ES2201745T3 - Elemento absorbente de radiaciones y barra de control. - Google Patents
Elemento absorbente de radiaciones y barra de control.Info
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Abstract
Cuerpo absorbente, dispuesto para absorber energía en un reactor nuclear, en el que el cuerpo absorbente es alargado y presenta dos extremos, y comprende por lo menos dos zonas (2, 3, 4) de grosor localmente reducido, caracterizado porque una de tales zonas de grosor localmente reducido (2, 3) está situada en cada uno de los dos extremos del cuerpo absorbente.
Description
Elemento absorbente de radiaciones y barra de
control.
La presente invención se refiere a un cuerpo
absorbente dispuesto para absorber radiaciones en un reactor de
energía nuclear, el cuerpo absorbente es alargado y presenta dos
extremos y comprende por lo menos dos zonas de grosor localmente
reducido. Tales cuerpos absorbentes son ya bien conocidos dentro de
la tecnología de la energía nuclear. Están dispuestos para situarse
en las barras de control, mediante las cuales se controla la
irradiación del combustible nuclear en el núcleo del reactor. De
este modo los cuerpos absorbentes están frecuentemente constituidos
por barras relativamente pequeñas de, por ejemplo, carburo de boro
que están situadas en taladros dispuestos en las aletas de dichas
barras de control. Normalmente, en los correspondientes taladros de
las aletas de las barras de control se disponen, extremo por
extremo una tras otra, una pluralidad de tales barras de cuerpos
absorbentes. Los taladros se sellan posteriormente de tal manera que
los cuerpos absorbentes quedan encerrados herméticamente dentro de
las barras de control.
Durante el funcionamiento del reactor de energía
nuclear, la misión de los cuerpos absorbentes es absorber las
radiaciones de neutrones que se producen en la misma. El material
del cuerpo absorbente normalmente utilizado, carburo de boro, se
dilata al cabo de un cierto tiempo de exposición a dicha radiación.
La dilatación del cuerpo absorbente se producirá en dirección tanto
axial como radial.
La radiación no se distribuye uniformemente por
todo el cuerpo absorbente. Por ejemplo, los extremos del cuerpo
absorbente estarán expuestos a mayor radiación que las otras
partes del mismo. La razón de ello es que la radiación, es decir los
neutrones, pueden incidir contra la superficie descubierta del
extremo del cuerpo absorbente la cual se dilatará como
consecuencia. Ese mayor flujo de neutrones contra el cuerpo
absorbente se manifiesta particularmente en los extremos de los
cuerpos absorbentes que encuentran situados en los extremos de la
serie de una pluralidad de cuerpos absorbentes situados unos tras
otros.
Además, la intensidad de la radiación es
normalmente distinta en distintos lados del cuerpo absorbente.
Cuando el cuerpo absorbente está formado por una barra alargada que
por tanto quedará expuesta a un mayor flujo de neutrones contra una
parte de su superficie envolvente, la barra se dilatará, es decir
aumentará más de volumen a lo largo de dicha parte. Esta
circunstancia puede provocar la flexión de la barra. Esta flexión
puede llegar a ser de tal importancia que la barra absorbente
llegue a hacer tope y a ejercer presión contra la pared de la barra
de control que la rodea. La barra de control está formada
normalmente de acero con tendencia a sufrir corrosión por tensiones.
La flexión de la barra absorbente produce, por tanto un riesgo de
formación de grietas por corrosión por tensiones en la pared de la
barra de control que rodea la barra absorbente.
Además, este fenómeno se acentúa por la mayor
dilatación que se produce localmente en los extremos de las barras
absorbentes.
