43°41′11″N 112°45′36″O / 43.68647, -112.75998
La Instalación de Pruebas de Reactores Transitorios ( TREAT ) es un reactor nuclear de prueba de espectro térmico moderado por grafito y refrigerado por aire , diseñado para probar combustibles de reactores y materiales estructurales. [1] Construido en 1958 y en funcionamiento desde 1959 hasta 1994, TREAT fue construido para realizar pruebas de reactores transitorios donde el material de prueba se somete a pulsos de neutrones que pueden simular condiciones que van desde transitorios leves hasta accidentes de reactores . TREAT fue diseñado por el Laboratorio Nacional Argonne, [2] y está ubicado en el Laboratorio Nacional de Idaho . Desde la construcción original, la instalación tuvo ampliaciones o actualizaciones de sistemas en 1963, 1972, 1982 y 1988. La ampliación de 1988 fue extensa e incluyó actualizaciones de la mayoría de los sistemas de instrumentación y control. [3]
El Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE) decidió reanudar un programa de pruebas transitorias, [4] [5] [6] [7] [8] y planeó invertir alrededor de $75 millones para reiniciar la instalación TREAT para 2018. El renovado interés en TREAT fue provocado por el desastre nuclear de Fukushima Daiichi de 2011 , que provocó el cierre de las plantas nucleares de Japón y Alemania . Un uso planeado para TREAT es probar un nuevo combustible tolerante a accidentes para reactores nucleares. [9] [10] [11] TREAT se reinició con éxito en noviembre de 2017, por debajo del presupuesto y antes de lo previsto, y actualmente todavía está en funcionamiento.
Los conjuntos de combustible TREAT tienen aproximadamente 9 pies de largo y 4 pulgadas cuadradas en sección transversal. El combustible es una mezcla de uranio y grafito , con 1 parte de uranio por 10.000 partes de grafito. La parte activa del conjunto de combustible tiene aproximadamente 48 pulgadas, con un reflector de grafito de aproximadamente 24 pulgadas por encima y por debajo de la parte activa. La parte activa de los conjuntos de combustible está revestida con Zircaloy . También hay un reflector axial de grafito, compuesto de dos partes. La primera parte del reflector axial consta de conjuntos móviles similares a los conjuntos de combustible, pero que contienen solo grafito y no combustible. La segunda parte del reflector axial consta de bloques permanentes de grafito, de aproximadamente 24 pulgadas de espesor, apilados fuera de la cavidad del núcleo. Este reflector permanente fue recuperado de Chicago Pile-1, el primer reactor nuclear del mundo . El núcleo puede cargarse a un tamaño de 5 pies por 5 pies (nominal) hasta 6 pies por 6 pies (máximo), dependiendo de las necesidades del experimento. [12] [13]
Como se ha descrito anteriormente, el combustible está compuesto por una mezcla de grafito y uranio. El uranio se presenta en forma de partículas de óxido de uranio de aproximadamente 20 micrones de tamaño y está en contacto directo con el moderador de grafito. El grafito, además de ser el moderador de neutrones, también actúa como un gran disipador térmico. El desfase temporal de la transferencia de calor es del orden de 1 milisegundo, mucho más rápido que la transferencia de calor a un refrigerante líquido que fluye por los conjuntos de combustible. Además, cuando se calienta el grafito, crea un coeficiente de temperatura moderador negativo considerable. Estas características permiten que TREAT produzca grandes transitorios "autolimitados", que están limitados por el coeficiente moderador negativo del combustible sin movimiento de la barra de control. [13]
TREAT es capaz de realizar una amplia gama de operaciones y condiciones de prueba. TREAT puede operar a una potencia en estado estable de 100 kW, producir transitorios cortos de hasta 19 GW o producir transitorios con forma controlados por el sistema de control automático del reactor TREAT y las barras de control . Se puede insertar un conjunto de prueba en el centro del núcleo. El conjunto de prueba es un vehículo autónomo, que puede contener combustible o materiales para una variedad de tipos de reactores. [14] Estos conjuntos de prueba, también denominados vehículos de prueba o bucles de prueba, pueden simular las condiciones de un reactor de agua ligera , un reactor de agua pesada , un reactor reproductor rápido de metal líquido o un reactor refrigerado por gas . [15]
En algunos experimentos se tomaron medidas para realizar grabaciones en películas de alta velocidad del experimento, como estos videos.
TREAT tiene un hodoscopio de neutrones rápidos que colima y detecta neutrones de fisión rápidos emitidos por la muestra de combustible del experimento.
