DESHIDRATACIÓN DE CÁPSULA DE FLUJO DE GAS FORZADA.

Un procedimiento de secado de una cavidad cargada con elementos radioactivos y que contiene cantidades traza de agua líquida y de vapor de agua hasta una presión de vapor deseada de agua (vPD),

teniendo la cavidad cargada un volumen libre (VF),una presión de vapor de inicio de agua (vPS), y una presión de cavidad (PC), comprendiendo el procedimiento: determinar un grado deseado de sequedad en la cavidad en términos de una presión de vapor deseada de agua (vPD); caracterizado porque el procedimiento comprende además las siguientes etapas: i) enfriar un gas no reactivo hasta una temperatura (TC) secando de este modo el gas no reactivo de modo que tenga una presión de vapor de agua igual a o menor que la presión de vapor deseada de agua (vPD); ii) introducir el gas no reactivo seco de forma continua en la cavidad a un caudal (R) durante un periodo de tiempo (t) o bien como para que el volumen libre VF de la cavidad se recambie X veces; y iii) retirar el gas no reactivo húmedo de forma continua de la cavidad; en el que TC y R se controlan para lograr la presión de vapor deseada (vPD) en la cavidad después del tiempo t o bien TC y X se controlan para lograr la presión de vapor deseada vPD en la cavidad

Antecedentes de la invención

Esta invención se refiere generalmente al campo del almacenamiento de elementos radiactivos y específicamente a sistemas y procedimientos para secar el combustible nuclear gastado para el almacenamiento a largo plazo en "estado seco".

En la operación de reactores nucleares, los tubos de aleación de circonio cargados con uranio enriquecido conocidos como conjuntos de combustible, se consumen dentro del núcleo del reactor nuclear. Es costumbre retirar estos conjuntos de combustible del reactor después de que la energía se ha reducido a un nivel predeterminado. Tras el agotamiento y la subsiguiente retirada, este combustible nuclear gastado (“SNF”) es aún altamente radiactivo y produce considerable calor, requiriendo que se tenga gran cuidado en su subsiguiente envasado, transporte y almacenamiento. Específicamente, el SNF emite neutrones y fotones gamma extremadamente peligrosos. Es obligatorio que estos neutrones y fotones gamma estén contenidos en todo momento subsiguiente a su retirada del reactor nuclear.

En la retirada de combustible de un reactor nuclear, es común retirar el SNF del reactor y colocar el SNF bajo el agua, en lo que se conoce generalmente como un almacenamiento en piscinas o balsas de combustible gastado. El agua de la balsa facilita el enfriamiento del SNF y proporciona protección apropiada contra la radiación. El SNF se almacena en la balsa durante un periodo suficientemente largo para permitir la disminución del calor y la radiación a un nivel lo suficientemente bajo para permitir que el SNF se transporte con seguridad. Sin embargo, debido a cuestiones de seguridad, espacio y económicas, el uso únicamente de las balsas no es satisfactorio cuando el SNF necesita almacenarse durante un período de tiempo considerable. Así, cuando se requiere almacenamiento de SNF a largo plazo, es la práctica normal en la industria nuclear almacenar el SNF en un estado seco subsiguiente a un periodo de almacenamiento breve en la balsa de combustible cargado, es decir, almacenar el SNF en una atmósfera de gas inerte seco encajonada dentro de una estructura que proporciona protección apropiada contra la radiación. Una estructura típica que se usa para almacenar el SNF durante largos periodos de tiempo en el estado seco es un bidón de almacenamiento.

Los bidones de almacenamiento tienen una cavidad adaptada para recibir una cápsula de SNF y se diseñan para ser estructuras grandes, pesadas, hechas de acero, plomo, hormigón y un material hidrogenado medioambientalmente adecuado. Sin embargo, debido a que la atención en el diseño de un bidón de almacenamiento es proporcionar protección adecuada contra la radiación para el almacenamiento a largo plazo del SNF, el tamaño y el peso son a menudo consideraciones secundarias (si es que se consideran). Como un resultado, el peso y el tamaño de los bidones de almacenamiento causan a menudo problemas asociados con elevación y manejo. Típicamente, los bidones de almacenamiento pesan más de 100 toneladas y tienen una altura mayor de 4,572 metros (15 pies). Un problema común asociado con los bidones de almacenamiento es que son demasiado pesados para elevarse por la mayoría de las grúas de plantas de energía nuclear. Otro problema común es que los bidones de almacenamiento son generalmente demasiado grandes para situarlos en balsas de combustible gastado. Así, con el fin de almacenar SNF en un bidón de almacenamiento posterior a su enfriamiento en la balsa, el SNF se transfiere a un bidón, se retira de la balsa, se sitúa en un área de almacenamiento, se deshidrata, se seca y se transporta a una instalación de almacenamiento. Se necesita protección adecuada contra la radiación a lo largo de todas las fases de este procedimiento de transferencia.

