ES2342864A1 - Microrreactor nuclear termomagnetico. - Google Patents
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Abstract
Microrreactor nuclear termomagnético, del tipo
de los que comprenden un circuito (5) cerrado de circulación de un
fluido comprendiendo una zona de imanación (1) de un fluido con
propiedades magnéticas, mediante un magneto (12), una zona de
magnetización y calentamiento (2) del fluido con un magneto (22) y
al menos una zona de calentamiento del fluido por un combustible
nuclear (23), una zona de relajación térmica (3) mediante un magneto
(32) y una zona de desimanación adiabática (4), obteniéndose
producción eléctrica de la suma de fuerzas electromotrices de los
magnetos (12, 22, 32) de las zonas (1, 2, 3). El fluido circulante
es un ferrofluido (51) constituido por una mezcla de partículas
ferromagnéticas nanoscópicas en un líquido solvente.
Description
Microrreactor nuclear termomagnético.
La invención consiste en un microrreactor
nuclear termomagnético de generación eléctrica por efecto
termomagnético y desimanación adiabática de larga duración, por
medio de una fuente de calor por radioisótopos principalmente,
aunque cualquier otro tipo de fuente de calor es permitida por la
invención.
Como se indicó arriba, el campo de la invención
está destinado a ser utilizado en aplicaciones de la ingeniería
nuclear, ya sea como un tipo de batería muy adecuada en situaciones
donde no hay presencia humana y se necesitan potencia de varios
centenares de vatios durante largos periodos de tiempo, situaciones
donde los reactores convencionales como pilas de combustible,
baterías y otros reactores no son económicamente viables, y donde no
pueden usarse células fotovoltaicas (e.g misiones espaciales que se
alejan tanto del Sol, que hace que el uso de paneles solares sea
inviable). Está destinado principalmente para la ingeniería nuclear
en sectores como aeroespacial (satélites, sondas espaciales no
tripuladas) e instalaciones remotas (e.g submarinas) que no disponen
de otro tipo de fuente eléctrica, también en la industria nuclear
propiamente dicha, como un verdadero reactor nuclear semejante a los
BWR (bowling water reactor) pero con ferrofluidos que modificaran la
tecnología a utilizar en la extracción de la energía calórica de las
barras de combustible nuclear.
Los actuales reactores eléctricos por
radioisótopos para satélites y sondas espaciales no tripuladas,
llamados RTG (radioisotopic termoelectric generator) son
dispositivos altamente ineficientes, basando su funcionamiento en el
efecto Seebeck, es decir electricidad por termopar, sin embargo
pocas alternativas existen que puedan competir, utilizando como
fuente de calor radioisótopos, que garanticen periodos de vida
largos (\geq 10 años), lo poco eficientes (\leq 10%) de utilizar
un reactor de tipo termopar (efecto Seebeck), ha llevado al afán de
buscar nuevas alternativas de generación eléctrica. Con el fin de
aumentar la eficacia de conversión de energía, que se traduciría en
una reducción substancial del material radioisotópico utilizado (e.g
Pu_{238}) que son fuentes potenciales de contaminación si el
contenedor se rompe. Varias alternativas han sido propuestas. Entre
ellas son destacables los convertidores termoiónicos que pueden
tener rendimientos de cómo máximo 10% a un 20%, pero requieren
mayores temperaturas. Algunos reactores nucleares espaciales han
usado convertidores termoiónicos, pero estos reactores son demasiado
pesados para ser usados en la mayoría de misiones. Las células
fotovoltaicas por su parte pueden convertir luz infrarroja en
electricidad, su rendimiento es algo mayor, con rendimientos de
hasta un 20%. Su problema es una degradación más rápida (de las
células de silicio) que los termopares metálicos, especialmente en
presencia de radiación ionizante (alfa, beta, gamma). Existen
además, reactores dinámicos, que a diferencia de los termopares,
constan de partes móviles que pueden averiarse y requieren
mantenimiento.
El microrreactor nuclear termomagnético aquí
propuesto actúa por un ciclo combinado de
magnetización-desmagnetización adiabática representa
una opción, en aras de obtener una mayor potencia eléctrica, con la
misma cantidad de combustible nuclear, o lo que es lo mismo la misma
potencia eléctrica con menos combustible nuclear, con una vida de
duración superior o comparable a los actuales.
