¿Por qué lleva tanto tiempo reiniciar una central nuclear?

He escuchado un par de veces que una planta de energía nuclear en funcionamiento que se cerró (no es de emergencia; por ejemplo, para un control regular) necesita más de 24 horas (¿hasta 72 horas?) Para volver a funcionar.

¿Por qué lleva tanto tiempo?

Cuando un reactor está apagado el núcleo produce mucho menos calor, pero no todavía producen calor a través de un mecanismo conocido como decaimiento de calor . El hecho de que el núcleo esté produciendo menos calor significa que la temperatura del refrigerante va a caer, pero el grado de caída de esa temperatura depende de la tasa de generación de calor de descomposición. Esto a su vez se basa en el historial operativo, o la potencia a la que la planta estaba funcionando antes del cierre. Esto puede ser grande para las plantas comerciales, ya que generalmente operan a una capacidad cercana o muy cercana y las compañías eléctricas suben y bajan las plantas de carbón o gas natural para modular la capacidad de la red. El calor de decaimiento después de un día es aproximadamente el medio por ciento del historial de energía, lo que, para una planta de 500 MW que funciona a su capacidad, significa que el calor de decaimiento podría ser de 2.5 MW.

Entonces, si hay un apagado breve, la tasa de generación de calor de descomposición es tan alta que la planta primaria se mantiene caliente y, por lo tanto, normalmente pueden comenzar bastante "rápidamente". Digo "rápidamente" porque, aunque el primario (lado radiactivo) de la planta aún puede estar caliente, la planta de vapor secundaria probablemente se haya enfriado. Para las nuevas empresas de plantas secundarias, una de las grandes preocupaciones es la formación de humedad en las tuberías. Esto sucede cuando el vapor toca la tubería (relativamente) fría. La humedad en la planta de vapor puede causar todo tipo de cosas terribles, pero principalmente el daño proviene del golpe de ariete en las tuberías y el impacto de la humedad de las palas de la turbina.

Para que conste: sé esto porque era un arma nuclear de la Marina. En mi período en la Marina, lo más aterrador que presencié en el barco fue una tubería de vapor, tal vez 18 pulgadas de diámetro, literalmente saltando 2-3 pulgadas con cada golpe de martillo de agua, sabiendo que si la tubería fallaba, todos en el Engineroom probablemente se cocinaría vivo. Tenga en cuenta que, en el video vinculado anteriormente, es probable que el vapor esté a la presión atmosférica o justo por encima de ella y con un flujo muy bajo, y todavía suena como si alguien golpeara ese radiador con un martillo. Esa tubería tiene probablemente una pulgada o menos de diámetro.

El condensado que se forma cuando el vapor toca la tubería se "arrastra" en el flujo de vapor a través de la tubería. El vapor empuja este tapón de agua a una velocidad muy alta, como un martillo (por lo tanto, "martillo de agua"), rompiendo las palas de la turbina y dañando las tuberías y especialmente las juntas de las tuberías.

Hay dispositivos llamados "trampas de humedad" o " trampas de vapor " que eliminan la humedad del sistema durante el funcionamiento normal, pero el volumen de condensado formado en el arranque de la planta fría es tanto que las trampas de humedad no pueden seguir el ritmo. Esto, combinado con el peligro que presenta el golpe de ariete y el impacto de la humedad en la turbina, significa que el vapor ingresa a la planta de vapor muy, muy, muy lentamente. Los operadores de la planta tienen que ir periódicamente a trampas de vapor operadas manualmente para " soplar " el condensado. (Nota: la planta de vapor en ese video es horrible y no trabajaría allí, pero el gruñido que hace cuando el condensado se limpia y el vapor comienza a salir es exactamente como recuerdo que suena)

Para resumir ahora: el arranque "rápido" (24 horas) generalmente está limitado por la generación de humedad en la planta de vapor secundaria, causada por el vapor que entra en contacto con tuberías frías.

El inicio de la planta primaria tiene el potencial de tomar mucho, mucho más tiempo. La mayoría de los reactores (¿todos?) En los EE. UU. Son reactores de agua a presión . Esto significa que, a pesar de estar a 2-3 veces (¡o más!) La temperatura a la que normalmente hierve el agua, hay suficiente presión en la planta primaria para mantener el agua en su forma líquida. Esto es mucha presión, y la tubería en la planta primaria tiene paredes muy gruesas para soportar esa presión.

Las paredes gruesas significan que existe la posibilidad de que el interior de la tubería esté "caliente" mientras que el exterior de la tubería está "frío". Estos son términos relativos; Todo esta caliente.

Calentar la planta primaria es un problema de huevo y gallina. La principal preocupación aquí es garantizar que nunca se forme vapor en el reactor. El vapor es en realidad un aislante muy bueno, lo que significa que, si alguna vez se hizo forma en el reactor, de repente no habría nada para enfriar el combustible, por lo que sería llegar muy caliente muy rápidamente (es decir: fundir).

