Reactor nuclear de reflector fundido.

Reactor nuclear de reflector fundido.

Reactor lateralmente rodeado por un material reflector neutrónico contenido en recipientes planos o en coronas cilíndricas,

siendo el material reflector muy transparente a los neutrones pero de alta tasa de retrodispersión neutrónica, y con temperatura de fusión más baja que la de la envoltura de las placas; estando el material reflector en estado líquido durante el funcionamiento del reactor, pudiendo ser evacuado súbitamente si se traspasa alguna señal de alarma.

REACTOR NUCLEAR DE REFLECTOR FUNDIDO

SECTOR DE LA TÉCNICA

La invención se encuadra en el campo de los reactores nucleares de fisión, y particularmente los refrigerados por gas, sin existencia de moderador, con lo cual se conforma en ellos un espectro neutrónico rápido. Tienen la peculiaridad de presentar un valor muy pequeño del coeficiente de pelfcula de convección; lo cual limita su densidad de potencia, y tanto mayor es la limitación cuanto menor es la presión de trabajo, por lo que el gas debe circular dentro de la vasija del reactor a presión alta, por encima de 10 MPa (megapascales) , sin que ello implique condiciones inusuales en el funcionamiento, pero se ha de tener en cuenta que si falla en alguna parte la estanqueidad del circuito de presión del gas, se ha de detener la reacción de fisión en cadena, aunque ello no anula la generación de calor procedente de las desintegraciones radiactivas, lo que impone requisitos adicionales de diseño; como también los imponen los criterios relativos a la reactividad del reactor, que es la capacidad que tiene para aumentar su población neutrónica, y por ende la potencia térmica dominante, producida por las reacciones nucleares. Lo que se presenta en la invención es una configuración geométrica de las piezas elementales que constituyen el reactor, y el ensamblaje de dichas piezas para conseguir efectos muy positivos en la seguridad a ultranza del reactor.

ANTECEDENTES DE LA INVENCiÓN

En lo que va de siglo, ha sido notorio el interés en los reactores de la llamada Generación 4, entre los cuales se encuentra el Reactor Nuclear Rápido refrigerado por gas, que es la familia de reactores en la que se encuadra esta invención, aunque podría emplearse en otros reactores también.

Existen varios documentos sobre reactores, y particularmente con el combustible nuclear metido en placas, pero ninguno se asemeja a la configuración propuesta, ni en geometría ni en principio de funcionamiento.

El documento W02009053453 presenta un dispositivo para fijar las placas de un . reactor, refrigerado por gas y de alta temperatura. Un ejemplo distinto, exponiendo un reactor de alta temperatura refrigerado por gas, se encuentra en RU2408095. Análogamente, el documento W02011104446 presenta unas configuraciones que ilustran el estado del arte, incluyendo el acoplamiento del reactor con el ciclo termodinámico utilizado, que es ajeno al reactor, pero el reactor ha de estar diseñado para ese acoplamiento reactor-ciclo térmico.

En cuanto a un requisito importante en los accidentes nucleares, que es el de evitar que se reconfigure el reactor en una geometría de mayor reactividad y con una reacción en cadena con potencia creciente, el documento JP2002055187 presenta una configuración de interés para tal fin, pero estrictamente hablando no puede considerarse un precedente, aunque sirve para definir el estado del arte en Reactores Nucleares Rápidos.

Quizá la mejor definición del estado del arte en reactores rápidos refrigerados por gas, con el combustible embebido en placas, sea el artículo de P. Dumaz "Gas-cooled fast reactors. Status of CEA design studies", Nuclear Engineering and Design, 237, 1618-1627 (año 2007) pero ninguno de sus análisis trata de los temas vinculados a la invención que aquí se presenta.

