Una explosión de vapor es una explosión causada por la ebullición violenta o la evaporación instantánea de agua o hielo , que ocurre cuando el agua o el hielo se sobrecalientan , se calientan rápidamente por los desechos finos y calientes que se producen en su interior o se calientan por la interacción de metales fundidos (como en una interacción combustible-refrigerante, o FCI, de barras de combustible de reactor nuclear fundidas con agua en el núcleo de un reactor nuclear después de una fusión del núcleo ). Las explosiones de vapor son ejemplos de ebullición explosiva . Los recipientes a presión, como los reactores de agua presurizada (nucleares) , que funcionan por encima de la presión atmosférica también pueden proporcionar las condiciones para una explosión de vapor. El agua cambia de un sólido o líquido a un gas con una velocidad extrema, aumentando drásticamente en volumen. Una explosión de vapor rocía vapor y agua hirviendo y el medio caliente que lo calentó en todas las direcciones (si no está confinado de otra manera, por ejemplo, por las paredes de un recipiente), creando un peligro de escaldadura y quemaduras.
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 (en carbono puro , C) reaccionan con vapor y aire respectivamente para emitir hidrógeno (H 2 ), que puede explotar violentamente en el aire (O 2 ) para formar agua o H 2 O) de modo que pueden seguir 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 sobrecalor 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 la descripción de FCI a continuación), donde las fuerzas crean fragmentos y mezclan la fase caliente con la volátil fría; y la rápida transferencia de calor en el frente sostiene la propagación.
Pueden producirse tasas elevadas de generación de vapor en otras circunstancias, como una falla del tambor de la caldera o en un frente de extinción (por ejemplo, cuando el agua vuelve a ingresar a una caldera seca y caliente). Aunque pueden ser perjudiciales, suelen ser 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 ofrecen algunos ejemplos:
Las explosiones de vapor se producen de forma natural en ciertos volcanes , especialmente en los estratovolcanes , y son una de las principales causas de muertes humanas en erupciones volcánicas. A menudo se producen cuando la lava caliente se encuentra con el agua del mar o el hielo. Este tipo de fenómeno también se denomina explosión litoral . También se puede producir una explosión de vapor peligrosa cuando el agua líquida o el hielo entran en contacto con un metal fundido y caliente. A medida que el agua explota y se convierte en vapor, salpica el metal líquido ardiente junto con él, lo que provoca un riesgo extremo de quemaduras graves para cualquier persona que se encuentre cerca y crea un peligro de incendio.
Cuando se rompe un recipiente presurizado, como el lado de agua de una caldera de vapor , siempre se produce algún grado de explosión de vapor. Una temperatura y presión de funcionamiento habituales para una caldera marina es de alrededor de 950 psi (6600 kPa) y 850 °F (454 °C) en la salida del sobrecalentador. Una caldera de vapor tiene una interfaz de vapor y agua en el tambor de vapor, que es donde el agua finalmente se evapora debido al aporte de calor, normalmente quemadores de fueloil. Cuando un tubo de agua falla debido a una variedad de razones, hace que el agua de la caldera se expanda por 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 por la gran superficie de los lados de la caldera. Para reducir la probabilidad de una explosión devastadora, las calderas han pasado de los diseños de " tubos de fuego ", donde el calor se añadía haciendo pasar gases calientes a través de tubos en un cuerpo de agua, a calderas de " tubos de agua ", que tienen el agua dentro de los tubos y el área del horno está alrededor de los tubos. Las antiguas calderas de "tubos de fuego" a menudo fallaban debido a la mala calidad de construcción o la falta de mantenimiento (como la corrosión de los tubos de fuego o la fatiga de la carcasa de la caldera debido a la expansión y contracción constantes). Una falla de los tubos de fuego hace que grandes volúmenes de vapor a alta presión y alta temperatura vuelvan a bajar por los tubos de fuego en una fracción de segundo y, a menudo, hace volar los quemadores de la parte delantera de la caldera, mientras que una falla del recipiente de presión que rodea el agua provocaría una evacuación total y completa del contenido de la caldera en una gran explosión de vapor. En una caldera marina, esto seguramente destruiría la planta de propulsión del barco y posiblemente el extremo correspondiente del barco.
