Magnox es un tipo de reactor de producción/energía nuclear que fue diseñado para funcionar con uranio natural con grafito como moderador y gas dióxido de carbono como refrigerante de intercambio de calor . Pertenece a la clase más amplia de reactores refrigerados por gas . El nombre proviene de la aleación magnesio - aluminio (llamada magnesio - n - oxidación ), utilizada para revestir las barras de combustible dentro del reactor. Como la mayoría de los demás " reactores nucleares de Generación I ", el Magnox fue diseñado con el doble propósito de producir energía eléctrica y plutonio-239 para el naciente programa de armas nucleares en Gran Bretaña . El nombre se refiere específicamente al diseño del Reino Unido, pero a veces se usa genéricamente para referirse a cualquier reactor similar.
Como ocurre con otros reactores productores de plutonio, la conservación de neutrones es un elemento clave del diseño. En magnox, los neutrones se moderan en grandes bloques de grafito . La eficiencia del grafito como moderador permite que Magnox funcione con combustible de uranio natural, en contraste con el reactor comercial de agua ligera más común que requiere uranio ligeramente enriquecido . El grafito se oxida fácilmente en el aire, por lo que el núcleo se enfría con CO 2 , que luego se bombea a un intercambiador de calor para generar vapor que impulse equipos de turbinas de vapor convencionales para la producción de energía. El núcleo está abierto en un extremo, por lo que se pueden agregar o quitar elementos combustibles mientras el reactor aún está en funcionamiento.
La capacidad de "doble uso" del diseño Magnox llevó al Reino Unido a acumular una gran reserva de plutonio de calidad combustible /"calidad reactor", con la ayuda de la instalación de reprocesamiento B205 . La característica de quemado bajo a intermedio del diseño del reactor sería responsable de los cambios en las clasificaciones regulatorias estadounidenses después de la prueba de detonación de plutonio de "grado de reactor" entre Estados Unidos y el Reino Unido de la década de 1960. A pesar de las mejoras en el diseño en décadas posteriores a medida que la generación de electricidad se convirtió en el principal objetivo operativo, los reactores magnox nunca fueron capaces de competir con la mayor eficiencia y el mayor " quemado " de combustible de los reactores de agua a presión .
En total, sólo se construyeron unas pocas docenas de reactores de este tipo, la mayoría de ellos en el Reino Unido entre los años 1950 y 1970, y muy pocos se exportaron a otros países. El primer reactor magnox que entró en funcionamiento fue Calder Hall (en el sitio de Sellafield ) en 1956, frecuentemente considerado como la primera central nuclear comercial del mundo, [1] mientras que el último en cerrar en Gran Bretaña fue el Reactor 1 en Wylfa (en Anglesey ). en 2015. A partir de 2016 [actualizar], Corea del Norte sigue siendo el único operador que continúa utilizando reactores estilo Magnox, en el Centro de Investigación Científica Nuclear de Yongbyon . El diseño Magnox fue reemplazado por el Reactor Avanzado enfriado por Gas , que se enfría de manera similar pero incluye cambios para mejorar su desempeño económico.
