Seguritat nuclear passiva

Seguritat nuclear passiva és una característica de seguritat d'un reactor nuclear que no requerix accions d'un operador o retroalimentación electrònica per a apagar en forma segura un reactor nuclear en el cas de que un tipo particular d'emergència (usualment sobrecalentamiento per resultat d'una pèrdua de refrigerante o un tall del fluix de refrigeració) ocórrega. Tal tipo de reactors tendixen a confiar més en l'ingeniera de components dissenyats de tal forma que el comportament pronosticat d'acort a les lleis conegudes de la física desacceleraran, més que accelerar, la reacció nuclear quan es done un incident del tipo mencionat anteriorment. Açò és en contrast d'alguns dissenys de reactor més antics, a on la tendència natural és cap a l'acceleració de la reacció nuclear com a resultat de l'increment de la temperatura, de tal forma que es requeria una retroalimentación electrònica o l'intervenció d'un operador per a previndre el dany al reactor.

Terminologia

Cridar a un reactor 'pasivamente segur' és més una descripció de l'estratègia usada per a mantindre un grau de seguritat, que una descripció del nivell de seguritat. Si un reactor que ampra sistemes de seguritat passiva es pot considerar segur o perillós dependrà dels criteris usats per a evaluar el nivell de seguritat. Dit açò, els disseny moderns de reactors s'han enfocat en incrementar la cantitat de seguritat passiva, i aixina la major part dels dissenys pasivamente segurs incorporen sistemes de seguritat tant actius com a passius, fent-los substancialment més segurs que les instalacions més antigues. D'estos dissenys es pot dir que són relativament segurs quan se'ls compara en els dissenys previs.

Els fabricants de reactors preferixen cridar als seus reactors de nova generació pasivamente segur pero este terme algunes voltes es confon en inherent segur en la percepció del públic. És molt important comprendre que no existixen reactors pasivamente segurs ni sistemes pasivamente segurs, solament existixen components de sistemes de seguritat pasivamente segurs. Els sistemes de seguritat són usats per a mantindre el control de la central si es desvia fòra de les condicions normals en el cas ocurrències operacionals anticipades o d'accidents, mentres que els sistemes de control són usats per a operar la central baix condicions normals. Algunes voltes un sistema combina abdós característiques. La seguritat passiva es referix a components de sistemes de seguritat, mentres que seguritat inherent es referix a processos dels sistemes de control no important la presència o absència de subsistema específics de seguritat.

Com un eixemple d'un sistema de seguritat en components de pasivamente segurs, considerem el contenimiento d'un reactor nuclear. Els components pasivamente segurs són les murallas de concret i el revestiment d'acer, pero per a que estos components puguen complir en la seua missió tenen que operar sistemes actius, per eixemple, vàlvulas que asseguren el tancament de les canonadas que duen cap a l'exterior del contenimiento, retroalimenten l'estat del reactor cap a instruments i controles exteriors, que poden requerir una font externa d'energia per a funcionar.

La Agència Internacional d'Energia Atòmica (IAEA) classifica el grau de seguritat passiva dels components usant una classificació que va de la lletra A a la D depenent en lo que no usa el sistema:

1. sense decorregut de treball mòvil
2. sense parts mecàniques mòvils
3. sense senyals d'entrada 'inteligents'
4. sense entrades o fonts d'energia externes

En la categoria A (1+2+3+4) es troba el revestiment del combustible que no usa cap d'estes característiques: sempre es troba tancat i manté el combustible i els productes de la fissió a l'interior i no és obert fins que aplega a la planta de reprocesamiento. En la categoria B (2+3+4) es troba la canonada emergent, que conecta la canonada calenta en el presurizador i ajuda a controlar la pressió en el cicle primari d'un reactor d'aigua a pressió i que usa un decorregut de treball mòvil quan realisa la seua missió. En la categoria C (3+4) es troba l'acumulador, que no necessita d'una senyal d'entrada 'inteligent' o d'una font d'energia externa. Una volta que la pressió en el circuit de pressió primària cau baix un nivell de disseny del resort de les vàlvules de l'acumulador, les vàlvules s'òbrin i s'injecta aigua en el circuit primari per mig de nitrogen comprimit. En la categoria D (només la característica 4) és el SCRAM que utilisa decorregut de treball mòvil, parts mecàniques mòvils i entrades de senyal 'inteligents' pero no fonts d'energia o força externes: les barres de control cauen per efecte de la gravetat una volta que elles són lliberades de la seua abrazadera magnètica. Pero l'ingenieria de seguritat nuclear és mai tan simple: una volta lliberada la vareta pot no complir en la seua missió, pot quedar atollada per un terremot o a que les estructures del núcleu estiguen deformades. Açò mostra que lo que es pensava com un sistema pasivamente segur i que ha segut apropiadament accionado, pugues no complir en la seua missió. Els ingeniers nuclears han pres açò en conte: normalment només una part de les varetes són necessàries per a apagar al reactor. Mostres de sistemes de seguritat en components de seguritat passiva poden ser trobats en casi totes les centrals nuclears: el contenimiento, els hidro-acumuladors en els reactors d'aigua a pressió o els sistemes de supressió de pressió en els reactors d'aigua en ebullició.

