Los combustibles tolerantes a accidentes (ATF) son una serie de nuevos conceptos de combustible nuclear, investigados para mejorar el rendimiento del combustible durante el funcionamiento normal, condiciones transitorias y escenarios de accidentes, como accidentes por pérdida de refrigerante (LOCA) o accidentes iniciados por reactividad ( RIA). Tras el accidente de Fukushima Daiichi, se inició una revisión del comportamiento del combustible. El combustible revestido de aleación de circonio funciona con éxito hasta un alto grado de combustión y es el resultado de 40 años de desarrollo y mejora continuos. Sin embargo, en condiciones de accidentes graves, la interacción de vapor y circonio a alta temperatura puede ser una fuente importante de daños a la planta de energía.
Estas actualizaciones incluyen:
- Aditivos especialmente diseñados para pellets de combustible estándar destinados a mejorar diversas propiedades y rendimiento.
- revestimientos robustos aplicados al exterior de revestimientos estándar destinados a reducir la corrosión, aumentar la resistencia al desgaste y reducir la producción de hidrógeno en condiciones de alta temperatura (accidentes)
- desarrollo de diseños de combustible completamente nuevos con revestimiento cerámico y diferentes materiales combustibles
El revestimiento de combustible actual es la capa exterior de las barras de combustible, que se encuentra entre el refrigerante del reactor y el combustible nuclear (es decir , pastillas de combustible ). Está hecho de un material resistente a la corrosión con una sección transversal de baja absorción para los neutrones térmicos (~ 0,18×10–24 cm2), generalmente una aleación de circonio . Evita que los productos de fisión radiactivos escapen de la matriz de combustible al refrigerante del reactor y lo contaminen. El revestimiento constituye una de las barreras en elenfoque de» defensa en profundidad «, por lo que su capacidad de refrigeración es uno de los aspectos clave de seguridad.
Referencia especial: Agencia de Energía Nuclear, Informe de vanguardia sobre combustible tolerante a accidentes en reactores de agua ligera. NEA No 7317, OCDE, 2018.
Metales refractarios para revestimientos de combustible
Los metales y aleaciones refractarios son bien conocidos por su extraordinaria resistencia al calor y al desgaste . El requisito clave para soportar altas temperaturas es un alto punto de fusión y propiedades mecánicas estables (por ejemplo, alta dureza) incluso a altas temperaturas. Los metales refractarios más comunes incluyen cinco elementos: niobio y molibdeno del quinto período y tantalio, tungsteno y renio del sexto período. Todos comparten algunas propiedades, incluido un punto de fusión superior a 2000°C y una alta dureza a temperatura ambiente. La mala capacidad de fabricación a baja temperatura y la extrema oxidabilidad a altas temperaturas son las principales desventajas de la mayoría de los metales refractarios. La aplicación de estos metales requiere una atmósfera protectora o un revestimiento.
Revestimiento de molibdeno revestido con aleación de Zr
En 2012, EPRI inició un proyecto de investigación independiente con diseños conceptuales de aleación de molibdeno revestida como revestimiento ATF para lograr resistencia a accidentes en un rango de temperatura de 1200 a 1500°C. El molibdeno (Mo) es un candidato debido a su muy alto punto de fusión (2623°C) y su alta resistencia a temperaturas elevadas. Al mismo tiempo, se sabe que el Mo y sus aleaciones son susceptibles a la formación de MoO3 volátil en ambientes oxidantes a temperaturas> 600°C. Por lo tanto, este programa de investigación utiliza un diseño compuesto en el que el revestimiento de aleación de Mo se cubre con una capa protectora exterior de una aleación de Zr o una aleación que contiene Al.
Se prevé que el revestimiento de Mo revestido con aleación de Zr posea suficiente resistencia a la corrosión y al hidruro para el límite actual de quemado de combustible y más allá. Se prevé que los revestimientos dúplex de Mo – Zr y Mo – FeCrAl totalmente metálicos logren tolerancia a los accidentes al formar un óxido protector durante un accidente. El revestimiento delgado de aleación de Zr se oxidará completamente a ZrO2 cuando la temperatura alcance los 1000°C o más. Con una aleación adecuada, el ZrO2 mantendrá su integridad y estabilidad y brindará protección a la aleación de Mo subyacente. Un revestimiento delgado de FeCrAl es altamente resistente a la corrosión en refrigerantes LWR debido a la formación de un óxido protector rico en cromo, principalmente Cr2O3. En vapor de alta temperatura, FeCrAl es altamente resistente a la corrosión debido a la formación de un óxido rico en aluminio delgado, Al2O3. Las aleaciones de FeCrAl se componen principalmente de hierro, cromo (20-30%) y aluminio (4-7,5%). Estas aleaciones se conocen con la marca comercial Kanthal, que es una familia de aleaciones de hierro-cromo-aluminio (FeCrAl) utilizadas en una amplia gama de aplicaciones de resistencia y alta temperatura.
El molibdeno es altamente resistente a la oxidación en vapor de alta pureza o reductor. Por lo tanto, se prevé que el revestimiento de molibdeno revestido mantenga una buena integridad en caso de que ingrese vapor en una barra de combustible defectuosa, así como bajo un LOCA de base de diseño. En el caso de que el revestimiento exterior se elimine localmente, como debido al desgaste de la rejilla a la varilla, puede producirse una corrosión localizada del revestimiento de molibdeno.
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