¿Qué son las bombas de refrigerante del reactor?
Las bombas de refrigerante del reactor se instalan dentro de las plantas de energía nuclear. El propósito de una bomba de refrigerante del reactor (RCP) es proporcionar un flujo forzado de refrigerante primario para eliminar el calor (energía térmica) generado por el núcleo del reactor durante el proceso de fisión. Incluso sin una bomba, habría un flujo de circulación natural a través del reactor debido a la variación en la temperatura, y consecuentemente la densidad, del refrigerante primario. Sin embargo, este flujo no es suficiente para eliminar el calor generado cuando el reactor está en funcionamiento. El flujo de circulación natural es suficiente para la eliminación de calor cuando la planta está apagada, o cuando solo está presente el calor de desintegración.
Las RCPs son impulsadas por grandes motores eléctricos refrigerados por aire, diseñados para operación continua. El motor está conectado a un impulsor centrífugo de flujo mixto a través de una serie de ejes instalados en serie (discutido más adelante en este artículo).
Es importante saber - una 'bomba de refrigerante del reactor' también se llama a veces 'bomba de enfriamiento del reactor', aunque esta es una definición incorrecta.
Ejemplo de Circulación Forzada y Natural (de una caldera de tubos de agua)
El refrigerante del reactor (refrigerante primario) entra en el lado de succión de la bomba desde la salida del generador de vapor. El agua aumenta su velocidad por el impulsor de la bomba. Este aumento de velocidad se convierte en presión en la voluta de descarga. Una planta de energía de reactor de agua presurizada (PWR) típica operará con el circuito de refrigerante primario a aproximadamente 155 bar (2248 psi).
Después de que el refrigerante sale del lado de descarga de la bomba, entrará en la entrada del recipiente del reactor a través de la tubería de 'pierna fría'. El refrigerante primario fluirá a través de los conjuntos de combustible del reactor para recoger calor; luego se envía de regreso a los generadores de vapor a través de la tubería de 'pierna caliente'. Una planta de energía de reactor de agua presurizada (PWR) típica operará con una temperatura de pierna fría de aproximadamente 290°C (554°F) y una temperatura de pierna caliente de aproximadamente 320°C (608°F).
Es importante saber - una 'pierna fría' es una tubería que conecta una RCP a un reactor. Una 'pierna caliente' conecta un reactor a un generador de vapor. Una 'pierna de transferencia', o 'tubería de transferencia', conecta un generador de vapor a una RCP. Las piernas frías y calientes se nombran debido a la temperatura del refrigerante primario dentro de cada pierna.
Partes de la Planta de Energía PWR
Diseño de la Bomba de Refrigerante del Reactor
Los motores de las RCP son del tipo jaula de ardilla (motor de inducción) y generalmente operan a aproximadamente 6kV o 13kV, dependiendo del voltaje de suministro. La velocidad de rotación (rpm) de una RCP está dictada por la frecuencia de suministro del motor, que es de 50Hz o 60Hz dependiendo de la ubicación geográfica. Una RCP típica puede rotar a aproximadamente 1,200 - 1,500 rpm y pesar más de 100 toneladas.
Una RCP típica de reactor de agua presurizada operará a una presión de aproximadamente 155 bar (2248 psi) y a un rango de temperatura entre 290°C-320°C (554°F-608°F), pero estos factores están dictados en última instancia por el sistema de refrigerante del reactor.
La potencia de un motor RCP típicamente será de 6,000 a 10,000 bhp (4.5 MW a 7.5 MW). La gran cantidad de energía es necesaria para proporcionar el flujo necesario de refrigerante para la eliminación de calor; las RCP pueden lograr tasas de flujo de 25,000 m3/hr (11,000 galones por minuto).
¿Cuáles son las partes principales de una bomba de refrigerante del reactor?
El modelo 3D interactivo de saVRee representa una bomba centrífuga de flujo mixto, de una sola etapa, de una sola succión. Las partes principales de una RCP se indican a continuación.
Partes de la Bomba de Refrigerante del Reactor
Boquilla de Succión
El refrigerante primario se introduce en la bomba a través de esta boquilla; el refrigerante se introduce en la bomba desde la pierna de transferencia.
Boquilla de Descarga
El refrigerante primario se descarga de la bomba a través de esta boquilla; el refrigerante se descarga en la pierna fría.
Impulsor
El impulsor es un impulsor centrífugo de flujo mixto. El término 'flujo mixto' se refiere al flujo axial en la base del impulsor y al flujo radial hacia afuera desde el impulsor. Este tipo de impulsor se utiliza para tasas de flujo de medio a alto, y presiones de medio a alto; el diseño es similar al de una turbina Francis.
Eje
El eje transfiere el movimiento rotatorio creado por el motor eléctrico al impulsor; se mantiene alineado usando rodamientos. Debido a la longitud del eje, se divide en varias partes, el acoplamiento de media bomba, el acoplamiento de medio motor, y el acoplamiento espaciador; estas partes juntas se denominan coloquialmente como 'el eje de la bomba', aunque esto es técnicamente incorrecto ya que el eje está compuesto por más de una sola pieza.
Rodamiento Guía
Las cargas radiales ejercidas por la bomba durante la operación se transfieren a los rodamientos guía. Se utilizan rodamientos hidrostáticos autoalineables para mantener el eje alineado verticalmente. La presión de descarga del impulsor centrífugo actúa sobre una placa de balance de rodamiento, que asegura que el rodamiento -y el eje- estén alineados correctamente siempre que la bomba esté en funcionamiento.