Los tanques que contienen petróleo crudo y ciertos cortes de petróleo comerciales, como algunos combustibles diésel y queroseno , pueden estar sujetos a ebullición , una situación extremadamente peligrosa en la que una capa de agua debajo de un estanque de fuego abierto en el tanque comienza a hervir, lo que resulta en un aumento significativo en la intensidad del fuego acompañado de una expulsión violenta del fluido en llamas a las áreas circundantes. En muchos casos, la capa de agua subyacente está sobrecalentada , en cuyo caso parte de ella pasa por una ebullición explosiva. Cuando esto sucede, la brusquedad de la expansión mejora aún más la expulsión del combustible en llamas. [1] [2] [3]
Este tipo general de eventos también es posible 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 se suele denominar "corio". Si dicho corio entra en contacto con agua, pueden producirse explosiones de vapor a partir de la interacción violenta entre el combustible fundido (corio) y el agua como refrigerante. Estas explosiones se consideran interacciones combustible-refrigerante (FCI). [ cita requerida ] [4] [5] 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 entornos ricos en vapor en términos de iniciación y fuerza de explosión de vapor. El máximo teórico para la fuerza de una explosión de vapor a partir de una masa dada de corio fundido, que nunca se puede lograr en la práctica, se debe a su distribución óptima en forma de gotas de corio fundido de un tamaño determinado. Estas gotitas están rodeadas por un volumen adecuado de agua, que en principio resulta de la máxima masa posible de agua vaporizada en el intercambio de calor instantáneo entre la gotita fundida que se fragmenta en una onda de choque y el agua circundante. Sobre la base de esta suposición muy conservadora, Theofanous realizó cálculos para el fallo de contención alfa. [6]Sin embargo, estas condiciones óptimas utilizadas para las estimaciones conservadoras no se dan en el mundo real. Por un lado, el núcleo del reactor fundido en su totalidad nunca estará en premezcla, sino solo en forma de una parte de él, por ejemplo, como un chorro de corium fundido que incide en un charco de agua en la cámara inferior del reactor, fragmentándose allí por ablación y permitiendo así la formación de una premezcla en la proximidad del chorro de material fundido que cae a través del charco de agua. Alternativamente, el material fundido puede llegar como un chorro espeso al fondo de la cámara inferior, donde forma un charco de material fundido cubierto por un charco de agua. En este caso, se puede formar una zona de premezcla en la interfaz entre el charco de material fundido y el charco de agua. En ambos casos, está claro que ni mucho menos todo el inventario de material fundido del reactor está involucrado en la premezcla, sino más bien solo un pequeño porcentaje. Otras limitaciones surgen de la naturaleza saturada del agua en el reactor, es decir, no hay agua con un sobreenfriamiento apreciable allí. En caso de penetración de un chorro de material fundido fragmentado, se produce un aumento de la evaporación y de la cantidad de vapor en la premezcla, lo que impide la explosión o, al menos, limita su fuerza a partir de un contenido > 70 % en la mezcla de agua y vapor. 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 grandes. Además, los modelos de crecimiento de la inestabilidad en las interfases entre medios que fluyen (p. ej., Kelvin-Helmholtz, Rayleigh-Taylor, Conte-Miles, etc.) muestran una correlación entre el tamaño de las partículas después de la fragmentación y la relación entre la densidad del medio fragmentador (mezcla de agua y vapor) y 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 simulador de corio, con una densidad de poco menos de la mitad de la del corio con tamaños de gota en el rango de 1 - 2 cm. Los experimentos de fragmentación por chorro realizados en JRC ISPRA en condiciones típicas de reactor con masas de corio fundido de hasta 200 kg y diámetros de chorro de fusión de 5 - 10 cm de diámetro en piscinas de agua saturada de hasta 2 m de profundidad dieron resultados satisfactorios con respecto a las explosiones de vapor solo cuando se utilizó Al2O3 como simulador de corio. 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 ...)