En los cuerpos absorbentes existe el denominado
efecto de sombra, es decir, que las zonas periféricas del cuerpo
absorbente tienen tal capacidad de absorción de radiaciones que
sólo permiten llegar a la parte central del cuerpo una pequeña
cantidad de las mismas. El centro de los cuerpos absorbentes estará
expuesto, por tanto, a una cantidad de radiaciones menor que las
zonas periféricas. Por tanto entre las partes central y
periféricas, se producirán tensiones, al estar estas últimas están
sometidas a una dilatación mayor. En el peor de los casos, las
tensiones en dirección axial pueden ser de tal magnitud que
produzcan la rotura de la barra absorbente. Según experiencias, una
barra maciza se rompería en pedazos cuya longitud corresponde
sustancialmente al diámetro de la barra. Una tal división de una
barra absorbente en una pluralidad de trozos no es deseable.
El propósito de la presente invención es la
obtención de un cuerpo absorbente de forma tal que se reducen o
eliminan totalmente los inconvenientes mencionados. El cuerpo
absorbente debe también ser simple y de bajo coste de
producción.
Este propósito se consigue mediante un cuerpo
absorbente tal como se ha definido anteriormente, que se
caracteriza porque por lo menos una de las mencionadas zonas de
grosor localmente reducido se encuentra situada los extremos del
cuerpo absorbente. Dotando al cuerpo absorbente de una tal zona, se
crea en la misma un espacio de dilatación localizado. La zona puede
estar dispuesta de tal manera que permita que la dilatación del
cuerpo absorbente se produzca precisamente en la periferia, con lo
cual se reducen las tensiones entre el centro de cuerpo absorbente
y su periferia, evitándose la rotura del cuerpo absorbente
originada por esas tensiones. Mediante una situación apropiada de
dicha zona también puede reducirse la tendencia a la flexión del
cuerpo debida a una distribución desigual de la radiación. La zona
de grosor localmente reducido también puede presentar una forma y
una extensión tales que el cuerpo absorbente tienda a romper por
esta zona si todavía flexiona debido a una desigual distribución de
la radiación de tal manera que llegue a ejercer presión contra las
paredes de la barra de control que le rodea. De esta manera puede
reducirse o eliminarse totalmente la formación de grietas por
tensiones de corrosión en la pared de la barra de control causada
de la forma que se ha explicado anteriormente.
Según una forma de realización preferida, por lo
menos una zona de grosor localmente reducido viene determinada por
un rebaje por lo menos, que se dispone en la superficie exterior
del cuerpo absorbente. Mediante la disposición de un rebaje, la zona
puede estar muy localizada y formarse un espacio de dilatación
profundamente marcado. Por tanto el rebaje define un espacio en el
cual las partes exteriores del cuerpo absorbente pueden dilatarse
cuando se expone a un mayor flujo de neutrones que el centro del
cuerpo absorbente. Un rebaje también es fácil de producir en la
fabricación del cuerpo absorbente.
Según otra forma de realización preferida, el
cuerpo absorbente es alargado y dicho por lo menos un rebaje se
extiende transversalmente con respecto a la dirección longitudinal
del cuerpo absorbente. Al extenderse el rebaje de este modo, se hace
posible una dilatación axial de la parte periférica del cuerpo
absorbente.
Según otra forma de realización preferida, dicho
por lo menos un rebaje se extiende a modo de un bucle anular
cerrado en torno a la periferia del cuerpo, con ello se hace
posible una dilatación de la parte periférica del cuerpo absorbente
sobre la totalidad de la sección transversal del mismo en donde se
encuentra situado el rebaje. Este rebaje puede realizarse de manera
simple con una profundidad tal que el centro del cuerpo en esta zona
se debilite hasta el punto de que el cuerpo llegue a romper por ese
punto cuando sea expuesto a esfuerzos de flexión, como sucede
cuando es sometido a radicaciones desigualmente distribuidas
llegando a ejercer presión contra la pared de la barra de control
que lo rodea. Cuando el cuerpo absorbente es una barra es
indiferente la posición de giro en que se introduce en el taladro
receptor de la aleta de la barra de control, puesto que un rebaje
dispuesto de esta forma permitirá una dilatación axial de la parte
periférica del cuerpo sobre la totalidad de la sección transversal
del mismo.