El primer reactor nuclear a gran escala del Reino Unido fue el Windscale Pile en Sellafield . La pila fue diseñada para la producción de plutonio-239 , que se genera en reacciones de varias semanas que tienen lugar en combustible de uranio natural . En condiciones normales, el uranio natural no es lo suficientemente sensible a sus propios neutrones como para mantener una reacción en cadena . Para mejorar la sensibilidad del combustible a los neutrones se utiliza un moderador de neutrones , en este caso grafito altamente purificado . [2] [3]
Los reactores consistían en un enorme cubo de este material (la "pila") formado por muchos bloques más pequeños y perforados horizontalmente para formar una gran cantidad de canales de combustible . El combustible de uranio se colocó en botes de aluminio y se empujó hacia los canales en el frente, empujando los botes de combustible anteriores a través del canal y fuera de la parte trasera del reactor, donde cayeron en un charco de agua. El sistema fue diseñado para funcionar a bajas temperaturas y niveles de potencia y se enfrió por aire con la ayuda de grandes ventiladores. [2] [3]
El grafito es inflamable y presenta un grave riesgo para la seguridad. Esto quedó demostrado [ dudoso ] el 10 de octubre de 1957 cuando la Unidad 1 del sitio ahora de dos unidades se incendió. El reactor ardió durante tres días y la contaminación masiva sólo se evitó gracias a la incorporación de sistemas de filtrado que hasta entonces habían sido ridiculizados como " locuras " innecesarias. [4]
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A medida que el establishment nuclear del Reino Unido empezó a centrar su atención en la energía nuclear , la necesidad de más plutonio para el desarrollo de armas seguía siendo aguda. Esto llevó a un esfuerzo por adaptar el diseño básico de Windscale a una versión productora de energía que también produciría plutonio. Para ser económicamente útil, la planta tendría que funcionar a niveles de energía mucho más altos, y para convertir esa energía en electricidad de manera eficiente, tendría que funcionar a temperaturas más altas.
A estos niveles de potencia, el riesgo de incendio aumenta y la refrigeración por aire ya no es adecuada. En el caso del diseño Magnox, esto llevó al uso de dióxido de carbono (CO 2 ) como refrigerante. No hay ninguna instalación en el reactor para ajustar el flujo de gas a través de los canales individuales mientras está en funcionamiento, pero el flujo de gas se ajustó usando mordazas de flujo unidas al puntal de soporte que se encuentra en la rejilla diagrid . Estas mordazas se utilizaron para aumentar el flujo en el centro del núcleo y reducirlo en la periferia. El control principal sobre la velocidad de reacción lo proporcionaban varias (48 en Chapelcross y Calder Hall) barras de control de acero al boro que podían subir y bajar según fuera necesario en canales verticales.
A temperaturas más altas, el aluminio ya no es estructuralmente sólido, lo que llevó al desarrollo del revestimiento de combustible de aleación magnox . Desafortunadamente, magnox es cada vez más reactivo al aumentar la temperatura, y el uso de este material limitó las temperaturas operativas del gas a 360 °C (680 °F), mucho más bajas de lo deseable para una generación eficiente de vapor. Este límite también significaba que los reactores tenían que ser muy grandes para generar cualquier nivel de potencia, lo que se amplificaba aún más con el uso de gas para refrigeración, ya que la baja capacidad térmica del fluido requería caudales muy altos.
Los elementos combustibles magnox consistían en uranio refinado encerrado en una carcasa magnox holgada y luego presurizado con helio . El exterior de la carcasa normalmente tenía aletas para mejorar el intercambio de calor con el CO2 . La aleación Magnox reacciona con el agua, lo que significa que no puede dejarse en un estanque de enfriamiento después de su extracción del reactor durante períodos prolongados. A diferencia del diseño de Windscale, el diseño de Magnox utilizó canales de combustible verticales. Esto requirió que las carcasas de combustible se unieran de un extremo a otro, o que se colocaran una encima de la otra para permitir que se pudieran sacar de los canales desde la parte superior.
Al igual que los diseños de Windscale, los reactores Magnox posteriores permitieron el acceso a los canales de combustible y pudieron repostarse mientras estaban en funcionamiento . Este fue un criterio clave para el diseño porque el uso de uranio natural conduce a índices de quemado bajos y a la necesidad de repostar combustible con frecuencia. Para el uso de energía, los recipientes de combustible se dejaron en el reactor el mayor tiempo posible, mientras que para la producción de plutonio se retiraron antes. El complicado equipo de reabastecimiento de combustible resultó ser menos confiable que los sistemas de reactores y quizás no ventajoso en general. [6]
Todo el conjunto del reactor se colocó en un gran recipiente a presión. Debido al tamaño de la pila, sólo el núcleo del reactor se colocó dentro del conjunto de presión de acero, que luego fue rodeado por un edificio de confinamiento de hormigón (o "escudo biológico"). Como no había agua en el núcleo y, por tanto, no había posibilidad de explosión de vapor, el edificio pudo envolver herméticamente el recipiente a presión, lo que ayudó a reducir los costes de construcción. Para mantener bajo el tamaño del edificio de confinamiento, los primeros diseños de Magnox colocaron el intercambiador de calor para el gas CO 2 fuera de la cúpula, conectado a través de tuberías. Aunque este enfoque tenía ventajas en el sentido de que el mantenimiento y el acceso eran generalmente más sencillos, la principal debilidad era el "brillo" de radiación emitido particularmente desde el conducto superior sin blindaje.