Conjunto de Sellado
El conjunto de sellado de la bomba es generalmente el área de la bomba que requiere más intervenciones de mantenimiento porque forma un límite de presión dinámico. Es esencial que se mantenga un sello confiable entre el lado hidráulico de la bomba y el eje principal de transmisión. Si se compromete la integridad del sello, ocurrirá una fuga de refrigerante primario.
El sellado del eje se logra en la parte superior de la carcasa de la bomba utilizando un cartucho de sello removible que contiene tres sellos mecánicos instalados en serie. Los resortes del sello mecánico presionan las caras de carburo de titanio y grafito estacionario juntas y aseguran que las caras permanezcan alineadas. El camino de flujo tortuoso desde el sello inferior hasta el sello superior asegura poca fuga a través del conjunto de sellado del eje. Para asegurar que las partes del sello mecánico no fallen debido a altas temperaturas, se proporciona enfriamiento del sello. Debajo del conjunto de sellado, un impulsor auxiliar está acoplado al impulsor principal. El flujo de agua de sellado a través del enfriador de sellado es proporcionado por el impulsor auxiliar.
Es importante saber - los sellos de eje tienen varios diseños diferentes y el descrito anteriormente es solo uno de esos tipos.
Difusor
Después de que el líquido se descarga del impulsor, fluye a través de un difusor. La forma del difusor hace que la velocidad del líquido disminuya y su presión aumente (principio de Bernoulli); una carcasa de voluta realiza la misma función.
Motor Eléctrico
Un motor eléctrico se utiliza para rotar el impulsor. Los motores de las RCP son motores de inducción de jaula de ardilla de corriente alterna con un voltaje de operación típico de entre 6kV a 13.8 kV (dependiendo del diseño).
Acoplamiento Espaciador
El acoplamiento espaciador se instala entre el acoplamiento de media bomba y el acoplamiento de medio motor; se puede quitar para dar al personal un acceso más fácil al sello del eje y la barrera térmica.
Agua de Enfriamiento de Componentes (CCW)
El circuito de agua de enfriamiento de componentes (CCW) se alimenta a un intercambiador de calor integral y a la barrera térmica de la bomba. El CCW elimina el calor del interior de la bomba para evitar el sobrecalentamiento. Tanto el intercambiador de calor integral (agua del circuito primario enfriada / CCW), como el enfriador de CCW (CCW / circuito de agua de enfriamiento externo), utilizan intercambiadores de calor de carcasa y tubos.
Juntas Tóricas Metálicas
Las juntas tóricas y los sellos mecánicos se instalan en varios lugares dentro de la bomba para sellar/cerrar caminos de flujo no deseados. Se instalan dos juntas tóricas entre la carcasa de la bomba y la cubierta de la carcasa. Si la junta tórica interna falla, el agua de enfriamiento caliente fluirá a través de un camino de drenaje a un sump de contención. Los sensores de temperatura instalados en el camino de drenaje alertan al personal de cualquier flujo de fuga de refrigerante.
Volante
Un volante es una pieza pesada, en forma de disco, de metal, que suaviza las vibraciones. Lo hace almacenando energía rotacional y luego usando esta energía para resistir cambios en la velocidad de rotación de la máquina. La cantidad de energía almacenada en el volante es la raíz cuadrada de su velocidad de rotación. Un volante de RCP también asegura que la bomba continúe rotando incluso si el reactor se detiene, proporcionando así un enfriamiento adecuado del reactor incluso cuando no hay energía eléctrica disponible.
Intercambiador de Calor Externo
Un intercambiador de calor de carcasa y tubos externo transfiere calor del circuito de agua de enfriamiento de componentes (CCW) a un sumidero de calor e.g. torre de enfriamiento.
Acoplamiento de Medio Motor
La parte inferior del acoplamiento de medio motor se conecta al acoplamiento espaciador. El movimiento rotatorio del acoplamiento de medio motor se transfiere al acoplamiento espaciador.
Acoplamiento de Media Bomba
La parte superior del acoplamiento de media bomba se conecta al acoplamiento espaciador. El movimiento rotatorio del acoplamiento espaciador se transfiere al acoplamiento de media bomba.
Rodamiento Radial Superior y Rodamiento de Empuje
El rodamiento radial superior y el rodamiento de empuje están ubicados cerca de la parte superior del motor eléctrico. Los rodamientos radiales manejan cargas radiales (cargas que actúan perpendicularmente al eje de la bomba), mientras que los rodamientos de empuje manejan cargas axiales (cargas que actúan paralelamente al eje de la bomba).
Enfriador de Aire
El aire se enfría en un enfriador de aire antes de ser entregado al espacio entre la cubierta de la bomba y la carcasa del motor; el aire de enfriamiento elimina el calor residual.
Conducto de Aire
El aire de enfriamiento se transfiere a través de conductos de aire.
Rodamiento Radial Inferior
El rodamiento radial inferior se encarga de las cargas perpendiculares al eje del motor.
Impulsor Auxiliar
El impulsor auxiliar tiene dos propósitos principales: Proporciona presión al rodamiento de diario autoalineable y proporciona una pequeña cantidad de flujo a los sellos de la bomba; el flujo a los sellos de la bomba se extrae a través de la barrera térmica.
Tubo de Pie
Para proporcionar un medio para determinar fugas de sellado, se utiliza un sistema de recolección de sellos. Las fugas más allá del tercer sello mecánico se recogen en un tubo de pie que rodea el eje de la bomba. Las fugas en el tubo de pie se monitorean constantemente.
Buje de Restricción
El buje de restricción proporciona una restricción entre el fluido bombeado por el impulsor y el área del sello mecánico, de modo que el flujo se reduce o controla.
Recursos Adicionales
https://www.nuclear-power.net/reactor-coolant-pump
https://www.ksb.com/centrifugal-pump-lexicon/reactor-pump/191846