que se condensa en la superficie interna (55) de la vasija (54) de contención ylo en el que la vasija (54) de contención está configurada para flotar en el líquido (16) .

3. El conjunto modular (50) de energía según la reivindicación 1

en el que el conjunto modular (50) de energía está configurado para mantener la presión dentro de la vasija (54) de contención dentro de límites de diseño mediante la condensación del refrigerante primario (100) .

4. El conjunto modular (50) de energía según la reivindicación 1

que incluye aletas de refrigeración unidas a una pared externa de la vasija (54) de contención para eliminar más calor de decaimiento del núcleo (6) del reactor, ylo en el que el conjunto modular (50) de energía está configurado para que sustancialmente todo el refrigerante primario (100) permanezca confinado dentro de la vasija (54) de contención durante la incidencia de presurización excesiva.

5. El conjunto modular (50) de energía según la reivindicación 1

en el que el conjunto modular (50) de energía está configurado para que la condensación del refrigerante primario (100) sobre la superficie interna (55) de la vasija (54) de contención reduzca la presión en la vasija (54) de contención a aproximadamente la misma velocidad que el refrigerante primario (100) expulsado al interior de la vasija (54) de contención añada presión a la vasija (54) de contención, ylo en el que el conjunto modular (50) de energía está configurado para que el calor de decaimiento se elimina, además, por conducción desde una superficie externa de la vasija (54) de contención con el líquido (16) .

6. El conjunto modular (50) de energía según la reivindicación 1

en el que el conjunto modular (50) de energía está configurado para que el refrigerante primario (100) sea expulsado a una velocidad que mantenga una presión aproximada constante en la vasija (54) de contención durante una situación de estado estacionario.

7. El conjunto modular (50) de energía según la reivindicación 6

en el que el conjunto modular (50) de energía está configurado para que la vasija (54) de contención experimente un pico inicial de presión antes de la situación de estado estacionario.

8. El conjunto modular (50) de energía según la reivindicación 1

9. El conjunto modular (50) de energía según la reivindicación 1

en el que el respiradero (58) está conectado directamente a una pared externa de la vasija (52) del reactor sin ninguna estructura intermedia.

en el que sustancialmente todo el aislamiento térmico de la vasija (52) del reactor está proporcionado por la situación de presión por debajo de la atmosférica.

10. El conjunto modular (50) de energía según la reivindicación 1

que, además, comprende un aislamiento reflectante situado entre la vasija (52) del reactor y la vasija (54) de contención, en el que sustancialmente todo el aislamiento térmico de la vasija (52) del reactor está proporcionado por una combinación de la situación de presión por debajo de la atmosférica y el aislamiento reflectante.

11. El conjunto modular (50) de energía según la reivindicación 1

en el que la vasija (52) del reactor comprende acero inoxidable o acero al carbono y en el que una superficie externa de la vasija (52) del reactor está expuesta directamente a una situación de presión por debajo de la atmosférica.

12. Un procedimiento de refrigeración de un reactor nuclear que comprende:

parar rápidamente el reactor nuclear en caso de una incidencia de presión elevada indicada en la vasija (52) del reactor;

liberar de forma controlada refrigerante primario (100) como vapor (41) en una zona (44) de contención situada entre la vasija (54) de contención y la vasija (52) del reactor, estando la zona (44) de contención sustancialmente seca antes de la incidencia de presión elevada;

condensar el vapor (41) sobre una pared interna (55) de la vasija (54) de contención;

transferir el calor de decaimiento a un medio líquido que rodea la vasija (54) de contención; y

mantener una presión de contención dentro de los límites de diseño mediante la condensación del vapor (41) sobre la pared interna (55) .

13. El procedimiento según la reivindicación 12

en el que la condensación del vapor (41) reduce la presión dentro de la zona (44) de contención en aproximadamente la misma cantidad que el vapor liberado (41) aumenta la presión en la zona (44) de contención.

14. El procedimiento según la reivindicación 13.

en el que la zona (44) de contención se mantiene en una situación de presión por debajo de la atmosférica antes de la incidencia de presión elevada.

15. El procedimiento según la reivindicación 12

en el que el vapor condensado (41) forma una piscina del refrigerante primario (100) que se extiende entre una pared externa de la vasija (52) del reactor y la pared interna (55) de la vasija (54) de contención, e incluyendo el procedimiento volver a hacer circular la piscina del refrigerante primario (100) al interior de la vasija (52) del reactor y a través del núcleo (6) del reactor, en el que la piscina del refrigerante primario (100) no existía antes de la incidencia de presión elevada ylo que incluye el mantenimiento de la zona (44) de contención a una situación de presión por debajo de la atmosférica antes de liberar de forma controlada el refrigerante primario (100) como vapor (41) .

FIG.l

~_8

~28

..H--+-+-+--Vapor --_

26~

TÉCNICA ANTERIOR

FIG.2

FIG.3

FIG.4

317, 5 ... ----------------~--------------.

304, 8 I A"'F I

292, 1

Nivel (cm)

......

.".

279, 4

266, 7 I

8000 8500 9000 9500 10000 10500 11000

Tiempo (5)

FIG.5

2.413, 2 ... ----------------------------------,

2.068, 4 I 1

1.723, 7 I --D

1.379, 0 -1 Presión (kPaA)

1.034, 2

699, 5..f t

344, 7 I •

•

•

o, O .1

8000 8500 9000 9500 10000 10500 11000 Tiempo (5)

/ 70

74~

FIG.7

FIG.8

REACTOR NUCLEAR DE DISPARO

ll2

LIBERAR REFRIGERANTE EN LA CONTENCIÓN RO

CONDENSAR EL REFRIGERANTE

ºº

TRANSFERIR EL CALOR DE DECAIMIENTO

M2

LIMITAR LA PRESIÓN