También en régimen de ebullición, el
microrreactor puede ser considerado como un verdadero reactor en
ebullición (bowling reactor) trabajando en un ciclo cerrado
(magnetización y calentamiento - relajación térmica - desimanación
adiabática \sim imanación) como una alternativa a los actuales BWR
(Bowling water reactor), donde se trabaja por un ciclo Rankine. En
el microrreactor termomagnético se aprovecharía la mejor
conductividad térmica del ferrofluido para extraer energía térmica,
y utilizado el mismo principio que los actuales BWR de convección
natural (cambio de fase) extraería calor, pero a diferencia de
estos, el calor cumpliría solo el objetivo de producir el movimiento
del ferrofluido, que junto a la sucesión de campos magnéticos
produciría directamente una fuerza electromotriz de inducción en una
bobina, sin turbinas ni partes móviles que puedan averiarse y
requerir mantenimiento, como las usadas en la tecnología actual, y
el calor no tendría que ser condensado por ningún dispositivo
exterior que requiriese energía (bombas) sino que el mismo proceso
(zona de desimanación adiabática) lo devolvería a las condiciones de
temperatura y fase iniciales, el microrreactor termomagnético no
tendría los limites termodinámicos impuestos de eficiencia máxima
dados por un ciclo perfecto de Carnot. Además un importantísimo
concepto utilizado en la ingeniería nuclear, como es el de la
seguridad pasiva, es decir sistemas que aseguren la correcta
refrigeración del núcleo del reactor en caso de accidente, (evitar
la fusión del núcleo) sin medios mecánicos que puedan fallar, tales
medios son principalmente los acumuladores, que no son mas que
grandes depósitos de agua (refrigerante), que en caso de perdida del
mismo se accionan por válvulas de presión y actúan por la acción de
la gravedad. En este sentido el ingenio aquí presentado cumple una
función excepcional, ya que un efecto termomagnético debido al
gradiente de temperatura y al campo magnético externo fijo generan
un diferencial de presión de la forma:
Donde H es el campo magnético externo aplicado y
\Delta M es la diferencia en la magnetización que depende del
gradiente de temperatura, así, si accidentalmente los rangos de
seguridad de temperatura son sobrepasados, este aumento de
temperatura conllevará a un aumento en el \Delta M aumentando la
velocidad del refrigerante y por tanto su capacidad de
refrigeración, convirtiéndose en un extraordinario mecanismo de
autocontrol, que es uno de los criterios primordiales en los diseños
de reactores nucleares de vanguardia (EPR...). Además, el principio
del microrreactor en cuanto a seguridad pasiva es igualmente
efectivo en sistemas con gravedad cero, ya que el vector de
aceleración gravitatoria \vec{g} es reemplazado, si se da el caso,
por un vector de fuerza magnetocalórico.
El microrreactor nuclear termomagnético, objeto
de esta invención, presenta unas particularidades técnicas
destinadas a configurar un dispositivo creado para producir
electricidad en grandes periodos de tiempo, teniendo como fuente
calórica radioisótopos. Esencialmente, consta de un circuito
principal por donde un ferrofluido circula en forma cíclica. El
ferrofluido es en esencia una mezcla de partículas ferromagnéticas
nanoscópicas en un líquido (e.g aceite, agua u otro solvente). Las
condiciones principales del ferrofluido son las de tener un alto
coeficiente piromagnetico \frac{\partial M}{\partial T} y buen
coeficiente de dilatación térmica \frac{\partial V}{\partial
T}.
El ciclo del microrreactor es cerrado y
comprende cuatro fases por las cuales es sometido el ferrofluido,
correspondientes a una imanación (IM), magnetización y calentamiento
(MC), relajación térmica (RT) y desimanación adiabática (DA).
El ferrofluido entra en la zona de imanación a
la temperatura mas baja posible y merced al campo magnético de un
magneto, sus dominios magnéticos serán alineados produciendo una
magnetización. A su vez, este ferrofluido magnetizado producirá un
campo magnético total que seguirá la dirección de avance donde
aparecerá el inicio de una bobina produciendo en esta una variación
de flujo magnético y por tanto una fuerza electromotriz (f.e.m)
generando un voltaje. El ferrofluido entra a la zona de
magnetización y calentamiento con sus dominios magnetizados al
máximo y en esta zona el campo magnético externo es el mismo que el
anterior, pero dado por otro magneto y el ferrofluido es calentado,
ya que en esta zona es donde se encuentra el combustible nuclear.
Este combustible podría estar en forma de barra en la parte central
o en cualquiera otra presentación descrita más adelante. En esta
zona el ferrofluido presenta un gradiente de temperatura, ya que el
ferrofluido que ha llegado a la salida de la zona de magnetización y
calentamiento esta a una distinta temperatura que el que se
encuentra en el punto de entrada, T_{2} \neq T_{1} de tal
manera que tenemos un efecto magnetocalórico ya que el ferrofluido,
por ser una material ferromagnético, presenta un cambio en la
magnetización, debido a la temperatura, llamándose temperatura de
Curie aquella donde los dominios magnéticos que han sido alineados
por el campo externo no son capaces de soportar la agitación
térmica, desimanándose el material. Esto es resumido en la conocida
gráfica magnetización versus temperatura.
