El Magnox es un tipo de reactor nuclear de producción/energía que fue diseñado para funcionar con uranio natural con grafito como moderador y 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 de magnesio y aluminio (llamada noxidificación de magnesio ), 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 de manera genérica para referirse a cualquier reactor similar.
Al igual que en otros reactores productores de plutonio, la conservación de neutrones es un elemento clave del diseño. En el Magnox, los neutrones se moderan en grandes bloques de grafito . La eficiencia del grafito como moderador permite que el Magnox funcione utilizando combustible de uranio natural, en contraste con el reactor de agua ligera comercial más común, que requiere uranio ligeramente enriquecido . El grafito se oxida fácilmente en el aire, por lo que el núcleo se enfría con CO2 , que luego se bombea a un intercambiador de calor para generar vapor que impulse el equipo de turbina de vapor convencional para la producción de energía. El núcleo está abierto en un extremo, por lo que se pueden agregar o quitar elementos de combustible 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 grado combustible /"grado 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 de los EE. UU. después de la prueba de detonación de plutonio "grado reactor" entre EE. UU. y el Reino Unido de la década de 1960. A pesar de las mejoras en el diseño en las décadas posteriores, cuando la generación de electricidad se convirtió en el objetivo operativo principal, los reactores Magnox nunca fueron capaces de competir con la mayor eficiencia y el mayor " quemado " de combustible de los reactores de agua presurizada .
En total, solo 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, considerado con frecuencia como la primera central nuclear comercial del mundo, [1] mientras que el último en Gran Bretaña en cerrarse 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 de estilo Magnox, en el Centro de Investigación Científica Nuclear de Yongbyon . El diseño Magnox fue reemplazado por el reactor avanzado refrigerado por gas , que está refrigerado de manera similar pero incluye cambios para mejorar su rendimiento económico.
El primer reactor nuclear a gran escala del Reino Unido fue el reactor Windscale Pile en Sellafield . El reactor fue diseñado para la producción de plutonio-239 , que se generó en reacciones que duraban varias semanas y que tenían 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 estaban formados por un enorme cubo de este material (la "pila") formado por muchos bloques más pequeños y perforado horizontalmente para formar una gran cantidad de canales de combustible . El combustible de uranio se colocaba en botes de aluminio y se empujaba hacia los canales de la parte delantera, empujando los botes de combustible anteriores a través del canal y hacia afuera por la parte trasera del reactor, donde caían en un charco de agua. El sistema estaba diseñado para funcionar a bajas temperaturas y niveles de potencia y se enfriaba 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 – discutir ] el 10 de octubre de 1957, cuando se incendió la Unidad 1 del actual complejo de dos unidades. El reactor ardió durante tres días y sólo se evitó una contaminación masiva gracias a la incorporación de sistemas de filtrado que anteriormente se habían considerado " locuras " innecesarias. [4]
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A medida que el estamento nuclear del Reino Unido comenzó a centrar su atención en la energía nuclear , la necesidad de más plutonio para el desarrollo de armas siguió siendo acuciante. Esto llevó a un esfuerzo por adaptar el diseño básico de Windscale a una versión que produjera energía y que también produjera plutonio. Para que fuera económicamente útil, la planta tendría que funcionar a niveles de potencia mucho más altos y, para convertir eficientemente esa energía en electricidad, tendría que funcionar a temperaturas más altas.
En estos niveles de potencia, el riesgo de incendio se amplifica y la refrigeración por aire ya no es adecuada. En el caso del diseño de Magnox, esto llevó al uso de dióxido de carbono (CO2 ) como refrigerante. No hay ninguna instalación en el reactor para ajustar el flujo de gas a través de los canales individuales mientras está en potencia, pero el flujo de gas se ajustó utilizando mordazas de flujo unidas al puntal de soporte que se encuentra en la rejilla diagonal . 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 proporcionaba una serie (48 en Chapelcross y Calder Hall) de barras de control de acero al boro que se podían subir y bajar según fuera necesario en los canales verticales.
A temperaturas más altas, el aluminio ya no es estructuralmente sólido, lo que llevó al desarrollo de la vaina de combustible de aleación magnox . Desafortunadamente, el magnox es cada vez más reactivo con el aumento de 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 de vapor eficiente. Este límite también significaba que los reactores tenían que ser muy grandes para generar un nivel de potencia determinado, lo que se amplificó aún más con el uso de gas para refrigeración, ya que la baja capacidad térmica del fluido requería caudales muy altos.