Si se produce una explosión de vapor en un tanque de agua confinado debido al rápido calentamiento del agua, la onda de presión y el vapor en rápida expansión pueden provocar un golpe de ariete severo . Este fue el mecanismo que, en Idaho, EE. UU., en 1961, hizo 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 sobrecalentamiento instantáneo.
En enero de 1961, un error del operador provocó que el reactor SL-1 se autodestruyera instantáneamente en una explosión de vapor. Se temía que el desastre nuclear de Chernóbil de 1986 en la Unión Soviética provocara una importante explosión de vapor (y la consiguiente lluvia radiactiva en toda Europa ) al fundirse el combustible nuclear, similar a la lava , a través del sótano del reactor hacia el contacto con el agua residual de extinción de incendios y las aguas subterráneas . La amenaza se evitó mediante la frenética excavación de túneles debajo del reactor para bombear el agua y reforzar el suelo subyacente con hormigón .
En una fusión nuclear , el resultado más grave de una explosión de vapor es la falla temprana del edificio de contención . Dos posibilidades son la expulsión a alta presión de combustible fundido dentro del contenimiento, lo que causa un calentamiento rápido; o una explosión de vapor dentro del recipiente que causa la expulsión de un misil (como la cabeza superior) dentro del contenimiento y a través de él. Menos dramático pero igualmente significativo es que la masa fundida de combustible y núcleo del reactor se funda a través del piso del edificio del reactor y alcance el agua subterránea ; podría ocurrir una explosión de vapor, pero los escombros probablemente quedarían contenidos y, de hecho, al estar dispersados, probablemente se enfriarían más fácilmente. Consulte WASH-1400 para obtener más detalles.
El aluminio fundido produce una fuerte reacción exotérmica con el agua, que se observa en algunos incendios de edificios. [7] [8]
En un entorno más doméstico, las explosiones de vapor pueden ser el resultado de intentar apagar el aceite en llamas con agua, en un proceso llamado slopover . Cuando el aceite en una sartén está en llamas, el impulso natural puede ser apagarlo con agua; sin embargo, al hacerlo, el aceite caliente sobrecalentará 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 apagar tales incendios es usar un paño húmedo o una tapa hermética sobre la sartén; ambos métodos privan al fuego de oxígeno y el paño también lo enfría. Alternativamente, se puede usar un agente retardante de fuego no volátil diseñado específicamente o simplemente una manta ignífuga .
La biorrefinación explosiva con vapor es una aplicación industrial para valorizar la biomasa. Implica presurizar la biomasa con vapor a una presión de hasta 3 MPa (30 atmósferas) y liberar instantáneamente la presión para producir la transformación deseada en la biomasa. Se ha demostrado una aplicación industrial del concepto para un proyecto de fibra de papel. [9] [10]
Una explosión de vapor de agua crea un gran volumen de gas sin producir residuos nocivos para el medio ambiente. La explosión controlada de agua se ha utilizado para generar vapor en centrales eléctricas y en los tipos modernos de turbinas de vapor . Los motores de vapor más nuevos utilizan aceite caliente para hacer explotar gotas de agua y crear alta presión en una cámara controlada. La presión se utiliza luego para hacer funcionar una turbina o un motor de combustión reconvertido. Las explosiones de aceite caliente y agua se están volviendo particularmente populares en los generadores solares concentrados, porque el agua se puede separar del aceite en un circuito cerrado sin ninguna 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 loncha de queso sobre una hamburguesa. La loncha de queso se coloca sobre la carne en una superficie caliente, como una sartén, y se arroja una pequeña cantidad de agua fría sobre la superficie cerca de la hamburguesa. Luego se utiliza un recipiente (como una olla o la tapa de una sartén) para sellar rápidamente la reacción de ebullición instantánea, dispersando gran parte del agua cocida al vapor sobre el queso y la hamburguesa. Esto da como resultado una gran liberación de calor, que se transfiere a través del agua vaporizada que se condensa nuevamente en un líquido (un principio que también se utiliza en la producción de refrigeradores y congeladores ).
Los motores de combustión interna pueden utilizar ebullición instantánea para aerosolizar el combustible. [11]