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Sectores de la industria Ventilación

Sistemas HVACR en plantas nucleares

Entre los recintos que mayores cuidados precisan en la industria actual, se encuentran las plantas nucleares. Las actividades que se desarrollan en ellas requieren condiciones de temperatura, ventilación y presión sumamente específicas para mantener a salvo a los trabajadores y permitir que los procesos permanezcan bajo control. El diseño, los sistemas y los cálculos de estos elementos son imprescindibles para evitar catástrofes

Manuel Merelles

La industria HVACR tiene incidencia directa en el correcto funcionamiento de las plantas nucleares. Sistemas de ventilación y aire acondicionado representan elementos fundamentales al referirse al rendimiento y la seguridad de las instalaciones, mientras que los refrigerantes utilizados en los reactores nucleares son componentes vitales para el desempeño de las plantas.

Una de las principales funciones de los sistemas de aire acondicionado en las instalaciones de una planta nuclear es mantener y asegurar las condiciones ambientales adecuadas que permiten el correcto funcionamiento de los componentes y propiciar la seguridad en la planta. Además, los sistemas de aire acondicionado buscan proporcionar condiciones óptimas para el personal operativo y de mantenimiento dentro de ella, de tal manera que la limpieza, la temperatura y la humedad deben mantenerse en los parámetros establecidos por las autoridades.

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Diagrama central PWR. Una de las principales diferencias entre una central BWR y una PWR es que la primera no tiene un circuito de agua secundario. El vapor es producido directamente en el reactor y de ahí se envía a la turbina para mover el generador; además, el circuito primario trabaja a una presión menor. Fuente: endesaeduca.com

Propósito de la ventilación
Algunas de las funciones que cumplen los sistemas de ventilación en las plantas nucleares son mantener la concentración de materiales radioactivos en un rango aceptable, en términos de los niveles de exposición a los que se enfrenta el personal en las instalaciones; evitar que los materiales radioactivos se propaguen dentro de la planta nuclear y mantener la cantidad de desechos radioactivos liberados al medioambiente en niveles aceptables, en relación con la exposición del medioambiente a la radiación.

Se busca que los sistemas de aire acondicionado y ventilación lleven a cabo estas acciones en condiciones normales de operación, transitorias y de accidentes.

Las condiciones que se presentan durante una situación inesperada o de accidente deben ser la base sobre la cual se diseñen estos sistemas para que puedan desempeñar sus funciones de manera óptima en cualquier escenario de operación. Al mismo tiempo, sus componentes deben estar protegidos contra los efectos de los accidentes para los que fueron diseñados; por ejemplo, deben ser resistentes a los materiales radiactivos que circulan por los sistemas de ventilación.

Los edificios y cuartos dentro de una planta nuclear deben clasificarse en zonas de ventilación. Se deben mantener diferencias predeterminadas de presión en los cuartos de las plantas, con la finalidad de que el aire fluya de las áreas más limpias a las menos limpias para mantener la seguridad al presentarse radiación. Al clasificar los cuartos en zonas de ventilación se deben tomar en cuenta la accesibilidad a los cuartos en condiciones normales de operación y accidentes, y la cantidad y recurrencia de los materiales radiactivos que podrían ser potencialmente liberados por los sistemas y componentes de la planta en caso de fuga.

Los flujos de aire deben establecerse de tal manera que la concentración de materiales radioactivos en los cuartos con presencia de trabajadores sea mínima. Los periodos de estancia en estos cuartos, es decir, el tiempo que permanecen ocupados, deben considerarse al iniciar el diseño de los sistemas.

Los sistemas de ventilación y aire acondicionado del área controlada deben separarse completamente de los cuartos que se encuentran en el área limpia. De igual manera, el diseño de los sistemas del área controlada debe describir de qué manera se evita que los materiales radioactivos se propaguen por las instalaciones en caso de presentarse un incendio.

Las entradas de aire y los sistemas de inyección de aire en edificios que albergan subsistemas importantes para la seguridad de la planta deben diseñarse y ubicarse de manera que sea poco probable que el humo provocado en caso de incendio, materiales combustibles, venenosos o que representen una amenaza de cualquier tipo los alcance. Si cualquiera de estas sustancias llegara a las entradas de aire es posible prevenir que se expandan a otras zonas de la planta al apagar los sistemas de inyección de aire. Estos sistemas deben estar equipados con filtros para prevenir la acumulación de impurezas exteriores en el interior de las instalaciones de la planta.

Las salidas de aire del área controlada deben liberarse de manera adecuada hacia el medioambiente a través de los ductos. La cantidad de material radioactivo en las salidas de aire, los cuartos por los que atraviesan los ductos y la diferencia de presión entre los ductos y su entorno son factores por considerar al elegir el espesor de los ductos.

