Los accidentes de Three Mile Island 2 (EEUU) y Fukushima Dai-ichi (Japón) han demostrado la posibilidad de que se produzcan combustiones de hidrógeno en la contención y en otros edificios de las centrales nucleares durante accidentes con fusión de núcleo. Para determinar el riesgo de estos accidentes es necesario conocer con precisión la distribución de los gases que se liberan durante el accidente. Adicionalmente, en el accidente de Fukushima Dai-ichi se produjeron incrementos de la presión del pozo seco por encima de lo esperado, apuntando a la posibilidad de fenomenologías de estratificación térmica del agua en las piscinas de supresión. La participación del CSN en los proyectos de investigación OECD/NEA-HYMERES fase 1 y 2 ha permitido acceder a los últimos resultados experimentales de distribución de gases en la atmosfera de contención en estas condiciones, así como los fenómenos de estratificación en piscinas. Además, la colaboración con entidades españolas de investigación como el Ciemat y la ETSII-UPM, a través de convenios específicos con el CSN, ha significado un valor añadido en cuanto a las simulaciones realizadas de la fenomenología de los experimentos con códigos del estado del arte, su aportación en la definición de los experimentos y su participación en las reuniones.

Texto: Juan Manuel Martín-Valdepeñas Yagüe | CSN

Las centrales nucleares se diseñaron para soportar los accidentes postulados máximos previsibles que pudieran ocurrir durante la vida operativa de una central nuclear, estos accidentes se denominan Accidentes Base de Diseño.

Sin embargo, el accidente de la unidad 2 de la central nuclear de Three Mile Island ocurrido en EE.UU. en 1979 y el accidente de las unidades 1, 2 y 3 de la central nuclear de Fukushima DaiIchi en 2011 en Japón, han demostrado que era posible que se produjeran accidentes que fueran más allá de la Base de Diseño. En este tipo de accidentes, denominados “accidentes severos”, se puede producir la fusión del núcleo y verse amenazada la integridad de la contención.

En los accidentes severos se postula la pérdida de la capacidad de refrigeración del reactor, lo que provoca un aumento de la temperatura del núcleo que ocasionará un daño en los elementos combustibles que podría llegar a causar su fusión. Durante este proceso el material metálico de las varillas, principalmente el circonio, reaccionan con el vapor de agua generando hidrógeno. Además, en caso de que el accidente progrese hacia la fusión del núcleo éste podría provocar la rotura de la vasija y el núcleo fundido podría caer a la cavidad del reactor e interaccionar con el hormigón, generando más hidrógeno y, adicionalmente, monóxido de carbono (CO).

Estos gases son combustibles y se distribuyen en la atmósfera de la contención de forma no uniforme, mezclándose con otros gases presentes o generados durante el accidente (aire, vapor de agua, dióxido de carbono, etc.). En los accidentes anteriormente mencionados se produjeron explosiones de hidrógeno en su transcurso.

La presencia de dichos gases combustibles puede suponer una complicación adicional a la hora de aplicar las estrategias de gestión del accidente. Tanto por el efecto con los sistemas especialmente diseñados para su control, fundamentalmente los recombinadores de hidrógeno, como con otros sistemas de contención como los rociadores o enfriadores.

Por otro lado, en el accidente de Fukushima Dai-Ichi se ha observado que las presiones medidas en el pozo húmedo de la contención son más elevadas de las calculadas con los códigos de simulación de accidentes severos, lo que indica la posibilidad de que se hubieran producido fenómenos de estratificación térmica del agua en dichas piscinas que no han sido contemplados en dichos códigos hasta la fecha (Figura 1).

Estos fenómenos afectan al comportamiento de la atmósfera de la contención cuyo conocimiento se necesario para diversos análisis de seguridad que se realizan en el CSN. Los resultados de estos proyectos son de utilidad en diversas tareas como la evaluación de instalación de recombinadores autocatalíticos pasivos (PAR por sus siglas en ingles —Passive Autocathalitic Recombiners—) en las centrales nucleares españolas, los análisis probabilistas de seguridad de nivel 2, etc.