Según otra forma de realización preferida, dicho
por lo menos un rebaje cubre aproximadamente del 2 al 15% del área
total de dicha superficie exterior, preferiblemente, del 5 al 10%.
Para una barra absorbente típica de una longitud de unos 100 mm y un
diámetro de unos 5 mm se crea con ello un espacio de dilatación
suficiente para las partes periféricas de la barra en dirección
axial, al propio tiempo, como el rebaje o rebajes constituyen una
parte tan pequeña del área de la superficie exterior y del volumen
del cuerpo, no se produce una significativa reducción de su
capacidad de absorción.
Según otra forma de realización preferente, el
cuerpo absorbente presenta sustancialmente forma de barra y dicha
superficie exterior es su superficie envolvente.
La provisión de una o más zonas del cuerpo
absorbente con grosor reducido, esto es, de diámetro reducido,
proporciona una solución particularmente buena para el problema al
que la invención se refiere.
Según otra forma de realización preferida, la
relación entre la profundidad d de dicho rebaje y el grosor t del
cuerpo absorbente en la zona del rebaje es
d/t < 0,40, preferiblemente d/t < 0,35. Con una profundidad mayor que las indicadas se obtiene, en algunos casos, una indeseable debilidad del cuerpo absorbente en aquellas zonas en las que se reduce el grosor. La relación d/t debe ser, además, mayor que 0,02 para que los rebajes ejerzan las funciones que se han descrito. Uno o más de los rebajes deben ser tales que puede disponerse una profundidad también menor de 0,02, pero entonces su misión es totalmente diferente, se trata principalmente de posiciones de iniciación de rotura de la barra en donde puede interesar que se produzca la rotura.
d/t < 0,40, preferiblemente d/t < 0,35. Con una profundidad mayor que las indicadas se obtiene, en algunos casos, una indeseable debilidad del cuerpo absorbente en aquellas zonas en las que se reduce el grosor. La relación d/t debe ser, además, mayor que 0,02 para que los rebajes ejerzan las funciones que se han descrito. Uno o más de los rebajes deben ser tales que puede disponerse una profundidad también menor de 0,02, pero entonces su misión es totalmente diferente, se trata principalmente de posiciones de iniciación de rotura de la barra en donde puede interesar que se produzca la rotura.
Según otra forma de realización preferida, una
pluralidad de rebajes se encuentra a una distancia entre sí como
puede verse en dirección longitudinal del cuerpo. Se evita de ese
modo que se desarrollen tensiones entre las partes periféricas del
cuerpo y su parte central debido a la mayor cantidad de radiación y
la mayor dilatación a la que se expone la parte periférica del
cuerpo absorbente con respecto a su centro. La anchura de los
rebajes se regula ventajosamente con respecto a la distancia entre
los mismos, de tal forma que la anchura total que definen
conjuntamente los rebajes constituyan aproximadamente del 2 al 15%,
preferiblemente del 5 al 10% de la longitud del cuerpo absorbente
cuando presenta la forma de una barra de sección arbitraria.
Según otra forma de realización, el cuerpo
absorbente es alargado y dicha zona está localizada en, por lo
menos, uno de sus extremos. Situando la zona de grosor reducido en
por lo menos uno de los extremos de dicho cuerpo alargado, se crea
un espacio para la dilatación en ese extremo. Como el cuerpo
absorbente se halla expuesto a una radiación más elevada en el
extremo, y por tanto está sometido a una mayor dilatación en esa
zona, con esta característica se evita que el cuerpo se dilate
tanto en dirección radial en el extremo que llegue a generar
esfuerzos de presión contra la pared de la barra de control que le
rodea. La zona del extremo no será tan crítica, a este respecto,
cuando el cuerpo absorbente, por estar sometido a una radiación
desigualmente distribuida llegue a flexionar. La reducción del
grosor en esta zona se ajusta adecuadamente de tal forma que,
durante su vida, el grosor del cuerpo en esta zona nunca se dilate
de forma desproporcionada con respecto a las partes restantes del
cuerpo absorbente. Con la provisión de la zona de grosor reducido en
dicho extremo, es posible en el caso del carburo de boro evitar el
uso de un cilindro de hafnio que se sitúa según la tecnología
anterior en la parte más exterior del canal en el que se encuentran
situados el cuerpo o los cuerpos absorbentes con objeto de suprimir
el flujo de neutrones contra el extremo más exterior de la barra
absorbente.
