¿De qué se trata el reactor de agua en ebullición?
Desde la perspectiva del proceso interno del reactor, la característica más importante del reactor de agua en ebullición es la aparición de vapor en el núcleo. ¿Qué impacto tendrán estas pequeñas burbujas atrapadas en el flujo de agua en la reacción nuclear en cadena? Este es el primer problema que hay que resolver.
Los reactores de agua en ebullición son similares a los reactores de agua a presión y además utilizan agua corriente como refrigerante y moderador. Cuando parte del agua del núcleo se reemplaza por burbujas, el moderador del núcleo se reduce, reduciendo así la reactividad. Por otro lado, el agua ordinaria absorberá algunos neutrones en el núcleo. Cuando las burbujas lo empujan fuera del núcleo, se reduce la pérdida de neutrones, aumentando así la reactividad. Este impacto positivo y negativo de las burbujas sobre la reactividad se denomina "efecto cavitación". En el diseño del reactor de agua en ebullición, el efecto de cavitación debe ser lo más negativo posible, es decir, cuando aumenta el contenido de vapor en el núcleo del reactor, la reactividad disminuye, de modo que el aumento de potencia pueda suprimirse automáticamente. Esta capacidad de "autoestabilización" puede aumentar la seguridad del funcionamiento del reactor.
La gran cantidad de burbujas en el núcleo del reactor no sólo producen un efecto de cavitación, sino que además están en constante cambio y movimiento. Las burbujas se generan continuamente en el núcleo y fluyen junto con el agua. Este proceso es muy complicado. A la gente le preocupaba que el caótico proceso de ebullición y la inestabilidad en el flujo de vapor y agua hicieran que el reactor se saliera de control. Después de una investigación en profundidad sobre el flujo de vapor y agua, los expertos descubrieron que las burbujas no son tan esquivas como originalmente. pensamiento y sus Las reglas de movimiento se pueden calcular cuantitativamente para evitar que el flujo de agua con gas entre en un estado inestable. Por lo tanto, se puede permitir que se produzcan fenómenos de ebullición en el núcleo del reactor, y el funcionamiento del reactor de agua en ebullición es fiable.
La primera empresa dedicada a la investigación sobre reactores de agua en ebullición fue la General Electric Company de Estados Unidos. El 24 de octubre de 1957 se puso en funcionamiento en California, Estados Unidos, la primera central nuclear con reactor de agua en ebullición, la central nuclear de Valle Sheitos. Su potencia de generación es de 5.000 kilovatios. En realidad, es un dispositivo de prueba para proporcionar experiencia para la construcción de centrales nucleares con reactores de agua en ebullición a gran escala.
En agosto de 1960 se construyó a 80 kilómetros al suroeste de Chicago la central nuclear más potente del mundo en aquel momento, la central nuclear con reactor de agua en ebullición de Dresde, con una potencia eléctrica de 180.000 kilovatios. Con su excelente historial de funcionamiento, no sólo estableció el estatus de este tipo de reactor en la industria nuclear, sino que también atrajo inmediatamente mercados extranjeros. De repente, Italia, la República Federal de Alemania, los Países Bajos, la India, Japón, España, Suiza, Suecia y otros países hicieron pedidos uno tras otro. El reactor de agua en ebullición se hizo famoso y rápidamente se hizo más potente. En 1969, la potencia de la central nuclear de Oyster Bay alcanzó los 670.000 kilovatios; en 1973, la potencia de la central nuclear de Blanche Ferai alcanzó los 1,065 millones de kilovatios, lo que es comparable a la potencia de un solo reactor de los grandes reactores de agua a presión actuales.
El reactor de agua en ebullición consta de una vasija de acero que contiene el núcleo y muchos sistemas auxiliares conectados a él. El agua pasa a través del núcleo de abajo hacia arriba y luego cae en la cavidad anular entre la periferia del núcleo y la pared interior del recipiente de acero, donde recircula continuamente. Después de que el vapor generado en el núcleo del reactor se separa del agua recirculada, se seca en la parte superior del contenedor, donde se instala un dispositivo de separación de vapor y agua de alta eficiencia. En la cavidad anular también hay varios inyectores dispuestos para mejorar la capacidad de recirculación del refrigerante. El inyector funciona con dos bombas centrífugas que extraen un tercio del flujo central del recipiente y lo hacen fluir a través de la boquilla del inyector a mayor presión. El flujo de agua a alta velocidad desde la salida de la boquilla impulsa el flujo de agua en la cavidad anular y entra al núcleo para su recirculación. El combustible nuclear de los modernos reactores de agua en ebullición utiliza dióxido de uranio poco enriquecido, con una concentración de uranio-235 de aproximadamente el 2%. El combustible se sinteriza en gránulos a alta temperatura y presión, y los gránulos se colocan en tubos de aleación de circonio para formar barras de combustible. Muchas barras de combustible están dispuestas en un conjunto combustible cuadrado en configuraciones de 6×6, 7×7 u 8×8. Muchos conjuntos combustibles se ensamblan para formar el núcleo. Esta estructura tiene muchas similitudes con un reactor de agua a presión. La diferencia es que el espacio entre los elementos combustibles de un reactor de agua en ebullición es mayor, lo que permite que la mezcla de vapor y agua fluya sin problemas.
Las barras de control del reactor de agua en ebullición están fabricadas en carburo de boro y tienen una sección transversal en forma de cruz. Dado que la parte superior del reactor ha sido ocupada por el dispositivo de separación de vapor y agua, las barras de control con secciones en forma de cruz se insertan desde el fondo del recipiente de abajo hacia arriba en los espacios entre los cuatro elementos combustibles. distinción entre reactores de agua a presión y reactores de agua en ebullición uno de los signos.
Ajustando la profundidad de inserción, se puede controlar la reactividad del núcleo, ajustando así la potencia del reactor. Además de utilizar barras de control, los reactores de agua en ebullición también pueden depender de cambiar el caudal de refrigerante en el núcleo para controlar la reactividad. Los cambios en la velocidad del flujo pueden provocar cambios en el contenido de vapor en el núcleo del reactor. De esta manera, la potencia operativa del reactor se puede cambiar en aproximadamente un 25%.
La característica más importante del funcionamiento de un reactor de agua en ebullición es que el vapor contiene radiactividad. A medida que el refrigerante fluye a través del núcleo, el oxígeno elemental-16 en las moléculas de agua absorbe neutrones y libera protones, que se convierten en nitrógeno-16. El nitrógeno-16 tiene una vida media de sólo 7,35 segundos y emite rayos gamma de alta energía cuando se desintegra, lo que lo hace altamente radiactivo. Este fenómeno también existe en las centrales nucleares con reactores de agua a presión, pero el nitrógeno-16 se limita al flujo circulante en el circuito primario. En una planta de energía nuclear con reactor de agua en ebullición, cuando el vapor ingresa al circuito de vapor-agua del dispositivo de turbina de vapor, se deben tomar medidas para proteger el circuito de vapor-agua, y todo el vapor que pueda descargarse del sistema de vapor-agua debe ser condensado y recuperado.
Entre las centrales nucleares actualmente en funcionamiento, el número de reactores de agua en ebullición ocupa el segundo lugar después de los reactores de agua a presión. Es comparable a los reactores de agua a presión en términos de eficiencia térmica, potencia de un solo reactor y seguridad y confiabilidad operativa. En la feroz competencia entre varios tipos de reactores, obviamente es el oponente más fuerte para desafiar el estatus de campeonato de reactores de agua a presión.