Los elementos de combustible Magnox consistían en uranio refinado encerrado en una carcasa Magnox de ajuste holgado 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 es reactiva con el agua, lo que significa que no se puede dejar en un estanque de enfriamiento después de la extracción del reactor durante períodos prolongados. A diferencia del diseño Windscale, el diseño Magnox utilizó canales de combustible verticales. Esto requería que las carcasas de combustible se bloquearan juntas de extremo a extremo, o que se asentaran una sobre la otra para permitir que se las extrajera de los canales desde arriba.
Al igual que los diseños Windscale, los reactores Magnox posteriores permitían el acceso a los canales de combustible y podían ser reabastecidos mientras estaban en funcionamiento . Este fue un criterio clave para el diseño porque su uso de uranio natural conduce a bajas tasas de combustión y al requisito de reabastecimiento frecuente. Para el uso de energía, los contenedores 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 resultó ser menos confiable que los sistemas del reactor, y tal vez no ventajoso en general. [6]
Todo el conjunto del reactor se colocó en un gran recipiente a presión. Debido al tamaño de la pila, solo el núcleo del reactor se colocó dentro del conjunto de presión de acero, que luego se rodeó con un edificio de confinamiento de hormigón (o "escudo biológico"). Como no había agua en el núcleo y, por lo tanto, no había posibilidad de una explosión de vapor, el edificio pudo envolver firmemente el recipiente a presión, lo que ayudó a reducir los costos de construcción. Para mantener el tamaño del edificio de confinamiento bajo, los primeros diseños de Magnox colocaron el intercambiador de calor para el gas CO2 fuera de la cúpula, conectado a través de tuberías. Aunque este enfoque tenía puntos fuertes, ya que el mantenimiento y el acceso eran generalmente más sencillos, la principal debilidad era el "brillo" de radiación emitido, en particular desde el conducto superior sin protección.
El diseño de Magnox fue una evolución y nunca se finalizó del todo, y las unidades posteriores difieren considerablemente de las anteriores. A medida que los flujos de neutrones aumentaron para mejorar las densidades de potencia, se encontraron problemas de fragilización por neutrones, particularmente a bajas temperaturas. Las unidades posteriores en Oldbury y Wylfa reemplazaron los recipientes de 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 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 que competían, lo que aumentó las diferencias entre las centrales; por ejemplo, casi cada central eléctrica usaba un diseño diferente de elemento combustible Magnox. [8] La mayoría de las construcciones Magnox sufrieron sobrecostos y aumento de costos. [9]
Para la puesta en marcha inicial del reactor, se colocaron 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 aplanamiento o modelado de flujo o barras de control para equilibrar (hasta cierto punto) la densidad del flujo de neutrones en todo el núcleo. Si no se utilizaban, el flujo en el centro sería muy alto en relación con las áreas externas, lo que provocaría temperaturas centrales excesivas y una menor potencia de salida 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 enganche para permitir que la pila se retirara y manipulara. Esto causó algunos problemas ya que los resortes Nimonic utilizados contenían cobalto, que se irradiaba y producía un alto nivel de rayos gamma cuando se retiraba del reactor. Además, se conectaron termopares a algunos elementos y era necesario retirarlos al descargar el combustible del reactor.
La naturaleza de "doble uso" del diseño del Magnox conduce a compromisos de diseño que limitan su rendimiento económico. Mientras se desarrollaba el diseño del 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. Uno de los principales cambios fue la decisión de hacer funcionar el reactor a temperaturas mucho más altas, alrededor de 650 °C (1200 °F), lo que mejoraría enormemente la eficiencia al hacer funcionar las turbinas de vapor que extraen energía . Esta temperatura era demasiado alta para la aleación de Magnox, y el AGR originalmente tenía la intención de utilizar un nuevo revestimiento a base de berilio , pero resultó demasiado frágil. Se lo reemplazó 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. En última instancia, la economía del sistema resultó ser poco mejor que la del 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 por irradiación en una pila genera grandes cantidades de calor que deben eliminarse, por lo que generar vapor a partir de este calor, que podría usarse en una turbina para generar electricidad, o como calor de proceso en las cercanas instalaciones de Windscale , se consideraba una especie de subproducto "gratuito" de un proceso esencial.