Fenomenología

La fenomenología que se investiga en estos proyectos está relacionada con el movimiento de gases en la atmósfera de la contención o el movimiento del agua en las piscinas de supresión. La distribución de los gases o el agua de forma homogénea o no homogénea (estratificada) durante el transcurso de un accidente severo pueden llevar a resultados de presión final sobre la estructura de la contención muy diferente y por lo tanto la integridad de la contención verse amenazada o no.

La liberación de gases combustibles en la atmósfera de la contención durante un accidente severo se produce en forma de chorros o plumas que pueden acumularse, estratificarse o mezclarse en la propia contención. Además, procesos como la convección, la condensación sobre las paredes de la contención o la interacción con los sistemas de la contención como rociadores enfriadores o PAR, pueden afectar a esta distribución de gases en la contención (Figura 2).

De forma similar, en las piscinas de supresión se produce la liberación de vapor a través de toberas o difusores —spargers—. Estos procesos pueden hacer que el mezclado de la piscina sea total (homogéneo) o parcial (estratificada), reduciéndose en el segundo caso la capacidad de extracción de calor de la atmósfera de la contención a través de las piscinas de supresión y, por lo tanto, aumentando la presión esperada durante el accidente severo. 

Entidades de investigación

Las tareas experimentales de los proyectos se han realizado por dos organizaciones, el Paul Scherrer Institute (PSI) de Suiza y el Commissariat à l’Energie Atomique et aux Energies Alternatives (CEA) de Francia. El PSI ha realizado experimentos en la instalación PANDA en las dos fases del proyecto, mientras que el CEA ha realizado los experimentos en la instalación MISTRA únicamente en la primera fase del proyecto.

El proyecto HYMERES fase 1 de la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económicos/Agencia de la Energía Atómica (OECD/NEA por sus siglas en inglés) se ejecutó en el periodo de 2013 a 2016 y en dicha fase participaron 15 países. En la segunda fase del proyecto, que se ha ejecutado en el periodo 2017 a 2021, han participado 11 países. Entre los países participantes se encuentran: Canadá (únicamente fase 1), China, Republica Checa, Finlandia, Estados Unidos (únicamente fase 2), Francia (únicamente fase 1), Alemania, India, Japón, Corea, Federación Rusa, España, Suecia y Suiza.

Participación española

El CSN ha participado en el proyecto haciendo seguimiento de los experimentos y participando en las reuniones. Adicionalmente, el CSN ha contado con la colaboración de la Unidad de Investigación en Seguridad Nuclear del Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (Ciemat) y el Área de Ingeniería Nuclear de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de la Universidad Politécnica de Madrid (ETSII-UPM).

El Ciemat, a través del proyecto ACAS “Acuerdo CSN-Ciemat de Colaboración en Accidente Severo” (2014-2018) ha dado apoyo técnico al CSN y participado en reuniones del proyecto, ha realizado cálculos con el código FLUENT de experimentos de las series HP1 y HP2 y participado en el ejercicio comparativo de cálculo de la fase 1. Además, ha colaborado en la definición de la serie experimental HP5.

La UPM, a través del proyecto GOMERES “Convenio UPM-CSN sobre Simulación con el código GOTHIC de experimentos del proyecto HYMERES Fases 1 y 2” (2019-2022) ha dado apoyo técnico al CSN y participado en reuniones del proyecto. Además, ha realizado cálculos con el código GOTHIC de experimentos de las series HP5 y H2P5 y ha colaborado en la definición de las series experimentales H2P4 y H2P5, ha realizado cálculos pretest específicos para dichas series y colaborado en la definición de las mismas.

