Thread by @jjnucleares

¡Buenas tardes cafeteros! En vista de la buena acogida que tuvo el hilo introductorio sobre combustibles resistentes a accidentes (#ATF), volvemos a la carga con una nueva entrega. En esta ocasión, nos centraremos en los llamados diseños evolutivos. ¡Seguimos!⚛️

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#RECAP🚨 Cerramos el hilo anterior clasificando los combustibles ATF en evolutivos o innovadores según su nivel de madurez tecnológica. Los diseños evolutivos se basan en el uso de materiales ampliamente caracterizados, tanto a nivel de pastilla como de vaina

Estos diseños incluyen:
🟢Vainas de Zircaloy recubiertas de cromo (Cr)
🟠Vainas de hierro-cromo-aluminio (FeCrAl)
🔵Pastillas de UO2 dopadas con Cr2O3

Pero, ¿qué ventajas e inconvenientes ofrecen respecto al combustible convencional?

El accidente de #Fukushima puso de manifiesto que, en condiciones de accidente, la elevada tasa de oxidación de la vaina de Zircaloy podía tener graves consecuencias para la seguridad del reactor⚠️

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Dicho esto, el objetivo de los nuevos diseños de vaina está claro: mejorar el comportamiento del Zircaloy en condiciones de accidente mediante una tasa de oxidación menor. De ese modo, obtenemos los siguientes beneficios (también en condiciones normales)...

1⃣Menor resistencia térmica entre la vaina y el refrigerante. La capa de óxido (ZrO2) que se forma en la superficie exterior de la vaina es mucho más fina, lo que facilita la evacuación del calor🌡️

2⃣Menor producción de hidrógeno (Reminder: ¡ALTAMENTE inflamable!🔥)

¿Cómo logramos una tasa de oxidación menor sin introducir grandes cambios en las vainas actuales? (⚠️Recordad que nos interesa mantener sus excelentes propiedades en condiciones normales). Respuesta simple: Recubriéndola de un material que no oxide➡️¡Cromo!

Las vainas de Zircaloy recubiertas de cromo se comportan de forma muy similar a las vainas actuales. El recubrimiento es tan fino (20 micras - el equivalente a 1/4 del grosor de un cabello ‼️) que prácticamente no introduce ningún cambio a nivel termo-mecánico o neutrónico

En cambio, reduce significativamente la tasa de oxidación de la vaina en contacto con agua (condiciones normales) o vapor a alta temperatura (condiciones de accidente) y, por tanto, la producción de hidrógeno. Resultado: un combustible más seguro

Existe otra forma de lograr una menor tasa de oxidación ‘sin pasarse’ de innovador. Esta consiste en sustituir el Zircaloy por una aleación de hierro SIMILAR a las que se utilizaron como material de vaina entre los años 1960 y 1980: el hierro-cromo-aluminio (FeCrAl)

Las aleaciones de hierro fueron ampliamente caracterizadas en el pasado gracias a la experiencia operativa, de ahí que las vainas de FeCrAl en desarrollo actualmente se clasifiquen como diseños evolutivos. ¿Sus principales ventajas frente al Zircaloy?🤔Sorbito al café y seguimos

1⃣Mayor resistencia a la corrosión tanto en condiciones normales como de accidente. Su tasa de oxidación en contacto con vapor a alta temperatura es 1000 veces menor!

2⃣Mejores propiedades mecánicas. Es capaz de soportar mayores fuerzas sin deformarse de forma permanente

Pero no todo lo que reluce es oro… Las vainas de FeCrAl presentan un inconveniente importante: su probabilidad de absorber un neutrón es hasta 12 veces más alta que en el caso del Zircaloy. Esto tiene un impacto negativo en la economía neutrónica del reactor

Pero este problema tiene (más de una) solución. Por ejemplo, una forma de compensar la absorción extra de neutrones consiste en reducir el grosor de la vaina➡️menos cantidad de material absorbente. Se nos ocurren por lo menos 3 soluciones más ¿Te atreves a sugerir alguna?😉

Vamos con el último diseño ATF evolutivo: las pastillas de UO2 dopadas con Cr2O3. Desde principios de los años 1990, estas han sido desarrolladas con el doble objetivo de:

1⃣Mejorar la retención de gases de fisión
2⃣Lograr una mayor resistencia a la interacción con la vaina

¿Cómo que interacción con la vaina?🤨Durante la irradiación del combustible en el reactor, tanto la pastilla como la vaina sufren cambios dimensionales. En el caso de la pastilla, provienen principalmente de la acumulación de productos de fisión en su interior – hinchamiento

La pastilla se hincha hasta el punto que golpea la pared interior de la vaina, empujándola hacia fuera. Dicho esto, las pastillas dopadas con Cr2O3 son capaces de acomodar mejor el golpe, lo que se traduce en una tensión pastilla-vaina menor📉

Actualmente, Westinghouse (EEUU) (en colaboración con la empresa española @enusa_sa) y Framatome (Francia) son los principales proveedores de combustible nuclear trabajando en el desarrollo de vainas de Zircaloy con recubrimiento de cromo y pastillas de UO2 dopadas con Cr2O3

Por otro lado, Global Nuclear Fuel (General Electric🇺🇸 + Hitachi 🇯🇵), otro importante proveedor de combustible nuclear, se centra en el desarrollo de las vainas de FeCrAl

Querido cafetero, lo has conseguido👏. Despedimos este hilo, pero no sin antes darte las gracias por haber llegado hasta aquí. Estaremos encantados de responder a cualquier pregunta que te ronde la mente. Volvemos pronto con la siguiente entrega: Combustibles ATF innovadores