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PROPIEDADES TERMODINAMICAS DEL SODIO 
PROYECTO OIEA NaPRO 
 
AzpitarteO.a, Japas M.L.b, Chocrón Mc, LemoJ.d, VazquezEe. 
a Comisión Nacional de Energía Atómica - Gerencia Reactores y Centrales Nucleares 
b,c Comisión Nacional de Energía Atómica - Gerencia Química 
d,eFacultad de Ingeniería – Universidad de Buenos Aires 
 
aazpitarte@cnea.gov.ar ,bmljapas@cnea.gov.ar,cchocron@cnea.gov.ar 
 
En el contexto de la cooperación internacional (proyectos INPRO y GIF) luego de 
una evaluación comparativa, se eligieron seis diseños para volcar en ellos esfuerzos 
coordinados de I&D. Los reactores seleccionados, conocidos como de IV 
Generación son: SFR: SodiumFast Reactor, reactor rápido refrigerado por sodio 
líquido, GFR: Gas Fast Reactor, reactor rápido , refrigerado por Helio, LFR: Lead 
Fast Reactor, reactor rápido refrigerado por plomo líquido, SCWR: 
SupercriticalWater Reactor, reactor refrigerado por agua supercrítica, VHTR: Very 
High Temperature Reactor, reactor térmico refrigerado por Helio a muy alta 
temperatura, MSR: Molten Salt Reactor, reactor cuyo combustible es una sal fundida 
de uranio disuelta en la sal fundida refrigerante. Posteriormente, el Grupo de 
Reactores Avanzados de C.N.E.A., en conjunto con otros sectores, elaboró una 
evaluación comparativa dela cual, resultó mejor posicionado el SFR, a los efectos de 
cumplir con los objetivos estratégicos generando entre otras tareas líneas de I&D 
asociadas locales. 
En línea con lo anterior y ante la convocatoria de OIEA, Argentina se presentó y fue 
aceptada para participar en el CoordinatedResearch Project: “SodiumProperties and 
SafeOperation of experimental facilities in support of thedevelopment and 
deployment of Sodiumcooledfastreactors (NAPRO)”, desde Noviembre de 2013. El 
proyecto contiene tres áreas de trabajo, de las cuales se participa en la primera: 
“Propiedades del Na, situación actual y datos faltantes. Generación de una base de 
datos, completa, consistente y actualizada”. 
Es necesario conocer las propiedades del Sodio como función de P y T 
fundamentalmente para los cálculos de refrigeración del combustible y transferencia 
de calor transportado por el refrigerante a los intercambiadores de calor intermedios 
con el circuito secundario (Evaluación de los números adimensionales relacionados: 
Re, Pr, Nu,etc) así como para el diseño de sistemas auxiliares del reactor 
(purificación, etc). La propuesta del OIEA incluyecompilar todos los datos 
disponibles, evaluarlos críticamente para generar una única base consistente, 
identificar faltantes y proponer experimentos para generar nuevos datos o reducir 
incertezas en los existentes, indicando los rangos de aplicación. 
Las propiedades asignadas a Argentina son: Presión de Vapor, Tensión Superficial, 
y una vez que se disponga de todos los conjuntos de propiedades y los datos hayan 
sido analizados, la obtención de una ecuación de estado y obtención de la Ecuación 
Fundamental. Estos dos últimos ítems fueron propuestos por Argenina y aceptados 
por los coordinadores del Proyecto en el OIEA.En el presente trabajo se describe la 
organización global del Proyecto y los avances locales al respecto de la metodología 
y análisis de las propiedades citadas. 
 