Instalaciones experimentales

La instalación experimental PANDA del PSI es una instalación de gran escala única en el mundo adecuada para realizar experimentos para investigar de forma integral el comportamiento de la contención y sus sistemas durante accidentes (Figura 3). En ella también se puede realizar el estudio de efectos tridimensionales de distribución de gases o agua entre varios compartimentos. La instalación está formada por cuatro vasijas conectadas, formado una estructura de 25 m de altura y 414 m3 de volumen. Las dos vasijas superiores son de 90 m3 y en ellas se han realizado los experimentos de distribución de gases en las dos fases del proyecto HYMERES. Las dos vasijas inferiores, de 117 m3 cada una, se utilizan, generalmente para los experimentos de piscina de supresión.

La instalación experimental MISTRA del CEA es una instalación dedicada al estudio de la termohidráulica de la contención y análisis de riesgo de hidrógeno (Figura 4). Está formada por una vasija con internos de 7,4 m de altura y un volumen total de 100 m3 . En su interior dispone de tres condensadores anulares y una estructura que simula una compartimentación básica de la contención. En esta instalación se han realizado experimentos de distribución de gases dentro en la primera fase del proyecto OECD/NEA-HYMERES.

En ambas instalaciones experimentales se utiliza helio para simular hidrógeno.

Experimentos del proyecto OECD/NEA-HYMERES Fases 1 y 2

En la fase 1 del proyecto se propusieron las series experimentales en las instalaciones PANDA y MISTRA que se muestran en la tabla 1. En total se realizaron 38 experimentos, de los cuales 24 experimentos fueron propuestos originalmente en la instalación PANDA, a los que se añadieron 3 más. En la instalación MISTRA se realizaron 9 experimentos más 2 adicionales. En la tabla 1 se marca en negrita aquellos test que se han realizado de forma adicional.

En la segunda fase del proyecto se han propuesto en la instalación PANDA las series experimentales que se muestran en la tabla 2. En total se han realizado 34 experimentos de los cuales 24 fueron propuestos originalmente y se añadieron diez experimentos adicionales o de referencia. En la tabla 2 se marcan en negrita aquellos test que se han realizado de forma adicional.

En los siguientes apartados se describen algunas de las series experimentales.

Experimentos de interacción de chorros con obstáculos

En proyectos anteriores como OECD/NEA-SETH y OECD/NEASETH-2, realizados en las instalaciones PANDA y MISTRA, se investigaron las condiciones para alcanzar situaciones de estratificación de helio al liberarse desde distintos puntos de las vasijas experimentales. Partiendo de esta situación de una atmósfera con una capa estratificada de helio y ya dentro del proyecto HYMERES, en las series HP1, HM1, H2P1 se ha investigado el efecto sobre esta capa estratificada de helio de un chorro horizontal o vertical de vapor (ver vasija 1 en figura 3). Este chorro antes de alcanzar la capa estratificada interacciona con uno o dos obstáculos (placas o rejillas). El chorro pierde parte de su inercia al chocar con el obstáculo y una vez superado en forma de pluma tiende a mezclar la capa estratificada (ver figura 5).

Entre las dos fases del proyecto se han realizado 29 experimentos para estas series, incluyendo los test de referencia. Los resultados experimentales muestran, en general, un retraso en la erosión de la capa de helio estratificada en función de la inercia que pierde el chorro al impactar con el obstáculo, frente a los test de chorro vertical sin obstáculo. Los mayores retrasos en la erosión se producen cuando los chorros horizontales impactan sobre placas verticales localizadas suficientemente cercanas de la boquilla para que se produzca una mayor pérdida de inercia. Sin embargo, los chorros verticales que impactan con discos horizontales presentan menores retrasos en la erosión de la capa estratificada, aunque dependen de la superficie del obstáculo, el flujo másico de vapor y/o número de obstáculos.

En los casos en que el obstáculo es una rejilla, no se observa un efecto significativo en el retraso de la erosión respecto de no existir obstáculos. En resumen, cuanto mayor es la perdida de la inercia del chorro más tiempo durará la capa estratificada.