El diseño de Magnox fue una evolución y nunca llegó a finalizarse, y las unidades posteriores difieren considerablemente de las anteriores. A medida que aumentaron los flujos de neutrones para mejorar las densidades de potencia, se encontraron problemas de fragilización de los neutrones, particularmente a bajas temperaturas. Unidades posteriores en Oldbury y Wylfa reemplazaron los recipientes a presión de acero con versiones de hormigón pretensado que también contenían los intercambiadores de calor y la planta de vapor. La presión de trabajo varía de 6,9 a 19,35 bar para los recipientes de acero y de 24,8 y 27 bar para los dos diseños de hormigón. [7]
Ninguna empresa constructora británica en ese momento era lo suficientemente grande como para construir todas las centrales eléctricas, por lo que participaron varios consorcios competidores, lo que aumentó las diferencias entre las centrales; por ejemplo, casi todas las centrales eléctricas utilizaban un diseño diferente del elemento combustible Magnox. [8] La mayoría de las construcciones de Magnox sufrieron excesos de tiempo y aumento de costos. [9]
Para la puesta en marcha inicial del reactor, se ubicaron fuentes de neutrones dentro del núcleo para proporcionar suficientes neutrones para iniciar la reacción nuclear. Otros aspectos del diseño incluyeron el uso de barras de control o configuración de flujo o barras aplanadoras para igualar (hasta cierto punto) la densidad del flujo de neutrones a través del núcleo. Si no se utiliza, el flujo en el centro sería muy alto en relación con las áreas exteriores, lo que provocaría temperaturas centrales excesivas y una menor producción de energía limitada por la temperatura de las áreas centrales. Cada canal de combustible tendría varios elementos apilados uno sobre otro para formar un larguero . Esto requería la presencia de un mecanismo de pestillo para permitir retirar y manipular la pila. Esto causó algunos problemas ya que los resortes Nimonic utilizados contenían cobalto, que se irradiaba dando un alto nivel gamma cuando se retiraba del reactor. Además, algunos elementos estaban sujetos a termopares que debían retirarse al descargarse el combustible del reactor.
La naturaleza de "doble uso" del diseño Magnox lleva a compromisos de diseño que limitan su desempeño económico. Mientras se implementaba el diseño de Magnox, ya se estaba trabajando en el reactor avanzado refrigerado por gas (AGR) con la intención explícita de hacer que el sistema fuera más económico. El principal de los cambios fue la decisión de hacer funcionar el reactor a temperaturas mucho más altas, alrededor de 650 °C (1200 °F), lo que mejoraría en gran medida la eficiencia al hacer funcionar las turbinas de vapor de extracción de energía . Esto hacía demasiado calor para la aleación magnox, y la AGR inicialmente tenía la intención de utilizar un nuevo revestimiento a base de berilio , pero resultó demasiado frágil. Esto fue reemplazado por un revestimiento de acero inoxidable , pero absorbió suficientes neutrones para afectar la criticidad y, a su vez, requirió que el diseño funcionara con uranio ligeramente enriquecido en lugar del uranio natural del Magnox, lo que aumentó los costos del combustible. Al final, la economía del sistema resultó poco mejor que la de Magnox. El ex asesor económico del Tesoro, David Henderson , describió el programa AGR como uno de los dos errores de proyecto patrocinados por el gobierno británico más costosos, junto con el Concorde . [10]
Fuente: [11]
Los primeros reactores Magnox en Calder Hall [12] fueron diseñados principalmente para producir plutonio para armas nucleares . [13] La producción de plutonio a partir de uranio mediante irradiación en una pila genera grandes cantidades de calor que deben eliminarse, generando así vapor a partir de este calor, que podría usarse en una turbina para generar electricidad, o como calor de proceso en el cerca de Windscale , fue visto como una especie de subproducto "gratuito" de un proceso esencial.