También en esta zona de magnetización y
calentamiento, según el tipo de ferrofluido utilizado y la potencia
calórica dada por el combustible, el ferrofluido puede cambiar de
fase (líquido-gas) potenciándose el impulso por
efecto de convección natural, este hecho será grandemente favorecido
si se utiliza unas partículas ferromagnéticas nanoscópicas, diluidas
en un líquido de gran coeficiente de dilatación térmica \propto =
\partialV/\partialT, dependiendo de su estado físico (líquido o
gas), ya que el microrreactor nuclear podría operar en cualquiera de
los dos estados, dicho ferrofluido será impulsado o bien por
convección natural (debido a la variación de densidad producida por
la variación de temperatura) en el caso de transición
líquido-gas, o bien por un empuje magnetocalórico
debido al gradiente de magnetización también debido por la variación
de temperatura a lo largo del eje del circuito principal en esta
zona en el caso líquido, este efecto esta también presente en el
estado gaseoso, pero el impulso seria menos grande que el producido
por la convección natural. Una vez atraviesa dicha zona de
magnetización y calentamiento entra a la zona de relajación térmica
donde se continúa manteniendo el campo magnético externo constante
gracias a un magneto, pero se deja relajar térmicamente el
ferrofluido. Esta zona es simétricamente idéntica a la zona de
imanación, ya que el microrreactor nuclear termomagnético ha sido
diseñado para tener total autonomía en la dirección del flujo,
pudiendo dirigirse en uno u otro sentido. Por tanto, en esta zona
termina la bobina que conduce la electricidad producida (DC) a un
terminal de salida. Es decir, la bobina se extiende desde la primera
zona de imanación hasta la zona de relajación térmica a través de la
zona intermedia de magnetización y calentamiento. Una vez
atravesada esta zona de relajación térmica, entra a la zona de
desimanación adiabática, donde el circuito de la tubería es aislado
magnéticamente por medio de un blindaje magnético (material de gran
permeabilidad magnética e.g M u\mu_{v}2\cdot10^{4}) 21, de
esta manera si el ferrofluido alcanza la velocidad suficiente, esta
desimanación es adiabática y por tanto se produce un descenso
brusco en la temperatura. Se ha ideado un dispositivo llamado
presionador termomagnético para este microrreactor nuclear
termomagnético que se puede añadir si se desea.
Un estudio más detallado de las zonas o fases
del ciclo lleva a considerar lo siguiente.
Zona de imanación: En esta zona el ferrofluido
pasa a través de un campo magnético exterior dado por un magneto, de
tal manera que en esta zona la temperatura permanece prácticamente
constante T_{2} = T_{1} Y donde el único cambio es el de
magnetización del ferrofluido debido al campo magnético externo H
dado por el magneto. La magnetización producida en el ferrofluido
será la de su magnetización de saturación a la temperatura dada
(T_{1}) y el campo magnético externo H, y dependerá del
ferrofluido utilizado, pues cuanto mayor sea el campo magnético
externo y más baja la temperatura, mayor será la magnetización de
saturación. La temperatura de entrada del ferrofluido determinara la
eficiencia del ingenio en cuanto a su producción de electricidad, ya
que la máxima eficiencia se alcanzara en la región de trabajo.
Es la zona de mayor producción de fuerza
electro-motriz debido a que el fluido o coloide
ferrofluidico esta atravesando una bobina, generando un cambio
brusco en el flujo magnético, y por tanto una fuerza electromotriz.
Esto sumado al hecho que el coloide ferrofluidico se encuentra a una
temperatura baja (la más baja del circuito), ya que proviene de la
zona de desimanación adiabática (de enfriamiento brusco).
