Desde el Laboratorio de Termohidráulica, ubicado en el Centro Atómico Bariloche (CAB), un equipo interdisciplinario de trabajo liderado por la Dra. Viviana Masson logró reproducir por primera vez en Iberoamérica el fenómeno denominado flujo crítico del calor (CHF, por sus siglas en inglés), en condiciones de relevancia para la operación de un reactor nuclear.

Este hito podría tener trascendencia tanto en las centrales nucleares, en sus códigos y su seguridad, como también en el diseño de sus elementos combustibles. Y el logro principal, poder realizar ensayos antes de la etapa de construcción de un reactor.

En este laboratorio, dependiente de la Gerencia de Ingeniería Nuclear de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA), funciona un circuito experimental con capacidades únicas en el mundo, donde se pueden realizar ensayos de CHF y de mezclado en elementos combustibles para la Central Nuclear Atucha II y el reactor CAREM (Central Argentina de Elementos Modulares), entre otros.

Son varios los desafíos que se han planteado allí vinculados al diseño, la construcción y la realización de pruebas en mecánica de fluidos y transferencia de calor. Pero, además, son estratégicas las líneas de trabajo trazadas en investigación y desarrollo, que se enmarcan en los proyectos prioritarios de la CNEA y el país.

Cabe destacar la asociación estratégica de CNEA con Nucleoeléctrica Argentina SA, operadora de las centrales nucleares, con la que se firmaron diversos contratos de asistencia tecnológica. Uno de ellos dará el marco para las mediciones de Flujo Crítico de Calor (CHF en inglés) que en el futuro permitirán realizar un cambio en un componente del núcleo de la Central Nuclear Atucha II.

¿Qué función tiene la termohidráulica?

Una central nuclear es una máquina térmica que transforma calor generado por fisión nuclear en energía mecánica y ésta en electricidad. Para estudiar los procesos de transferencia y transporte de calor se recurre a esta rama de la física. Su objetivo es el diseño y análisis operacional de los sistemas y especificación de los componentes en los que se producen dichos procesos.

Por otro lado, la termohidráulica define los parámetros que deben ser medidos para controlar los ensayos y garantizar la seguridad de las instalaciones. Esto se logra mediante circuitos hidráulicos compuestos por cañerías, bombas de circulación del fluido, válvulas, intercambiadores de calor, tanques y calefactores, por donde circula agua u otro fluido de refrigeración.

Además, ayuda a entender mejor los fenómenos que afectan a los componentes críticos como son los elementos combustibles, permitiendo retrasar el deterioro de la transferencia térmica y, sobre todo, dar soporte y apoyo a los proyectos prioritarios que se llevan adelante en la CNEA.

El doctor e investigador de la CNEA y el CONICET Christian Marcel, integrante del Departamento de Termohidráulica y profesor del Instituto Balseiro (IB), da cuenta del trabajo que llevan adelante: “Nosotros buscamos bajo qué condiciones de potencia, desde el punto de vista de presión, el caudal del refrigerante y de la temperatura del reactor, se alcanza esa degradación en la refrigeración. ¿Para qué? Para que nunca ocurra en el reactor real. Entonces, cuanta más información obtengamos sobre las condiciones en que sucede ese proceso, mejor diseño podemos hacer de ese elemento combustible que se está analizando”.

Sobre los ensayos en el laboratorio

Una central nuclear de potencia funciona produciendo vapor que mueve una turbina acoplada a un generador eléctrico. Cuanta mayor es la potencia generada, mayor será la facturación por la venta de este servicio básico.

El calor se genera dentro de los elementos combustibles (compuestos por vainas que alojan pastillas de dióxido de uranio), ubicados dentro del reactor nuclear, y el objetivo es su conversión en energía mecánica en la turbina, y su posterior transformación en energía eléctrica.

A diferencia de otras fuentes de energía, la nuclear puede producir una enorme cantidad de potencia en un volumen muy reducido. Para aumentarla, hay que considerar la capacidad para enfriar los componentes del núcleo, particularmente de los elementos combustibles, y de esta manera evitar que se fundan.

Lo que limita la refrigeración de estos elementos, y por lo tanto impide generar mayor electricidad, es el fenómeno de CHF, que ocurre de manera localizada y está relacionado con la dinámica del vapor en el interior de dichos componentes.

Estos estudios recaen principalmente en ensayos experimentales, los cuales deben realizarse con exhaustivos detalles para emular las rigurosas condiciones de operación existentes en el núcleo del reactor. Se realizan simulando la generación de potencia nuclear mediante calefactores eléctricos.

Contar con estas capacidades permite aumentar considerablemente el conocimiento de los procesos de refrigeración de un componente crítico de los reactores nucleares y así poder perfeccionar su diseño y su rendimiento.

Este nuevo hallazgo, es un aporte más para seguir actualizando y desarrollando nuevas tecnologías, como así también, mejorar los protocolos de seguridad que garanticen el normal funcionamiento de los reactores, para prevenir posibles contingencias.

“Todo ese conocimiento queda en el país y, además, contamos con una instalación que a futuro nos va a permitir mayores desafíos para realizar ese tipo de ensayos. Hemos podido alinear lo que es la tecnología y la ciencia y volcarla en mejorar un proceso productivo”, concluye Marcel.