Como un resultado de la necesidad del SNF para la retirada de la balsa de combustible gastado y el transporte posterior a un bidón de almacenamiento, se sumerge típicamente una cápsula abierta en la balsa de combustible gastado. Las varillas de SNF se sitúan directamente después dentro de la cápsula abierta mientras que están sumergidas en el agua. Sin embargo, incluso después de sellar, la cápsula sola no proporciona contención adecuada de la radiación del SNF. Una cápsula cargada no puede retirarse o transportarse desde la balsa de combustible gastado sin una protección adicional contra la radiación. Así, es necesario un dispositivo que proporcione protección contra la radiación adicional durante el transporte del SNF. Esta protección adicional contra la radiación se logra situando las cápsulas cargadas de SNF en contenedores cilíndricos grandes llamados bidones de transferencia mientras están aún dentro de la balsa. De forma similar a los bidones de almacenamiento, los bidones de transferencia tienen una cavidad adaptada para recibir la cápsula de SNF y están diseñados para proteger el ambiente de la radiación emitida por el SNF interior.

En instalaciones que utilizan bidones de transferencia para transportar cápsulas cargadas, una cápsula vacía se cargaría primero dentro de la cavidad de un bidón de transferencia abierto. La cápsula y el bidón de transferencia se sumergen después en la balsa de combustible gastado. Antes de almacenamiento en bidones, el SNF se retira del reactor y se sitúa en estantes de almacenamiento húmedos situados en el fondo de balsas de combustible gastado. Para el almacenamiento seco, el SNF se transfiere a la cápsula sumergida que se anega con agua y dentro del bidón de transferencia. La cápsula cargada se ajusta después con su tapa, encerrando el SNF y el agua del interior de la balsa. La cápsula cargada y el bidón de transferencia se retiraron después de la balsa mediante una grúa y se depositan en un área de almacenamiento para preparar la cápsula cargada con SNF durante almacenamiento en seco a largo plazo. Con el fin de que una cápsula cargada de SNF esté apropiadamente preparada para almacenamiento en seco, la Comisión Reguladora Nuclear de los Estados Unidos ("N.R.C.") requiere que el SNF y el interior de la cápsula estén adecuadamente secos antes de que la cápsula se selle y se transfiera al bidón de almacenamiento.

**(Ver fórmula)**

Específicamente, las regulaciones de la N.R.C. ordenan que la presión de vapor ("vP") dentro de la cápsula esté por debajo de 41 Kg m-2 (3 Torr (1 Torr = 1 mm Hg)) antes de que la cápsula se rellene con un gas inerte y se selle. La presión de vapor es la presión de vapor sobre un líquido en el equilibrio, en la que el equilibrio se define como la condición donde hay un número igual de moléculas transformándose de la fase líquida a la fase gaseosa que las que hay transformándose de la fase gaseosa a la fase líquida. Requerir una vP baja de 3 Torr o menos asegura que existe una cantidad adecuadamente baja de humedad en el interior de la cápsula y en el SNF de tal forma que el SNF está suficientemente seco para almacenamiento a largo plazo.

