Planta de energía nuclear de Fukushima
Planta de energía nuclear de Fukushima (37 grados 25 minutos 14 segundos de latitud norte 141 grados 2 minutos de longitud este)
Planta de energía nuclear de Fukushima
La central nuclear más grande del mundo. Ubicado en la zona industrial de Fukushima, Japón. Se compone de la estación de Fukushima 1 y la estación de Fukushima 2. ***10 unidades (6 unidades en una estación, 4 unidades en dos estaciones), todas son reactores de agua en ebullición. La potencia de producción neta/bruta total es de 8814/9096 MW, y la capacidad total de las dos centrales supera la de la central nuclear de Bruce (6786/7226 MW), la central nuclear más grande del mundo.
La Unidad 1 de la Estación No. 1 de Fukushima comenzó a construirse en septiembre de 1967, se conectó a la red para generación de energía en octubre de 1970 y se puso en operación comercial en marzo de 1971, con una producción neta/bruta de 439/460 MW y un factor de carga de 49 unidades 2 a 6 se pusieron en operación comercial en julio de 1974, marzo de 1976, junio de 1978, abril de 1978 y junio de 1979, respectivamente. Los factores de carga son 52,8%, 61,2%, 72,1%, 68,5% y 69,7% respectivamente. La producción de energía eléctrica neta/total de las cuatro unidades de la central nuclear de Fukushima Daiichi es de 1.067/1.100 MW. La Unidad 1 de la Estación 2 inició su construcción en junio de 1975+01, se conectó a la red en julio de 1981 y se puso en operación comercial en abril de 1982, con una tasa de carga del 76,1%. Las unidades 2 a 4 se pusieron en operación comercial en febrero de 1984, junio de 1985 y agosto de 1987, con factores de ocupación del 79,1%, 81,7% y 78,9% respectivamente.
El concepto de reactor térmico: Después de que los neutrones entran en el pronúcleo de uranio-235, el núcleo se vuelve inestable y se divide en dos nuevos núcleos con menor masa. Esta es una reacción de fisión nuclear y la energía liberada se llama energía de fisión, aunque genera una enorme energía, también libera de 2 a 3 neutrones y otros rayos; Estos neutrones penetran en otros núcleos de uranio-235 y provocan una nueva fisión nuclear, produciendo así nuevos neutrones y energía de fisión. Si esto continúa, se formará una reacción en cadena. Los reactores construidos utilizando los principios de las reacciones nucleares necesitan ralentizar los neutrones liberados durante la fisión y luego desencadenar una nueva fisión nuclear. Debido a que la velocidad de movimiento de los neutrones está equilibrada por el movimiento térmico de las moléculas, estos neutrones se denominan neutrones térmicos. Los reactores en los que la fisión es causada principalmente por neutrones térmicos se denominan reactores de neutrones térmicos (en lo sucesivo, reactores de neutrones térmicos). El reactor de neutrones térmicos es un dispositivo que utiliza un moderador para reducir la velocidad de los neutrones rápidos a neutrones térmicos (o neutrones lentos) y luego utiliza neutrones térmicos para realizar una reacción en cadena. Debido a que es más probable que los neutrones térmicos causen la fisión del uranio-235, la reacción en cadena de la fisión nuclear se puede obtener con una pequeña cantidad de material fisionable. Los moderadores son sustancias que contienen elementos ligeros que absorben menos neutrones, como el agua pesada, el berilio, el grafito y el agua. Los reactores de neutrones térmicos generalmente tienen elementos combustibles dispuestos regularmente en un moderador para formar un núcleo. La reacción en cadena tiene lugar en el núcleo. El reactor debe utilizar refrigerante para sacar la energía de fisión del núcleo. El refrigerante es también una sustancia que absorbe pequeñas cantidades de neutrones. Los refrigerantes comúnmente utilizados en reactores de neutrones térmicos incluyen agua ligera (agua ordinaria), agua pesada, dióxido de carbono y helio. Dentro de una central nuclear, suele estar compuesta por un sistema de bucle primario y un sistema de bucle secundario. El reactor es el corazón de una central nuclear. La energía térmica liberada durante el funcionamiento del reactor es transportada por el refrigerante del sistema de circuito primario para producir vapor. Por lo tanto, todo el sistema primario se denomina "sistema de suministro de vapor nuclear", que equivale al sistema de caldera de una central térmica. Para garantizar la seguridad, todo el sistema primario está