PROBLEMA TÉCNICO A RESOLVER

El problema a resolver es encontrar una disposición de los materiales constituyentes del reactor que, ante un fallo de refrigeración, es decir, una disminución de la capacidad de extracción de la potencia térmica del reactor, se produzcan mecanismos, naturales o directamente actuantes sin necesidad de intervención humana, de tal manera que se asegure que la reacción en cadena del reactor se extingue. En otras palabras, cuando aumenta la temperatura por encima de un punto de consigna, entran en juego mecanismos naturales, como es la caída de cuerpos por gravedad, si una sujeción o el relé eléctrico de una sujeción mecánica se funde.

Un caso convencional es la inserción de barras de control en el reactor, ante una circunstancia como la descrita en el párrafo anterior. En la invención se propone un mecanismo de seguridad directamente actuante, que puede posibilitar la operación segura de reactores rápidos refrigerados por gas.

EXPLICACiÓN DE LA INVENCiÓN

La invención consiste en configurar el sistema neutrónico en su conjunto como un reactor de alta tasa de fugas neutrónicas, rodeado por un material reflector neutrónico contenido en recipientes con forma seleccionada entre placas planas o coronas cilíndricas abarcando un sector circular, y siendo el material reflector muy transparente a los neutrones pero de alta tasa de retrodispersión neutrónica, y con temperatura de fusión más baja que la del material de los recipientes; estando el material reflector en estado Ifquido en condiciones de funcionamiento del reactor, confinado en los recipientes dichos, que disponen de unas válvulas de vaciado rápido, que abren súbitamente si se traspasa alguna señal de consigna, en particular referente a temperaturas de partes del reactor y a la temperatura de salida del fluido refrigerante, y desaguan el material fundido en otros recipientes alejados del reactor y sin relación neutrónica con él.

En condiciones nominales de operación, el reactor alcanza criticidad merced a los neutrones que recupera por efecto del reflector, de los originalmente fugados. En caso de accidente grave, es preciso tener un procedimiento natural o de accionamiento directo, para detener la reacción en cadena, lo cual se consigue vaciando, por gravedad, el material fundido que hace de reflector. El vaciado por gravedad puede hacerse por detección, decisión, y ejecución de tipo electrónico;

o por fusión natural de un fusible situado en lugar ad-hoc.

Una cuestión inherente a esta invención es que el reactor debe ser de alta fuga neutrónica, pues de lo contrario el valor del reflector en reactividad es muy pequeño, y su función de seguridad muy exigua, por lo que los elementos del reactor han de estar configurados de tal forma que la probabilidad de escape de los neutrones sea alta. Para ello se pueden emplear varias opciones de diseño, como es la de hacer el reactor de menor anchura en una dirección respecto de las otras dimensiones, lo que aumenta la probabilidad de fuga por las caras perpendiculares a esa dirección; o agregar el combustible en placas paralelas separadas entre sí, cuya probabilidad de fuga neutrónica es proporcional a la separación entre placas.

EXPLICACiÓN DE LAS FIGURAS

La figura 1 muestra un corte transversal del reactor con sus componentes esenciales, particularmente las placas y el reflector.

La figura 2 es un corte en alzado de una placa de combustible.

La figura 3 es un corte en alzado de un recipiente conteniendo material reflector

neutrónico fundido.

La figura 4 es una representación esquemática de un reactor estrecho con reflector en los laterales donde las fugas neutrónicas son altas.

Para facilitar la comprensión de las figuras de la invención, y de sus modos de realización, a continuación se relacionan los elementos relevantes de la misma, anotando que las figuras no están a escala, pues algunos elementos no podrían identificarse:

. Placas del reactor.

