Un generador de vapor (también conocido como planta generadora de vapor nuclear o NSRP) es un intercambiador de calor que se utiliza para convertir agua en vapor a partir del calor producido en el núcleo de un reactor nuclear . Se utiliza en reactores de agua a presión (PWR), entre los circuitos de refrigeración primario y secundario . También se utiliza en reactores refrigerados por metal líquido (LMR), reactores de agua pesada a presión (PHWR) y reactores refrigerados por gas (GCR).
En los diseños típicos de reactores de agua a presión, el refrigerante primario es agua de alta pureza, que se mantiene a alta presión para que no hierva. Este refrigerante primario se bombea a través del núcleo del reactor, donde absorbe el calor de las barras de combustible. Luego pasa por el generador de vapor, donde transfiere su calor (por conducción a través del metal) al agua a menor presión, que se deja hervir.
A diferencia de los reactores de agua en ebullición ( PWR), los reactores de agua en ebullición (BWR) no utilizan generadores de vapor. El refrigerante primario se deja hervir directamente en el núcleo del reactor y el vapor simplemente pasa a través de una turbina de vapor. Si bien esto es simple en teoría, tiene un inconveniente para el mantenimiento. Mientras pasa a través del núcleo, el agua del refrigerante primario se somete a un alto flujo de neutrones. Esto activa el oxígeno y el nitrógeno disuelto en el agua. La reacción principal [1] es: un átomo de oxígeno-16 absorbe 1 neutrón y emite 1 protón, convirtiéndose en nitrógeno-16. El nitrógeno-16 tiene una vida media de 7 segundos y produce un rayo gamma cuando se desintegra de nuevo en oxígeno-16. La vida media de 7 segundos es lo suficientemente larga para que el agua circule fuera del reactor. En un BWR, esto significa que el agua puede estar en la turbina de vapor cuando libera sus rayos gamma. Aunque esta reacción no produce radioisótopos de larga duración, la radiación gamma implica que no es posible la presencia de seres humanos en la sala de turbinas de un BWR durante el funcionamiento del reactor ni durante un breve periodo de tiempo después.
Por el contrario, en un reactor de agua a presión, el generador de vapor separa el agua refrigerante primaria activada del refrigerante secundario que pasa a través de la turbina de vapor. De este modo, las personas pueden acceder libremente a las turbinas de un reactor de agua a presión y a otros componentes de la planta de vapor durante el funcionamiento. Esto reduce los costes de mantenimiento y mejora el tiempo de funcionamiento.
En las centrales eléctricas comerciales, hay de dos a cuatro generadores de vapor por reactor; cada generador de vapor puede medir hasta 70 pies (21 m) de altura y pesar hasta 800 toneladas. Cada generador de vapor puede contener entre 3.000 y 16.000 tubos, cada uno de aproximadamente 0,75 pulgadas (19 mm) de diámetro. El refrigerante (agua tratada), que se mantiene a alta presión para evitar la ebullición, se bombea a través del núcleo del reactor nuclear . La transferencia de calor tiene lugar entre el núcleo del reactor y el agua circulante y luego el refrigerante se bombea a través del lado del tubo primario del generador de vapor mediante bombas de refrigerante antes de regresar al núcleo del reactor. Esto se conoce como el bucle primario.
El agua que fluye a través del generador de vapor hace hervir el agua del lado de la carcasa (que se mantiene a una presión más baja que el lado primario) para producir vapor. Esto se conoce como bucle secundario. El vapor del lado secundario se envía a las turbinas para generar electricidad . Posteriormente, el vapor se condensa a través de agua enfriada de un bucle terciario y se devuelve al generador de vapor para calentarse una vez más. El agua de enfriamiento terciario puede recircularse a torres de enfriamiento donde libera calor residual antes de regresar para condensar más vapor. El enfriamiento terciario de un solo paso también puede proporcionarse mediante un río, un lago o el océano. Este esquema de enfriamiento primario, secundario y terciario es la base del reactor de agua presurizada, que es el diseño de planta de energía nuclear más común en todo el mundo.
En otros tipos de reactores, como los reactores de agua pesada presurizados de diseño CANDU , el fluido primario es agua pesada . Los reactores refrigerados por metal líquido , como el reactor ruso BN-600, utilizan un metal líquido, como el sodio, como refrigerante primario. Estos también utilizan intercambiadores de calor entre el refrigerante metálico primario y el refrigerante de agua secundario, por lo que su refrigeración secundaria y terciaria es similar a la de un reactor PWR.