Por lo tanto, debe mantener el sistema presurizado lo suficientemente alto como para que no se forme vapor en el reactor. PERO , si ejerciera tanta presión sobre la tubería mientras hacía frío, se fracturaría mediante un mecanismo llamado " fractura frágil ". Esta es una falla repentina y catastrófica que se puede evitar si la tubería se calienta hasta el punto de tener cierta ductilidad.

Por lo tanto, debe calentar la tubería, pero no puede calentarla tanto que hierva. Entonces lo calienta un poco, luego aumenta un poco la presión, luego calienta, presuriza, etc.

Típicamente hay pausas conocidas como "remojos", que le dan al metal en el tiempo de la tubería para igualar la temperatura. Esto evita que se acumulen tensiones internas porque el interior de la tubería está "caliente" y el exterior está "frío". Por lo general, las inmersiones toman una gran parte de la mayor parte del tiempo de inicio; generalmente son de 12 a 24 horas.

Entonces, se calienta hasta un punto de remojo, luego generalmente se presuriza a una presión intermedia, se calienta a otro punto de remojo, luego aumenta la presión a una presión intermedia más alta, luego se calienta y presuriza juntos. Todo esto se hace para permanecer por debajo de los límites de fractura conocidos como el "límite de prevención de fracturas frágiles", que de nuevo es para garantizar que la presión de temperatura a la que está sujeta la tubería sea tal que las tuberías no se caigan.

Entonces, una vez que haya calentado la planta primaria, puede comenzar a poner la planta secundaria en línea, por lo que generalmente son 2 días para la primaria y luego otro día para la secundaria: esta es la puesta en marcha de 72 horas.

Como se mencionó, el calor de descomposición mantiene la planta primaria caliente durante mucho tiempo (hasta un mes), por lo que, a menos que tenga una interrupción prolongada, generalmente puede comenzar bastante "rápido", donde nuevamente "rápido" es de aproximadamente 24 horas .

El xenón es el resultado de la reacción nuclear y un veneno de neutrones. Si no espera a que el xenón se descomponga, se comen demasiados neutrones y no puede volverse crítico. Siempre dicen "no hay suficientes barras para tirar". Si tiene un nuevo núcleo reactivo agradable, puede comenzar antes. Si el núcleo es viejo, tendrá que esperar mucho tiempo antes de que se descomponga suficiente xenón (y otros venenos).

La planta en la que solía trabajar costaba alrededor de un millón de dólares al día por una interrupción. Créeme, si pudieran comenzar antes, lo harían.

La respuesta realmente se reduce a dos factores: seguridad y pruebas. Voy a dar un resumen genérico de estas dos cosas a continuación, pero la respuesta real es bastante complicada.

El quid de la operación de la planta nuclear gira en torno a la seguridad nuclear. No estoy hablando de seguridad personal, que es competencia de la Administración de Seguridad y Salud Ocupacional (OSHA), aunque eso tiene algún factor. Además, esto es seguridad general para el público contra un evento radiológico. Las plantas nucleares están diseñadas de tal manera que el riesgo de tal evento se minimiza tanto como sea posible.

Cuando una planta se enciende, se somete a diferentes modos . Cada modo tiene su propio conjunto de criterios de prueba y aceptación que deben cumplirse antes de que la planta pueda elevarse aún más en el modo. Hay muchos sistemas, y estas cosas llevan tiempo. Los sistemas críticos para la seguridad nuclear especialmente tienen una gran cantidad de escrutinio.

Una planta nuclear solo estará completamente operativa una vez que todos los sistemas pasen sus pruebas y la planta sea segura de operar.

Son muchas las razones del tiempo que lleva arrancar o volver a funcionar a plena potencia en centrales nucleares comerciales. En los Estados Unidos hay dos tipos principales de plantas, Reactores de agua en ebullición (BWR) y Reactores de agua a presión (PWR). Las respuestas diferirán según el tipo de reactor e incluso qué versión del tipo. Una explicación común que no vi mencionada es que todas las plantas de energía nuclear comerciales evitan realizar cambios de energía térmica> 15% en cualquier período de 4 horas. Esto es para proteger la integridad del revestimiento de combustible. Trabajé en la industria comercial de la energía nuclear durante casi 20 años, y he estado fuera de ella durante más de 20 años, así que tal vez han mejorado el revestimiento de combustible y esto ya no es un problema, pero fue una restricción obligatoria en mi día.

Chuk casi lo consiguió hasta el final. Pero desde el punto de vista de responder la pregunta (ahora eso es lo que me dijeron), el código ASME B&PV restringe la velocidad de calentamiento a 30 grados centígrados por hora. Las plantas normales trabajan a unos 300 grados centígrados. Esto le dará una tasa mínima de calentamiento teórico de la planta. En segundo lugar, cuando se dispara una planta, se encuentra la primera causa del viaje y su rectificación. Para calentar el lado secundario, se requiere vapor para el cual hay calderas auxiliares que se inician. Por último, se restaura la química del agua de todas las plantas y esto lleva tiempo.