2. Protuberancias de las placas, para determinar la separación entre ellas.

3. Material reflector neutrónico.

4. Recipiente del material reflector 3.

5. Vasija del reactor.

6. Envoltura de placa de reactor.

7. Combustible nuclear que constituye el relleno de la placa.

8. Absorbente neutrónico exterior al reflector.

9. Válvula de vaciado rápido del material reflector (3) en estado fundido.

10. Reactor.

MODO PREFERENTE DE REALIZACiÓN DE LA INVENCiÓN

La invención se ha de materializar alrededor de un reactor de alta fuga, lo cual conduce a seleccionar una de estas dos opciones como base de diseño para el reactor:

Hacer el reactor de menor anchura en una dirección, respecto de las otras dimensiones, lo que aumenta la probabilidad de fuga por las caras perpendiculares a esa dirección, pues esta probabilidad es tanto mayor cuanto menor es dicha anchura, expresada ésta en recorrido libre medio de los neutrones en el reactor; y el reflector se ubica frente a dichas caras perpendiculares a la dirección de menor longitud del reactor.

Agregar el combustible en placas paralelas separadas entre sí, lo cual

proporciona además un campo de explicación más fácil de ilustrar.

Para construir un reactor se ha de disponer del combustible nuclear con la formulación química que se desee y...

-Reactor nuclear de reflector fundido, caracterizado porque el reactor

(10) está rodeado por un material reflector neutrónico (3) contenido en recipientes (4) con forma seleccionada entre placas planas o coronas cilíndricas abarcando un sector circular, y siendo el material reflector muy transparente a los neutrones pero de alta tasa de retrodispersión neutrónica, y con temperatura de fusión más baja que la del material de los recipientes; estando el material reflector en estado liquido en condiciones de funcionamiento del reactor, confinado en los recipientes dichos, que disponen de unas válvulas de vaciado rápido (9) , que abren súbitamente si se traspasa alguna señal de consigna, en particular referente a temperaturas de partes del reactor y a la temperatura de salida del fluido refrigerante, y desaguan el material reflector fundido (3) en otros recipientes alejados del reactor y sin relación neutrónica con él.

-Reactor nuclear de reflector fundido, según reivindicación primera, caracterizado porque el material reflector (3) puede ser plomo o una aleación de plomo, y desaparece por gravedad de sus recipientes (4) adyacentes al reactor, cuando los relés de las válvulas de vaciado reciben una señal de urgencia para la extinción de la reacción en cadena; o se funde un fusible del circuito eléctrico que mantiene cerradas dichas válvulas de vaciado rápido (9) .

-Reactor nuclear de reflector fundido, según cualquiera de las reivindicaciones primera y segunda, caracterizado porque para contener al material del reflector de cada lado del reactor, se selecciona el recipiente (4) entre uno solo cubriendo toda la altura, o una pluralidad de recipientes de menor altura dispuestos verticalmente, uno encima de otro, cada uno con su desagüe independiente.

-Reactor nuclear de reflector fundido, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el reactor (10) es una agregación de placas (1) paralelas entre si, manteniendo entre dos placas consecutivas una separación dada por las protuberancias (2) aisladas que existen en cada cara de cada placa, estando constituida cada placa por una envoltura (6) de material sólido y estanco, dentro de la cual se configura un espacio hueco interior en forma de placa semejante a la placa delimitada por la envoltura, rellenándose total o parcialmente dicho espacio hueco interior de combustible nuclear fisionable (7) , manteniéndose las placas verticalmente, fluyendo el fluido refrigerante de abajo a arriba por los espacios de separación entre placas; dándose la relación cualitativa de que a mayor valor del cociente entre dicha separación y la anchura en horizontal de la placa desde un extremo al otro, mayor es el porcentaje de fugas, y mayor es el efecto de reflector en el

mantenimiento de la reacción en cadena; estando el reflector emplazado, al menos, frente a las caras extremas a las que dan los huelgos entre placas, y en proximidad a dichas caras.

- Reactor nuclear de reflector fundido, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el reactor (10) se construye de 10 menor anchura en una dirección, respecto de las otras dimensiones, lo que aumenta la probabilidad de fuga por las caras perpendiculares a esa dirección, pues esta probabilidad es tanto mayor cuanto menor es dicha anchura, expresada ésta en recorrido libre medio de los neutrones en el reactor; y el reflector (3) se ubica frente a dichas caras perpendiculares a la dirección de menor longitud del reactor.