Reator de água supercrítico - Supercritical water reactor

Esquema de reator de água supercrítico.

O reator de água supercrítica ( SCWR ) é um reator conceito de Geração IV , principalmente projetado como reator de água leve (LWR) que opera em pressão supercrítica (ou seja, maior que 22,1 MPa). O termo crítico , neste contexto, refere-se ao ponto crítico da água, e não deve ser confundido com o conceito de criticidade do reator nuclear.

A água aquecida no núcleo do reator torna-se um fluido supercrítico acima da temperatura crítica de 374 ° C, passando de um fluido mais parecido com água líquida para um fluido mais parecido com vapor saturado (que pode ser usado em uma turbina a vapor ), sem passar pelo transição de fase distinta de ebulição .

Em contraste, os reatores de água pressurizada (PWR) bem estabelecidos têm um circuito de resfriamento primário de água líquida a uma pressão subcrítica, transportando calor do núcleo do reator para um circuito de resfriamento secundário, onde o vapor para acionar as turbinas é produzido em uma caldeira (chamado de gerador de vapor ). Os reatores de água fervente (BWR) operam em pressões ainda mais baixas, com o processo de ebulição para gerar o vapor que ocorre no núcleo do reator.

O gerador de vapor supercrítico é uma tecnologia comprovada. O desenvolvimento de sistemas SCWR é considerado um avanço promissor para usinas nucleares por causa de sua alta eficiência térmica (~ 45% vs. ~ 33% para LWRs atuais) e design mais simples. Em 2012, o conceito estava sendo investigado por 32 organizações em 13 países.

História

Os reatores superaquecidos resfriados a vapor operando em pressão subcrítica foram experimentados na União Soviética e nos Estados Unidos já nas décadas de 1950 e 1960, como a Central Nuclear de Beloyarsk , Pathfinder e o programa Bonus of GE 's Operation Sunrise . Estes não são SCWRs. Os SCWRs foram desenvolvidos a partir da década de 1990. Um SCWR do tipo LWR com um vaso de pressão do reator e um SCWR do tipo CANDU com tubos de pressão estão sendo desenvolvidos.

Um livro de 2010 inclui design conceitual e métodos de análise, como design de núcleo, sistema de planta, dinâmica e controle de planta, inicialização e estabilidade de planta, segurança, design de reator rápido, etc.

Um documento de 2013 viu a conclusão de um teste de circuito com combustível prototípico em 2015. Um Teste de Qualificação de Combustível foi concluído em 2014.

Um livro de 2014 viu o projeto conceitual do reator de um reator de espectro térmico (Super LWR) e um reator rápido (Super FR) e resultados experimentais de hidráulica térmica, materiais e interações material-refrigerante.

Projeto

Moderador-refrigerante

O SCWR opera em pressão supercrítica. O refrigerante de saída do reator é água supercrítica . Água leve é ​​usada como um moderador de nêutrons e refrigerante. Acima do ponto crítico, vapor e líquido passam a ter a mesma densidade e são indistinguíveis, eliminando a necessidade de pressurizadores e geradores de vapor ( PWR ), ou bombas de jato / recirculação, separadores e secadores de vapor ( BWR ). Além disso, evitando a fervura, o SCWR não gera vazios caóticos (bolhas) com menos densidade e efeito moderador. Em um LWR, isso pode afetar a transferência de calor e o fluxo de água, e o feedback pode tornar a potência do reator mais difícil de prever e controlar. O cálculo acoplado neutrônico e termo-hidráulico é necessário para prever a distribuição de energia. A simplificação do SCWR deve reduzir os custos de construção e melhorar a confiabilidade e a segurança. Um SCWR do tipo LWR adota hastes de água com isolamento térmico e um SCWR do tipo CANDU mantém o moderador de água em um tanque Calandria. Um núcleo de reator rápido do tipo LWR SCWR adota uma estrutura de haste de combustível apertada como um LWR de alta conversão. O SCWR de espectro de nêutrons rápido tem vantagens de uma densidade de potência mais alta, mas precisa de combustível de óxidos mistos de plutônio e urânio, que estará disponível no reprocessamento. 

Ao controle

Os SCWRs provavelmente teriam hastes de controle inseridas na parte superior, como é feito nos PWRs.