Los reactores Calder Hall tenían una eficiencia baja según los estándares actuales, sólo el 18,8%. [14]
En 1957, el gobierno británico decidió que se promovería la generación de electricidad mediante energía nuclear y que habría un programa de construcción para alcanzar una capacidad de 5.000 a 6.000 MWe en 1965, una cuarta parte de las necesidades de generación del Reino Unido. [13] Aunque Sir John Cockcroft había informado al gobierno de que la electricidad generada por energía nuclear sería más cara que la generada a partir de carbón, el gobierno decidió que las centrales nucleares como alternativa a las centrales eléctricas de carbón serían útiles para reducir el poder de negociación de los sindicatos de mineros del carbón, [9] por lo que decidió seguir adelante. En 1960, un libro blanco del gobierno redujo el programa de construcción a 3.000 MWe, [13] reconociendo que la generación a carbón era un 25% más barata. [9] Una declaración del gobierno a 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 el caso económico, [15] aunque los operadores de las centrales eléctricas nunca recibieron este crédito.
Una vez retirados del reactor, los elementos combustibles usados se almacenan en estanques de refrigeración (con excepción de Wylfa, que tiene depósitos secos en una atmósfera de dióxido de carbono), donde el calor de desintegración se transfiere al agua del estanque y luego se elimina mediante el sistema de circulación, refrigeración y filtración del agua del estanque. El hecho de que los elementos combustibles sólo se puedan almacenar durante un período limitado en agua antes de que el revestimiento Magnox se deteriore y, por lo tanto, deban reprocesarse inevitablemente , aumentó los costos del programa Magnox. [16]
Revisiones posteriores criticaron el continuo desarrollo proyecto por proyecto en lugar de la estandarización sobre el diseño más económico, y por persistir en el desarrollo de un reactor que sólo logró 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 lo que habrían proporcionado las centrales eléctricas de carbón. [18]
En su momento, se consideró que los reactores Magnox tenían un considerable grado de seguridad inherente debido a su diseño simple, baja densidad de potencia y refrigerante de gas. Debido a esto, no estaban provistos de características de contención secundaria . Un principio de diseño de seguridad en ese momento era el del "accidente máximo creíble", y se asumió que si la planta estaba diseñada para resistirlo, entonces todos los demás eventos menores pero similares quedarían abarcados. Los accidentes por pérdida de refrigerante (al menos los considerados en el diseño) no causarían una falla 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 es un riesgo, como sucedió en la catastrófica explosión de vapor en el accidente de Chernóbil . El fallo del sistema de apagado del reactor para apagar rápidamente el reactor, o el fallo de la circulación natural, no se consideraron en el diseño. En 1967, Chapelcross experimentó una fusión de combustible debido al flujo restringido de gas en un canal individual y, aunque la tripulación de la estación se ocupó de esto sin mayores incidentes, este evento no había sido diseñado ni planificado, y la radiactividad liberada fue mayor que la anticipada durante el diseño de la estación.
A pesar de la creencia en su diseño inherentemente seguro, se decidió que las estaciones Magnox no se construirían en áreas densamente pobladas. La restricción de posicionamiento decidida fue que cualquier sector de 10 grados tendría una población menor de 500 personas 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 las direcciones sería menor de seis veces los límites de 10 grados. Se utilizarían restricciones de permisos de planificación para evitar cualquier gran crecimiento de la población dentro de cinco millas. [19]
En el diseño más antiguo de recipientes a presión de acero, las calderas y los conductos de gas están fuera del escudo biológico de hormigón. En consecuencia, este diseño emite una cantidad significativa de radiación gamma y de neutrones directa , denominada "brillo" directo, desde 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 del límite máximo de dosis de radiación recomendado por la Comisión Internacional de Protección Radiológica para el público, solo por "brillo" directo. [21] Las dosis de los reactores Oldbury y Wylfa , que tienen recipientes a presión de hormigón que encapsulan el circuito de gas completo, son mucho menores.
