Reacción de vapor-zirconio

La reacción de vapor de circonio es una reacción química exotérmica entre el circonio y el vapor de agua que se produce a altas temperaturas. En particular, la reacción puede ocurrir en el núcleo de un reactor nuclear con agua refrigerante y/o moderador cuando se sobrecalienta [1] en condiciones de contacto de elementos estructurales de zirconio con agua.

Las aleaciones de circonio son el material estructural más común para los elementos combustibles , en cuya forma se utiliza el combustible nuclear en los reactores. En el caso de un accidente severo con eliminación de calor deteriorada, el combustible puede calentarse a altas temperaturas debido al calor de decaimiento del reactor apagado. Incluso en el núcleo de los reactores que no hierven , se forma vapor de agua que, al alcanzar los 861 °C , reacciona con el circonio. Como resultado, se forma hidrógeno en una cantidad de aproximadamente 0,491 litros por gramo de circonio reaccionado y se libera una gran cantidad de calor: 6530 kJ / kg [2] .

El curso de la reacción

La reacción transcurre de acuerdo con la ecuación:

En este caso, se libera una cantidad importante de calor : 6530 kJ/kg.

La reacción comienza aproximadamente a los 861 °C, y a los 1200 °C comienza a desarrollarse muy rápidamente, ya que el calor liberado calienta adicionalmente el circonio y se vuelve autosostenible [1] [2] [3] .

Para calcular la reacción vapor-zirconio se utiliza la forma integral de la ecuación de Baker-Just [4] (pág. 37):

[mg/cm2 ] ²,

dónde:

 - la relación entre la masa de circonio que ha entrado en la reacción, [mg] y el área superficial de la reacción [cm 2 ];  — tiempo, s ;  es la temperatura de la superficie de reacción, K ;  cal /( mol K ) es la constante universal de los gases .

La velocidad de reacción depende sustancialmente de la temperatura, la cantidad de vapor suministrado a la superficie de reacción y el tiempo de reacción. Además, en condiciones reales, la cantidad de vapor suministrada es muy inferior a la calculada, ya que el suministro de vapor a la superficie es difícil. Solo las capas de vapor cercanas a la superficie participan en la reacción, mientras que el hidrógeno formado como resultado de la reacción impide el suministro de vapor a la superficie. Se forma una película de ZrO 2 en la superficie , que también inhibe la reacción [2] .

Consecuencias

Además de la liberación de hidrógeno y calor, la reacción va acompañada de una pérdida de resistencia del revestimiento de las barras de combustible y una disminución de su espesor inicial debido a la oxidación del circonio. Aproximadamente 10-12 minutos después del inicio de la reacción autosostenida de vapor de circonio, el revestimiento del elemento combustible se oxida a un espesor de 0,10-0,15 mm con calentamiento hasta su temperatura de fusión.

Durante los experimentos, ya en una etapa temprana, se observó una grave deformación de los elementos combustibles, con un ligero exceso de la temperatura de fusión del circonio, se forman tapones (bloqueos) en los canales de refrigeración.

Incluso a una velocidad de reacción relativamente baja, la cantidad de calor liberado como resultado es comparable al calor de descomposición de un reactor apagado. Por lo tanto, el aumento del calentamiento del combustible como resultado de la reacción es muy significativo [2] .

Como consecuencia de la entrada en reacción de gran parte del circonio, se puede formar una cantidad de hidrógeno, calculada en miles de metros cúbicos. Esto es extremadamente peligroso, tanto desde el punto de vista del peligro de explosión e incendio, como desde el punto de vista de la formación de burbujas de gas en el circuito de la instalación del reactor, que impiden la circulación del refrigerante, lo que puede agravar el accidente. debido a la terminación de la eliminación de calor del combustible [5] .

Sistemas de emergencia y accidentes

La ocurrencia de una reacción de vapor de circonio es posible solo cuando el núcleo se sobrecalienta; este es un problema general de seguridad del reactor. En caso de una emergencia tan severa, existen sistemas de seguridad.

Los principales medios para evitar la formación de burbujas de gas en el circuito de la planta del reactor son los sistemas de extracción de vapor y gas de emergencia. En TMI-2 no existía tal sistema , por lo tanto, los gases no condensables acumulados en varias partes del equipo y en el propio reactor, principalmente hidrógeno, impidieron que ocurriera en el circuito de circulación natural luego del paro forzado de las bombas principales de circulación, por lo que el accidente se convirtió en uno de extrema gravedad [6] .