 
THERMODYNAMIC PROPERTIES OF SODIUM 
IAEA PROJECT NaPRO 
 
AzpitarteO.a, Japas M.L.b, Chocrón Mc, LemoJ.d, VazquezEe. 
a Comisión Nacional de Energía Atómica - Gerencia Reactores y Centrales Nucleares 
b,c Comisión Nacional de Energía Atómica - Gerencia Química 
d,eFacultad de Ingeniería – Universidad de Buenos Aires 
aazpitarte@cnea.gov.ar,bmljapas@cnea.gov.ar, cchocron@cnea.gov.ar 
 
In the framework of the international cooperation (INPRO and GIF projects), and after 
a selection process, six reactor designs were selected in order to concentrate the 
coordinated efforts of R&D. Those reactors, known as Generation IV reactors, are: 
the SFR: Sodium Fast Reactor, fast reactor cooled by liquid Sodium, GFR: Gas Fast 
Reactor, fast reactor cooled by Helium, LFR: Lead Fast Reactor, fast reactor cooled 
by liquid Lead, SCWR: Supercritical Water Reactor, reactor cooled by supercritical 
water, VHTR: Very High Temperature Reactor, thermal reactor cooled by Helium at 
very high temperature, MSR: Molten Salt Reactor, reactor in which the fuel is an 
Uranium molten salt dissolved in a cooling molten salt. Afterwards, the Group of 
Advanced Reactors of C.N.E.A., together with other groups, produced a comparative 
assessment, in which the SFR was selected as the best choice in order to fulfill the 
strategic objectives, generating local associated R&D lines. 
In accordance with the previous paragraph, and responding to the invitation call of 
IAEA, Argentina expressed its interest and was accepted to participate in the 
Coordinated Research Project: “Sodium Properties and Safe Operation of 
experimental facilities in support of the development and deployment of Sodium 
cooled fast reactors (NAPRO)”, since November of 2013. The project includes three 
work packages, and we participate only in the first one: “Properties of Na, present 
status and gaps. Generation of a complete, consistent and updated database”. 
It is necessary to have a complete knowledge of the properties of Sodium as a 
function of P and T, essentially for the calculations of the fuel coolant and the heat 
transfer by the coolant to the intermediate heat exchangers with the secondary loop 
(evaluation of the related non-dimensional numbers: Re, Pr, Nu, etc..), so as to the 
design of the auxiliary systems of the reactor (purification, etc..). The proposal of the 
IAEA intends to compileall the available data sets, and perform a critical assessment 
in order to generate one consistent database, identify gaps and propose experiments 
in order to generate new sets of data or reduce the uncertainties in the already 
existing, indicating the ranges of application. 
The properties assigned to Argentina were the Saturation Vapor Pressure and the 
Surface Tension, and after all the properties are available, and their data sets 
analyzed, the obtaining of an Equation of State and of a Fundamental Equation for 
Sodium. These two last items were proposed by Argentina and accepted by the 
coordinators of the project. 
In the present work we describe the global organization of the Project and the local 
progresses regarding the methodology and the analysis of the mentioned properties. 
 
 
 
Introducción 
Con el aumento estimado del consumo de energía en el siglo XXI, en el cual se 
espera que el aporte de origen nuclear mantenga el valor actual (16 %) e 
incremente su participación se excedería el consumo de uranio natural disponible y 
de sus reservas estimadas [1]. En tal sentido si es necesario aumentar la 
contribución nuclear a la generación de energía considerando la resistencia a la 
proliferación y reducción en la generación de residuos (sustentabilidad), se deben 
superar las limitaciones de los reactores nucleares (RN) actualmente en operación, a 
saber:reactores refrigerados por agua liviana y pesada presurizados LWR (PWR y 
PHWR) y reactores de agua en ebullición (BWR) con temperaturas (en la salida del 
reactor) menores a 350 ºC, relativamente baja eficiencia del ciclo térmico y espectro 
de neutrones térmicos que limita el coeficiente de conversión de material físil a un 
valor menor a la unidad (CR ~ 0,6). 
Atendiendo a lo anterior se iniciaron dos proyectos internacionales : INPRO-IAEA 
(Organismo Internacional de Energía Atómica) en el año 2000 y GIF (Generation IV 
International Forum) en el año 2001 en los cuales participó o participa nuestro país 
para evaluar conceptos de reactores y su viabilidad técnico-económica [2]. 
De ellos se concluyó que los reactores denominados de cuarta generación o GIV 
deben cumplir las siguientes metas: 
1.Sustentabilidad:Generar energía sustentable facilitando la disponibilidad de 
combustible nuclear a largo plazo y Minimizar los residuos y la carga derivada de su 
almacenamiento.2.Seguridad y confiabilidad:Destacarse en seguridad y confiabilidad. presentar muy 
baja probabilidad de daño al núcleo. Eliminar al necesidad de evacuación fuera del 
recinto de la planta. 
3.Economía:tener un costo de ciclo menor al de otras fuentes de energía. Tener un 
riesgo financiero comparable al de otras fuentes de energía. 
4.Resistencia a la Proliferación y Seguridad Física:constituir una ruta poco atractiva 
para el robo o derivación de material utilizable para armas nucleares. 
En el contexto de la cooperación internacional (INPRO y GIF) luego de un proceso 
de selección se eligieron seis diseños para volcar en ellos esfuerzos coordinados de 
I&D. Los reactores seleccionados, conocidos como de IV Generación son: 
-SFR: SodiumFast Reactor, reactor rápido refrigerado por sodio líquido. 
-GFR: Gas Fast Reactor, reactor rápido , refrigerado por Helio. 
-LFR: Lead Fast Reactor, reactor rápido refrigerado por plomo líquido 
-SCWR: SupercriticalWater Reactor, reactor refrigerado por agua supercrítica 
-VHTR: Very High Temperature Reactor, reactor térmico refrigerado por Helio a muy 
alta temperatura 
-MSR: Molten Salt Reactor, reactor cuyo combustible es una sal fundida de uranio 
disuelta en la sal fundida refrigerante. 
Entre las principales características de estos diseños se pueden citar: 
-Espectro de neutrones rápido que facilita la trasmutación de actínidos, lo que 
redunda en una reducción del volumen y toxicidad de los residuos. 
 