Según otra forma de realización preferida esta
zona se define por una conicidad del cuerpo en dicho extremo. Dicha
conicidad proporciona, entre otros efectos, una regulación gradual
del grosor del cuerpo absorbente hasta su extremo, en donde presenta
por tanto su menor dimensión, y en donde el cuerpo está sometido a
la mayor dilatación en dirección radial, por sufrir un flujo de
neutrones mayor.
La invención también se refiere a una barra de
control para un dispositivo de energía nuclear, barra de control
que se caracteriza porque incluye por lo menos un cuerpo absorbente
de las características mencionadas. Otras ventajas y características
de la invención se pondrán más claramente de manifiesto por las
restantes reivindicaciones dependientes y por la siguiente
descripción.
La invención se describirá a continuación a
título de ejemplo no limitativo haciendo referencia a los dibujos
adjuntos, en los cuales:
la Fig. 1, es una vista lateral de un cuerpo
absorbente según la invención,
la Fig. 2, es una vista lateral de un detalle del
cuerpo absorbente a escala ampliada,
la Fig. 3, es una vista en sección transversal
por la línea III-III de la Fig. 1, y
la Fig. 4, es una vista esquemática en
perspectiva de una barra de control según la invención.
En las Figuras 1 a 3 se representa un cuerpo
absorbente según una forma de realización de la invención. El
cuerpo absorbente 1 está formado por una barra de un material
absorbente de neutrones, en este caso carburo de boro, B_{4}C, de
una longitud de aproximadamente 100 mm, y un grosor t de un orden
de magnitud de 5 a 6 mm a lo largo de la mayor parte de su longitud
y de un grosor reducido del orden de los 5 mm en sus dos extremos.
Como puede apreciarse claramente en la Fig. 3, el cuerpo absorbente
1 es de sección transversal sustancialmente circular cuyo grosor t
es el diámetro.
El cuerpo absorbente 1 comprende una pluralidad
de zonas 2, 3, 4 de grosor localmente reducido. Dos de dichas zonas
2, 3 se encuentran situadas en los extremos opuestos del cuerpo
absorbente 1. Las zonas 2, 3 están definidas por una conicidad del
cuerpo absorbente 1 de forma que su grosor se reduce hacia los
respectivos extremos. La longitud 1 de las zonas 2, 3 corresponde
sustancialmente al grosor del cuerpo absorbente 1. La longitud
1 de las zonas 2, 3 es, por tanto, en este caso del orden de
magnitud de los 5 mm. Sin embargo pueden darse considerables
desviaciones de estas medidas. En consecuencia, la máxima reducción
del grosor de estas zonas 2, 3 puede ser de un orden de magnitud
del 2 al 20%, preferiblemente del 5 al 15% y más preferiblemente del
7 al 12%. La longitud l de las zonas 2, 3 puede ser del orden de
magnitud de 0,25 x t a 2 x t, preferiblemente de 0,5 x t a 1,5 x t,
y más preferiblemente de 0,7 x t a 1,2 x t. Las zonas 2, 3 no
tienen que ser definidas necesariamente por una conicidad del cuerpo
absorbente 1, sino que también podrían ser definidas por una
reducción escalonada del grosor del cuerpo
absorbente 1.
absorbente 1.
