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Desarrollo histórico de los Generadores de Vapor en las Centrales Nucleares

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Desarrollo histórico de los Generadores de Vapor en las Centrales Nucleares

  1. Resumen
  2. Clasificación de las Centrales Nucleares según su equipamiento
  3. Función del Generador de Vapor en las Centrales Nucleares
  4. Desarrollo histórico de los Generadores de Vapor en Centrales Nucleares
  5. Generadores de vapor horizontal
  6. Generadores de vapor verticales
  7. Situación actual
  8. Selección de los materiales para la construcción de Generadores de Vapor
  9. Conclusiones
  10. Bibliografía

Resumen.

En el presente trabajo se realiza un estudio de las diferentes clasificaciones que reciben las centrales nucleares según su equipamiento, demostrando la importancia del funcionamiento correcto del Generadores de Vapor como equipo eje de nuestra investigación. Se aprecia la necesidad de su surgimiento a raíz de la utilización pacifica de la energía nuclear y las transformaciones en dos líneas fundamentales de trabajo en ambas regiones del planeta a medida que se fueron desarrollando.

Introducción.

El mundo actual presenta una gran dependencia del consumo de energía eléctrica y a estructurado su desarrollo sobre la base de la misma, ya no se concibe una casa sin alumbrado eléctrico, ni a una gran empresa sin sus computadoras. Son estas hoy, cosas de nuestra vida cotidiana que tiene un fundamento en el pasado de nuestra historia.

Para satisfacer la alta demanda energética, el hombre ha creado según sus necesidades varios tipos de centrales generadoras de energía eléctricas tales como: termoeléctricas, plantas renovables y centrales nucleares, en dependencia del combustible utilizado en ellas; así como del equipamiento de las mismas.

A mediados de la década de los años 50 surgen las centrales nucleares. Estas utilizan como combustible fundamental el Uranio enriquecido 235, aunque vale destacar que existen otros como pueden ser el plomo y el torio. El reactor, la turbina, el generador eléctrico, el condensador, las bombas y el generador de vapor son los elementos que forman su equipamiento básico.

Clasificación de las Centrales Nucleares según su equipamiento.

Al tener en cuenta para la clasificación de una central nuclear el equipamiento utilizado, así como sus principios de funcionamiento se incorpora el análisis a la amplia gama actual que existe de clasificación.

El reactor nuclear se pueden clasificar:

a) Según el combustible

b) Según el moderador.

c) Según el material utilizado como refrigerante

d) Según la velocidad de los neutrones que producen las reacciones de fisión, en reactores rápidos o reactores térmicos.

La turbina se puede clasificar:

  1. Según la sustancia de trabajo, en sobresaturada, saturado, de vapor seco, etc.
  2. Según el número de etapas.

Las bombas se pueden clasificar:

  1. Según su función, de corte, centrífuga, etc.
  2. Y los generadores de vapor se pueden clasificar:
  3. Según su estructura, en GV horizontales, GV verticales.

Función del Generador de Vapor en las Centrales Nucleares.

En el reactor de las Centrales nucleares ocurre la fisión nuclear del combustible, el refrigerante es el encargado de absorber la energía calorífica producida y llevar esta hasta el generador de vapor. En el generador de vapor para el caso de una central nuclear de dos o de tres circuitos, el refrigerante cede su calor al agua de segundo circuito, convirtiéndola en vapor; en caso de una central nuclear de un solo circuito el reactor actúa como el generador de vapor. Después que el vapor realiza su trabajo en la turbina cae en el condensador, donde se enfría con ayuda del sistema de enfriamiento, transformándose nuevamente en agua la que es bombeada al generador de vapor por la bomba de condensado y de alimentar.

Otra función que presenta para el caso de las centrales nuclear de dos o tres circuitos la existencia del GV es el control de la radioactividad producida en el primer circuito; es decir permite el agua, el vapor, las tuberías y equipos que componen el segundo circuito sea completamente limpio,. Esto se logra debido a que el equipo actúa como frontera entre el refrigerante del primer circuito y la sustancia de trabajo del segundo.