 
-Factor de conversión cercano a 1, lo que los hace autosustentables en lo que se 
refiere a consumo del material físil. 
-Ciclo de combustible cerrado, lo que permite hacer un uso más racional de los 
recursos naturales de material físil y fértil. 
-Sistemas de seguridad inherentemente pasivos. 
-Temperaturas de operación mayores que las de los reactores actuales, lo cual 
permite una mayor eficiencia del ciclo térmico y otras aplicaciones como generación 
de Hidrógeno o calor para procesos. 
Aspectos Específicos: 
De lo anterior, el Grupo de Reactores Avanzados de C.N.E.A., en conjunto con otros 
sectores, tomando en cuenta la metodología del INPRO y los siguientes criterios: 
1.Viabilidad del concepto 
2.Seguridad nuclear y diseño 
3.Economía 
4.Sustentabilidad 
5.Resistencia a la proliferación 
6.Combustible 
7.Materiales 
8.Reprocesamiento 
9.Ciclo Térmico 
elaboró una evaluación comparativa de la cual, resultó mejor posicionado el SFR, a 
los efectos de cumplir con los objetivos estratégicos de C.N.E.A. generando entre 
otras tareas líneas de I&D asociadas locales [3]. 
 
Proyecto con el Organismo Internacional de Energía Atómica: 
En línea con lo anterior y ante la convocatoria de OIEA, Argentina se presentó y fue 
aceptada para participar en el CoordinatedResearch Project: “SodiumProperties and 
SafeOperation of experimental facilities in support of thedevelopment and 
deployment of Sodiumcooledfastreactors (NAPRO)”, desde Noviembre de 2013. 
El proyecto contiene tres áreas de trabajo, de las cuales se participa en la primera: 
-Propiedades del Na, situación actual y datos faltantes. Generación de una base de 
datos, completa, consistente y actualizada. 
-Facilidades de Na, operación, buenas prácticas y guías. 
 
