ES2338461T3 - Reactor nuclear, en particular un reactor nuclear enfriado por metal liquido. - Google Patents
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Abstract
Un reactor nuclear (1), en particular un reactor nuclear enfriado por metal líquido, dotado de un colector caliente (6) sobre un núcleo (4) y un colector frío (7) rodeando al colector caliente, separados por una estructura (5) de separación y circulación, en la cual se encuentra un fluido primario (8) para enfriar el núcleo (4); estando el reactor caracterizado por comprender al menos un conjunto integrado (20) de circulación y de intercambio de calor que comprende una bomba (9), al menos un intercambiador (10) de calor y una estructura (21) de transporte a través de la cual pasa el fluido primario (8) desde la bomba hasta el intercambiador de calor, que están conectados de forma fija entre sí para formar una estructura unitaria; estando alojado el conjunto integrado en su totalidad en el colector frío (7) y teniendo una entrada (26) conectada al colector caliente (6) y al menos una sección (34) de salida en el colector frío (7).
Description
Reactor nuclear, en particular un reactor
nuclear enfriado por metal líquido.
La presente invención versa acerca de un reactor
nuclear, en particular un reactor nuclear enfriado por metal
líquido, preferentemente del tipo con un recipiente interno
cilíndrico.
Se sabe que, en los reactores nucleares rápidos,
que tienen intercambiadores de calor dentro de la cubierta
("recipiente externo") del reactor, existe la necesidad de
separar hidráulicamente el colector caliente del colector frío para
crear un circuito cerrado para el enfriamiento del núcleo.
En las soluciones adoptadas en la actualidad, la
estructura de separación hidráulica está constituida por una
envoltura metálica con la forma apropiada, a la que también se alude
como "recipiente interno", que tiene en general una forma
compleja y que está dotada con un cierto número de penetraciones
para alojar bombas e intercambiadores de calor.
Los principales intercambiadores de calor para
la energía del reactor están sumergidos casi en su totalidad en el
colector caliente, en el que también están alojados los
intercambiadores de calor de los circuitos auxiliares para la
evacuación de la energía residual.
Las soluciones anteriores presentan varias
desventajas, en particular en términos de rapidez de disparo de la
circulación natural del fluido primario para el enfriamiento del
núcleo, en términos del volumen del colector frío y, por ende, de
la capacidad térmica y la inercia térmica del fluido primario, al
igual que en términos de la complejidad estructural.
Para superar estas deficiencias, se han
propuesto reactores nucleares con un recipiente interno cilíndrico,
del tipo ilustrado, por ejemplo, en la solicitud de patente Nº
UP-AT 0362156. Sin embargo, la solución ilustrada
en dicho documento, como otras soluciones similares conocidas que
conectan entre sí de formas diversas el núcleo del reactor, los
intercambiadores de calor y las bombas de circulación, no es, a su
vez, completamente satisfactoria en términos de las dimensiones
globales y de la complejidad de construcción, en particular debido
a la aparatosidad y a la estructura de los sistemas para canalizar
el fluido primario.
En consecuencia, un objetivo de la presente
invención es proporcionar un reactor nuclear que supere las
deficiencias de las soluciones conocidas, destacadas más
arriba.
Por ende, la presente invención considera un
reactor nuclear tal como en define en la Reivindicación 1 adjunta
y, para sus características auxiliares, en las reivindicaciones
dependientes adjuntas.
Conforme a la invención, se usa, por ello, un
conjunto integrado de circulación y de intercambio de calor,
formado preferentemente por una bomba de circulación y dos
intercambiadores de calor que están acoplados entre sí hidráulica y
mecánicamente para formar una estructura unitaria sumamente
compacta.
