Una explosión de vapor es una explosión causada por una ebullición violenta o la evaporación repentina de agua o hielo , que ocurre cuando el agua o el hielo se sobrecalientan , se calientan rápidamente por los finos desechos calientes producidos en su interior o se calientan por la interacción de metales fundidos (como en un Interacción combustible-refrigerante, o FCI, de barras de combustible fundidas de reactores nucleares con agua en el núcleo de un reactor nuclear después de una fusión del núcleo ). Los recipientes a presión, como los reactores (nucleares) de agua a presión , que funcionan por encima de la presión atmosférica , también pueden proporcionar las condiciones para una explosión de vapor. El agua cambia de sólido o líquido a gas con extrema velocidad, aumentando dramáticamente su volumen. Una explosión de vapor pulveriza en todas direcciones (si no está confinado, por ejemplo, por las paredes de un recipiente) vapor y agua hirviendo y el medio caliente que los calentó, creando peligro de quemaduras y escaldaduras.
Las explosiones de vapor normalmente no son explosiones químicas , aunque varias sustancias reaccionan químicamente con el vapor (por ejemplo, el circonio y el grafito sobrecalentado ( carbono puro , C) reaccionan con el vapor y el aire respectivamente para desprender hidrógeno (H 2 ), que puede explotar violentamente. en el aire (O 2 ) para formar agua o H 2 O) de modo que puedan producirse explosiones químicas e incendios. Algunas explosiones de vapor parecen ser tipos especiales de explosión de vapor en expansión de líquido en ebullición (BLEVE) y dependen de la liberación de sobrecalentamiento almacenado. Pero muchos eventos a gran escala, incluidos los accidentes de fundición, muestran evidencia de un frente de liberación de energía que se propaga a través del material (ver descripción de FCI a continuación), donde las fuerzas crean fragmentos y mezclan la fase caliente con la fría volátil; y la rápida transferencia de calor en el frente sostiene la propagación.
Si se produce una explosión de vapor en un tanque de agua confinado debido al rápido calentamiento del agua, la onda de presión y la rápida expansión del vapor pueden causar un golpe de ariete severo . Este fue el mecanismo que, en Idaho, EE.UU., en 1961, provocó que la vasija del reactor nuclear SL-1 saltara más de 9 pies (2,7 m) en el aire cuando fue destruida por un accidente de criticidad . En el caso del SL-1, el combustible y los elementos combustibles se vaporizaron por un sobrecalentamiento instantáneo.
Sucesos de este tipo general también son posibles si el combustible y los elementos combustibles de un reactor nuclear refrigerado por agua se funden gradualmente. La mezcla de estructuras de núcleo fundido y combustible a menudo se denomina "corio". Si dicho corio entra en contacto con agua, pueden producirse explosiones de vapor debido a la interacción violenta entre el combustible fundido (corio) y el agua como refrigerante. Se considera que estas explosiones son interacciones entre combustible y refrigerante (FCI). [ cita necesaria ] [1] [2] La gravedad de una explosión de vapor basada en la interacción combustible-refrigerante (FCI) depende en gran medida del llamado proceso de premezcla, que describe la mezcla de la masa fundida con la mezcla de agua y vapor circundante. En general, las premezclas ricas en agua se consideran más favorables que los ambientes ricos en vapor en términos de iniciación y fuerza de la explosión del vapor. El máximo teórico de la fuerza de una explosión de vapor a partir de una determinada masa de corio fundido, que nunca puede alcanzarse en la práctica, se debe a su distribución óptima en forma de gotas de corio fundido de un cierto tamaño. Estas gotas están rodeadas por un volumen adecuado de agua, que en principio resulta del máximo. posible masa de agua vaporizada en el intercambio de calor instantáneo entre la gota fundida que se fragmenta en una onda de choque y el agua circundante. Sobre la base de esta suposición tan conservadora, Theofanous llevó a cabo cálculos para la falla de contención alfa. [3]Sin embargo, estas condiciones óptimas utilizadas para estimaciones conservadoras no ocurren en el mundo real. Por un lado, todo el núcleo fundido del reactor nunca estará en premezcla, sino sólo en forma de una parte del mismo, por ejemplo, como un chorro de corio fundido que incide en un charco de agua en la cámara inferior del reactor, fragmentándose allí por ablación. y permitiendo con esto la formación de una premezcla en las proximidades del chorro de fusión que cae a través del charco de agua. Alternativamente, la masa fundida puede llegar como un chorro espeso al fondo del pleno inferior, donde forma un charco de masa fundida cubierto por un charco de agua. En este caso se puede formar una zona de premezcla en la interfaz entre el baño de fusión y el baño de agua. En ambos casos está claro que no todo el inventario