Algunos de los elementos que conforman los sistemas de ventilación en una planta nuclear son ductos, reguladores, chillers y sistemas de aire acondicionado o ventiloconvectores, que pueden utilizarse para enfriar el aire que pasa a través de los ductos; es posible emplear ventiladores para circular el aire y filtros para remover sus impurezas.

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Diagrama central BWR. Otro tipo de reactor térmico es el enfriado por gas (GCR) que emplea gas como refrigerante y grafito como moderador

Necesidad de enfriamiento
Los sistemas de enfriamiento de contención de emergencia sirven para remover el calor del área de contención en caso de presentarse cualquier incidente que eleve la temperatura entre 250 y 300 °F. Estos sistemas, en general, cuentan con ventiloconvectores con ventiladores internos que absorben el aire caliente y húmedo a través de anillos tipo radiador, que son enfriados por alguna fuente externa. El aire enfriado en estas unidades es generalmente dirigido por ductos a la parte superior del contenedor, en donde el aire estará más caliente; ventiladores separados en los ductos de salida de aire dirigen el flujo de aire al domo de contención.

Los sistemas de filtración se utilizan para reducir la cantidad de material radioactivo a niveles aceptados por las autoridades a través del uso de filtros especiales en las salidas de aire. Por lo regular, estos sistemas los conforman ventiladores que extraen el aire de las áreas potencialmente contaminadas a través de unidades de filtros PAC, formadas por tres filtros: la unidad P, un filtro que remueve partículas grandes; la unidad A, un filtro conocido como “absoluto”, que remueve el 99.5 por ciento de las partículas, y la unidad C, un filtro de carbón activado que remueve yodo radioactivo y algunos gases radioactivos. Después de pasar por los filtros PAC, los residuos deben dirigirse a tubos de salida. Estos sistemas son generalmente accionados por monitoreo de radiación montados en los ductos de salida. Además, activarán de manera automática el sistema de enfriamiento de emergencia del núcleo en cualquier momento que se requiera.

Los sistemas de presión deferencial tienen como finalidad mantener la presión más alta fuera de los contenedores para reducir la probabilidad de fugas hacia el reactor o los edificios contiguos, y desde éstos a las turbinas. Estos sistemas dependen de los flujos de aire de los ventiladores de extracción e inyección. Además, toman en cuenta diversas aberturas en las instalaciones, por lo que los operadores deben contar con un registro de todas ellas y su tamaño.

Los sistemas de enfriamiento dentro de la planta nuclear se utilizan para enfriar el equipo mientras operan; por ejemplo, los generadores de diesel y los motores eléctricos. Generalmente, cuentan con alguna de las siguientes unidades: enfriadoras, tienen ventiladores internos que absorben el aire del área a través de anillos enfriadores y dirigen el aire frío a través del motor, el control del circuito o el panel de suministro de energía que se requiera; unidades de aire acondicionado que pueden utilizarse para el cuarto de controles o montarlas localmente para enfriar paneles eléctricos o cualquier equipo que se necesite; ventiladores que dirigen aire del exterior o áreas específicamente designadas para enfriar cualquier equipamiento, por ejemplo, motores. Este aire debe enfriarse al hacerlo pasar por radiadores que a su vez son enfriados por otros sistemas.

Los reactores nucleares de tipo térmico son elementos fundamentales en el rendimiento de las plantas nucleares y están directamente ligados con la refrigeración. En los reactores nucleares se utilizan fluidos como el anhídrido carbónico, agua o agua pesada como refrigerantes para extraer el calor del núcleo al hacerlos circular alrededor de las barras del combustible.

Uno de los tipos de reactores más utilizados es el de agua ligera en sus dos versiones, de agua a presión (PWR por sus siglas en inglés) y de agua hirviente (BWR, por sus siglas en inglés), las dos variantes utilizan agua como refrigerante y moderador del núcleo.

Las centrales PWR utilizan dióxido de uranio enriquecido como combustible que se introduce en forma de pastillas al mecanismo, sus elementos de combustible se refrigeran mediante un circuito de agua, conocido como sistema primario, que sirve como moderador. A pesar del aumento en la temperatura que presenta el agua del sistema, ésta se mantiene en estado líquido debido a la presión tan elevada con la que trabaja el circuito. Después de esto, se  cede el calor a un sistema de agua independiente, llamado circuito secundario, al circular refrigerante por los generadores de vapor. El agua en el circuito secundario se transforma en vapor haciendo girar los álabes de la turbina acoplada a un generador eléctrico, después de pasar por la turbina, el vapor se condensa y regresa al generador de vapor.

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