Magnox es una serie de reactores nucleares desarrollados en Gran Bretaña , en los que se utiliza uranio metálico natural como combustible nuclear , grafito como moderador y dióxido de carbono como refrigerante [ 1] . Magnox pertenece al tipo de reactores de gas-grafito (GCR según la clasificación del OIEA). El nombre "Magnox" es el mismo que el nombre comercial de la aleación de magnesio y aluminio que se utiliza en estos reactores para fabricar revestimientos de celdas de combustible . Como la mayoría de los reactores de primera generación, el Magnox es un reactor de doble propósito diseñado tanto para la producción de plutonio-239 como para la generación de energía. Al igual que con otros reactores productores de plutonio, una característica importante es la baja absorción de neutrones por parte de los materiales del núcleo. La eficiencia del moderador de grafito permite operar con combustible de uranio natural sin necesidad de enriquecerlo. El grafito se oxida fácilmente en el aire, por lo que se usa CO 2 como refrigerante . El calor se transfiere del circuito primario al secundario en los generadores de vapor, y el vapor resultante impulsa una turbina convencional para producir electricidad. El diseño del reactor permite el reabastecimiento de combustible en movimiento.
La característica de doble propósito de los reactores Magnox permitió al Reino Unido acumular una importante reserva de plutonio apto para reactores mediante el reprocesamiento del combustible nuclear gastado en la planta B205 . A pesar de la modernización destinada a aumentar la eficiencia de la producción de electricidad, después de que la producción de plutonio pasó a un segundo plano, los reactores Magnox no se han comparado con los reactores de agua a presión en términos de eficiencia de combustible debido a sus características de diseño y funcionamiento con uranio no enriquecido.
Solo se construyó una pequeña cantidad de reactores de este tipo en el Reino Unido y aún menos se exportaron a otros países. El primer reactor se construyó en Calder Hall en 1956 y , a menudo, se lo considera "el primer reactor de energía comercial del mundo", mientras que el último en el Reino Unido fue la central nuclear de Wylfa , cerrada en 2015. A Corea del Norte sigue siendo el único país utilizando reactores Magnox en el Centro de Investigación Nuclear de Yongbyon . El desarrollo posterior de los reactores de gas y grafito se convirtió en reactores mejorados refrigerados por gas , que tienen el mismo refrigerante, pero con una serie de cambios que aumentan el rendimiento económico.
El primer reactor industrial a gran escala del Reino Unido fue el Windscale Pile en el complejo Sellafield . Fue creado específicamente para la producción de plutonio-239 a partir de uranio natural. Para mantener una reacción nuclear en dicho combustible , se requieren neutrones térmicos , lo que requiere un moderador eficaz . En este caso se eligió grafito extrapuro. El reactor era una mampostería de una gran cantidad de bloques de grafito, que estaba perforada por canales para colocar elementos combustibles y barras de control. El combustible de uranio metálico se encerró en una carcasa de aluminio y se colocó en los canales horizontales del reactor. A medida que el reactor operaba, se añadían elementos combustibles nuevos desde su frente y se expulsaban los elementos gastados, que caían en una piscina especial. El combustible gastado se envió a reprocesamiento para extraer plutonio. La liberación de energía en el reactor fue relativamente baja y se utilizó refrigeración por aire con grandes ventiladores que soplaban a través de la pila de grafito.
El bombardeo del grafito con neutrones conduce a la acumulación de la energía latente de Wigner en él , y es necesario un recocido periódico para restaurar su estructura. Durante la operación de los reactores en Windscale, la tecnología de recocido aún no estaba suficientemente desarrollada, y el 10 de octubre de 1957, durante dicho procedimiento, el combustible se sobrecalentó, lo que provocó su ignición [2] [3] . El reactor ardió durante tres días y solo se evitó una contaminación grave gracias a los filtros, que no estaban previstos originalmente en el proyecto y se instalaron en una etapa avanzada de la construcción. Curiosamente, los filtros han sido ridiculizados previamente como "tonterías" innecesarias [4] .
El lanzamiento se estima en 750 TBq (20,000 Ci ) . Debido a que el accidente de Kyshtym no fue muy conocido fuera de la URSS, el accidente de Sellafield fue considerado el más grave de la historia de la industria nuclear mundial antes del accidente de la central nuclear de Three Mile Island . De acuerdo con la escala internacional de incidentes nucleares, que clasifica los eventos en siete niveles, donde cero significa que el evento está sujeto a registro, pero no tendrá consecuencias, y en el séptimo nivel se ubican los accidentes en Chernobyl y Fukushima , el incidente en el La planta química de Mayak está en el sexto nivel, y en Windscale - en el quinto [5] .