Zona de magnetización y calentamiento: El
ferrofluido proveniente de la salida de la zona de imanación entra a
la zona de calentamiento donde se encuentra confinado el combustible
nuclear a campo magnético constante dado por un magneto. Dicho
combustible podrá esta confinado de cualquiera de las formas
conocidas. El combustible nuclear está aislado del ferrofluido por
medio de un blindaje de radiación, que dependerá en grosor y en
composición del tipo de radioisótopos utilizados. En el caso de uso
aeroespacial el combustible idóneo seria Plutonio 238, bastando con
un material de menos de 2 milímetros de grosor. Esta fuente de calor
generará un gradiente de temperatura rodal respecto al combustible
entre la entrada y la salida de esta zona, pasando de una
temperatura T_{2} a T_{3}. Esta zona representa el sistema
propulsor del circuito del microrreactor nuclear termomagnético, y
puede funcionar en dos regímenes de flujo:
1. Régimen líquido. En este caso la fuerza
motriz de propulsión del fluido en el microrreactor estará dada por
la fuerza magnetocalórica debida al gradiente de temperatura que
causará un gradiente en la magnetización sumado con el campo externo
aplicado por el magneto. Este gradiente de presión estará dado
por
2. Régimen en ebullición. Si la temperatura de
la fuente de calor (combustible nuclear) corresponde a la de una
transición de fase para el fluido utilizado, la propulsión estará
dada por un mecanismo de convección natural (fuerza de empuje debida
al cambio de densidad del fluido ferrofluidico).
Es importante decir que el microrreactor nuclear
termomagnético no tiene como objetivo disipar una fuente de calor
residual de ningún artefacto, sino la de producir exclusivamente
electricidad. Por tanto, la potencia requerida de calor para poder
obtener mejores rendimientos puede ser calibrada de acuerdo a los
requerimiento del ferrofluido. Una vez el calor haya cumplido su
papel propulsor, el problema de la calor residual será solucionado
en la zona desimanación adiabática. La eficiencia del microrreactor
nuclear termomagnético, dependerá de lo bien calibrado que sea el
ciclo térmico-magnético, con el ferrofluido usado,
(i.e temperatura de Curie, coeficiente piromagnético), temperatura
de ebullición).
Zona de relajación térmica: Está comprendida
entre al zona de magnetización y calentamiento y la zona de
desimanación adiabática. En esta zona el fluido ferrofluidico
intercambia algo de calor con el medio pasando de una temperatura
T_{3} a T_{4} inferior a la temperatura de Curie (T_{4} <
T_{c}), pero manteniendo el campo magnético externo constante por
medio de un magneto.
Zona de desimanación adiabática: Es la zona
comprendida entre la salida de la influencia de los magnetos y el
inicio del ciclo. Es decir, entre el final y el inicio del ciclo del
microrreactor nuclear termomagnético. En efecto, en esta zona se
presenta un proceso brusco de reducción de temperatura por medio del
efecto de desimanación adiabática, el ferrofluido entonces presenta
una temperatura mas baja que la del inicio del ciclo
(T_{4}<T_{1}), pero absorberá calor del fluido refrigerante
de un circuito auxiliar de refrigeración, que es el encargado de
mantener el sistema a una temperatura adecuada (evitar altas
temperaturas en los magnetos que no relajen sus propiedades
magnéticas), contenido en el depósito, el cual es la cavidad vacía
aprovechada que queda del blindaje magnético utilizado, enfriando
éste y quedando finalmente el ferrofluido con la temperatura igual a
la inicial T_{1}. Un requisito para esto es que la temperatura del
ferrofluido en la zona de relajación térmica no supere la
temperatura de Curie, y teniendo en cuenta que a mayor temperatura
serán necesario mayores campos magnéticos externos para tener éxito
en el proceso. De esta manera se ha cerrado un verdadero ciclo de
producción de energía eléctrica, ya que la fuente de calor utilizada
ha cumplido solo el propósito de propulsión del ferrofluido, y una
vez extraída la fuerza electromotriz por medio de bobinas, el
proceso de desimanación adiabática lo devuelve a su estado inicial,
listo para comenzar nuevamente. De esta manera la célula funcional
puede ser utilizada en paralelo formando una batería.
En esta zona de desimanación adiabática, a
efectos de conseguir la desimanación, la zona inmediatamente inicial
es protegida por medio de un blindaje magnético (magnetoestático)
con un material de elevada permeabilidad relativa. Este material
puede tener distintas formas, siempre que cumpla su función de
aislante magnético. Un dispositivo auxiliar de esta invención que
puede añadirse para garantizar un estado estacionario en el sistema,
es el presionador termomagnético. Este dispositivo que debido a las
expansiones del ferrofluido y sus bruscas contracciones debido al
brusco cambio de temperatura en la zona de desimanación adiabática
garantiza que el circuito este en un estado estacionario, es decir,
una velocidad del ferrofluido constante. En efecto, cuando la
velocidad del ferrofluido no sea lo suficientemente alta para que se
dé el proceso de desimanación adiabática, el ferrofluido se
expansionara moviendo un pistón que inyectada ferrofluido al sistema
a la misma vez que generara un vacío en el volumen desplazado del
mismo, que generará un gradiente de presión entre las dos zonas,
obligando al ferrofluido a recorrer el circuito de la zona de alta
presión a la de baja presión, pero una vez la velocidad del
ferrofluido es suficientemente alta, el proceso de desimanación
adiabática será eficiente, con lo que volverá a enfriarse en esta
zona el ferrofluido bruscamente, produciendo una contracción brusca
del mismo. Esto hará que el pistón vuelva a su posición inicial y
por medio de válvulas antirretorno que se activarían de acuerdo al
movimiento del pistón se impulsaría nuevamente el ferrofluido en el
circuito, por tanto este microrreactor nuclear termomagnético por
desimanación adiabática, funcionaría de una manera totalmente
autosuficiente.
