Combustible avanzado y diseños evolutivos

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Hoy publicamos un hilo doble sobre combustible avanzado y diseños evolutivos de JÓVENES NUCLEARES (@jjnucleares):
 
¿Qué son los combustibles resistentes a accidentes (#ATF)? ¿Qué ventajas ofrecen respecto al combustible convencional? ¿Qué diseños están desarrollando?
El combustible nuclear de la mayoría de reactores en operación está formado por pastillas cilíndricas de UO2, con un grado de enriquecimiento en uranio-235 < 5%, alineadas dentro de tubos de aleación de circonio (Zircaloy). Estos tubos se conocen como vainas de combustible.
Fuente: Foro Nuclear
Es también el resultado de un largo proceso de optimización (+40 años de investigación y desarrollo continuo!) destinado a mejorar su comportamiento y confiabilidad bajo las condiciones extremas del interior del reactor (temperatura, presión, irradiación, oxidación, etc.)
La búsqueda de la excelencia en el comportamiento del combustible también se extiende a condiciones de accidente. Aunque esta línea de investigación ha estado activa durante décadas, se ha visto fortalecida a raíz del accidente de #Fukushima Daichii en 2011. Os contamos…👇
Central Nuclear de Fukushima Daichii antes del accidente.

Si bien es cierto que el combustible actual cumple con todos los criterios de #seguridad y cuenta con un excelente historial de operación, todavía presenta margen de mejora en condiciones de accidente. Y os preguntaréis, ¿cuál es el problema?🤔

⚠️La oxidación de la vaina⚠️

En condiciones normales de operación, la vaina está en contacto con el agua del circuito primario (a una temperatura alrededor de 300°C🌡️). La reacción de oxidación entre circonio y agua da lugar a la formación de:

1⃣ Una capa de óxido sobre la superficie de la vaina
2⃣ Hidrógeno

Fuente: www.totalmateria.com
En fases avanzadas de un accidente, las barras de combustible quedarían parcial o totalmente expuestas al vapor de agua, un pésimo conductor del calor. Sin refrigeración, estas ya no serían capaces de disipar la energía generada en su interior y su temperatura aumentaría ⤴️
 
Fuente: Instituto de Radioprotección y Seguridad Nuclear
 
Dado que la tasa de oxidación del circonio es muy sensible a la temperatura, la generación de hidrógeno se dispara en condiciones de accidente📈. El hidrógeno es un gas altamente inflamable a partir de ciertas concentraciones, de ahí las explosiones ocurridas en Fukushima Daichii.
 
 
En este contexto, se lanzaron varios proyectos dedicados al desarrollo de los llamados #Accident – #Tolerant #Fuels (ATFs), recientemente rebautizados como Advanced Technological Fuels. En este primer hilo os contamos qué son y cómo se clasifican según su madurez tecnológica.
Fuente: FRAMATOME

Empecemos por el principio: ¿Qué es un ATF? Se denomina combustible ATF a un conjunto de pastilla y vaina capaz de: 

1⃣ Mantener o mejorar el comportamiento del combustible en condiciones normales de operación
2⃣ Proporcionar una mejor respuesta en condiciones de accidente

¿Y cómo cuantificamos una mejor respuesta en condiciones de accidente? Mediante el tiempo de respuesta o coping time, es decir, el tiempo del que dispone el operador para adoptar medidas que garanticen la refrigeración del combustible, evitando así su degradación.
Sala de control de una central nuclear.
ADVERTENCIA⚠️¡Ambas condiciones se deben cumplir simultáneamente! Aunque un nuevo combustible ofrece enormes ventajas en condiciones de accidente, nunca será considerado ATF si no es capaz de mejorar o mantener el comportamiento del UO2-Zircaloy en condiciones normales de operación.

 