Los tubos de intercambio de calor de un generador de vapor tienen un papel importante en la seguridad, porque separan los sistemas de fluidos radiactivos y no radiactivos. (El refrigerante primario se vuelve radiactivo brevemente por su exposición al núcleo, y también tiene cantidades traza de isótopos radiactivos de vida más larga disueltos en él, como átomos de hierro disueltos en las tuberías). Debido a que el refrigerante primario está a mayor presión, un tubo de intercambio de calor roto haría que el refrigerante primario se filtrara al circuito secundario. Por lo general, esto requeriría que la planta se apagara para su reparación. Para evitar tales fugas primarias-secundarias, los tubos del generador de vapor se inspeccionan periódicamente mediante pruebas de corrientes de Foucault , y los tubos individuales se pueden tapar para retirarlos de funcionamiento. [2] Al igual que con muchos componentes nucleares, los ingenieros mecánicos determinan la frecuencia de inspección utilizando las tasas conocidas de corrosión y propagación de grietas en el material. Si una inspección descubre que la pared de un tubo es lo suficientemente delgada como para corroerse antes de la próxima inspección programada, el tubo se tapa. (Por lo general, tapar un tubo es más fácil que intentar repararlo. Hay muchos tubos pequeños de intercambio de calor y los generadores de vapor están diseñados con tubos adicionales para permitir que algunos se tapen).
A menudo, los generadores de vapor completos se reemplazan a mitad de la vida útil de la planta, lo que es una tarea importante. La mayoría de las plantas de PWR de EE. UU. han tenido generadores de vapor reemplazados. [2]
El generador de vapor de propulsión nuclear comenzó como una planta de energía para el primer submarino nuclear , el USS Nautilus (SSN-571) . Fue diseñado y construido por la empresa eléctrica Westinghouse Electric Company para el submarino; a partir de ahí, la empresa comenzó su desarrollo e investigación de generadores de vapor de propulsión nuclear. [3] Una vez que se legalizaron los reactores nucleares pacíficos para su uso como plantas de energía, las corporaciones energéticas aprovecharon la oportunidad de utilizar el creciente desarrollo de generadores de vapor de propulsión nuclear. Westinghouse construyó una de las primeras plantas de energía nuclear, la central nuclear Yankee Rowe (NPS), que también utilizaba un generador de vapor de propulsión nuclear, en 1960. Esta planta de energía tenía una salida de cien MWe (megavatios eléctricos). En comparación, algunas plantas modernas tienen una salida de más de 1100 MWe. Finalmente, otras empresas internacionales como Babcock & Wilcox y Combustion Engineering comenzaron sus propios programas de investigación y desarrollo del generador de vapor de energía nuclear.
Los diseños de Westinghouse y Combustion Engineering tienen tubos en U verticales con tubos invertidos para el agua primaria. Los proveedores de reactores de agua a presión canadienses, japoneses, franceses y alemanes también utilizan la configuración vertical. Los diseños de reactores VVER rusos utilizan generadores de vapor horizontales, que tienen los tubos montados horizontalmente. Las plantas de Babcock & Wilcox (por ejemplo, Three Mile Island ) tienen generadores de vapor más pequeños que fuerzan el agua a través de la parte superior de los OTSG (generadores de vapor de un solo paso; contraflujo con el agua de alimentación) y hacia afuera por la parte inferior para ser recirculada por las bombas de refrigerante del reactor. El diseño horizontal ha demostrado ser menos susceptible a la degradación que el diseño de tubo en U vertical. [ cita requerida ]
Los materiales que componen la turbina y las tuberías de un generador de vapor de propulsión nuclear están fabricados y diseñados específicamente para soportar el calor y la radiación del reactor. Los tubos de agua también tienen que ser capaces de resistir la corrosión del agua durante un período prolongado de tiempo. Las tuberías que se utilizan en los reactores estadounidenses están hechas de Inconel , ya sea Alloy 600 o Alloy 690. El Alloy 690 está hecho con cromo adicional y la mayoría de las instalaciones tratan térmicamente el metal para que resista mejor el calor y la corrosión. El alto contenido de níquel en Alloy 600 y Alloy 690 los hace muy adecuados para resistir ácidos y altos grados de estrés y temperatura.
La aleación 600 recocida o tratada térmicamente era propensa a abolladuras y adelgazamiento de los tubos debido a la química del agua. Por lo tanto, las plantas que usaban la aleación 600 en sus tubos de agua tuvieron que instalar nuevos controladores de química del agua y cambiar los productos químicos que ponían en el agua. Debido a esto, se ha solucionado el adelgazamiento de las tuberías, pero en raras ocasiones, todavía se producen abolladuras en los tubos, lo que provoca fugas y roturas. La única forma de evitarlo es el mantenimiento y los controles regulares, pero esto obliga al reactor a apagarse. En algunos casos, las plantas reemplazaron sus tubos de aleación 600 por tubos de aleación 690 y algunas plantas tuvieron que cerrar. Para evitar problemas futuros, los fabricantes de turbinas de vapor para plantas de energía nuclear han mejorado sus técnicas de fabricación y han utilizado otros materiales, como el acero inoxidable , para evitar las abolladuras en los tubos. [4]
Los generadores de vapor en un PWR "típico" en los EE. UU. tienen las siguientes condiciones de funcionamiento:
Se han utilizado varias aleaciones y superaleaciones de alto rendimiento para los tubos de los generadores de vapor, incluidos el acero inoxidable tipo 316 , la aleación 400 , la aleación 600 MA ( recocida en laminación ), la aleación 600TT (tratada térmicamente), la aleación 690TT y la aleación 800Mod.