Desarrollo histórico de los Generadores de Vapor en Centrales Nucleares.

Al comenzar a funcionar en Obninsk, ciudad situada en la desaparecida Unión Soviética, la primera central nuclear del mundo el 27 de junio de 1954 se realizo el sueño de la energética nuclear.

La humanidad, hasta ese momento, solo asociaba la energía nuclear como medio de destrucción. Esta central nuclear generaba solo 5MW de potencia eléctrica, pero demostró la posibilidad técnica real de la utilización de la energía nuclear con fines pacifico. Por primera vez en la tierra, para responder a las crecientes necesidades electroenergéticas, fue utilizada la energía liberada por la fisión de los núcleos atómicos.

Esta central constaba con un generador de vapor lo más primario existente, el que presentaba un economizador, un evaporador y un sobrecalentador. El economizador tenia la función de llevar la temperatura del agua hasta la temperatura de saturación o cercana a esta, mientras que en el evaporador se producía el cambio de fase de la sustancia de trabajo hasta vapor saturado y ya en el sobrecalentador se obtenía vapor con los parámetros requeridos.

Otros países desarrollados también acometieron la tarea de asimilar esta novedosa tecnología. En 1956 inicio su trabajo la primera central nuclear de Gran Bretaña, en la ciudad de Colder-Hall con refrigerante gaseoso. Mientras que los Estados Unidos paralelamente a esto se construía el primer generador de vapor del tipo horizontal en la central nuclear de Shippingport, con dos construcciones diferentes uno con tubos rectos y otro con tubos curvos en forma de U. Y no es hasta 1957 que comienza su funcionamiento. En esta construcción se apreciaron varias ineficiencias la fundamental fue en el aspecto constructivo; lo cual influyo considerablemente en el costo de la instalación. Además se contaba con otro equipo acoplado fuera del ya mencionado, el domo separador.

Mas tarde en ambas regiones del planeta se cambiaron las líneas de desarrollo. El Este paso a los esquemas de los generadores de vapor horizontales y el Occidente a los generadores de vapor verticales. En ambos casos se paso al esquema unificado de generador de vapor, de una sola vasija.

Generadores de vapor horizontales.

La función del generador de vapor horizontal se basa, en la absorción del calor del refrigerante primario, por la sustancia de trabajo del segundo circuito, el colector de entrada es la puerta del refrigerante al generador de vapor; una vez dentro, se distribuye por la superficie de transferencia. Esta superficie forma paquetes de tubos los cuales permiten obtener canales verticales entre ellos, que ayudan al movimiento de la sustancia de trabajo durante su calentamiento. El refrigerante sale posteriormente por el colector de salida hacia el reactor nuevamente.

El agua de alimentar proveniente del sistema regenerativo llega al generador de vapor a través del colector de agua de alimentar, desciende y se distribuye por colectores más pequeños cercana al colector de entrada del refrigerante primario. Estos colectores permiten una distribución del agua en forma muy fina y homogénea gracias a los sistemas de toberas que conforman los orificios de salida.

Esa agua que alcanza la temperatura de ebullición, empleara el calor a partir de ese momento, para la formación de vapor de la mezcla agua-vapor y para su circulación. La mezcla de menor densidad asciende por el enrejillado que forma el haz de tubos, mientras que por los canales verticales desciende el agua de mayor densidad.

De la mezcla que asciende, la parte correspondiente a la fase liquida descenderá y la parte correspondiente a la fase vapor ascenderá separándose en lo que se llamará superficie de evaporación.

En los generadores de vapor horizontal se produce vapor, con un contenido de humedad que será reducido por las instalaciones de secado las cuales se encuentran situadas dentro del propio equipo. Este generador presenta un esquema muy sencillo para el proceso de secado.

En la parte inferior del generador de vapor existen unas tubuladuras cuya función es la extracción del agua con un alto contenido de sales, o sea, impurezas, las cuales se introducen con el agua de alimentar.