El hodoscopio TREAT consta de un colimador frontal, un colimador trasero, un banco de detectores, electrónica para interactuar con los detectores y un sistema de adquisición de datos. El colimador tiene 10 columnas con 36 filas, que están alineadas con una matriz (o matrices) de 360 detectores. El hodoscopio proporciona resolución temporal y espacial del movimiento del combustible durante los transitorios y medición in situ de la distribución del combustible antes, durante y después de un experimento. [15] [16] Una matriz de detectores consta de detectores Hornyak Button. [17] El Hornyak Button es un detector de neutrones rápidos que consta de una película de ZnS aplicada a lucita, que juntos forman el "botón". El botón está unido a un tubo fotomultiplicador. Este detector muestra una buena eficiencia en la detección de neutrones rápidos en un fondo de neutrones térmicos y radiación gamma. [18]
TREAT tiene una instalación de radiografía de neutrones en la cara oeste del reactor. Esto permite el examen no destructivo de conjuntos de pruebas experimentales (u otros materiales) de hasta 4 metros de longitud. TREAT puede operar a niveles de potencia en estado estable de hasta 120 kW para producir neutrones para la instalación de radiografía. [19] [2] [14]
TREAT tiene tres bancos de mecanismos de accionamiento de barras de control, las barras de control/apagado, las barras de compensación/apagado y las barras transitorias. Hay 4 mecanismos de accionamiento en cada grupo. Los mecanismos de accionamiento están debajo del reactor y elevan las barras de control fuera del reactor para aumentar la reactividad. [20] Estos bancos de barras de control están dispuestos en dos anillos. El anillo interior contiene cuatro mecanismos de accionamiento, las barras de compensación/apagado, con una barra de control para cada mecanismo de accionamiento. El anillo exterior tiene cuatro mecanismos de accionamiento de control/apagado y cuatro mecanismos de accionamiento de barras transitorias. Los mecanismos de accionamiento de barras de control/apagado y transitorio tienen dos barras de control para cada mecanismo de accionamiento. Todas las barras de control contienen secciones de veneno B 4 C. Los mecanismos de accionamiento de compensación/apagado y control/apagado son accionados por husillo mecánico y utilizan presión neumática para ayudar a la función de parada de emergencia. Los cuatro accionamientos de barras transitorias se accionan hidráulicamente y están controlados por el Sistema de Control Automático del Reactor (ARCS) para controlar los transitorios. [21] Estas barras transitorias se mueven hasta 170 pulgadas por segundo en un recorrido total de 40 pulgadas (es decir, una carrera completa de 40 pulgadas en aproximadamente 0,24 segundos). [22]
El sistema de disparo del reactor TREAT (RTS) está diseñado para apagar automáticamente el reactor TREAT si alguno de los diversos parámetros medidos excede los puntos de ajuste predeterminados. En esta función básica, el sistema de disparo del reactor TREAT es similar al sistema de protección del reactor (RPS) de una planta de energía comercial . Sin embargo, el sistema de disparo del reactor TREAT es diferente de un sistema de protección del reactor de una planta comercial en varios aspectos. En primer lugar, un sistema de protección del reactor de una planta comercial utiliza lógica combinatoria (por ejemplo, 2 de 3 o 2 de 4) de los canales del sistema de protección para reducir la posibilidad de un disparo involuntario del reactor. El sistema de disparo del reactor TREAT tiene 3 canales de instrumentación transitoria y 2 canales de instrumentación de estado estable. El sistema de disparo del reactor TREAT disparará el reactor si algún canal indica la necesidad de un disparo. Dado que el sistema TREAT no funciona durante largos períodos de tiempo, no es necesario el uso de lógica combinatoria para reducir la posibilidad de un disparo involuntario. En segundo lugar, el sistema de disparo del reactor TREAT tiene más disparos asociados a instrumentos nucleares y menos disparos relacionados con procesos que una planta comercial. Por ejemplo, las plantas comerciales (PWR) pueden tener interrupciones por nivel de generador de vapor, flujo del sistema de refrigeración del reactor o pérdida de carga (disparo del generador principal o de la turbina). TREAT no tiene tantas interrupciones relacionadas con el proceso, debido a los sistemas de proceso relativamente simples. [23]