Actualmente, las instalaciones nucleares cumplen con el requerimiento de vP de 41 kg m-2 (3 Torr) o menos de la N.R.C llevando a cabo un procedimiento de secado a vacío. En la realización de este procedimiento, el agua a granel que está dentro de la cápsula se extrae primero de la cápsula. Una vez se extrae el volumen del agua líquida, se acopla un sistema de vacío a la cápsula y se activa tal como para crear una condición de presión subatmosférica dentro de la cápsula. La condición subatmosférica dentro de la cápsula facilita la evaporación del agua líquida que queda mientras que el vacío ayuda a retirar el vapor de agua. El vP dentro de la cápsula se mide después situando instrumentos de medida apropiados, tales como indicadores de vacío, dentro de la cápsula y tomando medidas directas de los contenidos gaseosos presentes en ellas. Si es necesario, el procedimiento de vacío se repitió hasta que se obtuvo una vP de 41 Kg m-2 (3 Torr) o menos. Una vez se alcanza una vP aceptable, la cápsula se rellena con un gas inerte y la cápsula se sella. El bidón de transferencia (con la cápsula dentro) se transporta después a una posición encima del bidón de almacenamiento y la cápsula cargada de SNF se baja dentro del almacenamiento para almacenamiento a largo plazo.

Los actuales procedimientos para satisfacer la regulación de vP de 41 Kg m-2 (3 Torrs) o menos de la N.R.C. son potencialmente peligrosos, requieren tiempo de operación, son propensos a error, están expuestas las varillas de SNF a altas temperaturas y son caros. Primero, la naturaleza intrusiva de la medida de vP directa es peligrosa debido a que la cápsula contiene SNF altamente... [Seguir leyendo]

1. Un procedimiento de secado de una cavidad cargada con elementos radioactivos y que contiene cantidades traza de agua líquida y de vapor de agua hasta una presión de vapor deseada de agua (vPD), teniendo la cavidad cargada un volumen libre (VF),una presión de vapor de inicio de agua (vPS), y una presión de cavidad (PC), comprendiendo el procedimiento: determinar un grado deseado de sequedad en la cavidad en términos de una presión de vapor deseada de agua (vPD); caracterizado porque el procedimiento comprende además las siguientes etapas:

i) enfriar un gas no reactivo hasta una temperatura (TC) secando de este modo el gas no reactivo de modo que tenga una presión de vapor de agua igual a o menor que la presión de vapor deseada de agua (vPD);

ii) introducir el gas no reactivo seco de forma continua en la cavidad a un caudal (R) durante un periodo de tiempo (t) o bien como para que el volumen libre VF de la cavidad se recambie X veces;

y

iii) retirar el gas no reactivo húmedo de forma continua de la cavidad;

en el que TC y R se controlan para lograr la presión de vapor deseada (vPD) en la cavidad después del tiempo t o bien TC y X se controlan para lograr la presión de vapor deseada vPD en la cavidad.

2. El procedimiento de la reivindicación 1, que comprende además calentar el gas no reactivo seco hasta una temperatura (TH) después de la etapa de enfriamiento y antes de la etapa de introducción, en el que TH se controla para lograr la presión de vapor deseada vPD.

3. El procedimiento de la reivindicación 1 o reivindicación 2, en el que la etapa de enfriamiento comprende hacer fluir el gas no reactivo a través de un condensador y después hacer fluir el gas no reactivo a través de un módulo de deshidratación que seque por congelación el gas no reactivo, en el que el módulo de deshidratación está adaptado para hacer salir el gas no reactivo a una temperatura TC.

4. El procedimiento reivindicado en una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende además recircular el gas no reactivo húmedo de la cavidad sometiendo el gas no reactivo húmedo retirado a la etapa de enfriamiento.

5. El procedimiento reivindicado en una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende además: cesar la introducción del gas no reactivo seco en la cavidad después de que haya pasado el tiempo t o bien después de que se haya recambiado el volumen libre VF de la cavidad X veces; y sellar la cavidad formando de este modo una atmósfera de gas no reactivo seco dentro de la cavidad, teniendo la cavidad una presión de vapor de o inferior a vPD.

6. Un sistema de secado de una cavidad cargada con elementos radioactivos y que contiene cantidades traza de agua líquida y de vapor de agua hasta una presión de vapor deseada de agua (vPD), teniendo la cavidad cargada un volumen libre (VF),una presión de vapor de inicio de agua (vPS), y una presión de cavidad (PC), comprendiendo el sistema: una fuente de gas no reactivo adaptado para suministrar un gas no reactivo al sistema; caracterizado porque el sistema comprende además:

un medio para enfriar un gas no reactivo hasta una temperatura (TC) secando de este modo el gas no reactivo de modo que tenga una presión de vapor de agua igual a o menor que la presión de vapor deseada de agua (vPD);

un medio para hacer fluir el gas no reactivo seco de forma continua en la cavidad, el medio de flujo adaptado para introducir el gas no reactivo seco a la cavidad a un caudal R durante un periodo de tiempo (t); un medio para retirar el gas no reactivo húmedo de forma continua de la cavidad;

en el que la fuente de gas no reactivo, el medio de enfriamiento, el medio de flujo, el medio de retirada y la cavidad están acoplados de forma fluida; en el que TC y R se controlan para lograr una presión de vapor deseada (vPD) en la cavidad en el tiempo t.