Los reactores de Calder Hall tenían una eficiencia baja según los estándares actuales, sólo el 18,8%. [14]
El gobierno británico decidió en 1957 que se promovería la generación de electricidad mediante energía nuclear y que habría un programa de construcción para alcanzar entre 5.000 y 6.000 MWe de capacidad para 1965, una cuarta parte de las necesidades de generación del Reino Unido. [13] Aunque Sir John Cockcroft había advertido al gobierno que la electricidad generada con energía nuclear sería más cara que la del carbón, el gobierno decidió que las centrales nucleares como alternativas a las centrales alimentadas con carbón serían útiles para reducir el poder de negociación de los sindicatos de los mineros del carbón, [9] y decidieron seguir adelante. En 1960, un libro blanco del gobierno redujo el programa de construcción a 3.000 MWe, [13] reconociendo que la generación con carbón era un 25% más barata. [9] Una declaración del gobierno ante la Cámara de los Comunes en 1963 afirmó que la generación nuclear era más del doble de cara que el carbón. [9] El "crédito de plutonio", que asignaba un valor al plutonio producido, se utilizó para mejorar la situación económica, [15] aunque los operadores de las centrales nunca recibieron este crédito.
Una vez retirados del reactor, los elementos combustibles usados se almacenan en estanques de enfriamiento (con la excepción de Wylfa, que tiene almacenes secos en una atmósfera de dióxido de carbono) donde el calor de desintegración se transfiere al agua del estanque y luego se elimina mediante la circulación del agua del estanque. , sistema de refrigeración y filtración. El hecho de que los elementos combustibles sólo puedan almacenarse durante un período limitado en agua antes de que se deteriore el revestimiento Magnox y, por lo tanto, deban reprocesarse inevitablemente , se sumó a los costes del programa Magnox. [dieciséis]
Revisiones posteriores criticaron el desarrollo continuo proyecto por proyecto en lugar de la estandarización sobre el diseño más económico, y por persistir en el desarrollo de un reactor que logró sólo dos pedidos de exportación. [17]
Una evaluación retrospectiva de los costos, utilizando una baja tasa de descuento del 5% sobre el capital, estimó que los costos de electricidad de Magnox eran casi un 50% más altos que los que habrían proporcionado las centrales eléctricas de carbón. [18]
En ese momento se consideraba que los reactores Magnox tenían un grado considerable de seguridad inherente debido a su diseño simple, baja densidad de potencia y gas refrigerante. Debido a esto, no se les proporcionó elementos de contención secundarios . Un principio de diseño de seguridad en ese momento era el del "accidente máximo creíble", y se suponía que si la planta se diseñaba para resistir eso, todos los demás eventos menores pero similares quedarían incluidos. Los accidentes por pérdida de refrigerante (al menos los considerados en el diseño) no causarían fallas de combustible a gran escala, ya que el revestimiento Magnox retendría la mayor parte del material radiactivo, suponiendo que el reactor se apagara rápidamente (un SCRAM ), porque el calor de desintegración podría eliminarse mediante la circulación natural del aire. Como el refrigerante ya es un gas, la acumulación de presión explosiva por ebullición no supone ningún riesgo, como ocurrió en la catastrófica explosión de vapor en el accidente de Chernóbil . En el diseño no se consideró la falla del sistema de parada del reactor para apagar rápidamente el reactor, ni la falla de la circulación natural. En 1967, Chapelcross experimentó un derretimiento de combustible debido al flujo restringido de gas en un canal individual y, aunque esto fue solucionado por la tripulación de la estación sin mayores incidentes, este evento no había sido diseñado ni planificado, y la radiactividad liberada fue mayor de lo previsto durante El diseño de la estación.