La primera experiencia con este tipo de generador fue en la central nuclear de Novovoronezh la cual dio la base para lograr el desarrollo de los WWER-210. Donde con el aumento de los números de tubo y la reducción del diámetro se logro duplicar la potencia eléctrica producida hasta llegar al WWER-1000. Esta planta constaba con una potencia de 760MW. Mientras que la primera central nuclear de Czechoslovakia "V1" también presenta este tipo de generadores de vapor de marca VITKOVICE .

Pero aunque esta es una versión útil debido a las ventajas que nos brinda y una de las mas utilizadas, presenta la desventaja de que la potencia unitaria no se puede aumentar, siendo el valor limite el de 250MW y como respuesta se tiende a incrementar el numero de lazos de la CEN. Tabla 1.1.

Tabla 1.1 Características técnicas de los WWER.

WWER-210

WWER-320

WWER-440

WWER-1000

N° GV

8

6

6

4

Kg/s

230/316

325/316

125

400

H(m2)

1300

1300

2510

6115

Coef. Global

(w/m2° C)

-

-

4330

6420

N° tubos

2074

3664

5146

11000

Diámetro por espesor

21x1,5

16x1,4

16x1,4

16x1,5

Gasto especifico de metal (Kg metal/ Kg vapor)

0,45

0,344

0,32

0,137

Potencia MW

760

1320

1375

3000

Generadores de vapor verticales.

Estos generadores también están formados por un solo elemento donde se produce el vapor y se efectúa la separación de la humedad. En este caso también estamos en presencia de un sistema con circulación natural, pero en este caso se necesita calcular el circuito de circulación, cosa que no se efectúa en el generador de vapor de tipo horizontal. En este se plantea que el proceso de circulación ocurre mediante la convección libre que tiene lugar de la ebullición en grandes volúmenes.

En este caso como la presión estática en la parte inferior es mayor que la correspondiente a la temperatura de saturación dada, el agua ahí se encontrara subenfriada, por lo que instantáneamente no se producirá la ebullición de la misma; por lo que deberá realizar cierto recorrido antes de comenzar la ebullición.

El área de evaporación o zona interfase aquí es menor, comparado con un generador de vapor horizontal de igual potencia, la velocidad de ascenso del vapor es más grande lo que complica, notablemente el proceso de secado para lograr la humedad permisible. Esta es una de las dificultades de este equipo. Además, en caso de parada, como hemos visto, no ocurre circulación natural a diferencia del horizontal para extraer el calor residual del reactor. Por los procesos físico-químicos salen de servicio antes de terminada su vida útil ya que se decantan las sales en la evaporación y provoca sedimento. También la curvatura de mayor tensión se encuentra en la zona de cambio de fase donde el contenido de iones cloro y cobre provoca corrosión bajo tensión y grietas intercristalinas.

Sin embargo estos generadores permiten un aumento considerable de la potencia unitaria mediante el aumento de la altura, el área que ocupa es pequeña lo que hace que se hayan difundido tanto en la actualidad.

Situación Actual.

Como hemos visto en el inicio se producía sobrecalentamiento del vapor, ya en la actualidad están muy difundidos los generadores de vapor del tipo WWER y los PWR. Es decir las centrales nucleares de ciclo directo. Muestra de esto es la planta nuclear de Krosko en Slovenia que comenzó su funcionamiento en 1983.

En cuanto a la superficie de transferencia hubo una gran variedad en su desarrollo siempre para lograr una mayor eficiencia. Estas pueden ser planas, espirales y helicoidales. En las plantas PWR pueden ser serpentines planos de tipo en U y de tubos rectos. Y los WWER verticales tubos en espiral o tubos en U con domo separador. Ejemplo de este tiene la central MeleKesska. Los serpentines planos más sencillos son los del tipo U, ya que cuando son muchas las vueltas, se encarecen y complican la superficie.

