43°41′11″N 112°45′36″O / 43.68647°N 112.75998°W / 43.68647; -112.75998
La instalación de pruebas de reactores transitorios ( TREAT ) es un reactor nuclear de pruebas de espectro térmico , moderado por grafito y refrigerado por aire , diseñado para probar combustibles de reactores y materiales estructurales. [1] Construido en 1958 y operado desde 1959 hasta 1994, TREAT fue construido para realizar pruebas transitorias de reactores en las que 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 adiciones o actualizaciones de sistemas en 1963, 1972, 1982 y 1988. La adición de 1988 fue extensa e incluyó actualizaciones de la mayoría de los sistemas de instrumentación y control. [3]
El Departamento de Energía de EE. UU. (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 en 2011 , que provocó el cierre de las plantas nucleares de Japón y Alemania . Se prevé que un uso de TREAT sea 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 combustibles TREAT miden aproximadamente 9 pies de largo y 4 pulgadas cuadradas de sección transversal. El combustible es una mezcla de grafito y uranio , con 1 parte de uranio por 10.000 partes de grafito. La parte activa del conjunto combustible mide 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 combustibles 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 combustibles, pero que contienen sólo grafito y nada de 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 del Chicago Pile-1, el primer reactor nuclear del mundo . El núcleo se puede cargar hasta 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 describió anteriormente, el combustible está compuesto por una mezcla de grafito y uranio. El uranio se encuentra en forma de partículas de óxido de uranio de aproximadamente 20 micrones de tamaño y están 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 retraso 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 a través de los conjuntos combustibles. Además, cuando se calienta el grafito, se crea un coeficiente de temperatura moderador negativo considerable. Estas características permiten a TREAT producir 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 de estado estable de 100 kW, producir transitorios cortos de hasta 19 GW o producir transitorios moldeados 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 diversos tipos de reactores. [14] Estos conjuntos de prueba, también denominados vehículos de prueba o circuitos 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 cinematográficas del experimento a alta velocidad, como estos vídeos.
TREAT tiene un hodoscopio de neutrones rápidos que colima y detecta neutrones de fisión rápida emitidos por la muestra de combustible del experimento.
El hodoscopio TREAT consta de un colimador frontal, un colimador trasero, un banco de detectores, componentes electrónicos para interactuar con los detectores y un sistema de adquisición de datos. El colimador tiene 10 columnas con 36 filas, que están alineadas en una matriz (o matrices) de 360 detectores. El hodoscopio proporciona resolución temporal y espacial del movimiento del combustible durante transitorios y medición in situ de la distribución del combustible antes, durante y después de un experimento. [15] [16] Un conjunto de detectores consta de detectores Hornyak Button. [17] El Botón Hornyak es un detector de neutrones rápidos que consiste en una película de ZnS aplicada a lucita, que en conjunto forman el "botón". El botón está conectado 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 un examen no destructivo del conjunto de prueba experimental (u otros materiales) de hasta 4 metros de longitud. TREAT puede funcionar 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 varillas de compensación/cierre, 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 varilla transitoria. Los mecanismos de control/apagado y de accionamiento de varilla transitoria 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. Las cuatro transmisiones de varilla transitoria se accionan hidráulicamente y están controladas por el Sistema de control automático del reactor (ARCS) para controlar los transitorios. [21] Estas varillas transitorias se mueven hasta 170 pulgadas/seg 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 varios parámetros medidos excede los puntos de ajuste predeterminados. En esta función básica, el TREAT RTS es similar al Sistema de protección del reactor (RPS) de una planta de energía comercial . Sin embargo, TREAT RTS se diferencia de una RPS de planta comercial en varios aspectos. En primer lugar, un RPS de planta comercial utiliza lógica combinacional (por ejemplo, 2 de 3 o 2 de 4) de los canales del sistema de protección para reducir la posibilidad de una activación inadvertida del reactor. El TREAT RTS tiene 3 canales de instrumentación transitoria y 2 canales de instrumentación de estado estable. El TREAT RTS disparará el reactor si algún canal indica la necesidad de un disparo. Dado que TREAT no funciona durante largos períodos de tiempo, no es necesario el uso de lógica combinacional para reducir la posibilidad de un disparo involuntario. En segundo lugar, TREAT RTS tiene más viajes asociados a instrumentos nucleares y menos viajes relacionados con procesos que una planta comercial. Por ejemplo, las plantas comerciales (PWR) pueden tener disparos en el nivel del 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 tantos viajes relacionados 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 TREAT en 1988. El sistema instalado entonces se basó en computadoras Intel Multibus Chassis que utilizaban microprocesadores Intel 8086. El transitorio a realizar se define mediante una "prescripción de transitorio", 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 la criticidad por primera vez desde 1994. Esto se logró 12 meses antes de lo previsto y alrededor de 20 millones de dólares por debajo del presupuesto. Este es un hito importante hacia 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 reactor de agua ligera. [31] [32] [33] [34] [35] Este fue un hito muy importante para el reactor TREAT y es un paso importante hacia una misión de TREAT, validar un nuevo combustible nuclear tolerante a accidentes para plantas de energía comerciales. El senador de mayor rango de Idaho, el senador Mike Crapo , leyó la siguiente declaración en el Acta del Congreso.
RECONOCIENDO EL REINICIO DE LA INSTALACIÓN DE PRUEBAS DE REACTOR TRANSITORIO
Sr. CRAPO. Señor Presidente, junto con mis colegas el Senador James Risch y el Representante Mike Simpson, hoy deseo llamar la atención sobre un importante evento que tendrá 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 las instalaciones 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 nuestra nación, el lugar donde se construyeron y demostraron 52 reactores nucleares originales. Uno de esos reactores fue la instalación TREAT, que operó entre 1959 y 1994 y permaneció con combustible completo mientras estaba en estado de espera. Las pruebas transitorias se centran en probar combustible nuclear en condiciones de accidente. TREAT es uno de los reactores de prueba transitorios más capaces y flexibles del mundo.
Tras el accidente en la central eléctrica de Fukushima-Daiichi en Japón hace 11 años, el Congreso ordenó al DOE que desarrollara combustibles para reactores que pudieran resistir mejor las condiciones del accidente. Durante los 35 años de funcionamiento de TREAT, el reactor realizó 6.604 puestas en marcha y 2.884 irradiaciones transitorias. Dada esta historia, 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 por debajo del presupuesto.
Este reinicio altamente exitoso en las instalaciones TREAT fue reconocido en agosto, cuando un equipo conjunto DOE-INL ganó el Premio de la Secretaría de Energía. Este premio reconoce a los empleados o contratistas del DOE que logran logros significativos. Es el reconocimiento interno no monetario más alto que se puede lograr en el DOE. El Secretario de Energía de Estados Unidos, 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 mientras trabajan para desarrollar combustibles nucleares y tecnologías de reactores avanzados.
Felicitaciones, INL y DOE, por el reinicio de TREAT y por volver a poner en funcionamiento un activo nacional importante en el esfuerzo por desarrollar 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 .