A pesar de creer en su diseño intrínsecamente seguro, se decidió que las estaciones Magnox no se construirían en zonas densamente pobladas. La restricción de posicionamiento decidida fue que cualquier sector de 10 grados tendría una población de menos de 500 dentro de 1,5 millas (2,4 km), 10.000 dentro de 5 millas (8,0 km) y 100.000 dentro de 10 millas (16 km). Además, la población alrededor del sitio en todas direcciones sería menos de seis veces los límites de 10 grados. Se utilizarían restricciones en los permisos de planificación para evitar cualquier gran crecimiento de población en un radio de cinco millas. [19]
En el diseño antiguo de recipientes a presión de acero, las calderas y los conductos de gas se encuentran fuera del escudo biológico de hormigón. En consecuencia, este diseño emite una cantidad significativa de radiación gamma y de neutrones directa , denominada "brillo" directo, procedente de los reactores. [20] Por ejemplo, los miembros más expuestos del público que vivían cerca del reactor Dungeness Magnox en 2002 recibieron 0,56 mSv , más de la mitad de la Comisión Internacional de Protección Radiológica recomendó el límite máximo de dosis de radiación para el público, solo por el "brillo" directo. [21] Las dosis de los reactores de Oldbury y Wylfa , que tienen recipientes a presión de hormigón que encapsulan todo el circuito de gas, son mucho más bajas.
En total, se construyeron 11 centrales eléctricas con un total de 26 unidades en el Reino Unido, donde se originó el diseño. Además, uno se exportó a Tōkai en Japón [22] y otro a Latina en Italia. [19] Corea del Norte también desarrolló sus propios reactores Magnox, basados en el diseño del Reino Unido que se hizo público en una conferencia de Átomos para la Paz .
La primera central eléctrica de Magnox, Calder Hall , fue la primera central nuclear del mundo en generar energía eléctrica a escala industrial [12] (una central eléctrica en Obninsk, Rusia, comenzó a suministrar a la red en cantidades muy pequeñas y no comerciales el 1 de diciembre de 1954 ). La primera conexión a la red se realizó el 27 de agosto de 1956, y la planta fue inaugurada oficialmente por la reina Isabel II el 17 de octubre de 1956. [23] Cuando la estación cerró el 31 de marzo de 2003, el primer reactor había estado en uso durante casi 47 años. . [24]
Las dos primeras estaciones (Calder Hall y Chapelcross ) fueron originalmente propiedad de la UKAEA y se utilizaron principalmente en sus inicios para producir plutonio apto para armas , con dos cargas de combustible por año. [25] A partir de 1964 se utilizaron principalmente en ciclos de combustible comerciales y en abril de 1995 el gobierno del Reino Unido anunció que había cesado toda producción de plutonio para fines armamentísticos. [26]
Las unidades posteriores y más grandes eran propiedad de la CEGB y operaban con ciclos de combustible comerciales. [27] Sin embargo , Hinkley Point A y otras dos estaciones fueron modificadas para que se pudiera extraer plutonio apto para armas con fines militares en caso de que surgiera la necesidad. [28] [29]
En las primeras operaciones se descubrió que había una oxidación significativa de los componentes de acero dulce por el refrigerante de dióxido de carbono de alta temperatura, lo que requería una reducción en la temperatura de funcionamiento y la potencia de salida. [30] Por ejemplo, el reactor de Latina se redujo en 1969 en un 24%, de 210 MWe a 160 MWe, mediante la reducción de la temperatura de funcionamiento de 390 a 360 °C (734 a 680 °F). [31]
La Autoridad de Desmantelamiento Nuclear (NDA) anunció el 30 de diciembre de 2015 que la Unidad 1 de Wylfa , el último reactor Magnox en funcionamiento del mundo, estaba cerrada. La unidad había generado electricidad durante cinco años más de lo previsto originalmente. Estaba previsto que dos unidades de Wylfa cerraran a finales de 2012, pero la NDA decidió cerrar la Unidad 2 en abril de 2012 para que la Unidad 1 pudiera seguir funcionando a fin de utilizar plenamente las existencias de combustible existentes, que ya no se estaban utilizando. fabricado. [32]
El pequeño reactor experimental de 5 MWe , basado en el diseño Magnox, en Yongbyon , Corea del Norte , sigue funcionando desde 2016 . [actualizar]
Magnox es también el nombre de una aleación , principalmente de magnesio con pequeñas cantidades de aluminio y otros metales, que se utiliza para revestir el combustible de uranio metálico no enriquecido con una cubierta no oxidante para contener productos de fisión.Magnox es la abreviatura de Magnesium n on - ox idising. Este material tiene la ventaja de una sección transversal de captura de neutrones baja, pero tiene dos desventajas principales:
El combustible Magnox incorporaba aletas de refrigeración para proporcionar la máxima transferencia de calor a pesar de las bajas temperaturas de funcionamiento, lo que encarecía su producción. Si bien el uso de uranio metálico en lugar de óxido hizo que el reprocesamiento fuera más sencillo y, por lo tanto, más barato, la necesidad de reprocesar el combustible poco tiempo después de retirarlo del reactor significaba que el peligro de los productos de fisión era grave. Para hacer frente a este peligro se requirieron costosas instalaciones de manipulación remota.