El control de la potencia del reactor durante los transitorios se realiza mediante el Sistema de Control Automático del Reactor (ARCS). El ARCS fue uno de los sistemas instalados durante las actualizaciones de 1988 a TREAT. El sistema instalado entonces se basaba en computadoras Intel Multibus Chassis que utilizaban microprocesadores Intel 8086. El transitorio que se debe realizar se define mediante una "prescripción transitoria", que se ingresa en el ARCS antes de cada transitorio. [21]
En 2019, el ARCS fue reemplazado por un sistema PXI de National Instruments con software LabView. Este nuevo sistema realiza las mismas funciones que el sistema anterior, con algunas mejoras en los algoritmos. [24]
El 14 de noviembre de 2017, el reactor TREAT alcanzó su criticidad por primera vez desde 1994. Esto se logró 12 meses antes de lo previsto y con un presupuesto de unos 20 millones de dólares. Se trata de un hito importante de cara a las pruebas de nuevo combustible nuclear, que se espera que comiencen en 2018. [25] [26] [27] [28] [29] [30]
El 18 de septiembre de 2018, TREAT completó el primer experimento con una pequeña muestra de combustible para reactores de agua ligera. [31] [32] [33] [34] [35] Este fue un hito muy significativo para el reactor TREAT y es un paso importante hacia una de las misiones de TREAT, validar un nuevo combustible nuclear tolerante a accidentes para plantas de energía comerciales. El senador de mayor antigüedad de Idaho, el senador Mike Crapo , leyó la declaración a continuación en el Registro del Congreso.
RECONOCIENDO EL REINICIO TRANSITORIO DE LA INSTALACIÓN DE PRUEBA DEL REACTOR
Señor CRAPO. Señor Presidente, junto con mis colegas, el Senador James Risch y el Representante Mike Simpson, hoy deseo llamar la atención sobre un evento importante que está teniendo lugar hoy en el sitio de 890 millas cuadradas del Departamento de Energía de los Estados Unidos, DOE, en Idaho. Hoy, el personal del Laboratorio Nacional de Idaho, INL, realizó los primeros experimentos en la instalación de Prueba de Reactor Transitorio, TREAT, en casi un cuarto de siglo.
El Laboratorio Nacional de Idaho es el principal laboratorio de investigación, desarrollo y demostración de energía nuclear de nuestro país, el lugar donde se construyeron y demostraron 52 reactores nucleares originales. Uno de esos reactores fue la instalación TREAT, que funcionó entre 1959 y 1994 y permaneció completamente alimentada mientras estaba en estado de espera. Las pruebas transitorias se centran en probar el combustible nuclear en condiciones de accidente. TREAT es uno de los reactores de prueba transitoria más capaces y flexibles del mundo.
Después del accidente en la planta de energía de Fukushima-Daiichi en Japón hace 11 años, el Congreso ordenó al DOE que desarrollara combustibles para reactores que pudieran soportar mejor las condiciones de accidente. Durante los 35 años de funcionamiento de TREAT, el reactor realizó 6.604 arranques de reactores y 2.884 irradiaciones transitorias. Teniendo en cuenta estos antecedentes, tenía más sentido reiniciar la instalación que construir un nuevo reactor. Esa decisión dio sus frutos cuando, el 31 de agosto de 2017, se completó el Programa de Reanudación de Pruebas Transitorias más de un año antes de lo previsto y aproximadamente 17 millones de dólares por debajo del presupuesto.
Este reinicio altamente exitoso en la instalación TREAT fue reconocido en agosto, cuando un equipo conjunto DOE-INL ganó el Premio del Secretario de Energía. Este premio reconoce a los empleados o contratistas del DOE que logran logros significativos. Es el mayor reconocimiento interno no monetario que se puede lograr en el DOE. El Secretario de Energía de los EE. UU., Rick Perry, destacó el esfuerzo y la eficiencia del equipo de reinicio de TREAT, y reconoció la importancia de la instalación para los científicos e ingenieros de energía nuclear en su trabajo para desarrollar combustibles nucleares avanzados y tecnologías de reactores.
Felicitaciones, INL y DOE, por el reinicio de TREAT y por volver a poner en funcionamiento un importante activo nacional en el esfuerzo por desarrollar los reactores nucleares avanzados tan vitales para nuestra economía, medio ambiente y seguridad nacional. [36]
Stacy, Susan M. (2000) Demostración del principio: Una historia del Laboratorio Nacional de Ingeniería y Medio Ambiente de Idaho, 1949–1999. Imprenta del Gobierno de los Estados Unidos. págs. 136, 268. ISBN 0-16-059185-6 .