La optimización del proceso de desimanación
adiabática es vital en este: microrreactor, y tendrá que calibrarse
los límites mínimos que garanticen dicho proceso. A manera de
ejemplo, si consideramos un modelo particular de ferrofluido con s
=1/2 y g_{t}=2. Para este caso tenemos que la función de
partición es:
Donde \beta = 1 / k_{\beta}T el cálculo de
la entropía a partir del potencial de Helmholtz es
Puede comprobarse que tiene los siguientes
comportamientos límite:
Para calcular explícitamente el descenso de
temperatura que obtendremos en el microrreactor termomagnético en la
desimanación adiabática, procederemos de la siguiente manera. En
dicho proceso la entropía no ha cambiado, y por lo tanto
De esta manera usando
Podemos en principio despejar la temperatura
final, T_{f}, en función del resto de parámetros. Esta temperatura
final T_{f} no será otra que nuestra T_{1}.
Dos aspectos importantes y que son objetivos en
el microrreactor nuclear termomagnético son:
1. Simetría en el diseño. Uno de los requisitos
del microrreactor nuclear termomagnético es el de poder actuar con
plena autonomía independientemente del sistema exterior en que se
encuentre o del propio movimiento del sistema (vehículo) al cual
pertenece. Por esta razón el microrreactor nuclear termomagnético
presenta una simetría geométrica, haciendo que el flujo pueda fluir
en cualquier dirección, o en sentido contrario no mostrado en las
figuras. Este requisito es especialmente útil para naves, sondas
espaciales, sistemas submarinos donde el equipo deba hacer giros (de
hasta 180°) que producirían un cambio de dirección respecto al
sistema de referencia del vehículo en la dirección del fluido, este
hecho es claramente debido a la conservación de la dirección del
vector campo gravitatorio \vec{g}. Este hecho presenta ventajas no
tenidas hasta ahora en reactores nucleares con fluidos BWR, PWR
utilizados hasta el momento.
2. Convección natural en ausencia de campo
gravitatorio. Uno de los objetivos y requisitos en el diseño del
ingenio era principalmente destinado a sistemas en movimiento, y la
industria aeroespacial, en situaciones de gravedad cero. En dichas
circunstancias en ausencia de gravedad, el microrreactor nuclear
termomagnético actuara con total normalidad, en los dos regímenes
para los que ha sido diseñado es decir en estado líquido, o en
ebullición (burbujas). Esto es así, debido al campo magnético
permanente en la zona II (zona de confinamiento del combustible
nuclear), si el sistema actuara en régimen líquido, se produciría la
propulsión por un efecto termomagnético debido a la combinación del
campo magnético externo, el gradiente de temperatura, que produciría
un gradiente en la magnetización creando una diferencia de presiones
de la forma
Si el sistema actuase en régimen de ebullición,
la convección natural estaría asegurada debido a la fuerza de empuje
(debida al cambio en la densidad), siendo dirigida por el gradiente
magnetocalórico debido al campo magnético externo.
La producción de energía eléctrica es debida a
los cambios de magnetización producidos a lo largo del ciclo. Para
cada zona las fuerzas electromotrices producidas serán en primera
aproximación:
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\vskip1.000000\baselineskip
Donde M es la magnetización, R es el radio de la
bobina, h_{IM} la longitud de la bobina de inducción que le
corresponde a la zona de imanación, N es su número de espiras que le
corresponde, Z una longitud característica tomada como aquella donde
los efectos de magnetización del ferrofluido empiezan a ser
notorios, L es la longitud del dipolo formado que en primera
aproximación es la distancia entre la zona de desimanación
adiabática y la zona de imanación, pudiéndose considerar como
infinita, V_{Z} es la velocidad del ferrofluido considerando el
eje axial del tubo como eje z.
\vskip1.000000\baselineskip
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\vskip1.000000\baselineskip
Donde 100 es la fuente de calor
del combustible nuclear, K es el coeficiente. piromagnético del
ferrofluido \left(\frac{\partial M}{\partial T}\right),
h_{MC} la longitud de la bobina de inducción que le corresponde a
la zona de magnetización y calentamiento, N su número de vueltas
correspondiente.