 
-Facilidades de Na, seguridad de operación. 
Para la presentación se constituyó un grupo de trabajo formado por el DrO. Azpitarte 
como representante (Ing.Nuclear), la Dra. M.. L. Japas (Termodinámica), el Dr. M. 
Chocron (Química y Procesos) y el Dr. R. Fernández Prini como referente. Se 
incorporaron dos alumnos avanzados de Ingeniería Química para participar en el 
trabajo (Sres. J.Lemo y E.Vazquez). 
Los otros países participantes son: Alemania, China, Corea del Sur, Francia, 
Holanda, India, Japón, Rusia y USA. 
Propiedades del Na 
Es necesario conocerlas como función de la presióny la temperatura, 
fundamentalmente para los cálculos de refrigeración del combustible y transferencia 
de calor transportado por el refrigerante a los intercambiadores de calor intermedios 
con el circuito secundario (evaluación de los números adimensionales relacionados: 
Re, Pr, Nu,etc) así como para el diseño de sistemas auxiliares del reactor 
(purificación, etc). La propuesta inicial del IAEA pretende compilar todos los datos 
disponibles, realizar su evaluación crítica para generar una única base consistente, 
identificar faltantes y proponer experimentos para generar nuevos datos o reducir 
incertezas en los existentes, indicando los rangos de aplicación. Un antecedente de 
compilación de propiedades se presenta en [4-5]. 
Las propiedades se clasificaron en físicas (termodinámicas y de transporte) y 
químicas. Las Tablas I y II detallan (ya consensuadas con los otros países 
miembros) previo barrido de la bibliografía las presentan. 
Las propiedades asignadas a Argentina son: la Presión de Vapor y la Tensión 
Superficial. A propuesta de Argentina se agregó la obtención de la Ecuación 
Fundamental (una vez quese disponga de todos los conjuntos de propiedades y los 
datos hayan sido analizados) y de una Ecuación de Estado derivada de la anterior. 
Metodología 
Colección y gestión preliminar de los datos 
Las propiedades, seleccionadas en base a su utilidad para el diseño y en acuerdo 
con los países miembros, se distribuyeron según lo indicado arriba. Además se creó 
un sitio NAPRO CRP SharePoint (ArgonneNationalLaboratory) que proporciona una 
ubicación central para el intercambio de documentos, y para la gestión, 
comunicación y organización del proyecto: Asimismo, se actualizó la base de datos y 
se seleccionó un informe de ANL del año 1995 [6] como Referencia Principal. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Tabla I 
Physicalproperties 
 
Thermodynamic 
properties 
Name Function of Units 
Normal melting 
point 
 
T 
P or P = 1 atm 
K 
Volume change 
at melting and 
solidification 
 
T = melting point 
P or P= 1 atm 
m3/kg 
Heat of fusion 
at the normal 
melting point 
 
T= melting point 
P or P= 1 atm 
J/kg 
Boiling point 
 
T 
P or P= 1 atm 
K 
Heat of 
vaporisation at 
the normal 
boiling point 
 
T=boiling point 
P or P=1 atm 
J/kg 
Saturation 
vapour 
pressure 
 
T Pa 
Surface tension 
 
T 
P or P=1 atm 
N/m 
Density 
 
T 
P or P=1 atm 
kg/m3 
Thermal 
expansion 
 
T 
P or P=1 atm 
1/K 
Heat capacity 
 
T 
P or P= 1 atm 
J/kg.K 
Sound velocity 
Compressibility 
 
T 
P or P=1 atm 
m/s 
Critical 
constants 
Tc 
Pc 
K 
Pa 
Equation of 
state 
T 
P 
 
Transport 
properties 
Thermal 
conductivity 
T 
P or P=1 atm 
W/m.K 
Thermal 
diffusivity 
 
T 
P or P=1 atm 
m2/s 
Viscosity 
 
T 
P or P=1 atm 
kg/m.s 
Electrical 
resistivity 
 
T 
P or P=1 atm 
Ω.m 
Emissivity 
 
T - 
Magnetic 
susceptibility 
T - 
 
 
 