En la major part dels texts sobre components pasivamente segurs en els reactors de la següent generació, el tema clau és que no es necessiten bombes per a complir en la missió d'un sistema de seguritat i que tots els components actius (generalment instruments, controls i vàlvules) dels sistemes funcionen en l'energia elèctrica de bateries.

La IAEA usa explícitament la següent advertència:

... la passivitat no és sinònim en confiabilidad o disponibilitat, inclús menys en la suficiència assegurada de la característica de seguritat, encara que varis factors potencialment adversos per a l'eixercite poden ser més fàcilment contrarrestats a través d'un disseny passiu (percepció del públic). Per una atra part dissenys actius que ampren variables de control permeten un compliment més precís de les funcions de seguritat; açò pot ser particularment desijable baix condicions d'administració de l'accident.

Les propietats de resposta del reactor nuclear tals com el coeficient de temperatura de la reactivitat i el coeficient de buit de la reactivitat usualment es referixen respectivament a la resposta termodinàmica i la de canvi de fase del procés de la transferència de calor del moderador de neutrons. Es diu dels reactors el procés dels quals de transferència de calor tenen la propietat operacional en un coeficient de buit de reactivitat negatiu que posseïxen un procés caracterisat per seguritat inherent. Un modo operacional de falla podria potencialment alterar el procés per a convertir tals reactors en insegurs.

Els reactors podrien ser equipats en un component de sistema de seguritat hidràulic per a que incremente la pressió del fluix d'entrada del refrigerante (especialment l'aigua) en resposta a un increment de la pressió d'eixida del moderador i del refrigerante sense l'intervenció del sistema de control. Tals reactors serien descrits com equipats en un component de seguritat passiva que podria - si es dissenya d'eixa forma - colocar al reactor en un coeficient de buit negatiu de la reactivitat, sense importar la propietat operacional del reactor en que estiga instalat. La característica solament treballaria si respon més ràpit que un emergent buit (vapor) i si els components del reactor podrien sostindre l'increment de la pressió del refrigerante. Un reactor equipat en abdós sistemes de seguritat - si estan dissenyats per a interactuar en forma constructiva - és un eixemple d'una trava de seguritat. Modos de fallo operacional més rars podrien convertir a tals característiques de seguritat en inútils i ser restades de la seguritat relativa total del reactor.

Eixemples de seguritat passiva en operació

Els sistemes de seguritat tradicionals per a reactors són actius en el sentit de que ells requerixen operació elèctrica o mecànica dels sistemes de comando (per eixemple, bombes d'aigua d'alta pressió). Pero alguns sistemes de reactors ideats operen enterament en forma passiva, per eixemple, usant vàlvules de consol de pressió per a manejar la sobrepresión. Pero encara es requerixen de sistemes redundantes paralels. La seguritat inherent i passiva combinada depén solament dels fenomens físics tals com els diferencials de pressió, convecció, gravetat o la resposta natural dels materials a les altes temperatures per a desaccelerar o apagar la reacció, no en el funcionament de components dissenyats tals com a bombes d'aigua d'alta pressió.

Els actuals reactors d'aigua presurizada i reactors d'aigua en ebullició són sistemes que han segut dissenyats en una classe de característica de seguritat passiva. En el cas d'una condició de potència excessiva, quan l'aigua en el núcleu del reactor nuclear hervir, es formen bojaques de vapor. Estos buits de vapor moderen menys neutrons, causant que el nivell de potència a l'interior del reactor disminuïxca. Els experiments BORAX i l'accident de fusió de núcleu SL-1 varen provar este principi.

Un disseny de reactor els processos del qual són inherentemente segurs proporciona un component de seguritat passiu durant una condició de falla específica en tots els modos operacionals usualment és descrit com relativament a prova de fallos per a eixa condició de falla específica. No obstant la major part dels actuals reactors refrigerats i moderats per aigua, quan són parats d'emergència, no poden remoure el calor per desintegració i la producció residual de calor sense abdós processos de transferència de calor o sense el sistema de refrigeració actiu. En atres paraules, mentres que el procés inherentemente segur proporciona un component de seguritat passiva prevenint la calor excessiva durant el modo operacional "Encés", el mateix procés de transferència de calor inherentemente segur no proporciona un component de seguritat passiva en el modo operacional de Apagat (SCRAM). l'accident de Three Mile Island va expondre esta deficiència de disseny: el reactor i el generador de vapor estaven Apagats pero en la pèrdua del refrigerante encara va sofrir una fusió de núcleu parcial.

