Desarrollo histórico de los Generadores de Vapor en las Centrales Nucleares

Desarrollo histórico de los
Generadores de Vapor en las Centrales Nucleares

1. Resumen
3. Clasificación de las
   Centrales Nucleares según su
   equipamiento
4. Función del Generador
   de Vapor en las Centrales Nucleares
5. Desarrollo histórico
   de los Generadores de Vapor en Centrales
   Nucleares
6. Generadores de vapor
   horizontal
7. Generadores de vapor
   verticales
8. Situación
   actual
9. Selección de los
   materiales para la construcción de Generadores de
   Vapor
10. Conclusiones
11. 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.

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.

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   en la ciencia y
   la industria.
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14. Nuclear Engineering. August 2000. EUA, New
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15. Nuclear Engineering. Septiembre 2000. EUA, New
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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