Así, resulta posible lograr todas las ventajas
asociadas con el uso de un recipiente interno cilíndrico, pero con
una reducción significativa añadida (indicativamente, de
aproximadamente el 30%) del volumen total del reactor. De hecho, el
sistema de estanqueidad de fluidos entre el colector caliente y el
colector frío dista de ser aparatoso, dado que está limitado a la
zona de la entrada del conjunto integrado y no tiene que extenderse
también a las zonas de penetración de los intercambiadores de calor
en el recipiente interior. Además, el uso de un conjunto integrado
que combina varios componentes (la bomba y uno o más
intercambiadores de calor) conlleva una ocupación menor de espacio
al nivel de las penetraciones en el techo del reactor en comparación
con el uso de componentes independientes (bombas e intercambiadores
de calor). La solución conforme a la invención permite, por tanto,
una retirada simple y rápida del conjunto integrado del reactor, en
caso de necesidad.
La invención se describe adicionalmente en el
siguiente ejemplo de realización no limitante, con referencia a las
figuras de los dibujos adjuntos, en las que:
- la Figura 1 es una vista esquemática en
sección de un reactor nuclear conforme a la presente invención;
- la Figura 2 es una vista esquemática en planta
del reactor de la Figura 1, con partes eliminadas por razones de
claridad;
- la Figura 3 es una vista esquemática frontal
de un conjunto integrado de circulación y de intercambio de calor
que forma parte del reactor de la Figura 1;
- la Figura 4 es una vista esquemática en
sección transversal parcial del conjunto integrado de la Figura 3;
y
- la Figura 5 es una vista en sección conforme a
la superficie de la traza V-V de la Figura 4.
Con referencia a las Figuras 1 y 2, un reactor
nuclear 1 comprende una cubierta o recipiente externo 2 cubierto
por un techo 3 que contiene en su interior un núcleo 4 y una
estructura 5 de separación que define un colector caliente 6 y un
colector frío 7, en la que circula un fluido primario 8 para enfriar
el núcleo 4. Alojadas dentro del recipiente externo 2 hay también
bombas 9 para la circulación del fluido primario 8 y la
transferencia de la energía generada en el núcleo 4 a un segundo
refrigerante que circula en un circuito secundario externo
(conocido y no ilustrado).
Preferentemente, el fluido primario 8 es un
metal líquido y en particular un metal pesado líquido, por ejemplo
plomo o plomo-bismuto eutéctico.
Alojados dentro del recipiente externo 2 hay
también diversos dispositivos auxiliares 12, entre los cuales hay,
por ejemplo, máquinas para la transferencia del combustible,
estructuras para soportar la instrumentación y las barras de
control, intercambiadores auxiliares de calor para la extracción de
la energía residual, etc., ilustrados solo esquemáticamente y no
descritos con detalle por razones de simplicidad, puesto que son
conocidos y no pertenecen a la presente invención.
La estructura 5 de separación comprende un
recipiente interno 15 sustancialmente cilíndrico, colocado por
encima del núcleo 4. El colector caliente 6 está definido dentro del
recipiente interno 15 y, por ende, está posicionado de manera
central por encima del núcleo 4. El colector frío 7 está definido
por una región anular 16 comprendida entre el recipiente externo 2
y el recipiente interno 15 y, en consecuencia, está colocado
alrededor del colector caliente 6.
El reactor 1 comprende un conjunto o,
preferentemente, más de un conjunto integrado 20 de circulación y de
intercambio de calor, situados en su totalidad en el colector frío
7. En el ejemplo ilustrado en las figuras adjuntas, el reactor
incluye una pluralidad de (cuatro) conjuntos integrados 20,
separados entre sí de forma circunferencial alrededor del
recipiente interno 15.
Con referencia a las Figuras
3-5, cada conjunto integrado 20 comprende una bomba
9 para la circulación del fluido primario 8, uno o más
intercambiadores 10 de calor atravesados por el fluido primario 8 y
colocados al lado de la bomba 9, y una estructura 21 de transporte,
todo lo cual está unido firmemente entre sí para formar una sola
estructura mecánica. En la realización preferida ilustrada, cada
conjunto integrado 20 comprende una bomba 9 y dos intercambiadores
10 de calor colocados en lados opuestos de la bomba 9. La bomba 9 y
los intercambiadores 10 de calor se extienden a lo largo de ejes
respectivos sustancialmente verticales y paralelos.