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Donde h_{RT} es la longitud de la bobina de
inducción que le corresponde a la zona de relajación térmica, N su
número de vueltas correspondiente.
\varepsilon_{DA} =
0
De esta manera el potencial total será en
primera aproximación:
\varepsilon_{TOTAL} =
\varepsilon_{IM} + \varepsilon_{MC} +
\varepsilon_{RT}
Por tanto los potenciales logrados dependen de
las propiedades magnéticas, termodinámicas, del fluido, la fuente de
calor, y muy dependiente de los parámetros geométricos.
Para complementar la descripción que se está
realizando y con objeto de facilitar la comprensión de las
características de la invención, se acompaña a la presente memoria
descriptiva un juego de dibujos en los que, con carácter ilustrativo
y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
- La figura 1 muestra una vista esquematizada
del microrreactor termomagnético por radioisótopos, con las cuatro
zonas de circulación del ferrofluido.
- La figura 2 muestra un esquema del
microrreactor de la figura anterior dotado con un presionador
termomagnético.
- Las figuras 3, 4, 5 y 6 muestra unas
representaciones esquematizadas de las diversas etapas de
circulación del fluido ferromagnético con un elemento presionador
termomagnético para regular el funcionamiento en transitorios.
- La figura 7 muestra una representación
esquematizada de una alternativa de realización del microrreactor
nuclear con varias células en paralelo y en serie, formando una
batería.
Como se puede observar en las figuras
referenciadas el microrreactor nuclear está constituido por un
circuito cerrado de circulación de un ferrofluido, que circula a
través de una zona de imanación (1), una zona de magnetización y
calentamiento (2), una zona de relajación térmica (3) y zona de
desimanación adiabática (4), antes de reiniciar el ciclo. En este
caso el citado ferrofluido (51) está constituido preferentemente por
una mezcla de partículas ferromagnéticas nanoscópicas en agua.
El microrreactor comprende por un tubo o
circuito (5) por donde el ferrofluido (51) circula, entra en la zona
de imanación (1) por el punto /11) hasta el punto (21) a una
temperatura T_{1}, en este trayecto se magnetiza por el magneto 12
(anular) que rodea al tubo, en esta zona comienza la bobina. El
ferrofluido (51) entonces entra a la zona de magnetización y
calentamiento (2) (puntos 21 y 31) manteniendo constante el campo
magnético externo debido al magneto 22, y encontrándose la zona de
calentamiento por el combustible nuclear (23), el cual esta
confinado configurando en forma de varilla concéntrica en el seno
del tubo del circuito (5) para calentar el ferrofluido (51) hasta
una T_{MC} > T_{IM}. Una vez el ferrofluido (51) atravesada
esta zona de magnetización y calentamiento (2) entra a la zona de
relajación térmica (punto 31) donde se sigue manteniendo el campo
magnético externo constante por el magneto (32), pero el ferrofluido
(51) pierde temperatura debido a un intercambio con el medio es
decir T_{RT} < T_{MC}. A continuación pasa por el punto (41)
donde entra inmediatamente a la zona de desimanación adiabática (4),
en la zona de desimanación adiabática (4) existe un blindaje
magnético (42) que aisla el fluido ferromagnético de los campos
magnéticos externos circundantes producidos por los magnetos (12,
22, 32) de las otras zonas (1, 2, 3), asegurando así una
desimanación adiabática con un cambio brusco en la temperatura, que
le hará descender hasta una temperatura inferior a la inicial
T_{DA} < T_{IM}. Esta zona de desimanación adiabática (4)
comprende una cámara de refrigeración principal (43) configurada por
la cavidad vacía entre el blindaje magnético (42) y el tubo del
circuito (5) de circulación, llenada con un refrigerante (44) que
baja su temperatura. Asociado se encuentra un circuito auxiliar (6)
de refrigeración que se encargara de refrigerio del microrreactor,
principalmente manteniendo los magnetos (12, 22, 32) a temperatura
lo mas baja posible. Este intercambio con el refrigerante del
circuito auxiliar (6) de refrigeración, hace que el ferrofluido (51)
en el circuito (5) principal suba su temperatura llegando hasta la
temperatura inicial
T_{DA} = T_{IM}. De esta manera se cierra el ciclo, el ferrofluido (51) repetirá la operación en un ciclo cerrado, cuya duración será determinada por el tipo de combustible nuclear (23) utilizado (periodo de desintegración radiactiva, densidad energética).