de reactores fundidos está implicado en la premezcla, sino sólo un pequeño porcentaje. Otras limitaciones surgen del carácter saturado del agua en el reactor, es decir, allí no hay agua con un sobreenfriamiento apreciable. En caso de que un chorro de fusión fragmentante penetre allí, esto conduce a una mayor evaporación y a un mayor contenido de vapor en la premezcla, que a partir de un contenido > 70 % en la mezcla de agua y vapor evita por completo la explosión o al menos limita su fortaleza. Otro efecto contrario es la solidificación de las partículas fundidas, que depende, entre otras cosas, del diámetro de las partículas fundidas. Es decir, las partículas pequeñas se solidifican más rápido que las más grandes. Además, los modelos de crecimiento de la inestabilidad en las interfaces entre medios que fluyen (por ejemplo, Kelvin-Helmholtz, Rayleigh-Taylor, Conte-Miles, ...) muestran una correlación entre el tamaño de las partículas después de la fragmentación y la relación entre la densidad del medio de fragmentación (agua -mezcla de vapor) a la densidad del medio fragmentado, lo que también se puede demostrar experimentalmente. En el caso del corio (densidad de ~ 8000 kg/m³), se obtienen gotas mucho más pequeñas (~ 3 - 4 mm) que cuando se utiliza alúmina (Al2O3) como simulante de corio con una densidad de poco menos de la mitad que la del corio con gotas. Tamaños en el rango de 1 a 2 cm. Los experimentos de fragmentación por chorro realizados en el JRC ISPRA en condiciones típicas de reactor con masas de corio fundido de hasta 200 kg y diámetros de chorro fundido de 5 a 10 cm en charcos de agua saturada de hasta 2 m de profundidad dieron como resultado éxitos únicamente con respecto a las explosiones de vapor. cuando se utilizó Al2O3 como simulante de corium. A pesar de los diversos esfuerzos por parte de los experimentadores, nunca fue posible provocar una explosión de vapor en los experimentos con corio en FARO. (Continuará...)
En estos eventos, el paso de la onda de presión a través del material predispersado crea fuerzas de flujo que fragmentan aún más la masa fundida, lo que resulta en una rápida transferencia de calor y, por lo tanto, sostiene la onda. Se cree que gran parte de la destrucción física en el desastre de Chernobyl , un reactor RBMK-1000 moderado por grafito y refrigerado por agua ligera , se debió a dicha explosión de vapor.
En una fusión nuclear , el resultado más grave de una explosión de vapor es el fallo temprano del edificio de contención . Dos posibilidades son la expulsión a alta presión de combustible fundido al interior del contenedor, provocando un calentamiento rápido; o una explosión de vapor dentro de la embarcación que provoca la expulsión de un misil (como la cabeza superior) hacia el interior y a través de la contención. Menos dramático pero aún significativo es que la masa fundida de combustible y el núcleo del reactor se derrite a través del piso del edificio del reactor y llega al agua subterránea ; podría producirse una explosión de vapor, pero los escombros probablemente quedarían contenidos y, de hecho, al dispersarse, probablemente se enfriarían más fácilmente. Consulte WASH-1400 para obtener más detalles.
Las explosiones de vapor se producen a menudo cuando la lava caliente se encuentra con agua de mar o hielo. Un suceso de este tipo también se denomina explosión litoral . También se puede crear una peligrosa explosión de vapor cuando agua líquida o hielo entra en contacto con metal fundido caliente. A medida que el agua explota en vapor, salpica el metal líquido caliente junto con ella, causando un riesgo extremo de quemaduras graves a cualquier persona que se encuentre cerca y creando un riesgo de incendio.
El biorefinamiento con explosivos a vapor es una aplicación industrial para valorizar la biomasa. Se trata de presurizar la biomasa con vapor de hasta 3 MPa (30 atmósferas) y liberar instantáneamente la presión para producir la transformación deseada en la biomasa. Se ha mostrado una aplicación industrial del concepto para un proyecto de fibra de papel. [4] [5]
Una explosión de vapor de agua crea un gran volumen de gas sin producir restos perjudiciales para el medio ambiente. La explosión controlada de agua se ha utilizado para generar vapor en centrales eléctricas y en tipos modernos de turbinas de vapor . Las máquinas de vapor más nuevas utilizan aceite calentado para forzar la explosión de gotas de agua y crear alta presión en una cámara controlada. Luego, la presión se utiliza para hacer funcionar una turbina o un motor de combustión convertido. Las explosiones de agua y aceite caliente se están volviendo particularmente populares en los generadores solares de concentración, porque el agua se puede separar del aceite en un circuito cerrado sin necesidad de energía externa. La explosión de agua se considera respetuosa con el medio ambiente si el calor se genera a partir de un recurso renovable.