instalado en un edificio de fábrica cerrado llamado contención, de modo que la seguridad no se vea afectada durante el funcionamiento normal o en caso de accidentes. El sistema de circuito secundario de un generador de turbina impulsado por vapor para generar electricidad es básicamente el mismo que el sistema de generador de turbina de una central térmica. Reactor de agua ligera - Central eléctrica con reactor de agua a presión Desde la aparición de las centrales nucleares, existen tres reactores principales de generación de energía industrialmente maduros: reactores de agua ligera, reactores de agua pesada y reactores enfriados con vapor de grafito. Se utilizan respectivamente en tres centrales nucleares diferentes, constituyendo el cuerpo principal de la generación de energía nuclear moderna. Actualmente, la mayoría de los reactores de neutrones térmicos son los llamados reactores de agua ligera, que se moderan y enfrían con agua ligera. Los reactores de agua ligera se dividen en reactores de agua a presión y reactores de agua en ebullición. Planta de energía nuclear con reactor de agua a presión El sistema de circuito primario y el sistema de circuito secundario de una planta de energía nuclear con reactor de agua a presión están completamente separados y son un sistema de circulación cerrada. El proceso principal de la planta de energía nuclear es el siguiente: la bomba principal envía refrigerante a alta presión al reactor y el refrigerante general se mantiene a 120 ~ 160 atmósferas. A alta presión, el refrigerante no se evaporará incluso si la temperatura supera los 300°C. El refrigerante transporta el calor liberado por el combustible nuclear fuera del reactor y hacia el generador de vapor.
A través de miles de tubos de transferencia de calor, el calor se transfiere al agua secundaria fuera de los tubos, lo que hace que el agua hierva para generar vapor. Después de que el refrigerante fluye a través del generador de vapor, la bomba principal lo envía al reactor. Este ciclo alternativo elimina continuamente el calor del reactor y lo convierte en vapor. El vapor de alta temperatura y alta presión del generador de vapor impulsa el generador de turbina para generar electricidad. El vapor residual después de realizar el trabajo se condensa en agua en el condensador y luego la bomba de agua condensada lo envía al calentador y luego se devuelve al generador de vapor después de calentarse nuevamente. Este es un sistema de circulación secundaria. Un reactor de agua a presión consta de un recipiente a presión y un núcleo. El recipiente a presión es una carcasa cilíndrica de acero sellada, gruesa y pesada de decenas de metros de altura. El acero utilizado es resistente a altas temperaturas, altas presiones y corrosión. Aquí se genera el vapor de alta temperatura y alta presión que se utiliza para impulsar la turbina. El mecanismo de accionamiento de las barras de control está instalado en la parte superior del contenedor para hacer que las barras de control se muevan hacia arriba y hacia abajo en el núcleo del reactor. El núcleo es el corazón del reactor y está instalado en el centro del recipiente a presión. Se compone de componentes combustibles. Al igual que las briquetas quemadas en una caldera, los pellets de combustible son la unidad básica de combustión en la "caldera atómica" de una central nuclear. Esta pastilla está hecha de dióxido de uranio sinterizado, contiene de 2 a 4% de uranio-235 y tiene forma de un pequeño cilindro con un diámetro de 9,3 mm. Esta pastilla está encapsulada en un tubo de revestimiento de aleación de circonio sellado en ambos extremos. forman un largo Las barras de elementos combustibles tienen aproximadamente 4 metros de diámetro y aproximadamente 10 milímetros de diámetro. Más de 200 barras de combustible están dispuestas en forma cuadrada y fijadas con una rejilla espaciadora para formar un conjunto combustible. Cada núcleo normalmente consta de 121 a 193 componentes. Calculando esto, un reactor de agua a presión requiere decenas de miles de barras de combustible y 65.438 + decenas de millones de bolitas de dióxido de uranio. Además, el núcleo del reactor tiene barras de control y agua de refrigeración que contiene boro (refrigerante). Las barras de control están hechas de plata, indio y cadmio y están cubiertas con un revestimiento de acero inoxidable que absorbe neutrones en el reactor y tienen un grosor