Recombinación del hidrógeno en dispositivos autocatalíticos pasivos y sus implicaciones en la seguridad de las centrales nucleares

Abstract

Los accidentes en la Unidad 2 de la central de la Isla de las Tres Millas en los Estados Unidos (28 de marzo de 1979) y en la Unidad 4 de la central de Chernobyl en Ucrania (26 de abril de 1986) impulsaron la investigación sobre accidentes con daño severo al núcleo y, en particular, la posibilidad de fallo de la última barrera de contención por efectos de una explosión de hidrógeno. De ello se derivaron programas de investigación para analizar el comportamiento del hidrógeno y su posible control. En la industria se encuentran una gran variedad de sistemas basados en la catálisis de la reacción H2/O2, en particular los recombinadores autocatalíticos pasivos (PARs) comercializados por diversos fabricantes e instalados en las centrales nucleares actuales de diversos países para el control del hidrógeno. Su principal característica es el funcionamiento pasivo, o su capacidad de recombinar de forma efectiva el hidrógeno mediante el paso a su través de una corriente de convección natural impulsada por el calor liberado en una reacción química catalítica automantenida en su superficie (reacción heterogénea). Por otro lado, el riesgo de propagación en la fase gaseosa debe considerarse como una posible limitación de estos dispositivos ante elevadas concentraciones de hidrógeno. En este trabajo de tesis doctoral se ha desarrollado un modelo detallado para reproducir los procesos de recombinación de H2 y CO sobre PARs de placas paralelas. En este modelo (PARUPM) se ha considerado el acoplamiento de la química superficial y el transporte de masa y de calor entre mezclas H2/CO/aire/vapor/CO2 y placas verticales recubiertas de Pt. El mecanismo de reacciones químicas se basa en un esquema simplificado de Deutschmann para la combustión superficial del metano y en el análisis de Elenbaas para la transferencia de calor entre placas paralelas de la corriente inducida por flotación. El modelo aislado permite analizar la fase de arranque del PAR hasta que alcanza su funcionamiento estacionario en condiciones fijas de la atmósfera exterior, y se ha contrastado frente a los principales modelos predictivos basados en correlaciones, incluyendo los experimentos Reko-3 del FzJ, a pesar de ser de caudal forzado. El acoplamiento con MELCOR 1.8.5 permite seguir la dinámica de evolución de la atmósfera y se ha validado con los experimentos de la serie Zx en la Battelle Model Containment. Finalmente, se ha demostrado la viabilidad del acoplamiento del modelo con códigos tipo CFD mediante la aplicación de CFX-4.4 al ejercicio PARIS de intercomparación de códigos. A pesar de la ausencia de experimentos específicos, otro resultado interesante de este trabajo es el análisis del comportamiento del dispositivo en presencia de CO, mostrando una predicción adecuada de los procesos de transporte y adsorción de especies en circunstancias particulares