Otro importante sistema de seguridad, pasivo, es el de contención . En los reactores de agua a presión , es muy grande, decenas de miles de m³, por lo que es extremadamente difícil lograr una concentración explosiva cuando se descarga hidrógeno del reactor y otros equipos. Durante el accidente de TMI-2, por ejemplo, a pesar de que se oxidó un tercio del combustible, solo se observaron encendidos locales de hidrógeno en la contención, lo que no tuvo consecuencias graves. En los reactores de agua en ebullición, el tamaño de la contención es significativamente menor. Esto se explica porque el problema del accidente principal, para el que se calculan las contenciones -accidente con pérdida de refrigerante-, se resuelve en las contenciones de los reactores de agua en ebullición de forma diferente, con la ayuda de un tanque volumétrico burbujeador, donde se descarga vapor en caso de accidente. En los primeros diseños de contenciones (Mark 1, Mark 2) de reactores de agua en ebullición, para resolver el problema de la acumulación de hidrógeno, el pozo del reactor seco se llena con un gas inerte (por ejemplo, nitrógeno puro), en diseños posteriores, a partir de Mark 3, está equipado con un sistema de postcombustión de hidrógeno [7] [8] . Durante el accidente en la central nuclear de Fukushima , se dañaron las unidades de potencia con contención Mark 1. La acumulación de hidrógeno en la contención secundaria provocó una explosión en la misma en las unidades de potencia 1 y 3. En la unidad de potencia 2, la explosión se produjo en el área del tanque burbujeador. En la unidad de potencia 4, se produjo una explosión de hidrógeno en el área de la piscina de combustible.

Una innovación bien conocida diseñada para resolver el problema de la acumulación de hidrógeno durante accidentes severos son los recombinadores catalíticos de hidrógeno (sistema de seguridad pasiva). También se pueden instalar en unidades que ya funcionan (ya están instalados en muchos en todo el mundo), se incluyen en el conjunto obligatorio de elementos en nuevos proyectos. Los recombinadores son pequeños dispositivos que se instalan en muchos a lo largo de la contención y proporcionan una reducción de la concentración de hidrógeno en caso de accidentes con su liberación. Los recombinantes no requieren fuentes de energía ni comandos para encenderse: cuando se alcanza una pequeña concentración de hidrógeno (0,5–1,0 %), el proceso de absorción por parte de los recombinantes comienza espontáneamente [9] [10] .

Notas

1. ↑ 1 2 Karl-HeinzNeeb. La radioquímica de las centrales nucleares con reactores de agua ligera . - Berlín, Nueva York: Walter de Gruyter , 1997. - 733 p. — ISBN 3-11-013242-7 .
2. ↑ 1 2 3 4 Samoilov O. B., Usynin G. B., Bakhmetiev A. M. Seguridad de las centrales nucleares. - M. : Energoatomizdat, 1989. - 280 p. - 5900 copias.  - ISBN 5-283-03802-5 .
3. ↑ Seguridad y protección del almacenamiento comercial de combustible nuclear gastado: informe público . — Washington, DC: National Academies Press , 2006. — 75 p. — ISBN 0-309-16519-9 .
4. ↑ Louis Baker, Jr. y Louis C. Justo. Estudios de reacciones metal-agua a alta temperatura III Estudios experimentales y teóricos de las reacciones circonio-agua . Laboratorio Nacional de Argonne (mayo de 1962). Archivado desde el original el 9 de enero de 2016. (indefinido)
5. ^ Libmann J. Elementos de seguridad nuclear . - Francia: Les Éditions de Physique , 1996. - 543 p. — ISBN 2-86883-286-5 .
6. ↑ J. Samuel Walker. Three Mile Island: una crisis nuclear en perspectiva histórica . - Berkeley y Los Ángeles: University of California Press , 2004. - 305 p. — ISBN 0-520-24683-7 .
7. ↑ George A. Greene. Transferencia de calor en la seguridad de los reactores nucleares . - San Diego: Prensa Académica , 1997. - 357 p. — ISBN 0-12-020029-5 .
8. ↑ Jan Beyea, Frank Von Hippel. Contención de la fusión de un reactor  // Boletín de los científicos atómicos  . - 1982. - vol. 38 , núm. 7 . - Pág. 52-59 . — ISSN 0096-3402 .
9. ↑ Saito T., Yamashita J., Ishiwatari Y., Oka. Y. Avances en tecnologías de reactores de agua ligera . — Nueva York, Dordrecht, Heidelberg, Londres: Springer , 2011. — 295 p. - ISBN 978-1-4419-7100-5 .
10. ↑ Keller V.D. Recombinadores de hidrógeno catalíticos pasivos para plantas de energía nuclear  // Ingeniería de energía térmica . - M. : MAIK "Nauka/Interperiodika" , 2007. - Nº 3 . - S. 65-68 . — ISSN 0040-3636 .