Recipiente a presión del reactor

En una central nuclear, el recipiente a presión del reactor (RPV, por sus siglas en inglés) es el recipiente que contiene el refrigerante del reactor nuclear , la cubierta del núcleo y el núcleo del reactor .

Los reactores RBMK de la era soviética rusa tienen cada conjunto de combustible encerrado en un  tubo individual de 8 cm de diámetro en lugar de tener un recipiente a presión. Si bien la mayoría de los reactores de potencia sí tienen un recipiente a presión, generalmente se clasifican según el tipo de refrigerante en lugar de según la configuración del recipiente utilizado para contenerlo. Las clasificaciones son:

• Reactor de agua ligera : incluye el reactor de agua a presión y el reactor de agua en ebullición . La mayoría de los reactores nucleares son de este tipo.
• Reactor moderado por grafito : incluye el reactor de Chernóbil ( RBMK ), que tiene una configuración de reactor muy inusual en comparación con la gran mayoría de las centrales nucleares civiles en Rusia y en todo el mundo.
• Reactor térmico refrigerado por gas: incluye el reactor avanzado refrigerado por gas , el reactor reproductor rápido refrigerado por gas y el reactor refrigerado por gas de alta temperatura . Un ejemplo de reactor refrigerado por gas es el Magnox británico .
• Reactor de agua pesada presurizada : utiliza agua pesada, o agua con una proporción superior a la normal del isótopo de hidrógeno deuterio , de alguna manera. Sin embargo, el D₂O ₍ agua pesada) es más caro y puede utilizarse como componente principal, pero no necesariamente como refrigerante en este caso. Un ejemplo de reactor de agua pesada es el reactor CANDU de Canadá .
• Reactor refrigerado por metal líquido : utiliza un metal líquido, como sodio o una aleación de plomo y bismuto , para enfriar el núcleo del reactor.
• Reactor de sales fundidas : se utilizan sales, generalmente fluoruros de metales alcalinos y alcalinotérreos, como refrigerante. Su funcionamiento es similar al de los reactores refrigerados por metal, con altas temperaturas y bajas presiones, lo que reduce la presión ejercida sobre el recipiente del reactor en comparación con los diseños refrigerados por agua o vapor.

De las principales clases de reactores con recipiente a presión, el reactor de agua a presión es único, ya que su recipiente sufre una importante irradiación de neutrones (denominada fluencia ) durante su funcionamiento, lo que puede provocar que se vuelva quebradizo con el tiempo. En particular, el recipiente a presión de mayor tamaño del reactor de agua en ebullición está mejor protegido del flujo de neutrones , por lo que, si bien su fabricación es más costosa debido a este mayor tamaño, presenta la ventaja de no requerir recocido para prolongar su vida útil.

El recocido de los recipientes de los reactores de agua a presión para prolongar su vida útil es una tecnología compleja que están desarrollando activamente tanto los proveedores de servicios nucleares ( AREVA ) como los operadores de reactores de agua a presión.

Todos los recipientes a presión de los reactores de agua a presión comparten algunas características, independientemente del diseño particular.

Cabeza del recipiente del reactor

Esta estructura está fijada a la parte superior del cuerpo del recipiente del reactor. Contiene orificios que permiten la conexión del mecanismo de accionamiento de las barras de control a las barras de control en el conjunto de combustible. La sonda de medición del nivel de refrigerante también ingresa al recipiente a través de la cabeza del recipiente del reactor.