7. El sistema de la reivindicación 6, que comprende además un medio para calentar el gas no reactivo seco hasta una temperatura (TH), el medio de calentamiento acoplado de forma fluida al sistema corriente abajo del medio de enfriamiento y corriente arriba de la cavidad, en el que TH se controla para lograr la presión de vapor deseada vPD.

8. El sistema de la reivindicación 6 o reivindicación 7, en el que el medio para calentar el gas no reactivo seco es un calentador auxiliar.

9. El sistema reivindicado en una cualquiera de las reivindicaciones 6 a 8, en el que el medio de flujo es una bomba de circulación de gas.

10. El sistema reivindicado en una cualquiera de las reivindicaciones 6 a 9, en el que el medio de enfriamiento comprende un módulo de condensador acoplado de forma fluida corriente arriba a un módulo de deshidratación, el módulo de deshidratación adaptado para secar por congelación el gas no reactivo de modo que el gas no reactivo que sale del módulo de deshidratación está a una temperatura TC.

11. El sistema reivindicado en una cualquiera de las reivindicaciones 6 a 10, en el que el sistema está adaptado para recircular el gas no reactivo húmedo que se retira de la cavidad a través del sistema.

12. El sistema reivindicado en una cualquiera de las reivindicaciones 6 a 11, en el que la cavidad tiene una parte superior y un fondo, en el que el sistema está adaptado para suministrar el gas no reactivo a la cavidad en o cerca del fondo de la cavidad y además adaptado para retirar el gas no reactivo húmedo de la cavidad de o cerca de la parte superior de la cavidad.

13. El procedimiento reivindicado en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 o el sistema reivindicado en una cualquiera de las reivindicaciones 6 a 12, en el que el gas no reactivo es nitrógeno, dióxido de carbono, gases de hidrocarburos ligeros, o un gas inerte seleccionado del grupo que consiste en helio, argón, criptón y xenón.

14. El procedimiento reivindicado en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 o el sistema reivindicado en una cualquiera de las reivindicaciones 6 a 12, en el que la presión de vapor deseada vPD en la cavidad es de o inferior a 41 Kg m-2 (3 Torr).

15. El procedimiento reivindicado en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 o el sistema reivindicado en una cualquiera de las reivindicaciones 6 a 12, en el que la temperatura TC está a o es inferior a -6ºC (veintiún grados Fahrenheit).

16. El procedimiento reivindicado en la reivindicación 1 o el sistema reivindicado en la reivindicación 6, en el que cuando vPD es 41 Kg m-2 (3 Torr), VF es 8.500 l (300 pies cúbicos), PC es 3.500 g cm-2 (50 libras por pulgada cuadrada) y vPS es 1183 Kg m-2 (87 Torr); y en el que R es un caudal volumétrico fijado a 36,9 I s-1 (78,125 pies cúbicos por minuto), TH está fijada a 149ºC (300 grados Fahrenheit), y TC está fijada a o es inferior a -6ºC (21 grados Fahrenheit); tiempo t es de 22,5 minutos.

17. El procedimiento reivindicado en la reivindicación 2 o el sistema reivindicado en la reivindicación 7, en el que el gas no reactivo es helio y cuando vPD es 41 Kg m-2 (3 Torr), VF es 8500 l (300 pies cúbicos), PC es 3500 g cm-2 (50 libras por pulgada cuadrada) y vPS es 1183 Kg m-2 (87 Torr); y en el que R es un caudal másico fijado a 1,134 kg (2,5 libras) por minuto, TH está fijada a 149ºC (300 grados Fahrenheit), y TC está fijada a o es inferior a -6ºC (21 grados Fahrenheit); tiempo t es de 22,5 minutos.