Los reactores avanzados refuerzan las normas de seguridad nuclear

Imagina un gigante de acero enterrado en las profundidades del núcleo de una central nuclear, soportando una presión y radiación inimaginables mientras protege la búsqueda de la humanidad de energía limpia. Este es el recipiente de presión del reactor (RPV), la piedra angular de la seguridad de las centrales nucleares. Este artículo profundiza en este componente crítico, explorando su ingeniería excepcional, la rigurosa selección de materiales y las tecnologías de seguridad en evolución.

El recipiente de presión del reactor es un componente vital de las centrales nucleares, que actúa como una fortaleza robusta que encierra el refrigerante del reactor, el blindaje del núcleo y los conjuntos de combustible. A diferencia de los reactores RBMK de la era soviética, que colocaban cada conjunto de combustible en tuberías individuales de 8 cm de diámetro, la mayoría de las centrales nucleares modernas confían en los RPV para la seguridad. Si bien los reactores se clasifican típicamente por tipo de refrigerante en lugar de por configuración del recipiente, la presencia y el diseño del recipiente de presión impactan directamente en la seguridad y la eficiencia de una planta.

Las clasificaciones comunes de reactores incluyen:

• Reactores de agua ligera (LWR): El tipo más utilizado, incluidos los reactores de agua a presión (PWR) y los reactores de agua hirviendo (BWR).
• Reactores moderados por grafito: Ejemplificado por el reactor RBMK de Chernóbil, con diseños muy diferentes a los de la mayoría de las centrales nucleares civiles en todo el mundo.
• Reactores térmicos refrigerados por gas: Incluidos los reactores refrigerados por gas avanzados (AGR), los reactores reproductores rápidos refrigerados por gas y los reactores refrigerados por gas de alta temperatura. El reactor Magnox del Reino Unido es un ejemplo clásico.
• Reactores de agua pesada a presión (PHWR): Utilizando agua pesada (enriquecida con deuterio) como moderador o refrigerante. El reactor CANDU de Canadá es un PHWR prominente.
• Reactores refrigerados por metal líquido: Empleando metales fundidos como sodio o aleaciones de plomo-bismuto para la refrigeración.
• Reactores de sales fundidas (MSR): Utilizando sales fundidas a base de fluoruro como refrigerantes. Operando a altas temperaturas y bajas presiones, los MSR reducen la tensión en los recipientes del reactor.

Entre los principales tipos de reactores que utilizan recipientes de presión, los PWR enfrentan un desafío distintivo: la irradiación de neutrones (o fluencia de neutrones) durante la operación fragiliza gradualmente los materiales del recipiente. Por el contrario, los recipientes BWR, de mayor tamaño, proporcionan un mejor blindaje de neutrones. Si bien esto aumenta los costos de fabricación, elimina la necesidad de recocido para extender la vida útil.

Para prolongar la vida útil de los recipientes PWR, los proveedores de servicios nucleares como Framatome (anteriormente Areva) y los operadores están desarrollando tecnologías de recocido. Este proceso complejo y de alto valor tiene como objetivo restaurar las propiedades del material degradadas por la irradiación prolongada.

A pesar de las variaciones de diseño, todos los recipientes de presión PWR comparten características clave:

• Cuerpo del recipiente: El componente más grande, que alberga los conjuntos de combustible, el refrigerante y las estructuras de soporte. Típicamente cilíndrico con una abertura superior para la carga de combustible.
• Cabeza del recipiente: Sujeta a la parte superior, que contiene penetraciones para los accionamientos de las barras de control y las sondas de nivel de refrigerante.
• Conjuntos de combustible: Matrices en forma de rejilla de varillas que contienen mezclas de uranio o uranio-plutonio.
• Blindaje del núcleo: Una barrera cilíndrica que protege el recipiente de los neutrones rápidos, que causan fragilización.

Los materiales RPV deben soportar altas temperaturas y presiones, minimizando la corrosión. Las carcasas de los recipientes suelen utilizar acero ferrítico de baja aleación revestido con 3-10 mm de acero inoxidable austenítico (para áreas en contacto con el refrigerante). Los diseños en evolución han incorporado aleaciones enriquecidas con níquel como SA-302 B (acero Mo-Mn) y grados SA-533/SA-508 para una mayor resistencia a la fluencia. Estos aceros ferríticos Ni-Mo-Mn ofrecen una alta conductividad térmica y resistencia a los golpes, pero su respuesta a la radiación sigue siendo crítica.

En 2018, Rosatom desarrolló tecnología de recocido térmico para mitigar el daño por radiación, extendiendo la vida útil del recipiente en 15-30 años (demostrado en la Unidad 1 de Balakovo). Los entornos nucleares someten los materiales a un bombardeo implacable de partículas, desplazando átomos y creando defectos microestructurales. Estos defectos (vacíos, dislocaciones o cúmulos de solutos) se acumulan con el tiempo, endureciendo los materiales y reduciendo la ductilidad. Las impurezas de cobre (>0,1% en peso) exacerban la fragilización, lo que impulsa la demanda de aceros "más limpios".

La fluencia (deformación plástica bajo tensión sostenida) se intensifica a altas temperaturas debido a la migración más rápida de los defectos. La fluencia asistida por radiación surge de las interacciones entre la tensión y la microestructura, mientras que los iones de hidrógeno (de la radiólisis del refrigerante) inducen el agrietamiento por corrosión bajo tensión a través de tres mecanismos teóricos: reducción de la cohesión, presión interna o ampollas de metano.

Los nuevos enfoques tienen como objetivo estabilizar los átomos desplazados utilizando límites de grano, solutos sobredimensionados o dispersiones de óxido (por ejemplo, itria). Estos reducen la segregación de elementos, mejorando la ductilidad y la resistencia a las grietas. Se necesita más investigación para optimizar las aleaciones resistentes a la radiación.

A partir de 2020, los principales fabricantes de RPV incluyen:

• China: China First Heavy Industries, Erzhong, Harbin Electric, Shanghai Electric
• Francia: Framatome
• India: L&T Special Steels (con BARC/NPCIL)
• Japón: Japan Steel Works, IHI Corporation
• Rusia: OMZ-Izhora, ZiO-Podolsk, AEM-Atommash
• Corea del Sur: Doosan
• Reino Unido: Rolls-Royce (reactores navales)