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.
Revestimientos de SiC y SiC / SiC-composite
El carburo de silicio es un compuesto cristalino de silicio y carbono extremadamente duro y producido sintéticamente. Su fórmula química es SiC. El carburo de silicio tiene una dureza Mohs de 9, que se aproxima a la del diamante. Además de la dureza, los cristales de carburo de silicio tienen características de fractura que los hacen extremadamente útiles en muelas abrasivas. Su alta conductividad térmica, junto con su resistencia a altas temperaturas, baja expansión térmica y resistencia a la reacción química, hace que el carburo de silicio sea valioso en la fabricación de aplicaciones de alta temperatura y otros refractarios.
En la industria nuclear, se ha investigado el material compuesto de carburo de silicio para su uso como sustituto del revestimiento de aleación de circonio en reactores de agua ligera. Las cerámicas a base de carburo de silicio (SiC) y sus compuestos tienen propiedades superiores a altas temperaturas (HT), excelente resistencia a la irradiación, baja activación inherente y otras propiedades físicas / químicas superiores. El material compuesto consta de fibras de SiC envueltas alrededor de una capa interior de SiC y rodeadas por una capa exterior de SiC. Se han informado problemas con la capacidad de unir las piezas del compuesto de SiC.
El revestimiento de SiC está destinado a proporcionar mejoras innovadoras en los márgenes de seguridad. El revestimiento de SiC reacciona muchos órdenes de magnitud más lento con agua y vapor que el circonio a temperaturas críticas (por encima de 800 ° C), lo que resulta en una generación mínima de calor e hidrógeno en escenarios de accidentes más allá de la base de diseño. Se espera que los revestimientos de compuesto de SiC y los componentes de combustible proporcionen excelentes características de seguridad pasiva tanto en accidentes de base de diseño como en condiciones de extensión de diseño de accidentes graves (SA). Además, se prevé que los compuestos SiC / SiC proporcionen beneficios adicionales sobre las aleaciones de Zr, como una sección transversal de absorción de neutrones reducida que permite un enriquecimiento de uranio más pequeño. La combinación de estas atractivas características convierte a los compuestos de SiC en uno de los principales candidatos para estructuras de núcleo y revestimientos de combustible LWR tolerantes a accidentes.
Hay tres desventajas principales de los revestimientos de combustible compuestos de SiC / SiC:
- Fabricación. La fabricación de revestimientos de combustible delgados requiere un mayor desarrollo. También debería desarrollarse una tecnología para la unión de tapones finales con estanqueidad a los gases y resistencia adecuada porque las cerámicas de SiC no se pueden soldar.
- Liberaciones de tritio. Existe un aumento potencial en la liberación de tritio en el refrigerante del reactor. El tritio se produce como un producto de fisión (FP). El SiC no reacciona con el hidrógeno para formar hidruros estables de manera similar a una aleación a base de circonio, lo que da como resultado una mayor permeabilidad del tritio a través del revestimiento al refrigerante del reactor. La elección de utilizar un material de revestimiento adecuado podría ayudar a mitigar este problema.
- SiC / SiC tiene una conductividad térmica significativamente menor que las aleaciones de circonio. Este hecho influye negativamente en las temperaturas de la línea central de los pellets y también en el tiempo de adaptación.
Uno de los posibles revestimientos compuestos de SiC ha sido desarrollado por General Atomics y se conoce como compuesto de carburo de silicio (SiC) SiGA ™, en el que el material de la matriz de SiC se refuerza con fibra de SiC flexible de la misma manera que las barras de refuerzo de acero refuerzan el hormigón. Esto crea un material extremadamente duro y duradero que puede soportar las condiciones más duras del reactor.
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