Tabla II 
 
Opciones para representar las propiedades termodiná micas del Sodio 
 
1.Ajustar cada propiedad mediante ecuaciones individuales. Como se mencionó y 
luego de intercambio de opiniones, a Argentina se le asignaron para su análisis la 
tensión Superficial y la Presión de Vapor. 
2.Ajustar los coeficientes de una ecuación de estado óEoS a un grupo de 
propiedades y datos disponibles (ρ, T,P) derivada de la anterior. En forma separada 
representar propiedades térmicas (h, s, Cp, Cv, etc). 
3.Ajustar los coeficientes de una Ecuación Fundamental ó FE (ej. Energía Libre de 
Helmholtz, F) a todos los datos termodinámicos disponibles [7]. En este caso la F del 
Sodio se ajustará mediante datos experimentales de sus propiedades. Luego 
variables tales como ρ, Pv, Cp, Cv, βT, βP, vs, λ, serán obtenidas de F. 
La información contenida en la FE contiene todos los datos necesarios para derivar 
otras propiedades con lo cual las mismas serán termodinámicamente consistentes. 
La FE se ha usado previamente para formular las propiedades termodinámicas de 
muchas sustancias suministrando una representación coherente [7]. 
Ventajas: como se indicó las propiedades derivadas de la FE son 
termodinámicamente consistentes. Otras propiedadesderivadas a lo largo de 
distintas rutas pueden obtenerse (u, h,s, Cp, Cv, Cp/Cv, βT, βP, coef. JT, λ ). 
Desventajas: la representación será tan buena como los datos disponibles (como es 
usual) y depende del espacio de datos experimentales de que se dispone. 
 
Chemical 
properties 
- Metallic solubilities in Na (Fe, Cr, Ni, Mo, Si) T Kg/Kg - ppm 
- Non metallicdiffusivities in Na T m2/s 
- Non Metallic solubilities in Na (O, C, N) T 
Partial Pressure 
Kg/Kg - ppm 
- Thermodynamic Stability (oxides, ternary 
oxides…) 
T 
Weight fraction 
 
- Oxidation Kinetics T 
O2Concentration 
Partial Pressure 
Composition 
mol / (m
3
 s) 
mol / (m
2
 s) 
- Dissolution kinetics 
- (metal-metal) 
T 
(Pressure) 
Composition 
mol / s 
mol / m
2
 s 
- Crystallization kinetics T 
Composition 
mol / m
3
 s 
- Reaction kinetics (with water) T 
Water Concentration 
Partial Pressure 
mol / m
3
 s 
- Carbonation kinetics T 
CO2 Concentration 
Partial Pressure 
mol / m
3
 s 
 
 
Resultados y discusiones 
Para ambas variables se prepararon hojas de cálculo donde se consignaron: La lista 
de publicaciones, autores y año, tipo de publicación, tipo de datos, rango de validez, 
método de medición, errores, pureza de la muestra, incerteza, disponible en CNEA, 
disponibilidad electrónica.Luego para cada publicación se realizó, en una hoja 
específica, su análisis y comentarios considerando referencias, datos e incerteza, 
rango de validez, métodos de medición y forma de correlación propuesta. 
Los resultados se enviaron a los Coordinadores en plazo el 30 de Septiembre de 
2014. Según respuesta, el análisis fue considerado bien realizado y completo por el 
OIEA. 
 
Tensión superficial ( σσσσ) 
Luego de agrupar y analizar todos los datos publicados no incluidos en [6], se 
encontró que: 
1.Existe una vacancia de información entre 1600 K y 2503,7 K. 
2.La formulación presentada en [6] está basada en la ecuación de van der Waals 
para σ, que garantiza que la misma tiende a cero en el Punto Crítico y emplea dos 
parámetros ajustables: σ0 y µ (240,5 mN/m y 1.126 respectivamente). 
σ � σ��
����
��
�	 (1) 
3.No obstante si se emplea la teoría del Fenómeno Crítico que proporciona el valor 
del exponente µ en términos de otras dos magnitudes, con lo cual si: 
µ = 2 - α - ν (2) 
conα = 0,11 , ν = 0,63 resultando µ = 1,26 se tiene: 
 � 
o�
��1 � ��� (3) 
Con σo y b como parámetros ajustables. 
 σ= tensión superficial 
 
 
 
τ � �
����
��
� (distancia reducida al punto crítico) 
T = Temperatura Absoluta (en K) 
Tc = 2503,7 K 
σ� = 235.8 mN/m 
b = 0.1938 
µ = 1.26 
Los resultados de la regresión proporcionada por la Ecuación 3, línea magenta, son 
prácticamente idénticos a los de la Referencia [6], línea negra (Figura 1). 
 