Experimentos de interacción de sistemas de contención

Tanto en las dos fases experimentales de HYMERES como en experimentos previos en las instalaciones PANDA y MISTRA se ha estudiado el comportamiento de la atmósfera de contención y su interacción con diversos sistemas de contención, fundamentalmente rociadores, enfriadores y PAR, que se simulan en los experimentos con helio por medio de calentadores.

En las series experimentales HP2 y HM2 se ha estudiado el efecto de mezclado de la atmósfera estratificada con un PAR y en las series HP3 y HM3 con dos PAR, colocados en distintas posiciones. El principal resultado es que estos dispositivos no tienen capacidad de succión de los gases que se encuentran suficientemente por debajo de su localización, por lo que es recomendable localizar también PAR en zonas bajas de la contención en las que el hidrógeno se pueda quedar atrapado. Por otro lado, las plumas de flotación que se generan en las salidas de los PAR son una importante fuente de momento que pueden interaccionar con los flujos convectivos de circulación de la atmósfera, fundamentalmente con los patrones globales de circulación que se establecen en la atmósfera por la condensación y la transmisión de calor con las paredes frías.

En la serie H2P5 se ha comparado el efecto de mezclado de un experimento de rociadores con una tobera y con nueve toberas con el mismo flujo total de agua. La comparación de los experimentos muestra que el decrecimiento inicial de la presión de la atmósfera por la actuación de los rociadores es más rápido con una tobera, pero al final de los experimentos las presiones tienden a igualarse. Lo mismo ocurre con el mezclado más rápido del helio en el caso de una tobera, debido a la mayor transferencia de momento de las gotas al vapor (figura 6). Sin embargo, al final de la fase de inyección de agua por los rociadores la estratificación térmica de la atmósfera es mayor con una tobera que con nueve.

En la serie H2P6 se ha comparado el efecto de mezclado teniendo un enfriador y tres enfriadores (los dispositivos probados en estos experimentos no disponen de ventilador). Los resultados muestran un comportamiento cualitativo muy similar en ambos experimentos con una primera fase de reducción rápida de la capacidad de enfriamiento y una segunda fase en la que se produce una cierta recuperación de la presión para terminar volviendo a perder la capacidad de enfriamiento de los enfriadores.

En general se ha comprobado que el proceso es aditivo, de tal forma que no hay una importante interacción entre los distintos enfriadores, por lo que se demuestra que es razonable modelar varios enfriadores como uno único con una superficie equivalente de transmisión de calor.

En las series HP4 se ha dispuesto de rociador con una tobera y un enfriador. Se han realizado cinco experimentos de cinco fases cada uno en los que se inyecta vapor y helio. Además, en la tercera y quinta fase se activan los rociadores excepto en el primer test, tomado como referencia. Se han probado dos tipos de toberas y dos configuraciones de enfriador (abierto o con la parte trasera cerrada).

En general, antes de la activación de los rociadores la atmósfera tiende a estratificarse en helio y en temperatura, a pesar del funcionamiento de los enfriadores que extraen calor de la atmósfera. Sin embargo, al actuar los rociadores se produce un mezclado efectivo de la contención. La inyección de agua más fría en la quinta fase del experimento hace que la caída de la presión sea mayor. La configuración del enfriador con la parte trasera cerrada reduce ligeramente la capacidad de extracción de calor del mismo, especialmente durante las fases de actuación de los rociadores.

Experimentos de estratificación en piscinas de supresión

A diferencia de los experimentos de mezcla y distribución de helio, los experimentos de estratificación térmica en piscinas de supresión no se habían realizado en la instalación experimental PANDA previamente al proyecto OECD/NEAHYMERES. En estas series experimentales (HP5 y H2P3) se utiliza una de las vasijas inferiores (ver vasija 3 en figura 3), llena parcialmente de agua, para simular diversas situaciones de formación de estratificaciones térmicas y procesos de mezcla en dicha piscina.

En esta piscina se libera vapor con o sin helio a través de un sparger o agua a través de una tobera. El sparger presenta 32 agujeros en la cabeza inferior y ocho agujeros en la parte intermedia (denominado LRR por sus siglas en inglés – Load Reduction Ring –) normalmente cerrado excepto en los últimos experimentos. La matriz experimental se indica en la tabla 3.