Material

As condições dentro de um SCWR são mais duras do que aquelas em LWR , LMFBRs , e plantas de combustíveis fósseis supercrítico (com a qual muita experiência adquirida, embora isso não inclui a combinação de ambiente hostil e de neutrões intensa ). Os SCWRs precisam de um padrão mais alto de materiais de núcleo (especialmente revestimento de combustível ) do que qualquer um desses. P&D concentra-se em:

Vantagens

  • A água supercrítica tem excelentes propriedades de transferência de calor, permitindo uma alta densidade de potência, um pequeno núcleo e uma pequena estrutura de contenção.
  • O uso de um ciclo Rankine supercrítico com suas temperaturas tipicamente mais altas melhora a eficiência (seria ~ 45% contra ~ 33% do atual PWR / BWRs).
  • Esta maior eficiência levaria a uma melhor economia de combustível e uma carga de combustível mais leve, reduzindo o calor residual (decaimento) .
  • O SCWR é normalmente projetado como um ciclo direto, em que o vapor ou água supercrítica quente do núcleo é usado diretamente em uma turbina a vapor. Isso torna o design simples. Como um BWR é mais simples do que um PWR, um SCWR é muito mais simples e mais compacto do que um BWR menos eficiente com a mesma saída elétrica. Não há separadores de vapor, secadores de vapor, bombas de recirculação interna ou fluxo de recirculação dentro do vaso de pressão. O projeto é um ciclo direto e único, o tipo de ciclo mais simples possível. A energia térmica e radiológica armazenada no núcleo menor e seu circuito de resfriamento (primário) também seria menor do que a de um BWR ou de um PWR.
  • A água é líquida à temperatura ambiente, barata, não tóxica e transparente, simplificando a inspeção e o reparo (em comparação com os reatores resfriados por metal líquido ).
  • Um SCWR rápido poderia ser um reator reprodutor , como o proposto Reator Avançado Limpo e Ambientalmente Seguro , e poderia queimar os isótopos actinídeos de vida longa.
  • Um SCWR de água pesada poderia gerar combustível de tório (4x mais abundante que urânio), com maior resistência à proliferação em relação aos reprodutores de plutônio.

Desvantagens

  • Menor estoque de água (devido ao circuito primário compacto) significa menos capacidade de calor para amortecer transientes e acidentes (por exemplo, perda de fluxo de água de alimentação ou acidente de grande perda de refrigerante ) resultando em acidentes e temperaturas transitórias que são muito altas para o revestimento metálico convencional.

No entanto, a análise de segurança do tipo LWR SCWR mostrou que os critérios de segurança são atendidos em acidentes e transientes anormais, incluindo perda total de fluxo e perda de acidente com líquido de arrefecimento. Não ocorre interrupção dupla devido ao ciclo de refrigeração de passagem única. O núcleo é resfriado pelo fluxo induzido na perda do refrigerante por acidente.

  • Pressão mais alta combinada com temperatura mais alta e também um aumento de temperatura mais alto em todo o núcleo (em comparação com PWR / BWRs) resultam em tensões mecânicas e térmicas aumentadas em materiais de vasos que são difíceis de resolver. Em um projeto do tipo LWR, a parede interna do vaso de pressão do reator é resfriada pelo refrigerante de entrada como um PWR. Os bocais de refrigeração de saída são equipados com luvas térmicas. Um projeto de tubo de pressão, em que o núcleo é dividido em tubos menores para cada canal de combustível, tem potencialmente menos problemas aqui, pois tubos de menor diâmetro podem ser muito mais finos do que vasos de pressão únicos maciços e o tubo pode ser isolado por dentro com isolamento de cerâmica inerte para que possa operar em baixa temperatura (água de calandria).

O refrigerante reduz bastante sua densidade no final do núcleo, resultando na necessidade de colocar moderador extra lá. Um projeto SCWR do tipo LWR adota hastes de água nos conjuntos de combustível. A maioria dos projetos de CANDU tipo SCWR usa uma calandria interna onde parte do fluxo de água de alimentação é guiado através dos tubos superiores através do núcleo, que fornecem a moderação adicional (água de alimentação) naquela região. Isso tem a vantagem adicional de ser capaz de resfriar toda a parede do vaso com água de alimentação, mas resulta em uma calandria interna complexa e materialmente exigente (alta temperatura, altas diferenças de temperatura, alta radiação) calandria e arranjo completo. Mais uma vez, um projeto de tubo de pressão tem potencialmente menos problemas, já que a maioria do moderador está na calandria em baixa temperatura e pressão, reduzindo o efeito da densidade do refrigerante na moderação, e o tubo de pressão real pode ser mantido resfriado pela água da calandria.

  • É necessário um extenso desenvolvimento de materiais e pesquisas sobre a química supercrítica da água sob radiação
  • Procedimentos especiais de inicialização necessários para evitar instabilidade antes que a água atinja condições supercríticas. A instabilidade é gerenciada pela taxa de vazão de energia para refrigerante como um BWR.
  • Um SCWR rápido precisa de um núcleo de reator relativamente complexo para ter um coeficiente de vazio negativo . Mas um único núcleo de passagem de fluxo de refrigerante é viável.

Veja também

Referências

links externos