Figura 1 
 
Presion de Vapor 
1.Todos los datos experimentales de la literatura fueron considerados en [6]. Los 
trabajos posteriores son compatibles con [6] y se presentan en la Figura 2. 
2.La información entre 850 K – 2000 K es satisfactoria y permite obtener el punto de 
ebullición normal y el calor de vaporización (de la Ecuación de Clausius – 
Clapeyron). 
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
0
50
100
150
200
250
Fink & Leibowitz
Fink & Leibowitz (extrapolated)
Roehlich
Bodhansky
Addison 1955
Chowdhury
Solovev
Germer
Taylor
Equation 3 (NaPro - CAC)
Equation 3 (NaPro - CAC) extrapolated
 
 
3.No existen datos para valores inferiores. Se pueden hacer extrapolaciones con 
incerteza menor a 1 kPa. 
 
 
 
Figura 2 
 
Conclusiones 
Como conclusión de este artículo se puede afirmar que el objetivo del 
CoordinatedResearch Project NAPRO, en lo que se refiere a las propiedades 
termodinámicas asignadas a CNEA (Tensión Superficial y Presión de Vapor), se ha 
cumplido íntegramente, habiéndose llegado a concluir que la publicación principal 
(Fink&Leibowitz, 1995, [6]) es aceptable en todo el rango de validez planteado, y que 
todas las publicaciones posteriores encontradas son compatibles con ella. En cuanto 
a Tensión Superficial, se detectó un rango de temperatura (de 1600 ◦C a 
temperatura crítica ∼ 2503 ◦C) donde se carece de datos experimentales y solo se 
cuenta con extrapolaciones basadas en el hecho de que la tensión superficial se 
anula a la temperatura crítica. 
Una vez establecida por parte del OIEA la metodología de trabajo y la forma de 
presentar los resultados, comenzó para CNEA la etapa que más tiempo y esfuerzo 
demandó, que fue la búsqueda y análisis de toda la bibliografía disponible sobre el 
tema específico que le fue asignado. Se puede concluir al respecto, que los 
principales trabajos experimentales fueron llevados a cabo entre los años 1950 y 
1990, que fue la etapa de diseño de los primeros reactores de sodio en el mundo. 
Los trabajos posteriores a ese período han sido, generalmente, recopilaciones de 
esos datos experimentales o propuestas de correlaciones que los aproximan. 
1,00E-11
1,00E-10
1,00E-09
1,00E-08
1,00E-07
1,00E-06
1,00E-05
1,00E-04
1,00E-03
1,00E-02
1,00E-01
1,00E+00
1,00E+01
1,00E+02
0 500 1000 1500 2000 2500
Lo
g
 P
 (
M
P
a
)
T (K)
F & L
Kubaschewski
Ewing
Hultgren
Vargaftik
Kirillov
Mozgovoi
Kazenas
Cacuci
 
 
Cabe, en el futuro, aplicar la información reunida sobre todas las propiedades 
termodinámicas, a la obtención de una ecuación de estado y de una ecuación 
fundamental del sodio. 
 
 
Agradecimientos 
Se agradece al OIEA por la invitacióna participar en el presente CRP, a los 
coordinadores y demás participantes por la colaboración prestada. 
Referencias 
[1] Assessment of Nuclear Energy systems based on close fuel cycle and fast 
reactors. IAEA Tecdoc 1639. 2010. 
[2] Guidance for the evaluation of innovative nuclear reactors an fuel cycles. IAEA 
Tecdoc 1362.2003. 
[3] Azpitarte O. y col. Evaluación comparativa de los seis reactores seleccionados en 
el marco del proyecto GIF. C.N.E.A., Dic. 2012. 
[4] Takamichi I. and Roderick I.Il. G., The Physical Properties of Liquid Metals, 
Oxford Science Publications, 1993. 
[5] Sobolev V., Database of Thermophysical Properties of Liquid Metal Coolants for 
Gen-IV: Sodum, Lead and Lead-Bismuth eutectic. SCK-CEN, Belgium, Dec. 2011. 
[6] Fink and Leibowitz . Thermodynamic and Transport Properties of Sodium Liquid 
and Vapor -. ANL 95/2 , 1995. 
[7] IAPWS. Revised Release on the IAPWS Formulation 1995 for the Themodynamic 
Properties of Ordinary Water Substance for General and Scientific Use. The 
International Association for the Properties of Water and Steam, Sept. 2009.