similar a las barras de combustible. Muchas barras de control se combinan en un haz de barras para controlar la velocidad de las reacciones nucleares en el reactor. Si el reactor falla, inserte inmediatamente suficientes barras de control en el núcleo y el reactor dejará de funcionar en poco tiempo, lo que garantiza la seguridad del funcionamiento del reactor. Reactor de agua ligera - central eléctrica del reactor de agua en ebullición central nuclear del reactor de agua en ebullición El proceso de funcionamiento de la central nuclear del reactor de agua en ebullición es: el refrigerante (agua) fluye desde la parte inferior del núcleo del reactor y en el proceso de ascenso Después de que la mezcla de vapor y agua pasa a través del separador de vapor-agua y el secador de vapor, el vapor separado impulsará el generador de turbina para generar electricidad. El reactor de agua en ebullición consta de un recipiente a presión y sus elementos combustibles intermedios, barras de control transversal y un separador de vapor y agua. El separador de vapor-agua está ubicado en la parte superior del núcleo del reactor. Su función es separar las gotas de vapor y agua para evitar que el agua ingrese a la turbina y cause daños a las palas de la turbina. Los reactores de agua en ebullición utilizan el mismo combustible y composición de combustible que los reactores de agua a presión. El agua hirviendo actúa como moderador y refrigerante. La diferencia entre un reactor de agua en ebullición y un reactor de agua a presión es que el agua de refrigeración se mantiene a baja presión (unas 70 atmósferas) y el agua pasa a través del núcleo del reactor y se convierte en vapor a unos 285°C, que se libera directamente. introducido en la turbina de vapor. Por lo tanto, el reactor de agua en ebullición tiene un solo circuito, eliminando la necesidad de un generador de vapor con fugas, por lo que es muy sencillo. En resumen, las mayores ventajas de las centrales nucleares con reactores de agua ligera son la estructura y operación simples, el tamaño pequeño, el bajo costo, el ahorro de combustible, la seguridad, la confiabilidad y la economía. Su desventaja es que debe utilizar uranio poco enriquecido. Actualmente, la mayoría de los países que utilizan reactores de agua ligera dependen de los Estados Unidos y la Comunidad de Estados Independientes para proporcionar combustible nuclear. Además, el uranio natural tiene una baja eficiencia de utilización en reactores de agua ligera. Si los reactores de agua ligera se desarrollan en serie, utilizarán un 50% más de uranio natural que los reactores de agua pesada en serie. Desde una perspectiva de mantenimiento, los PWR son fáciles de mantener porque el circuito primario está separado del sistema de vapor y la turbina de vapor no está sujeta a contaminación radiactiva. En un reactor de agua en ebullición, el vapor generado en el reactor ingresa directamente a la turbina de vapor, por lo que la turbina de vapor quedará contaminada por radioactividad, por lo que el diseño y mantenimiento en esta área son más problemáticos que los de un reactor de agua a presión. El reactor de agua pesada de la central nuclear de Candu se puede dividir en dos tipos según su tipo estructural: tipo de carcasa de presión y tipo de tubo de presión. La carcasa de presión utiliza sólo agua pesada como refrigerante y su material estructural interno es menor que el del tubo de presión, pero tiene una buena economía de neutrones y una mayor producción neta de plutonio-239. Este tipo de reactor utiliza generalmente uranio natural como combustible y tiene una estructura similar a un reactor de agua a presión. Sin embargo, debido al gran paso de la rejilla, la carcasa de presión es mucho más grande que un reactor de agua a presión de la misma potencia, por lo que la potencia máxima de un solo reactor sólo puede ser de 300.000 kilovatios. Debido a que el refrigerante de un reactor tubular de agua pesada no está restringido, se pueden utilizar agua pesada, agua ligera, gases o compuestos orgánicos. Su tamaño no está limitado. Aunque el tubo de presión conlleva pérdidas por absorción de neutrones, el núcleo del reactor más grande puede reducir las pérdidas por fuga de neutrones. Además, este tipo de reactor facilita la carga y descarga ininterrumpida y el repostaje continuo, pudiendo prescindir de las barras de control para compensar el consumo de combustible.