Una técnica de cocción llamada ebullición instantánea utiliza una pequeña cantidad de agua para acelerar el proceso de ebullición. Por ejemplo, esta técnica se puede utilizar para derretir una rebanada de queso en una hamburguesa. La loncha de queso se coloca encima de la carne sobre una superficie caliente, como una sartén, y se echa una pequeña cantidad de agua fría sobre la superficie cerca de la hamburguesa. Luego se utiliza un recipiente (como la tapa de una olla o sartén) para sellar rápidamente la reacción de vapor instantáneo, dispersando gran parte del agua cocida al vapor sobre el queso y la hamburguesa. Esto da como resultado una gran liberación de calor, transferido a través del agua vaporizada que se condensa nuevamente en un líquido (un principio también utilizado en la producción de refrigeradores y congeladores ).
Los motores de combustión interna pueden utilizar ebullición instantánea para aerosolizar el combustible. [6]
Pueden ocurrir altas tasas de generación de vapor en otras circunstancias, como fallas en el tambor de la caldera o en un frente de enfriamiento (por ejemplo, cuando el agua vuelve a ingresar a una caldera seca caliente). Aunque son potencialmente dañinos, generalmente son menos energéticos que los eventos en los que la fase caliente ("combustible") está fundida y, por lo tanto, puede fragmentarse finamente dentro de la fase volátil ("refrigerante"). A continuación se muestran algunos ejemplos:
Las explosiones de vapor son producidas naturalmente por ciertos volcanes , especialmente los estratovolcanes , y son una de las principales causas de muertes humanas en las erupciones volcánicas.
En enero de 1961, un error del operador provocó que el reactor SL-1 se destruyera instantáneamente en una explosión de vapor. Se temía que el desastre nuclear de Chernobyl de 1986 en la Unión Soviética causara una gran explosión de vapor (y la resultante lluvia nuclear en toda Europa ) al derretir el combustible nuclear similar a la lava a través del sótano del reactor hasta el contacto con los residuos de agua de extinción de incendios y el agua subterránea . La amenaza se evitó mediante frenéticas excavaciones de túneles debajo del reactor para bombear agua y reforzar el suelo subyacente con hormigón .
Cuando un recipiente presurizado, como el lado del agua de una caldera de vapor , se rompe, siempre va seguido de algún grado de explosión de vapor. Una temperatura y presión de funcionamiento común para una caldera marina es de alrededor de 950 psi (6600 kPa) y 850 °F (454 °C) a la salida del sobrecalentador. Una caldera de vapor tiene una interfaz de vapor y agua en el tambor de vapor, que es donde finalmente se evapora el agua debido al aporte de calor, generalmente quemadores de gasóleo. Cuando un tubo de agua falla debido a una variedad de razones, hace que el agua en la caldera se expanda fuera de la abertura hacia el área del horno que está solo unos pocos psi por encima de la presión atmosférica. Esto probablemente extinguirá todos los incendios y se expandirá sobre la gran superficie a los lados de la caldera. Para disminuir la probabilidad de una explosión devastadora, las calderas han pasado de los diseños de " tubos de fuego ", donde el calor se agregaba haciendo pasar gases calientes a través de tubos en un cuerpo de agua, a calderas de " tubos de agua " que tienen el agua en su interior. de los tubos y el área del horno está alrededor de los tubos. Las viejas calderas "pirotubulares" a menudo fallaban debido a la mala calidad de construcción o la falta de mantenimiento (como la corrosión de los tubos pirotubulares o la fatiga de la carcasa de la caldera debido a la constante expansión y contracción). Una falla de los tubos de fuego fuerza grandes volúmenes de vapor a alta presión y alta temperatura hacia abajo por los tubos de fuego en una fracción de segundo y, a menudo, hace volar los quemadores del frente de la caldera, mientras que una falla del recipiente a presión que rodea el agua provocaría hasta una evacuación total y completa del contenido de la caldera en una gran explosión de vapor. En una caldera marina, esto seguramente destruiría el sistema de propulsión del barco y posiblemente el extremo correspondiente del mismo.
En un entorno más doméstico, las explosiones de vapor pueden ser el resultado de intentar extinguir el petróleo ardiendo con agua en un proceso llamado slopover . Cuando el aceite de una sartén está ardiendo, el impulso natural puede ser apagarlo con agua; sin embargo, hacerlo hará que el aceite caliente sobrecaliente el agua. El vapor resultante se dispersará hacia arriba y hacia afuera rápida y violentamente en un rocío que también contiene el aceite encendido. El método correcto para extinguir este tipo de incendios es utilizar un paño húmedo o una tapa hermética sobre la sartén; Ambos métodos privan al fuego de oxígeno y la tela también lo enfría. Alternativamente, se puede utilizar un agente retardante de fuego no volátil diseñado específicamente o simplemente una manta ignífuga .