A medida que la autoridad nuclear del Reino Unido comenzó a centrar su atención en la energía nuclear, la necesidad de más plutonio siguió siendo aguda. . Esto condujo a un mayor desarrollo de las soluciones elaboradas en Windscale Pile, lo que condujo a la creación de un reactor más potente capaz de servir como fuente de energía para generar electricidad.
Con una salida de calor alta, aumenta el riesgo de incendio y el método de refrigeración por aire no es adecuado. En los reactores Magnox, esto ha llevado al uso de dióxido de carbono CO2 como refrigerante. No existen dispositivos en el diseño del reactor para regular el flujo de gas a través de canales individuales; en cambio, la tasa de flujo requerida se establece una vez durante la construcción en base a experimentos realizados en una maqueta. . El control de la reacción nuclear estuvo a cargo de barras de control hechas de acero al boro colocadas en canales verticales.
A temperaturas más altas, el aluminio no proporciona suficiente resistencia y se eligió la aleación Magnox como material de revestimiento del combustible. Desafortunadamente, la reactividad de Magnox aumenta a medida que aumenta la temperatura, lo que da como resultado su limitación a 360°C (680°F). A tales temperaturas, la generación de vapor no es lo suficientemente eficiente . Estos límites de temperatura significan que el reactor debe ser muy grande para proporcionar la potencia seleccionada. El uso de gas como portador de calor trae dificultades adicionales, ya que su baja capacidad calorífica requiere caudales muy altos.
Los elementos combustibles del reactor Magnox consistían en uranio purificado , sellado herméticamente en un caparazón holgado lleno de helio . El caparazón generalmente estaba acanalado para mejorar el intercambio de calor con el CO 2 . La aleación Magnox reacciona bien con el agua, y los elementos de combustible gastado, una vez que se han extraído del reactor, no se pueden dejar en las piscinas de combustible gastado durante mucho tiempo. A diferencia de Windscale Pile, el reactor Magnox usaba canales de combustible verticales. Las celdas de combustible se sujetaron mecánicamente entre sí para que pudieran retirarse de los canales desde arriba.
Al igual que con la pila Windscale, el diseño de los reactores Magnox proporcionaba acceso a los canales de combustible y el combustible podía cambiarse mientras el reactor estaba en funcionamiento. Esta fue una característica clave del diseño, ya que el uso de uranio natural da como resultado bajas tasas de quemado y la necesidad de repostar con frecuencia. Para una generación de energía eficiente, las celdas de combustible deben permanecer en el reactor el mayor tiempo posible, mientras que para la producción de plutonio, su tiempo de residencia en el núcleo debe ser limitado. El complejo sistema de reabastecimiento de combustible demostró ser menos confiable que la propia planta del reactor y puede no ser eficiente en general. [6]
El núcleo del reactor está encerrado en un gran recipiente a presión, que a su vez está ubicado en un edificio de hormigón que cumple la función de protección biológica (radiación). Dado que el reactor no utilizaba agua y, por tanto, no había peligro de vaporización explosiva, la estructura de hormigón era muy compacta, lo que ayudó a reducir los costes de construcción. Para reducir aún más el tamaño del edificio del reactor, los diseñadores en las primeras versiones colocaron generadores de vapor fuera del edificio en la calle. Debido a las partículas de combustible y moderador suspendidas en el gas, todo el sistema "brilló" con rayos gamma y neutrones. .
El diseño de los reactores Magnox se mejoró constantemente y las plantas construidas diferían significativamente entre sí. Así, en un principio, los generadores de vapor se trasladaron al interior del edificio del reactor y, posteriormente, en las unidades de potencia de la CN de Oldbury y de la CN de Vilfa, en lugar de las vasijas del reactor de acero, se utilizó hormigón armado pretensado. La presión de trabajo oscila entre 6,9 y 19,35 bar para cascos de acero y entre 24,8 y 27 bar para estructuras de hormigón armado. [7]
Ninguna empresa de construcción británica en ese momento era lo suficientemente grande como para construir todas las centrales eléctricas, por lo que varios consorcios competidores participaron en la construcción, lo que se sumó a las diferencias entre las centrales; por ejemplo, casi todas las plantas de energía usaban su propio diseño de celda de combustible [8] .