La bomba 9 tiene un impulsor 22, accionado por
un motor 23 por medio de un eje 24 (siendo sustancialmente
conocidos todos los componentes referidos). El impulsor 22 está
alojado en un elemento tubular 25 sustancialmente cilíndrico que
tiene un eje sustancialmente vertical, que tiene una entrada 26 y
una salida 27 para el fluido primario 8 definido por los
respectivos bordes extremos 28, 29, axialmente opuestos, del
elemento tubular 25.
Cada uno de los intercambiadores 10 de calor
tiene una envoltura 32 sustancialmente cilíndrica que está
atravesada internamente por el fluido primario 8 y que tiene una
sección 33 de entrada para la entrada del fluido primario 8, que se
comunica por medio de la estructura 21 de transporte con la salida
27 de la bomba, y una sección 34 de salida, situada en un extremo
35 inferior de la envoltura 32.
Los intercambiadores 10 de calor pueden estar
construidos conforme a diferentes soluciones conocidas. En el
ejemplo ilustrado, cada intercambiador 10 de calor tiene un haz de
tubos 36 para el paso del refrigerante secundario que tienen
respectivos tramos 37 de distribución, que son sustancialmente
rectilíneos y atraviesan de manera vertical y central el
intercambiador 10 de calor y que están conectados a un colector 38
de entrada para la entrada del refrigerante secundario, respectivas
porciones curvadas 39 de unión, respectivos tramos principales
helicoidales 40 y respectivos tramos 41 de retorno sustancialmente
rectilíneos conectados a un colector 42 de salida. Se entiende en
cualquier caso que la geometría de los intercambiadores 10 de calor
puede diferir de la descrita en el presente documento puramente a
título de ejemplo.
La estructura 21 de transporte comprende un
cárter 44 que conecta hidráulicamente la salida 27 de la bomba 9
con las secciones 33 de entrada de los intercambiadores 10 de calor.
El cárter 44 tiene, en la vista de planta, una forma curvada -en
particular, sustancialmente una forma de alubia- para ser alojada
en la zona anular 16 y está cerrada en el fondo por una pared
terminal 45, por la que pasan la bomba 9 y los intercambiadores 10
de calor. En particular, proyectándose hacia abajo desde la pared
terminal 45 están el elemento tubular 25 de la bomba 9 y sendas
porciones terminales 46 de los intercambiadores 10 de calor, dotadas
en su parte inferior con aberturas 47 que definen las secciones 34
de salida. La salida 27 de la bomba 9 se comunica con el interior
del cárter 44, y las secciones 33 de entrada de los intercambiadores
10 de calor están formadas dentro del cárter 44 en una posición
correspondiente a la pared terminal 45. En la parte superior, el
cárter 44 tiene una plancha 48 de recubrimiento, encima de la cual
están el motor 23 y los colectores 38, 42 de entrada y salida.
Además, una zona superior del cárter 44 está dotada de aberturas 49
de salida, que están formadas a una altura mayor que el nivel del
fluido primario 8 en el cárter 44 en condiciones de funcionamiento
normal del reactor 1 y que tienen la función de permitir el rebose
del fluido primario 8 desde el cárter 44 al colector frío 7 en el
caso en el que el nivel sube debido a un fallo o avería de los
intercambiadores de calor.
El conjunto integrado 20 está soportado o
colgado del techo 3 del reactor y se proyecta verticalmente hacia
abajo en el colector frío 7. En particular, el cárter 44 se coloca
por medio de una ventana 50 formada en el techo 3, y la plancha 48
está acoplada de forma liberable al techo 3.
Cada conjunto integrado 20 constituye una única
estructura mecánica que tiene una entrada 26 para el fluido
primario caliente 8 procedente del colector caliente 6, y dos
secciones 34 de salida para el fluido primario frío 8 que sale al
colector frío 7.