Tres años después de fundada la primera CEN del mundo, el 29 de Julio de 1957 se creo en Viena, Austria, el Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA). Esta organización consta con 110 países. Además del OIEA existen en el mundo otros organismos relacionados con la utilización pacifica de la energía nuclear. Uno de ellos lo es la Asociación Mundial de Operadores Nucleares (WANO) que fue fundada en Moscú en Mayo de 1988.

Selección de los materiales para la construcción de Generadores de Vapor.

Para la construcción de los generadores de vapor se utilizan una gran gama de marcas de acero. En dependencia de la temperatura de la pared y de la intensidad corrosiva y erosiva del medio circulante se pueden utilizar los aceros al carbono, de baja aleación, de alta aleación hasta los inoxidables.

Los factores que determinan las condiciones de trabajo del metal son conocidos después de los cálculos térmicos, constructivos e hidráulicos. El material de la superficie de transferencia se selecciona de acuerdo al calculo térmico por la temperatura del refrigerante primario y secundario y por las presiones, siendo esta selección bastante precisa.

Los criterios fundamentales que determinan la selección de un tipo de acero son en primer lugar la compatibilidad de un acero barato y tecnológicamente satisfactorio con el refrigerante y en segundo lugar, las condiciones de trabajo y las exigencias en su elaboración.

Para superficies con temperatura <350 ° C se pueden usar el acero al carbono marcas ct-10, ct-20, cuando 350° C<t<420° C se utilizan aceros de baja aleación 12Mx. Cuando aumenta la temperatura hasta 520° C <t<530° C se utilizan aceros con mayor porciento de carbón, lo cual aumenta la resistencia a la formación de óxido.

La selección más difícil de los materiales se presentan para el caso de los generadores de vapor que utilizan refrigerante altamente corrosivos como el agua y estos se limitan a los aceros perlíticos y aceros con baja aleación.

Conclusiones.

Como hemos visto, el objeto fundamental, basado en los procesos tecnológicos que tiene lugar en los diferentes equipos y sistemas componentes de una central electronuclear, es la obtención de energía eléctrica. Y el desarrollo histórico alcanzado siempre ha ido encaminado al mejoramiento de la eficiencia y de la economía de las centrales nucleares.

Bibliografía.

  1. A. M. Petrosiants. La energía atómica en la ciencia y la industria. Editorial pueblo y educación. La Habana. 1985.
  2. IAEA Bulletin. Vol 42. No 1. Año 2000. Viena, Austria.
  3. Leonel Cosme Ruiz Mijares. ¿Qué es una central electronuclear? Editorial Académica. La Habana. 1993.
  4. Nuclear Engineering. Septiembre 1964. EUA, New York.
  5. Nuclear Engineering. October 1964. EUA, New York.
  6. Nuclear Engineering. May 1964. EUA, New York.
  7. Nuclear Engineering. June 1964. EUA, New York.
  8. Nuclear Engineering. July1964. EUA, New York.
  9. Nuclear Engineering. August 1964. EUA, New York.
  10. Nuclear Engineering. August 1998. EUA, New York.
  11. Nuclear Engineering. Septiembre 1998. EUA, New York.
  12. Nuclear Engineering. November 1998. EUA, New York.
  13. Nuclear Engineering. March 2000. EUA, New York.
  14. Nuclear Engineering. August 2000. EUA, New York.
  15. Nuclear Engineering. Septiembre 2000. EUA, New York.
  16. Margarita Piedra. Generadores de Vapor en centrales electronucleares. Ediciones ENSPES. La habana. 1982.
  17. VITKOVICE. In the field of nuclear power. Generating Equipment. VITKOVICE publicity. 1982.

 

 

 

Autor:

Ing. Yunieskis Pérez Dorta

Especialista en Energía Grupo Empresarial de la Construcción Sancti Spíritus.
yunieskis[arroba]gecss.co.cu

Ing. Diana Rosa Hernández Socorro
Gerente de proyectos de energía renovable y especialista del MDL, Ingeniera Nuclear, Geprop.

Área: Tecnología


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