Para la puesta en marcha inicial del reactor, se colocó una fuente de neutrones en el núcleo para asegurar el inicio de una reacción nuclear. Otra característica del diseño fueron las varillas absorbentes adicionales para igualar (hasta cierto punto) la densidad de flujo de neutrones en el núcleo. Si no se utilizan, el flujo en el centro será demasiado fuerte en comparación con la periferia, lo que dificulta su control y conduce a temperaturas demasiado altas en el centro. En cada canal de combustible, se suspendieron varios elementos de combustible interconectados para formar un conjunto de combustible. Para garantizar la posibilidad de retirar los conjuntos, el canal está equipado con un mecanismo de bloqueo. Los resortes utilizados en el movimiento contenían cobalto. que, cuando se expone a la radiación, crea un fondo gamma alto. Además, se acoplaron termopares a una serie de elementos, que tuvieron que retirarse cuando se descargó el combustible del reactor.
El doble propósito del reactor Magnox resultó en una serie de compromisos que limitaron su rendimiento económico. Mientras se realizaba la construcción de las plantas de Magnox, paralelamente se trabajaba en el Reactor Avanzado Refrigerado por Gas (AGR) con la clara intención de hacer más económica la planta. El cambio principal fue aumentar la temperatura en el reactor a alrededor de 650 °C (1202 °F), lo que incrementó en gran medida la eficiencia de las turbinas de vapor. Esto era demasiado caliente para magnox, y originalmente se suponía que AGR usaría un nuevo revestimiento a base de berilio, que terminó siendo demasiado frágil y fue reemplazado por acero inoxidable. El acero absorbió grandes cantidades de neutrones, lo que requirió el enriquecimiento del combustible de uranio, lo que elevó los costos del combustible. En última instancia, la economía de la planta resultó ser ligeramente mejor que la de los reactores Magnox. .
Características de diseño de algunos reactores Magnox (pueden diferir de los reales) [9] :
| Característica | Salón Calder 1956 | Oldbury 1967 | Wilf 1971 |
|---|---|---|---|
| Potencia térmica del reactor | 182 megavatios | 835 megavatios | 1875 megavatios |
| unidad de potencia electrica | 46 megavatios | 280 megavatios | 590 megavatios |
| eficiencia de bloque | 23% | 34% | 33% |
| Número de canales de combustible en el reactor | 1696 | 3320 | 6150 |
| Diámetro central | 9,45 metros | 12,8 metros | 17,4 metros |
| Altura del núcleo | 6,4 metros | 8,5 metros | 9,2 metros |
| Presión de gas promedio | 7 barras | 25,6 bares | 26,2 bares |
| Temperatura media del gas de entrada | 140°C | 245°C | 247°C |
| Temperatura media del gas de salida | 336°C | 410°C | 414°C |
| Suministro total de gas | 891 kg/s | 4627 kg/s | 10 254 kg/s |
| Combustible usado | metales naturales Urano | metales naturales Urano | metales naturales Urano |
| Masa de uranio en el reactor | 120 toneladas | 293 toneladas | 595 toneladas |
| Diámetro interior del recipiente del reactor | 11,28 metros | 23,5 metros | 29,3 m ( esfera ) |
| Altura de la vasija del reactor | 21,3 metros | 18,3 metros | — |
| Número de sopladores | cuatro | cuatro | cuatro |
| Número de generadores de vapor | cuatro | cuatro | una |
| Número de generadores | 2 | una | 2 |
Los primeros reactores Magnox de la central nuclear de Calder Hall [ 10 ] se diseñaron principalmente para producir plutonio con fines militares [11] . Durante las transformaciones nucleares, se libera una gran cantidad de calor en el reactor, y su uso para generar electricidad se consideró como una especie de adición “gratuita”.
Los reactores de Calder Hall tenían una eficiencia baja según los estándares actuales, solo un 18,8 % [12] . La siguiente etapa en el desarrollo de reactores nucleares de uranio-grafito en Gran Bretaña fue la puesta en marcha en 1971 de la central nuclear de Wilf con una carga de núcleo de uranio natural (595 toneladas) y con refrigerante CO 2 a una presión de 2,8 MPa. El nivel de consumo de combustible alcanzó 3,5 MW día/kg, eficiencia. - 26% .