Cada conjunto integrado 20 está conectado
hidráulicamente con el colector caliente 6 por medio de la
estructura 51 de conexión, que comprende un tubo 52, fijado al
recipiente interno 15, y un elemento 53 de conexión, que está
fijado al borde extremo 28 y, por ende, se comunica con la entrada
26 de la bomba 9. El tubo 52 se proyecta radialmente desde una
pared lateral del recipiente interno 15 y es está curvado hacia
arriba y tiene forma de codo, teniendo un extremo libre 54
sustancialmente horizontal. El elemento 53 de conexión se extiende a
lo largo de un eje vertical A, tiene un eje axial de simetría en
torno a dicho eje A y está acoplado al borde extremo 28 del
elemento tubular 25 y al extremo libre 54 del tubo 52. En
particular, el elemento 53 de conexión está dotado de un sistema 55
de acoplamiento liberable que coopera con el extremo libre 54 a lo
largo del eje A para que el conjunto integrado 20 pueda ser
extraído verticalmente del reactor 1. En el caso de la extracción
del conjunto integrado 20 del reactor 1, el elemento 53 de conexión
permanece conectado mecánicamente al elemento tubular 25 de la
bomba 9, mientras que el tubo 52 permanece anclado al recipiente
interno 15.
Además, el elemento 53 de conexión está dotado
de un sistema mecánico 56 de estanqueidad que coopera con el
extremo libre 54 del tubo 52 y posiblemente con el borde extremo 28
del elemento tubular 25.
Tanto el sistema 55 de acoplamiento liberable
como el sistema mecánico 56 de estanqueidad pueden elegirse entre
los sistemas conocidos en el sector. Por ejemplo, puede adoptarse un
sistema con anillos de compresión.
El elemento 53 de conexión es, además, un
elemento sustancialmente flexible, de forma que compense cualquier
expansión térmica entre los extremos axiales opuestos del conjunto
integrado 20. La flexibilidad del elemento 53 de conexión puede
obtenerse adoptando una solución conocida en el sector, por ejemplo
por medio de fuelles metálicos.
Puede hacerse notar que, de esta manera, se
requieren sistemas estancos a los fluidos únicamente en las entradas
26 de las bombas 9, que tienen diámetros relativamente pequeños, y
no son necesarios sistemas de estanqueidad adicionales en los
intercambiadores 10 de calor individuales, como ocurre, por el
contrario, en el caso de las soluciones conocidas.
En condiciones de funcionamiento normal del
reactor 1, el fluido primario 8 está a un nivel H1 dentro de los
conjuntos integrados 20, en particular en el cárter 44; a un nivel
H2, inferior al nivel H1, en el colector frío 7; y a un nivel H3,
aún más bajo, por debajo del nivel H2, en el colector caliente
6.
En condiciones normales de funcionamiento, el
fluido primario 8 que circula por el núcleo 4 es aspirado por las
bombas 9 al interior de las estructuras 51 de conexión y, a
continuación, atraviesa los elementos tubulares 25 en una dirección
ascendente sustancialmente vertical, llenando el cárter 44 hasta el
nivel H1.
En cada cárter 44, el fluido primario 8 fluye
lateralmente, en una dirección sustancialmente horizontal, y se
divide en flujos opuestos para llegar a las secciones 33 de entrada
de los intercambiadores 10 de calor. A continuación, el fluido
primario 8 atraviesa en una dirección descendente sustancialmente
vertical los intercambiadores 10 de calor, cediendo calor al
refrigerante secundario, y luego sale enfriado de las secciones 34
de salida al colector frío 7, desde el cual vuelve a atravesar el
núcleo 4.
Las secciones 33 de entrada de los
intercambiadores 10 de calor están situadas a un nivel
suficientemente más bajo que la superficie libre del fluido
primario 8 en el cárter 44 para hacer que el fluido primario 8 no
arrastre consigo gases tomados del límite superior del reactor
1.
Por último, se entiende que pueden hacerse
modificaciones y variaciones al reactor nuclear descrito e ilustrado
en el presente documento sin apartarse con ello del alcance de las
reivindicaciones adjuntas.