El reactor de agua pesada de tubo a presión incluye principalmente moderación de agua pesada, enfriamiento de agua pesada, moderación de agua pesada y enfriamiento de agua ligera en ebullición. Las estructuras de estos dos pilotes son más o menos iguales. (1) El agua pesada está moderada y la vasija del reactor de este reactor no soporta presión. El moderador de agua pesada llena la vasija del reactor y varias tuberías de la vasija pasan a través de la vasija del reactor y se combinan con ella. En el tubo del recipiente se encuentra un tubo de presión de aleación de circonio. Se cargan bolitas hechas de dióxido de uranio natural en los tubos de revestimiento de aleación de circonio de las barras de combustible y luego se forman elementos combustibles de haz corto. El elemento del haz de varillas se coloca en el tubo de presión y puede deslizarse hacia adelante y hacia atrás en el tubo de presión horizontal con ayuda de almohadillas de soporte. En ambos extremos del reactor, hay un cargador de posicionamiento controlado remotamente que puede cargar y descargar continuamente elementos combustibles durante la operación del reactor. La central nuclear genera electricidad según el principio de que el agua pesada, a la vez moderador y refrigerante, fluye a través de tuberías de presión para enfriar el combustible. Al igual que un reactor de agua a presión, se debe mantener una presión alta (unas 90 atmósferas) para evitar que hierva el agua pesada. De esta manera, el agua pesada a alta temperatura (aproximadamente 300 °C) y alta presión que fluye a través del tubo de presión extrae el calor generado por la fisión del núcleo del reactor y lo transfiere al agua ligera en el circuito secundario del vapor. generador para generar vapor y accionar el generador de turbina para generar electricidad. (2) Central nuclear con reactor de agua pesada moderada en ebullición y refrigerado por agua ligera. Este reactor está desarrollado sobre la base del reactor británico Badu (reactor refrigerado por agua pesada moderado por agua pesada). Los recipientes y las tuberías de presión del reactor refrigerado por agua pesada moderado por agua pesada, de diseño canadiense, están dispuestos horizontalmente. Los reactores refrigerados por agua ligera de ebullición moderada con agua pesada están dispuestos verticalmente. El refrigerante de agua ligera que fluye por sus líneas de combustible provoca la ebullición a medida que el núcleo se eleva, y el vapor resultante se alimenta directamente a la turbina de vapor para impulsar el generador. Debido a que el agua ligera absorbe más neutrones que el agua específica, es difícil para el núcleo de un reactor alimentado con uranio natural mantener una reacción nuclear estable, por lo que la mayoría de los diseños añaden bajas concentraciones de uranio-235 o plutonio-239 al combustible. La ventaja sobresaliente de los reactores de agua pesada es que pueden hacer el uso más eficiente del uranio natural. Dado que el agua pesada tiene buenas propiedades moderadoras y una menor absorción de neutrones, no sólo puede utilizar directamente el uranio natural como combustible, sino que también permite que el combustible se queme por completo. Los reactores de agua pesada consumen menos uranio natural que los reactores de agua ligera. Si se utiliza uranio en baja concentración, se puede ahorrar un 38% de uranio natural. De los distintos tipos de reactores de neutrones térmicos, los reactores de agua pesada requieren la menor cantidad de uranio natural. Además, los reactores de agua pesada son altamente adaptables al combustible y pueden convertirse fácilmente en otro combustible nuclear. Su principal desventaja es que es más grande que un reactor de agua ligera. Los costos de construcción son altos, el agua pesada es costosa y los costos de generación de energía también son relativamente altos. Central nuclear con reactor refrigerado por gas de grafito El llamado reactor refrigerado por gas de grafito es un reactor que utiliza gas (dióxido de carbono o helio) como refrigerante. Este tipo de reactor ha pasado por tres etapas de desarrollo y ha producido tres tipos de reactores: reactor refrigerado por gas de uranio natural y grafito, reactor refrigerado por gas mejorado y reactor refrigerado por gas de alta temperatura. (1) Central nuclear con reactor de uranio natural y grafito refrigerado por gas. El reactor de uranio natural y grafito refrigerado por gas es en realidad un reactor que utiliza uranio natural como combustible, grafito como moderador y dióxido de carbono como refrigerante. Este reactor es uno de los tipos construidos por Gran Bretaña y Francia para la generación de energía comercial. Fue desarrollado sobre la base de reactores militares de producción de plutonio. Ya en 1956, el Reino Unido construyó