T_{DA} = T_{IM}. De esta manera se cierra el ciclo, el ferrofluido (51) repetirá la operación en un ciclo cerrado, cuya duración será determinada por el tipo de combustible nuclear (23) utilizado (periodo de desintegración radiactiva, densidad energética).
En la figura 1 se encuentra representada una
célula básica, mostrando el camino de imantación realizado por los
dominios magnéticos del ferrofluido (51).
En la figura 2, se observa un microrreactor
termomagnético que comprende un presionador termomagnético (7) de
regulación de su funcionamiento. Este presionador termomagnético (7)
está dispuesto en la zona de desimanación adiabática (4) con dos
tomas (71, 72) de conexión con el conducto del circuito (5) para la
estabilización del flujo del ferrofluido (51). Este presionador
termomagnético (7) está constituido por una cámara dividida por un
pistón doble (73) y un elemento elástico (74), tal como un muelle de
retorno. El conducto del circuito (5) de fluido ferromagnético
comprende dos válvulas (52, 53) antirretorno entre las que está
conectada la segunda subcámara del presionador termomagnético (7).
Las dos válvulas (52, 53) representan válvulas
anti-retorno con la dirección del flujo en el
sentido de la flecha inscrita en su interior, en la primera etapa,
figura 3 el ferrofluido (51) es calentado y su presión aumenta. El
ferrofluido (51) circula por el conducto del circuito (5)
atravesando las válvulas (52, 53). En una segunda etapa,
representado en la figura 4, la presión logra desplazar el pistón
(73) de su zona de equilibrio en dirección contraria a la presión
ejercida por el ferrofluido (51). En la tercera etapa, representada
en la figura 5, una vez el ferrofluido (51) se ha enfriado
bruscamente debido al aumento de velocidad (desimanación adiabática)
del mismo. En el final de la segunda etapa el pistón (73) vuelve a
su posición de equilibrio. Como las válvulas (52, 53) son
antirretorno el vacío dejado por el desplazamiento del pistón (73),
lo desplaza nuevamente a su posición de equilibrio y es llenada por
el fluido proveniente de la válvula (53) única dirección permitida,
ya que la válvula (52) no permite un contraflujo. De esta manera se
evita un contraflujo en el circuito (5). En la cuarta etapa,
representada en la figura 6, el presionador termomagnético (7) se
encuentra preparado para iniciar nuevamente el ciclo, si existiesen
variaciones en la velocidad del ferrofluido, lo que produciría una
deficiencia en la adiabaticidad en la desimanación y nuevamente un
aumento de temperatura, volviendo a la primera etapa.
Cualquier modificación es permitida dentro de
los criterios de la invención (e.g juegos de más válvulas) u otro
sistema que conserve el principio funcional de la invención. De esta
manera el presionador termomagnético (7) en principio garantiza
estados estacionarios en el flujo del circuito (5), pero podría
tomarse como una verdadera máquina de vapor sin intercambio de masa
con el medio ya que la descompresión del ferrofluido (51) no se debe
a escapes del circuito (5), sino a un descenso brusco de la
temperatura por la etapa de desimanación adiabática, por tanto
cualquier aprovechamiento como máquina de vapor aprovechando el
movimiento del pistón (73) es permitido dentro de la invención (e.g
producción eléctrica, movimiento de cigüeñales para producir
movimientos circulares), con tal de asegurar que el fluido pueda
fluir en una u otra dirección conservando una simetría geométrica.
Las válvulas antirretorno (52, 53) pueden cambiar su sentido en
función de la dirección de la corriente producida en el circuito
(5), esto es importante en situaciones donde el dispositivo funcione
bajo condiciones de convección natural. Existe la posibilidad que
éste presionador termomagnético (7) funcione con un fluido distinto
al ferrofluido (51) del circuito (5) cerrado principal, esto puede
hacerse en aras de conseguir fluidos que posean mayores coeficientes
de dilatación térmica, pero en este caso se tendrá que tener una muy
buena conductividad térmica para poder responder a los cambios de la
zona de desimanación adiabática en el circuito principal. Cualquier
mejora al respecto es permitida siempre respetando el principio de
la invención.
En una alternativa de realización representada
en la figura 7, el microrreactor puede estar formado por varias
células (8) nucleares termomagnéticas en paralelo formando una
batería junto con un único tramo de zona desimanación adiabática (4)
común.
Una vez descrita suficientemente la naturaleza
de la invención, así como un ejemplo de realización preferente, se
hace constar a los efectos oportunos que los materiales, forma,
tamaño y disposición de los elementos descritos podrán ser
modificados, siempre y cuando ello no suponga una alteración de las
características esenciales de la invención que se reivindican a
continuación.