En general en los experimentos se parte de una piscina homogénea y se establece una situación estratificada mientras se libera vapor a través del sparger. Al incrementarse la tasa de liberación de vapor se establece un mezclado del agua de la piscina que rompe esa estratificación parcial o totalmente (ver figura 7).

En los experimentos se ha observado que la mezcla se favorece si se aumenta la temperatura inicial de la piscina o la tasa de liberación de vapor. Si se libera agua por la tobera el efecto es comparable al del vapor por el sparger. Sin embargo, si se añade helio al vapor liberado por el sparger el proceso de mezclado es mucho más rápido. En los casos con liberación de vapor por el LRR, el efecto de menor flujo másico de vapor liberado es compensado por las fuerzas de flotación que doblan el flujo hacia arriba, mezclando de forma efectiva la piscina en la parte alta, pero manteniendo una estratificación térmica a cotas más bajas.

Ejercicios de comparativos de cálculo

Durante el proyecto las organizaciones firmantes del acuerdo u organizaciones colaboradoras (principalmente organismos de investigación o universidades) han realizado diversas simulaciones de los experimentos, para definir las condiciones más adecuadas de los mismos (cáculos “pretest”) o para reproducir los resultados experimentales. Estos análisis se han realizado fundamentalmente con códigos de fluidodinámica computacional con capacidad tridimensional, tanto comerciales como específicos de contención.

Adicionalmente se han organizado ejercicios comparativos de cálculos realizados por diferentes instituciones para un experimento previamente seleccionado, estos ejercicios se han abierto a organizaciones externas al proyecto para ampliar la difusión de los resultados. Los ejercicios se han realizado en dos fases una primera fase sin conocimiento de los resultados experimentales o fase “ciega” y una segunda fase disponiendo de los resultados experimentales o fase “abierta”.

En general, los resultados de los participantes en la fase “ciega” mostraron una gran dispersión de resultados en comparación con los resultados experimentales, debido a las diferentes mallados, hipótesis de modelación, modelos utilizados y diversos efectos de usuario. Sin embargo, en la fase “abierta” los resultados fueron más precisos, y tendiendo a converger los cálculos de las distintas organizaciones. En general, en estas segundas fases los participantes ajustan las mallas y usan modelos más sofisticados de turbulencia. Además, se ha observado que la utilización de modelos de transmisión de calor por radiación suele mejorar los resultados en experimentos con atmósferas con vapor. Por último, en los experimentos en los que se ha modelado una rejilla con un medio poroso, se ha demostrado que los resultados globales han sido adecuados.

Los resultados de estos ejercicios muestran la importancia de realizar validaciones de los códigos de cálculo y los usuarios frente a experimentos con anterioridad a la aplicación de estos códigos en análisis de seguridad, así como la necesidad de disponer de cálculos independientes para las evaluaciones de seguridad.

Continuación del proyecto

En la actualidad la OECD/NEA está lanzando una tercera fase del proyecto que se denomina OECD/NEA-PANDA. La mayoría de las organizaciones que han participado en fases anteriores del proyecto, entre ellas el CSN, han mostrado su interés para participar. Las series experimentales propuestas son:

• Serie I: Chorros y plumas actuando con compartimentos complejos.
• Serie II: Efectos de radiación térmica con fases de inyección compleja, niebla, placa caliente, etc.
• Serie III: Circulación natural entre dos compartimentos que simulan los recintos de los Generadores de Vapor y la actuación de anillos de rociadores.
• Serie IV: Sistemas de enfriamiento pasivo de la contención (PCCS).
• Serie V: Convección natural en piscinas con estructuras calientes.
• Serie VI: Comportamiento de piscinas de supresión.

Se ha propuesto realizar 24 experimentos a distribuir entre las distintas series experimentales en función de los intereses de los participantes, adicionalmente se prevé realizar más de 6 test adicionales de referencia.