una central nuclear con una potencia neta de 45 MW. Debido a que utiliza una aleación de magnesio como revestimiento de combustible, los británicos también lo llaman reactor Magnox. El núcleo del reactor es generalmente cilíndrico y consta de muchos bloques de grafito hexagonales regulares. La mampostería de grafito tiene muchos agujeros con elementos combustibles. para permitir que el refrigerante fluya y elimine el calor. Los gases calientes del núcleo transfieren calor al agua en el circuito secundario del generador de vapor, produciendo así vapor. Estos gases refrigerantes regresan al núcleo a través de un circuito de circulación. El vapor generado por el generador de vapor se envía a la turbina de vapor para impulsar la unidad generadora de turbina de vapor para generar electricidad. Este es el principio de funcionamiento sencillo de una central nuclear con reactor de uranio natural refrigerado por gas y grafito. La principal ventaja de este tipo de reactor es el uso de uranio natural como combustible, pero las desventajas son la baja densidad de potencia, el gran volumen, la gran carga, el alto costo y el consumo de uranio natural es mucho mayor que el de otros reactores. Tanto Gran Bretaña como Francia han dejado de construir este tipo de centrales nucleares. (2) Central nuclear con reactor mejorado enfriado por gas. El reactor mejorado enfriado por gas se desarrolla sobre la base del reactor enfriado por gas de grafito de uranio natural. El propósito del diseño es mejorar las condiciones del vapor y aumentar la temperatura máxima permitida del gas refrigerante. En este reactor, el grafito sigue siendo el moderador, el dióxido de carbono es el refrigerante, el combustible nuclear es uranio de baja concentración (la concentración de uranio-235 es del 2 al 3%) y la temperatura de salida puede alcanzar los 670°C. Sus condiciones de vapor alcanzan los estándares de las nuevas centrales térmicas y su eficiencia térmica es comparable. Este tipo de reactor se denomina reactor refrigerado por gas de segunda generación y fue construido en el Reino Unido. Debido a muchos problemas técnicos y de ingeniería, su economía se ha debatido durante muchos años sin una conclusión final, por lo que su futuro es sombrío.
(3) Reactor refrigerado por gas de alta temperatura El reactor refrigerado por gas de alta temperatura se denomina reactor refrigerado por gas de tercera generación. Es un reactor que utiliza grafito como moderador y helio como refrigerante. La alta temperatura mencionada aquí significa que la temperatura del gas ha alcanzado un nivel muy alto. Debido a que en este reactor se utiliza combustible cerámico y materiales estructurales de grafito resistentes a altas temperaturas, y se utiliza helio inerte como refrigerante, la temperatura del gas aumenta por encima de 750°C. Al mismo tiempo, debido a que el grafito, material estructural, absorbe menos neutrones, el quemado se profundiza. Además, debido a la gran superficie del combustible de pellets, el helio tiene una buena transferencia de calor y el material del núcleo es resistente a altas temperaturas, lo que mejora el rendimiento de la transferencia de calor y aumenta la densidad de potencia. De esta manera, el reactor refrigerado por gas de alta temperatura se convierte en un reactor con alta temperatura, quemado profundo y alta densidad de potencia. Su proceso de trabajo simple es que el refrigerante de helio fluye entre los cuerpos de combustible y se convierte en gas de alta temperatura; el gas de alta temperatura pasa a través del generador de vapor para generar vapor, y el vapor impulsa el generador de turbina para generar electricidad. Los reactores refrigerados por gas de alta temperatura tienen ventajas especiales: debido a que el helio es un gas inerte, no puede activarse a altas temperaturas y no corroe los equipos ni las tuberías debido a la gran capacidad calorífica del grafito, la temperatura no aumentará rápidamente en el reactor; en caso de accidente, debido a que la carcasa de presión está hecha de concreto. Hecho de reactor de alta eficiencia, no hay riesgo de ruptura repentina del reactor, lo que aumenta en gran medida la seguridad porque la eficiencia térmica alcanza más del 40%, una eficiencia térmica tan alta reduce la temperatura; contaminación. Los reactores refrigerados por gas de alta temperatura pueden proporcionar energía térmica a alta temperatura para sectores industriales como el acero, el combustible y los productos químicos, realizar nuevos procesos como la reducción de hidrógeno, la fabricación de hierro, el craqueo de petróleo y gas y la gasificación del carbón, y abrir nuevas vías para utilización integral de la energía nuclear. Sin embargo, la tecnología de los reactores refrigerados por gas de alta temperatura es más compleja.