Claims (12)
1. Microrreactor nuclear termomagnético, del
tipo de los que comprenden un circuito (5) cerrado de circulación de
un fluido con al menos una zona de calentamiento del fluido,
preferentemente por un combustible nuclear (23) y elementos de
obtención de energía eléctrica de dicha circulación,
caracterizado porque comprende una zona de imanación (1) de
un fluido con propiedades magnéticas, mediante un magneto (12), una
zona de magnetización y calentamiento (2) del fluido con un magneto
(22) y la zona de calentamiento, una zona de relajación térmica (3)
mediante un magneto (32) y una zona de desimanación adiabática (4),
obteniéndose producción eléctrica de la suma de fuerzas
electromotrices de los magnetos (12, 22, 32) de las zonas (1, 2 3);
y porque el fluido circulante es un ferrofluido (51).
2. Microrreactor, según la reivindicación 1,
caracterizado porque el ferrofluido (51) es una mezcla de
partículas ferromagnéticas nanoscópicas en un líquido solvente.
3. Microrreactor, según la reivindicación 1,
caracterizado porque el magneto (12) de la zona de imanación
(1) comprende uno o más imanes permanentes.
4. Microrreactor, según la reivindicación 1,
caracterizado porque la zona de calentamiento de la zona de
magnetización y calentamiento (2) comprende una varilla o elemento
radiactivo dispuesto en el centro del conducto del circuito (5).
5. Microrreactor, según la reivindicación 1,
caracterizado porque comprende unos blindajes magnéticos (42)
a la entrada y a la salida del conjunto de las zonas (1, 2, 3).
6. Microrreactor, según la reivindicación 1,
caracterizado porque la zona de desimanación adiabática (4)
comprende una cámara de refrigeración principal (43).
7. Microrreactor, según la reivindicación 1,
caracterizado porque alrededor de los magnetos (12, 22, 32)
de la zona de imanación (1), la zona de magnetización y
calentamiento (2) y la zona de relajación térmica (3) se encuentra
una circuito auxiliar (6) de refrigeración.
8. Microrreactor, según la reivindicación 1,
caracterizado porque comprende una configuración múltiple con
dos o más células (8) dispuestas en serie y/o en batería con una
zona de desimanación adiabática (4) común, estando cada célula (8)
constituida por una zona de imanación (1), zona de magnetización y
calentamiento (2) y zona de relajación térmica (3).
9. Microrreactor, según la reivindicación 1,
caracterizado porque el circuito (5) configurado por la zona
de imanación (1), zona de magnetización y calentamiento (2), zona de
relajación térmica (3) y zona de desimanación adiabática (4) es
simétrico.
10. Microrreactor, según la reivindicación 1,
caracterizado porque la zona de desimanación adiabática (4)
comprende un presionador termomagnético (7) constituido por una
cámara con un pistón (73) de desplazamiento interior, configurando
dos subcámaras, estando una subcámara conectada mediante una toma
(71) con la salida de la zona de relajación térmica (3) y la otra
subcámara conectada con una toma (72) un punto intermedio de la zona
de desimanación adiabática (4).
11. Microrreactor, según la reivindicación 10,
caracterizado porque el pistón (73) del presionador
termomagnético (7) está asociado a un elemento elástico (74) de
retroceso a una posición de reposo.
12. Microrreactor, según la reivindicación 10,
caracterizado porque el circuito (5) de fluido presenta unas
válvulas antirretorno (52, 53) en una posición anterior y posterior
de la conexión (72) del presionador termomagnético (7).
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200701734A ES2342864B1 (es) | 2007-06-22 | 2007-06-22 | Microrreactor nuclear termomagnetico. |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200701734A ES2342864B1 (es) | 2007-06-22 | 2007-06-22 | Microrreactor nuclear termomagnetico. |
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|---|---|
| ES2342864A1 true ES2342864A1 (es) | 2010-07-15 |
| ES2342864B1 ES2342864B1 (es) | 2011-05-23 |
Family
ID=42290094
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES200701734A Withdrawn - After Issue ES2342864B1 (es) | 2007-06-22 | 2007-06-22 | Microrreactor nuclear termomagnetico. |
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| Country | Link |
|---|---|
| ES (1) | ES2342864B1 (es) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5714829A (en) * | 1995-01-10 | 1998-02-03 | Guruprasad; Venkata | Electromagnetic heat engines and method for cooling a system having predictable bursts of heat dissipation |
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-
2007
- 2007-06-22 ES ES200701734A patent/ES2342864B1/es not_active Withdrawn - After Issue
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| ES2342864B1 (es) | 2011-05-23 |
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