Los combustibles ATF se pueden clasificar en conceptos #evolutivos y conceptos #innovadores. Los evolutivos se basan en el uso de materiales ampliamente caracterizados, por lo que su implementación podría materializarse durante esta misma década.
Fuente: USNRCEn cuanto a los diseños innovadores, estos introducen grandes cambios respecto al combustible convencional, tanto a nivel de materiales como de geometría. Por ese motivo, su licenciamiento e implementación requerirá más tiempo que en el caso de los diseños evolutivos.
Combustible TRISO. Fuente: Oficina de Energía Nuclear
Ahora, en un segundo bloque, vamos a centrarnos en los llamados diseños evolutivos:
#RECAP🚨 Cerramos el hilo anterior clasificando los combustibles ATF en evolutivos o innovadores según su nivel de madurez tecnológica. Los diseños evolutivos se basan en el uso de materiales ampliamente caracterizados, tanto a nivel de pastilla como de vaina.
Estos diseños incluyen:
🟢 Vainas de Zircaloy recubiertas de cromo (Cr)
🟠 Vainas de hierro-cromo-aluminio (FeCrAl)
🔵 Pastillas de UO2 dopadas con Cr2O3
Pero, ¿qué ventajas e inconvenientes ofrecen respecto al combustible convencional? 
El accidente de #Fukushima puso de manifiesto que, en condiciones de accidente, la elevada tasa de oxidación de la vaina de Zircaloy podía tener graves consecuencias para la seguridad del reactor⚠️
Fuente: www.totalmateria.com
Dicho esto, el objetivo de los nuevos diseños de vaina está claro: mejorar el comportamiento del Zircaloy en condiciones de accidente mediante una tasa de oxidación menor. De ese modo, obtenemos los siguientes beneficios (también en condiciones normales)…
1⃣ Menor resistencia térmica entre la vaina y el refrigerante. La capa de óxido (ZrO2) que se forma en la superficie exterior de la vaina es mucho más fina, lo que facilita la evacuación del calor🌡️
2⃣ Menor producción de hidrógeno (Reminder: ¡ALTAMENTE inflamable!🔥)
¿Cómo logramos una tasa de oxidación menor sin introducir grandes cambios en las vainas actuales? (⚠️Recordad que nos interesa mantener sus excelentes propiedades en condiciones normales). Respuesta simple: recubriéndola de un material que no oxide➡️¡Cromo!
Las vainas de Zircaloy recubiertas de cromo se comportan de forma muy similar a las vainas actuales. El recubrimiento es tan fino (20 micras – el equivalente a 1/4 del grosor de un cabello ‼️) que prácticamente no introduce ningún cambio a nivel termo-mecánico o neutrónico.
En cambio, reduce significativamente la tasa de oxidación de la vaina en contacto con agua (condiciones normales) o vapor a alta temperatura (condiciones de accidente) y, por tanto, la producción de hidrógeno. Resultado: un combustible más seguro.

 

Existe otra forma de lograr una menor tasa de oxidación ‘sin pasarse’ de innovador. Esta consiste en sustituir el Zircaloy por una aleación de hierro SIMILAR a las que se utilizaron como material de vaina entre los años 1960 y 1980: el hierro-cromo-aluminio (FeCrAl).
Las aleaciones de hierro fueron ampliamente caracterizadas en el pasado gracias a la experiencia operativa, de ahí que las vainas de FeCrAl en desarrollo actualmente se clasifiquen como diseños evolutivos. ¿Sus principales ventajas frente al Zircaloy?🤔

1⃣ Mayor resistencia a la corrosión tanto en condiciones normales como de accidente. Su tasa de oxidación en contacto con vapor a alta temperatura es 1000 veces menor!
2⃣ Mejores propiedades mecánicas. Es capaz de soportar mayores fuerzas sin deformarse de forma permanente
 
Pero no todo lo que reluce es oro… Las vainas de FeCrAl presentan un inconveniente importante: su probabilidad de absorber un neutrón es hasta 12 veces más alta que en el caso del Zircaloy. Esto tiene un impacto negativo en la economía neutrónica del reactor
Pero este problema tiene (más de una) solución. Por ejemplo, una forma de compensar la absorción extra de neutrones consiste en reducir el grosor de la vaina➡️menos cantidad de material absorbente. Se nos ocurren por lo menos 3 soluciones más ¿Te atreves a sugerir alguna?😉 
Vamos con el último diseño ATF evolutivo: las pastillas de UO2 dopadas con Cr2O3. Desde principios de los años 1990, estas han sido desarrolladas con el doble objetivo de:
1⃣ Mejorar la retención de gases de fisión
2⃣ Lograr una mayor resistencia a la interacción con la vaina
¿Cómo que interacción con la vaina?🤨 Durante la irradiación del combustible en el reactor, tanto la pastilla como la vaina sufren cambios dimensionales. En el caso de la pastilla, provienen principalmente de la acumulación de productos de fisión en su interior – hinchamiento.La pastilla se hincha hasta el punto que golpea la pared interior de la vaina, empujándola hacia fuera. Dicho esto, las pastillas dopadas con Cr2O3 son capaces de acomodar mejor el golpe, lo que se traduce en una tensión pastilla-vaina menor📉
Actualmente, Westinghouse (EE.UU.) (en colaboración con la empresa española @enusa_sa) y Framatome (Francia) son los principales proveedores de combustible nuclear trabajando en el desarrollo de vainas de Zircaloy con recubrimiento de cromo y pastillas de UO2 dopadas con Cr2O3.
Por otro lado, Global Nuclear Fuel (General Electric🇺🇸 + Hitachi 🇯🇵), otro importante proveedor de combustible nuclear, se centra en el desarrollo de las vainas de FeCrAl.
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