La industria de la energía nuclear sirve para suministrar calor y electricidad a los consumidores aprovechando la energía térmica generada por la fisión nuclear en un entorno controlado. La fisión nuclear es la ruptura del núcleo de un átomo en partes más pequeñas. Dentro de un reactor nuclear, esta reacción de fisión nuclear controlada produce una gran cantidad de energía térmica, que se utiliza para calentar el agua y convertirla en vapor, que a su vez mueve una turbina en un generador eléctrico y convierte la energía térmica en energía eléctrica. [1] La energía nuclear se considera una fuente vital de electricidad debido a la naturaleza eficiente de la producción de electricidad, y en 2010, representó aproximadamente el 14 % de la demanda mundial de electricidad. [2] La producción de energía por medios nucleares requiere sistemas de control que supervisen y ajusten muchos parámetros esenciales para el proceso. Algunos de estos sistemas de control necesitan la generación de calor eléctrico mediante calentadores de inmersión.
Figura 1 – Calentador de inmersión de brida fabricado por WATTCO™ [3]
Los calentadores de inmersión son un tipo de calentador eléctrico que se utiliza principalmente para líquidos. Como su nombre indica, este aparato de inmersión consta de elementos metálicos sumergidos dentro del líquido que calienta. Los elementos actúan como resistencias eléctricas, que convierten eficazmente la energía eléctrica en energía térmica que se disipa en el líquido circundante, calentándolo. La figura 1 muestra un tipo de calentador de inmersión fabricado por WATTCO™. Este calentador de bridas tiene numerosos elementos para aumentar la superficie de contacto con el fluido que se calienta y así aumentar la eficiencia. [4, 5] Normalmente hay un sensor dentro del líquido contenido que envía señales a una unidad de control donde se imputan los parámetros de temperatura para controlar el calentador de brida. Los calentadores de inmersión son los más utilizados en el ámbito industrial. Se utilizan habitualmente para controlar la presión dentro de un reactor de agua presurizada, un tipo común de reactor nuclear, que puede verse en la figura 2. En este tipo de reactor nuclear, se utiliza un refrigerante primario (agua a alta presión) para absorber el calor resultante de la reacción de fisión nuclear controlada. A continuación, el calor se transfiere al fluido de trabajo, que es el agua, mediante un intercambiador de calor. Debido al calor, el fluido de trabajo se convierte en vapor, que a su vez impulsa la turbina con el fin de crear energía eléctrica, que está lista para su uso comercial. En el diseño de este reactor, el refrigerante primario debe permanecer en estado líquido a una temperatura de 321 °C. [1] Para garantizar que no hierva, el bucle debe mantenerse a una alta presión de 2250 psi. [1] Para mantener y gestionar la presión global, se utiliza un recipiente externo conocido como presurizador conectado al bucle. Este es un tanque lleno de agua y vapor. Hay un calentador eléctrico de inmersión situado en el fondo del tanque, que puede ser un calentador de bridas. Normalmente, se necesita un calentador de 1800 kW de capacidad para una central nuclear que produce casi 3000 MWe de electricidad. [1] La presión del vapor controla la presión global del bucle, mientras que la presión del vapor se controla mediante la temperatura del presurizador. Cuando un sensor mide una caída de presión, el calentador eléctrico se enciende. Esto calienta el agua, convirtiéndola en vapor para aumentar la presión general dentro del bucle. Así, la presión es un parámetro controlado dentro del reactor de agua presurizada que se supervisa con un calentador eléctrico. En caso de que la presión aumente más de lo necesario, se descarga un chorro de agua fría en el presurizador para reducir la temperatura, con lo que disminuye la cantidad de vapor y se reduce la presión. [1, 6, 7]
Figura 2 – Esquema de un reactor de agua presurizada con 4 generadores de vapor[6]
Un calentador de inmersión es un tipo de calentador eléctrico ideal para su aplicación en el interior del presurizador debido a su eficacia y versatilidad en cuanto a tamaño y diseño, así como a la sencillez de su fabricación. WATTCO™ puede proporcionar un diseño personalizado de calentadores de inmersión para adaptarse a la aplicación particular. Parámetros como la forma y el tamaño de los elementos, la potencia, los sistemas de control y los materiales suelen diseñarse a la medida de las necesidades del comprador. El mantenimiento de los elementos calefactores del presurizador es relativamente sencillo y, por lo tanto, aumenta la vida útil del presurizador, lo que incrementa el atractivo económico de utilizar un calentador de inmersión dentro de un presurizador. [8] De hecho, a través de un simple corte y soldadura, los elementos defectuosos solitarios en un calentador de bridas pueden ser reemplazados, en lugar de reemplazar todo el calentador de inmersión. Además, debido a la facilidad de mantenimiento del calentador de inmersión, la vida útil de un presurizador aumenta, lo que reduce la exposición a la radiación de los trabajadores de mantenimiento durante la sustitución del presurizador. El acero inoxidable es el material más adecuado para fabricar los elementos de los calentadores de inmersión utilizados en los presurizadores. Se trata de una aleación metálica de alta calidad, resistente a la corrosión química en un entorno acuoso y con una buena resistencia a las altas temperaturas. De hecho, se utiliza en gran parte de las tuberías del reactor nuclear. [9] Muchas aleaciones de acero muestran cambios insignificantes en la dureza y la resistencia en respuesta a la irradiación nuclear, que pueden dañar significativamente otros materiales. [10] Además, WATTCO™ puede entregar varias composiciones de aleación, como Incoloy® e Inconel®, que presentan vainas de paredes pesadas, útiles en aplicaciones de gran potencia, como el calentamiento del presurizador en una central nuclear. Los calentadores eléctricos de inmersión son muy adecuados para ser utilizados en el presurizador de los reactores nucleares de agua presurizada debido a su impresionante eficacia, versatilidad en el diseño y sencillez en las técnicas de fabricación y mantenimiento. Debido a consideraciones de diseño, principalmente la alta temperatura, la presión y la presencia de una irradiación nuclear constante, el acero inoxidable es el material óptimo para los elementos de los calentadores de inmersión. Para más información sobre los calentadores de inmersión, los parámetros de diseño o para obtener un presupuesto, póngase en contacto con los asesores técnicos de WATTCO™.
Hausner, Henry Herman, y Stanley B. Roboff. Materials for Nuclear Power Reactors,. Nueva York: Reinhold, 1955. Impreso.
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