Sistemas de Seguridad y Neutrónica en Reactores Nucleares: Principios Operacionales y Diseño

Sistemas de Seguridad y Neutrónica en Reactores Nucleares

Sistemas de Seguridad Esenciales en Centrales Nucleares

Sistema de Agua de Alimentación Auxiliar (AFWS)

El Sistema de Agua de Alimentación Auxiliar (AFWS) es crucial para la seguridad y operación de la planta.

Requisitos Funcionales y de Seguridad:

• Proporciona protección en accidentes que requieren el circuito secundario como sumidero de calor.
• Asegura el mantenimiento del modo disponible caliente durante el arranque y la parada de la planta.
• Puede desempeñar sus funciones desde la presión de diseño de los Generadores de Vapor (SG) hasta las condiciones de entrada del Sistema de Refrigeración del Recinto de Contención (RHRS).

Componentes del AFWS:

• Consta de dos trenes redundantes con una capacidad total del 10 % del caudal de plena carga.
• Un tren incluye dos motobombas (MB) con alimentación eléctrica independiente.
• El otro tren dispone de una turbobomba (TB) alimentada por vapor de los Generadores de Vapor (SG).

Posibles Fuentes de Agua:

• Depósito de Almacenamiento de Agua de Alimentación Auxiliar (AFWST).
• Sistema de Agua de Servicios Esenciales (agua no tratada).
• Depósito de Almacenamiento de Condensado (no cualificado para seguridad).

Sistema de Refrigeración de Emergencia del Núcleo (ECCS)

El Sistema de Refrigeración de Emergencia del Núcleo (ECCS) es vital para la integridad del reactor.

Requisitos Funcionales:

• Asegurar un caudal suficiente de refrigeración en caso de LOCA (rotura de una tubería del primario).
• Evacuar el calor generado en el núcleo y evitar daños en el combustible.
• Aportar agua borada para compensar el aumento de reactividad en caso de MSLB (rotura de tubería de vapor principal).

Sistema de Rociado del Recinto de Contención

El Sistema de Rociado del Recinto de Contención juega un papel fundamental en la mitigación de accidentes.

Requisitos Funcionales:

• Limitar la presión en la contención por debajo de la presión de diseño en caso de LOCA.
• Reducir la concentración de radio-yodos en la contención durante un LOCA.

Fases de Actuación:

Fase de Arranque:

• Iniciada por secuencia tras una señal de aislamiento (IS).
• Arrancan automáticamente las bombas de rociado y se abren las válvulas de recirculación.
• El sistema recircula en lazo cerrado el agua del Depósito de Agua de Recirculación (RWST).

Fase de Inyección:

• Iniciada por alta presión en la contención o por actuación manual.
• Se abren las válvulas de descarga a los anillos de rociado.
• Se cierran las válvulas de recirculación.
• Se abren las válvulas de los aductores (aspiración desde depósitos de NaOH).

Fase de Recirculación:

• Iniciada manualmente por el operador si desciende el nivel en el RWST.
• Se abren las válvulas de aspiración desde los sumideros.
• Se cierran las válvulas de aspiración desde el RWST.
• Se enfría el agua en los cambiadores de calor antes de descargarla de nuevo en la contención.

Comportamiento de Neutrones y Principios de Diseño de Reactores

Rangos de Energía de los Neutrones

Los neutrones nacen rápidos, es decir, con una energía mayor a 1 MeV. Luego pasan a ser intermedios y, por último, neutrones térmicos, que poseen una energía inferior.

El uranio natural está formado por un 99,28 % de U-238 y un 0,72 % de U-235, siendo este último clave en los reactores nucleares.

• Rango Rápido: Se producen algunas fisiones más que capturas. Sin embargo, el fenómeno más probable es el choque inelástico, provocando pérdidas de energía y haciendo pasar a los neutrones al rango intermedio.
• Rango Intermedio: Debido a la baja energía, no se pueden dar choques inelásticos. El U-235 tiene la misma probabilidad de captura que de fisión. Sin embargo, el U-238 es capturado en su totalidad.
• Rango Térmico: No se pueden dar choques inelásticos (poca energía). El U-235 tiene mayor probabilidad de fisión que de captura. Sin embargo, en el U-238 lo único que se produce son capturas (pocas).

En resumen: lo más probable que ocurra es que, una vez nazca el neutrón, choque inelásticamente y, ya en el rango intermedio, sea capturado.

Soluciones para Mantener la Reacción en Cadena

Para mantener la reacción en cadena de forma sostenida, se plantean tres soluciones principales:

• Enriquecer: Esta técnica se utiliza en los llamados reactores rápidos. En el rango rápido y en el U-235, las fisiones superan a las capturas, lo cual permitiría mantener la reacción en cadena. Sin embargo, separar el U-235 del U-238 es un proceso muy costoso y poco rentable. No obstante, al subir la concentración del U-235 al 20 %, ya se podría mantener la reacción en cadena.
• Moderar: En el rango térmico, la circunstancia más probable es la fisión. De modo que, si se consigue que los neutrones lleguen al rango térmico sin pasar por el intermedio, se podría mantener la reacción. La solución es la siguiente: como el combustible no puede perder energía de golpe, se coloca un moderador. Estos moderadores sirven para que, cuando el neutrón choque con ellos, le ceda parte de su energía cinética, ralentizándolo. Es importante que el moderador no absorba los neutrones. Por lo tanto, los moderadores deben tener una masa atómica baja y una sección eficaz de captura baja.
• Enriquecer + Moderar: Esta es la técnica más utilizada en la práctica. Permite el uso de un moderador que podría ser menos eficiente (es decir, que capture algunos neutrones), compensando esto al aumentar (enriquecer) el porcentaje de U-235 (típicamente entre 2-4 %).