Investigadores del Instituto Paul Scherrer, ubicado en Suiza, realizaron experimentos para analizar sistemas de enfriamiento pasivo en pequeños reactores modulares, obteniendo por primera vez datos de medición de alta resolución.

En los reactores convencionales, se implementan medidas de seguridad activas, como sistemas de rociado de agua, que dependen de bombas y válvulas para enfriar en situaciones de emergencia. Estos sistemas disipan el calor y controlan la presión en el contenedor, pero su funcionamiento depende de un suministro de energía confiable. Si este falla, su efectividad se ve comprometida.

Una de las características clave de muchos pequeños reactores modulares (SMR) es su concepto de seguridad: en lugar de depender de sistemas activos que requieren energía externa, utilizan enfriamiento pasivo. Efectos físicos como la condensación, la gravedad y las diferencias de densidad pueden mantener el reactor seguro en caso de emergencia.

Hasta el momento, la simulación de estos complejos procesos de enfriamiento había requerido datos experimentales que eran limitados, según el Instituto Paul Scherrer. Sin embargo, un nuevo estudio en el instituto proporciona contribuciones importantes para cerrar esta brecha.

En la instalación de pruebas PANDA del instituto, los investigadores investigaron por primera vez los sistemas de enfriamiento pasivo para SMR en condiciones realistas. Los experimentos, realizados con el apoyo científico de socios de más de diez países, ofrecen datos de medición de alta resolución que se pueden utilizar para validar estos sistemas en simulaciones. Los resultados se publicaron en la revista Nuclear Engineering and Design.

La instalación de pruebas PANDA se extiende a lo largo de cinco pisos y alcanza una altura de 25 metros. Está compuesta por varios contenedores, con un volumen total de aproximadamente 500 metros cúbicos, donde se pueden simular procesos que ocurren en reactores nucleares de manera realista. PANDA no contiene material radiactivo.

El vapor, que alcanza temperaturas de hasta 200 grados Celsius y presiones de hasta 10 bares, es generado por un calentador eléctrico con una potencia de 1.5 MW. En más de 80 puntos diferentes, se pueden extraer y analizar mezclas de gases de diversas áreas de la instalación con un espectrómetro de masas.

Un equipo de proyecto en el Instituto Paul Scherrer probó un circuito de enfriamiento cerrado. Este consiste en una tubería vertical de aproximadamente seis metros de altura, a través de la cual fluye agua fría. Si el vapor escapara al contenedor durante un incidente, chocaría con la superficie fría de la tubería, se condensaría allí y goteando regresaría al reactor como agua líquida. El calor liberado en este proceso se transfiere al agua dentro de la tubería. Debido a que el agua caliente es menos densa que el agua fría, naturalmente asciende y libera su calor a un reservorio de agua, mientras que el agua enfriada fluye de regreso hacia abajo. Esto crea un ciclo natural basado únicamente en la diferencia de densidad entre el agua caliente y fría, sin necesidad de bombas o electricidad.

Aunque experimentos previos ya habían demostrado que tales sistemas funcionan, el equipo del PSI presentó, por primera vez, datos de medición altamente detallados que muestran con precisión cómo se desarrollarían los procesos físicos dentro de un sistema a escala de una planta nuclear. Usando cámaras de alta velocidad, los investigadores documentaron incluso en detalle pequeñas gotas de agua que se condensan en la superficie de la tubería.

Por primera vez, los investigadores pudieron observar cómo los gases dentro del contenedor se separan: más aire se acumula en la sección inferior, mientras que más vapor permanece en la parte superior. Este hallazgo es crucial tanto para el diseño del reactor como para las simulaciones por computadora. Si este efecto no se considera, el sistema sería menos efectivo para disipar calor.

Además, los investigadores rastrearon pequeñas partículas en el gas y demostraron que se mueven muy lentamente cerca de la tubería. En esta área, la condensación no se determina por corrientes más grandes, sino principalmente por difusión: el vapor de agua llega a la superficie de la tubería lentamente y se condensa allí. Esto implica que el proceso de enfriamiento depende en gran medida de las condiciones locales.

El Instituto Paul Scherrer destacó que muchos conceptos de diseño de SMR pueden replicarse en esta instalación experimental. Hay aproximadamente 1,450 sensores listos para proporcionar datos valiosos. Yago Rivera Durán del Centro de Ingeniería y Ciencias Nucleares del PSI comentó: "Hasta ahora, los investigadores que desarrollaban simulaciones no podían estar seguros de que sus cálculos coincidieran con la realidad. Estamos cerrando la brecha con PANDA". Esto permitirá que, por primera vez, se disponga de datos cruciales para evaluaciones de seguridad y la obtención de licencias para futuros reactores.

El instituto también informó que la última publicación marca el inicio de una iniciativa internacional de comparación basada en los datos de PANDA. Veinticinco instituciones ya participan en esta colaboración global, utilizando los resultados experimentales para verificar y mejorar sus métodos de simulación. Un proyecto de seguimiento, PANDA-2, se basará en este trabajo y se centrará aún más en escenarios complejos, así como en la operación autónoma a largo plazo de los sistemas de seguridad pasiva. Este proyecto internacional se espera que se extienda hasta 2030, mientras que ya se planifican proyectos nacionales y de la UE hasta bien entrada la década de 2030.