El término magnox también puede referirse libremente a:
La Autoridad de Desmantelamiento Nuclear (NDA) es responsable del desmantelamiento de las centrales eléctricas Magnox del Reino Unido, a un costo estimado de £12,6 mil millones de libras. Ha habido un debate sobre si se debería adoptar una estrategia de desmantelamiento de 25 o 100 años. Después de 80 años, el material radiactivo de corta duración del núcleo sin combustible se habría descompuesto hasta el punto de que sería posible el acceso humano a la estructura del reactor, facilitando el trabajo de desmantelamiento. Una estrategia de desmantelamiento más breve requeriría una técnica de desmantelamiento robótico del núcleo. [33] El actual plan de desmantelamiento de aproximadamente 100 años se llama Safestore. También se consideró una estrategia de almacenamiento seguro diferido de 130 años, con un ahorro de costos estimado de £1,400 millones, pero no se seleccionó. [34]
Además, el sitio de Sellafield que, entre otras actividades, reprocesó combustible Magnox gastado, tiene un costo de desmantelamiento estimado de £31,5 mil millones. El combustible Magnox se produjo en Springfields, cerca de Preston ; El coste estimado de desmantelamiento es de 371 millones de libras esterlinas. Es probable que el coste total del desmantelamiento de las actividades de Magnox supere los 20.000 millones de libras esterlinas, con un promedio de alrededor de 2.000 millones de libras esterlinas por emplazamiento de reactor productivo.
Calder Hall se inauguró en 1956 como la primera central nuclear comercial del mundo y es una parte importante del patrimonio industrial del Reino Unido. La NDA está considerando la posibilidad de preservar el reactor 1 de Calder Hall como museo.
Todos los emplazamientos de reactores Magnox del Reino Unido (aparte de Calder Hall) son operados por Magnox Ltd , una filial de la NDA.
Reactor Sites Management Company (RSMC), una empresa de licencias de sitios (SLC) de la NDA, originalmente tenía el contrato para administrar Magnox Ltd en nombre de la NDA. En 2007, RSMC fue adquirida por el proveedor estadounidense de servicios del ciclo del combustible nuclear EnergySolutions de British Nuclear Fuels . [35]
El 1 de octubre de 2008, Magnox Electric Ltd se separó en dos empresas con licencia nuclear, Magnox North Ltd y Magnox South Ltd. [36]
Sitios de Magnox Norte
Sitios de Magnox Sur
En enero de 2011, Magnox North Ltd y Magnox South Ltd se recombinaron como Magnox Ltd. [37] Luego de problemas de adquisición y gestión con el contrato, Magnox Ltd se convertirá en una subsidiaria de la NDA en septiembre de 2019. [38] [39]
the country that built the first civil nuclear power station
La Junta Central de Generación de Electricidad ha aceptado una pequeña modificación en el diseño de Hinkley Point y de las dos estaciones siguientes de su programa para permitir la extracción de plutonio apto para fines militares en caso de que surja la necesidad.
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