Claims (14)
1. Un reactor nuclear (1), en particular un
reactor nuclear enfriado por metal líquido, dotado de un colector
caliente (6) sobre un núcleo (4) y un colector frío (7) rodeando al
colector caliente, separados por una estructura (5) de separación y
circulación, en la cual se encuentra un fluido primario (8) para
enfriar el núcleo (4); estando el reactor caracterizado por
comprender al menos un conjunto integrado (20) de circulación y de
intercambio de calor que comprende una bomba (9), al menos un
intercambiador (10) de calor y una estructura (21) de transporte a
través de la cual pasa el fluido primario (8) desde la bomba hasta
el intercambiador de calor, que están conectados de forma fija
entre sí para formar una estructura unitaria; estando alojado el
conjunto integrado en su totalidad en el colector frío (7) y
teniendo una entrada (26) conectada al colector caliente (6) y al
menos una sección (34) de salida en el colector frío (7).
2. El reactor conforme a la Reivindicación 1
caracterizado porque dicho al menos un intercambiador (10) de
calor está dispuesto lateralmente con respecto a la bomba (9).
3. El reactor conforme a las Reivindicaciones 1
o 2 caracterizado porque el conjunto integrado (20) comprende
una bomba (9) y dos intercambiadores (10) de calor dispuestos en
lados opuestos de la bomba.
4. El reactor conforme a una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes caracterizado porque la
estructura (21) de transporte comprende un cárter (44) que contiene
un fluido primario (8) hasta un nivel preestablecido (H1) y que
conecta la bomba (9) al intercambiador de calor o intercambiadores
de calor (10).
5. El reactor conforme a la Reivindicación 4
caracterizado porque el cárter (44) tiene aberturas (49) de
salida de flujo en una zona superior y que están dispuestas a una
altura mayor que dicho nivel (H1).
6. El reactor conforme a las Reivindicaciones 4
o 5 caracterizado porque el cárter (44) tiene, en una vista
de planta, una forma curvada, sustancialmente con forma de alubia,
para ser alojado en una zona anular (16) del colector frío (7).
7. El reactor conforme a una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes caracterizado porque la
estructura (5) de separación está definida por un recipiente (15)
interno sustancialmente cilíndrico dispuesto por encima del núcleo
(4).
8. El reactor conforme a una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes caracterizado porque la bomba
(9) tiene una entrada (26) y una salida (27) para el fluido primario
(8) y el conjunto integrado (20) está conectado hidráulicamente con
el colector caliente (6) por medio de una estructura (51) de
conexión que comunica con la entrada (26) de la bomba (9).
9. El reactor conforme a la Reivindicación 8
caracterizado porque la estructura (51) de conexión es una
estructura flexible.
10. El reactor conforme a las Reivindicaciones 8
o 9 caracterizado porque la estructura (51) de conexión
comprende un tubo (52), fijado a la estructura (5) de separación, y
un elemento (53) de conexión, que se extiende a lo largo de un eje
vertical (A) y está acoplado de forma liberable a un extremo libre
(54) del tubo (52) a lo largo del eje (A), de forma que el conjunto
integrado (20) pueda ser retirado verticalmente del reactor
(1).
11. El reactor conforme a la Reivindicación 10
caracterizado porque el elemento (53) de conexión es un
elemento dotado de simetría axial alrededor de dicho eje (A).
12. El reactor conforme a las Reivindicaciones
10 u 11 caracterizado porque el elemento (53) de conexión
está dotado de un sistema (56) mecánico de estanqueidad que coopera
con el extremo libre (54) del tubo (52).
13. El reactor conforme a una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes caracterizado porque el fluido
primario (8) es aspirado ascendentemente de forma sustancialmente
vertical dentro de la bomba (9), fluye de forma sustancialmente
horizontal en la estructura (21) de transporte y atraviesa el
intercambiador de calor o intercambiadores de calor (10)
descendentemente de forma sustancialmente vertical.
14. El reactor conforme a una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes caracterizado porque, en
operación normal del reactor (1), el fluido primario (8) está en un
primer nivel (H1) dentro del conjunto integrado (20), en un segundo
nivel (H2) más bajo que el primer nivel (H1) en el colector frío (7)
y en un tercer nivel (H3) más bajo que el segundo nivel (H2) en el
colector caliente (6).
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