En total, se construyeron 11 centrales nucleares con un total de 26 unidades en el Reino Unido, donde se originó el diseño. Además, una se exportó a Tōkai en Japón [22] y otra 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 nuclear 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 no comerciales el 1 de diciembre de 1954). La primera conexión a la red se produjo 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 central cerró el 31 de marzo de 2003, el primer reactor había estado en uso durante casi 47 años. [24]
Las dos primeras centrales (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 funcionaban 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 encontró que había una oxidación significativa de los componentes de acero dulce por el refrigerante de dióxido de carbono a alta temperatura, lo que requirió una reducción en la temperatura de operación y la potencia de salida. [30] Por ejemplo, el reactor de Latina fue reducido en 1969 en un 24%, de 210 MWe a 160 MWe, por la reducción de la temperatura de operación de 390 a 360 °C (734 a 680 °F). [31]
El 30 de diciembre de 2015, la Autoridad de Desmantelamiento Nuclear (NDA) anunció el cierre de la Unidad 1 de Wylfa (el último reactor Magnox en funcionamiento del mundo). La unidad había generado electricidad durante cinco años más de lo previsto originalmente. Se había programado el cierre de dos unidades de Wylfa a finales de 2012, pero la NDA decidió cerrar la Unidad 2 en abril de 2012 para que la Unidad 1 pudiera seguir funcionando y utilizar plenamente las reservas de combustible existentes, que ya no se fabricaban. [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 combustible metálico de uranio no enriquecido con una cubierta no oxidante para contener los productos de fisión. Magnox es la abreviatura de Magnesium non- ox idising (Magnesio no oxidante ). Este material tiene la ventaja de una sección transversal de captura de neutrones baja , pero tiene dos desventajas importantes:
El combustible Magnox incorporaba aletas de refrigeración para proporcionar la máxima transferencia de calor a pesar de las bajas temperaturas de funcionamiento, lo que hacía que su producción fuera costosa. Si bien el uso de uranio metálico en lugar de óxido hizo que el reprocesamiento fuera más sencillo y, por lo tanto, más económico, la necesidad de reprocesar el combustible poco tiempo después de retirarlo del reactor significaba que el riesgo de productos de fisión era grave. Se necesitaban costosas instalaciones de manipulación remota para abordar este peligro.
El término magnox también puede referirse vagamente a:
La Autoridad de Desmantelamiento Nuclear (NDA) es responsable del desmantelamiento de las plantas de energía Magnox del Reino Unido, con un costo estimado de £12.6 mil millones. Se ha debatido si se debe adoptar una estrategia de desmantelamiento de 25 o 100 años. Después de 80 años, el material radiactivo de corta vida en el núcleo desprovisto de combustible se habría desintegrado hasta el punto de que sería posible el acceso humano a la estructura del reactor, lo que facilitaría el trabajo de desmantelamiento. Una estrategia de desmantelamiento más corta requeriría una técnica robótica de desmantelamiento del núcleo. [33] El plan de desmantelamiento actual de aproximadamente 100 años se llama Safestore. También se consideró una Estrategia de Safestore Diferido de 130 años, con un ahorro de costos estimado de £1.4 mil millones, pero no se seleccionó. [34]
Además, el desmantelamiento de la planta de Sellafield , que entre otras actividades incluía el reprocesamiento de combustible Magnox gastado, tiene un coste estimado de 31.500 millones de libras esterlinas. El combustible Magnox se producía 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 unos 2.000 millones de libras esterlinas por planta de reactor en producción.
Calder Hall fue inaugurada en 1956 como la primera central nuclear comercial del mundo y es una parte importante del patrimonio industrial del Reino Unido. La NDA está estudiando la posibilidad de preservar el reactor 1 de Calder Hall como museo.
Todos los reactores Magnox del Reino Unido (excepto Calder Hall) son operados por Magnox Ltd , una subsidiaria de la NDA.
Reactor Sites Management Company (RSMC), una empresa con licencia de emplazamiento de la NDA (SLC), originalmente tenía el contrato para gestionar Magnox Ltd en nombre de la NDA. En 2007, la RSMC fue adquirida por el proveedor estadounidense de servicios de ciclo de combustible nuclear EnergySolutions a British Nuclear Fuels . [35]
El 1 de octubre de 2008, Magnox Electric Ltd se dividió en dos empresas con licencia nuclear, Magnox North Ltd y Magnox South Ltd. [36]
Sitios de Magnox North
Sitios de Magnox South
En enero de 2011, Magnox North Ltd y Magnox South Ltd se fusionaron nuevamente como Magnox Ltd. [ 37] A raíz 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]
el país que construyó la primera central nuclear civil
La Junta Central de Generación de Electricidad ha acordado una pequeña modificación en el diseño de Hinkley Point y de las dos próximas centrales de su programa para permitir la extracción de plutonio adecuado para fines militares en caso de que surja la necesidad.
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