Vore també: Comportament del combustible nuclear durant un accident del reactor

Els dissenys de tercera generació milloren els dissenys anteriors en incorporar característiques de seguritat passiva o inherent que no requerixen controls actius o intervenció operacional (humana) per a evitar els accidents en el cas d'un malfuncionamiento, i poden descansar en diferencials de pressió, gravetat, convecció natural o la resposta natural dels materials en ser somesos a altes temperatures.

En alguns dissenys el núcleu d'un reactor reproductor ràpit està sumergit en una piscina de metal líquit. Si el reactor es sobrecalienta, l'expansió termal del combustible metàlic i el revestiment causen que més neutrons escapen del núcleu, i la reacció en cadena nuclear ya no es pot més. La gran massa de metal líquit també actua com un disipador de calor capaç d'absorbir la calor per desintegració del núcleu, inclús si el sistema de refrigeració normal fallara.

El reactor modular de llit de boles és un eixemple d'un reactor que exhibix un procés inherentemente segur i que també és capaç de proporcionar un component de seguritat passiva per a tots els modos operacionals. A mida que la temperatura del combustible s'eleva, l'increment del eixamplada Doppler eleva la provabilitat de que els neutrons siguen capturats pels àtoms d'U-238. Açò reduïx les possibilitats de que els neutrons siguen capturats pels àtoms d'U-235 i aixina inicien una fissió, d'eixa forma es reduïx la potència d'eixida del reactor i coloca un llímit superior inherent a la temperatura que pot alcançar el combustible. La geometria i el disseny de les boles de combustible proporcionen un important component de seguritat passiva.

Els reactors de sals foses de fluorur d'un únic decorregut es caracterisen per radioisòtops fisibles, fèrtils i actínits en enllaços moleculars en el refrigerante de fluorur. Els enllaços moleculars proporcionen una característica de seguritat passiva ya que l'event de pèrdua de refrigerante correspon a un event de pèrdua de combustible. El combustible de fluorur fos no pot alcançar per sí mateixa la criticidad ya que només la pot alcançar per mig de l'adició d'un reflector de neutrons tal com el grafit pirolítico. La densitat més alta del combustible junt en la densitat més baixa adicional del refrigerante de fluorur FLiBe sense el combustible proporciona una capa de flotació que és un component de seguritat passiva en el que el grafit de densitat més baixa que es fragmenta des de les varetes de control o una matriu d'immersió durant una falla mecànica no induïxen criticidad. El drenage per gravetat dels líquits del reactor proporciona un component de seguritat passiva.

Alguns reactors, tals com les variants de metal líquit i de sales foses, usen com combustible el tori-232 que és més abundant en la naturalea que els isòtops d'urani i no requerix d'enriquiment. La dificultat de l'enriquiment en el cicle del combustible de l'urani proporciona un component de seguritat passiva contra la proliferació nuclear. La captura de neutrons del tori-232 reproduïx tant l'urani-233 fisible i cantitats de traça d'urani-232 per efecte de derribe de neutrons. La secció travessera neutrónica i els productes de la desintegració de l'Urani-232 compliquen els dissenys i danyen als components electrònics si s'usen per a construir un arma nuclear, encara que l'Operació Teapot va demostrar la seua plausibilidad. Actualment es creu que no és possible la aislación del Urani-233 a partir de l'Urani-232, proporcionant un component de seguritat passiva parcial contra la proliferació nuclear.

Els reactors del tipo piscina de baixa potència tals com el SLOWPOKE i el TRIGA han segut llicenciats per a una operació desatesa en ambients d'investigació degut a que en la mida que la temperatura del combustible d'hidrur d'aleació en urani de baix enriquiment (19,75% de U-235) s'eleva, l'enllaç molecular de l'hidrogen en el combustible provoca que la calor siga transferida als neutrons de la fissió que són eyectados. Esta deriva Doppler o enduriment de l'espectre dissipa la calor del combustible més ràpidament a través de la piscina, que l'increment més ràpit de la temperatura del combustible assegurant d'esta forma el ràpit refredat d'est, mentres que es manté una temperatura de l'aigua molt més baixa que la del combustible. La transferència de calor neutró-hidrogen estimulada, autodispersante, d'alta eficiència molt més que la ineficiente transferència de calor radioisòtop-aigua assegura que el combustible no es pot fondre solament per un accident. En les variants d'hidrur d'aleacions d'urani-zirconio, el combustible en sí mateixa és també resistent a la corrosió química assegurant un eixercite de seguritat sostenible de les molècules de combustible durant el seu cicle de vida. La gran cantitat d'aigua i el concret que els rodegen proporcionats per la piscina en que es troben els neutrons d'alta energia i que deuen penetrar, asseguren que el procés té un alt grau de seguritat intrínseca. El núcleu és visible a través de la piscina i les mides de verificació poden ser realisades directament en els elements de combustible del núcleu facilitant la vigilància total i proporcionant seguritat contra la proliferació nuclear. Tant les molècules de combustible en sí mateixes i l'expansió oberta de la piscina són components de seguritat passiva. Les implementacions de calitat d'estos dissenys són provablement els reactors nuclears més segurs.