En 1957, el gobierno británico decidió apoyar la energía nuclear y se planeó que para 1965 se introdujeran capacidades de 5000 a 6000 MW, lo que representaba una cuarta parte de las necesidades eléctricas del país. [11] Aunque Sir John Cockrockft instó al gobierno a que la electricidad "nuclear" era más cara que las centrales eléctricas de carbón, el Reino Unido decidió que las centrales nucleares serían útiles para reducir la presión de los sindicatos mineros. En 1960 se reconoció que la producción de electricidad a partir del carbón era un 25% más barata, y en un comunicado del gobierno de la Cámara de los Comunes de 1963 se decía que la producción de electricidad a partir de centrales nucleares costaba más del doble que el carbón. generación. El coste del plutonio producido en el reactor incrementó el rendimiento económico de las centrales nucleares, [13] aunque los propietarios de las centrales nunca recibieron este ingreso. .
Después de retirarlos del reactor, los elementos combustibles gastados se enfriaron en las piscinas de combustible gastado (con la excepción de la central nuclear de Wilf, que tenía un almacenamiento en seco en una atmósfera de dióxido de carbono). Dado que el almacenamiento a largo plazo de los elementos en las piscinas no fue posible debido a la destrucción gradual de los proyectiles Magnox, no se pudo retrasar el reprocesamiento del combustible, lo que también incrementó los costos operativos [14] .
Hubo un tiempo en que los reactores Magnox se consideraban bastante seguros debido a su diseño simple, su baja densidad de potencia y el uso de un gas refrigerante. Por lo tanto, no estaban equipados con carcasas herméticas . En ese momento, el principio de seguridad era tener en cuenta el "accidente de base de diseño máximo", y se creía que si la planta puede soportar sus consecuencias, resistirá cualquier otro accidente de menor escala. La pérdida de refrigerante (al menos en el volumen considerado en el proyecto) no producirá daños significativos en el combustible, ya que la coraza magnox, siempre que el reactor se apague rápidamente, retendrá la mayor parte del material radiactivo y el calor residual puede eliminarse por circulación de aire natural. Debido a que el refrigerante es un gas, la vaporización explosiva no es una amenaza como la que condujo al desastre de Chernobyl . No se consideró en el diseño la falla del sistema de protección de emergencia del reactor ni la falla de la circulación natural. En 1967 se produjo un derretimiento de combustible en la central nuclear de Chapel Cross debido a la restricción del flujo de gas en uno de los canales, y aunque no derivó en un incidente grave, las emisiones radiactivas fueron superiores a las previstas en el diseño. .
En las plantas más antiguas con los primeros reactores Magnox, las tuberías del circuito de gas y los generadores de vapor se ubicaban fuera del edificio del reactor. Esto condujo a la liberación de radiación gamma y de neutrones [15] . La dosis máxima de radiación recibida por el público cerca de la central nuclear de Dungeness en 2002 fue de 0,56 mSv , más de la mitad de la dosis establecida por la ICRP para exposición pública [16] . Las dosis de la planta de energía nuclear de Oldbury y la planta de energía nuclear de Wilfa , cuyas plantas de reactores están completamente encerradas en edificios de hormigón armado, resultaron ser significativamente más bajas.
En total, se construyeron 11 centrales eléctricas en el Reino Unido, combinando 26 unidades de potencia. Además, una unidad fue exportada a la CN Tokai en Japón [17] y la otra unidad fue exportada a la CN Latina en Italia. El diseño de los reactores de Calder Hall se desclasificó a fines de la década de 1950 y estuvo disponible públicamente para los miembros de la OIEA . Corea del Norte se convirtió en miembro de la OIEA en 1974, obteniendo así diagramas de reactores a partir de los cuales desarrolló sus propios reactores. [Dieciocho]
La primera central con un reactor Magnox, Calder Hall NPP, fue la primera central nuclear del mundo en generar electricidad a escala industrial (la central de Obninsk, de mucha menor capacidad, se conectó a la red el 1 de diciembre de 1954) . La primera sincronización con la red tuvo lugar el 27 de agosto de 1956 y la reina Isabel II inauguró oficialmente la central nuclear el 17 de octubre de 1956 [19] . La operación del reactor continuó durante casi 47 años hasta su cierre el 31 de marzo de 2003 [20] .
El 30 de diciembre de 2015, la Autoridad de Desmantelamiento de Plantas de Energía Nuclear (NDA) anunció que la Unidad 1 de la Planta de Energía Nuclear de Wilfa , el último reactor Magnox en funcionamiento del mundo, había sido cerrada. La unidad de potencia funcionó cinco años más de lo previsto originalmente. Ambas unidades en Wilfa estaban programadas para cerrar a fines de 2012, pero la NDA decidió mantener la Unidad 1 en funcionamiento durante algún tiempo para aprovechar al máximo el stock de combustible existente que ya no se produce.