El RPV desempeña un papel fundamental en la seguridad del reactor PWR y los materiales utilizados deben ser capaces de contener el núcleo del reactor a temperaturas y presiones elevadas. ^{[ 1 ] [ 2 ]} Los materiales utilizados en la carcasa cilíndrica de los recipientes han evolucionado con el tiempo, pero en general consisten en aceros ferríticos de baja aleación revestidos con 3–10  mm de acero inoxidable austenítico . El revestimiento de acero inoxidable se utiliza principalmente en lugares que entran en contacto con el refrigerante para minimizar la corrosión. ^{[ 2 ]} Hasta mediados de la década de 1960, se utilizó SA-302, Grado B, un acero de placa de molibdeno-manganeso, en el cuerpo del recipiente. ^{[ 2 ]} A medida que los diseños cambiantes requerían recipientes a presión más grandes, se requirió la adición de níquel a esta aleación en aproximadamente 0,4–0,7 % en peso para aumentar la resistencia a la fluencia. ^{[ 2 ]} Otras aleaciones de acero comunes incluyen SA-533 Grado B Clase 1 y SA-508 Clase 2. Ambos materiales tienen como elementos de aleación principales níquel, manganeso, molibdeno y silicio, pero este último también incluye 0,25-0,45 % en peso de cromo. ^{[ 2 ]} Todas las aleaciones enumeradas en la referencia también tienen >0,04 % en peso de azufre. ^{[ 2 ]} Los aceros ferríticos NiMoMn de baja aleación son atractivos para este propósito debido a su alta conductividad térmica y baja expansión térmica , propiedades que los hacen resistentes al choque térmico. ^{[ 3 ]} Sin embargo, al considerar las propiedades de estos aceros, se debe tener en cuenta la respuesta que tendrán al daño por radiación. Debido a las duras condiciones, el material de la carcasa del cilindro RPV suele ser el componente que limita la vida útil de un reactor nuclear. ^{[ 1 ]} Comprender los efectos que la radiación tiene sobre la microestructura además de las propiedades físicas y mecánicas permitirá a los científicos diseñar aleaciones más resistentes al daño por radiación.

En 2018, Rosatom anunció que había desarrollado una técnica de recocido térmico para recipientes a presión de reactores nucleares (RPV) que reduce el daño por radiación y prolonga su vida útil entre 15 y 30 años. Esta técnica se había demostrado en la unidad 1 de la central nuclear de Balakovo . ^{[ 4 ]}

Los entornos muy agresivos requieren enfoques de materiales novedosos para combatir la disminución de las propiedades mecánicas con el tiempo. Un método que los investigadores han intentado utilizar es la introducción de características para estabilizar los átomos desplazados. Esto se puede lograr añadiendo límites de grano, solutos de mayor tamaño o pequeños dispersantes de óxido para minimizar el movimiento de defectos. ^{[ 5 ] [ 6 ]} Al hacer esto, habría menos segregación de elementos inducida por la radiación, lo que a su vez conduciría a límites de grano más dúctiles y menos agrietamiento por corrosión bajo tensión intergranular. El bloqueo del movimiento de dislocaciones y defectos también ayudaría a aumentar la resistencia a la fluencia asistida por radiación. Se han reportado intentos de instituir óxidos de itrio para bloquear el movimiento de dislocaciones, pero se encontró que la implementación tecnológica planteó un desafío mayor de lo esperado. ^{[ 5 ]} Se requiere más investigación para continuar mejorando la resistencia al daño por radiación de los materiales estructurales utilizados en centrales nucleares.

Debido a los requisitos extremos necesarios para construir grandes recipientes de presión de reactores de última generación y al mercado limitado, a partir de enero de 2020 Solo hay un puñado de fabricantes en el mundo, entre ellos: ^{[ 9 ]}

• Las primeras industrias pesadas de China, ^{[ 10 ]} Grupo Erzhong, Harbin Electric y Shanghai Electric .
• Framatome de Francia ^{[ 11 ]} (ex Areva ) ^{[ 12 ]}
• La filial del conglomerado indio Larsen & Toubro, L&T Special Steels and Heavy Forgings Limited, en asociación con el Centro de Investigación Atómica Bhabha y NPCIL ^{[ 13 ] [ 9 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]}
• Japan Steel Works de Japón e IHI Corporation (en empresa conjunta con Toshiba , anteriormente) ^{[ 17 ] [ 18 ]}
• United Heavy Machinery de Rusia (OMZ-Izhora), ZiO-Podolsk y AEM-Atommash Volgodonsk .
• Grupo Doosan de Corea del Sur .
• Reino Unido: Rolls-Royce plc fabrica reactores para los submarinos de la Marina Real.

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• Construcción del VVER 1200 en YouTube