Un pequeño reactor experimental de 5 MW basado en el proyecto Magnox en el Centro de Investigación Nuclear de Corea del Norte en Yongbyon ha seguido funcionando desde 2016.
La palabra "Magnox" es también el nombre de una aleación, principalmente magnesio con una pequeña cantidad de aluminio y otros metales, a partir de la cual se fabrica la cubierta del combustible de uranio metálico. Este material tiene la ventaja de una sección transversal de captura de neutrones baja, pero tiene dos desventajas principales:
Las celdas de combustible Magnox tienen aletas para una máxima transferencia de calor, lo que las hace caras de fabricar. Aunque el uso de uranio metálico en lugar de óxido facilitó el reprocesamiento del combustible y, por lo tanto, lo abarató, el corto tiempo de almacenamiento antes del reprocesamiento conllevaba ciertos riesgos. Se requirieron complejos sistemas de manejo de combustible para minimizar este peligro.
El término magnox también se puede aplicar a:
La Autoridad de Desmantelamiento (NDA) es responsable del desmantelamiento de las centrales eléctricas Magnox del Reino Unido, con un presupuesto fijo de 12 600 millones de libras esterlinas. Se están debatiendo si se debe adoptar una estrategia de desmantelamiento de 25 o 100 años. En 80 años, los materiales radiactivos se habrán descompuesto hasta el punto de permitir que una persona pueda realizar los trabajos de desmantelamiento del reactor. Una estrategia de desmantelamiento más corta requeriría una técnica completamente robótica [21] [22] .
| Nombre | unidades de potencia | Potencia , MW (Bruto) |
Inicio de la construcción |
comienzo | cierre |
|---|---|---|---|---|---|
| berkeley | una | 166 | 1957 | 1962 | 1989 |
| 2 | 166 | 1957 | 1962 | 1988 | |
| bradwell | una | 146 | 1957 | 1962 | 2002 |
| 2 | 166 | 1957 | 1962 | 2002 | |
| mazmorra | A1 | 230 | 1960 | 1965 | 2006 |
| A2 | 230 | 1960 | 1965 | 2006 | |
| Salón Calder | una | 60 | 1953 | 1956 | 2003 |
| 2 | 60 | 1953 | 1957 | 2003 | |
| 3 | 60 | 1955 | 1958 | 2003 | |
| cuatro | 60 | 1955 | 1959 | 2003 | |
| viejobury | una | 230 | 1962 | 1967 | 2012 |
| 2 | 230 | 1962 | 1968 | 2011 | |
| Talla bien | A1 | 245 | 1961 | 1966 | 2006 |
| A2 | 245 | 1961 | 1966 | 2006 | |
| Trausvinit | una | 235 | 1959 | 1965 | 1991 |
| 2 | 235 | 1959 | 1965 | 1991 | |
| wilf | una | 530 | 1963 | 1971 | 2015 |
| 2 | 540 | 1963 | 1971 | 2012 | |
| Hunterston A | A1 | 173 | 1957 | 1964 | 1990 |
| A2 | 173 | 1957 | 1964 | 1989 | |
| punto de hinkley | A1 | 267 | 1957 | 1965 | 2000 |
| A2 | 267 | 1957 | 1965 | 2000 | |
| capillacruz | una | 60 | 1955 | 1959 | 2004 |
| 2 | 60 | 1955 | 1959 | 2004 | |
| 3 | 60 | 1955 | 1959 | 2004 | |
| cuatro | 60 | 1955 | 1960 | 2004 |
| Nombre | Ubicación | unidades de potencia | Potencia , MW |
Inicio de la construcción |
comienzo | cierre |
|---|---|---|---|---|---|---|
| latinos | Italia | una | 160 | 1958 | 1963 | 1987 |
| Tokay | Japón | una | 166 | 1961 | 1966 | 1998 |
Lista de plantas de energía nuclear del Reino Unido
| Centrales nucleares del Reino Unido | |||
|---|---|---|---|
| |||
| Reactores nucleares de potencia | |||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Moderador | |||||||||||||||
| agua ligera |
| ||||||||||||||
| Refrigerante de agua pesada |
| ||||||||||||||
| Grafito para refrigerante |
| ||||||||||||||
| Ausente (en neutrones rápidos ) |
| ||||||||||||||
| Otro |
| ||||||||||||||
| otros refrigerantes | Metal líquido: Bi , K , NaK , Sn , Hg , Pb Orgánico: C 12 H 10 , C 18 H 14 , Hidrocarburo | ||||||||||||||
| |||||||||||||||