En el cuerpo absorbente 1 también se encuentra
una pluralidad de otras zonas 4 de grosor reducido. Estas zonas 4
vienen definidas por unos rebajes o muescas 4 cada una de las
cuales se extiende en torno a la periferia del cuerpo absorbente 1
por lo que definen unas muescas circulares en el mismo. En cada
rebaje 4 del cuerpo absorbente 1 existe por tanto una garganta
profundamente marcada que presenta un grosor reducido con respecto
a la zona vecina más próxima 5 del cuerpo absorbente 1. La distancia
entre los rebajes 4 puede variar y puede ser por ejemplo de un
orden de magnitud de 0,5 x t a 10 x t, preferiblemente 1 x t a 5 x
t, o bien, como en el caso presente, de un orden de magnitud 1,5 x t
a 2,5 x t. Los rebajes 4 están distribuidos sustancialmente de
manera uniforme a lo largo del cuerpo absorbente 1. El material que
se elimina con la realización de las muescas 4 respectivas es
escaso, por ello la reducción de la capacidad de absorción del
cuerpo absorbente 1 es despreciable comparada con la posibilidad de
dilatación en dirección axial de la parte periférica del cuerpo que
tales muescas hacen posible.
Los rebajes 4 tienen una profundidad d que puede
variar considerablemente de un caso a otro. Para no debilitar
excesivamente el cuerpo absorbente, la relación entre la
profundidad d de dichos rebajes 4 y el grosor t del cuerpo
absorbente 1 es \leq 0,4, preferiblemente \leq 0,35. En la
forma de realización representada, todos los rebajes 4 tienen
sustancialmente la misma profundidad, pero podrían establecerse de
tal forma que tuvieran alternativamente profundidades mayores o
menores, respectivamente, a lo largo de toda la longitud del cuerpo
absorbente 1.
Cada uno de los rebajes 4 presenta una anchura b
de un orden de magnitud de 0,02 x t a 0,4 x t, preferiblemente 0,05
x t a 0,2 x t. Esta dimensión se refiere a la anchura del rebaje 4
coincidiendo con la superficie exterior del cuerpo absorbente 1. En
la forma de realización representada la anchura de los rebajes 4 se
reduce en dirección al centro del cuerpo absorbente 1. La anchura
total b_{tot} considerando todos los rebajes 4 a lo largo de la
longitud del cuerpo absorbente 1 constituye, en este caso, el 5 al
10% de dicha longitud.
Los rebajes 4 reducen la existencia de tensiones
entre la parte periférica del cuerpo absorbente 1 y su parte
central, se trata de las tensiones que se producen debido al hecho
de que la parte central recibe una menor cantidad de radiaciones y,
en consecuencia, las partes periféricas están sometidas a una mayor
dilatación o expansión a causa de dichas radiaciones que el centro
del cuerpo absorbente 1. Gracias a la existencia de los rebajes 4
el cuerpo absorbente 1 gozará de una mayor vida útil en relación con
un cuerpo absorbente similar que carezca de dichos rebajes 4. Una
tal barra maciza, según se comprueba por experiencias, se romperá
en pedazos de una longitud aproximada al diámetro o en mayor número
de pedazos que el cuerpo absorbente 1 dotado de los rebajes 4. Esta
división de una barra maciza, debido a que se produce un cierto
reposicionamiento, conduce a una dilatación total en sentido axial
mayor que la dilatación que sufre la parte central del cuerpo
absorbente 1 dotado de rebajes 4, si este cuerpo absorbente no
rompe.
En la Fig. 4 se representa una barra de control
para el control del flujo de neutrones en un reactor de energía
nuclear de tipo convencional. La barra de control comprende cuatro
aletas 7 cada una de las cuales incluye una pluralidad de canales 8
que se extienden desde el extremo libre exterior de la respectiva
aleta 7 hacia el centro de la barra de control 6, en donde las
aletas se encuentran. En por lo menos algunos de dichos canales 8 se
encuentra situado un cuerpo absorbente 1 según la invención,
preferiblemente cerrado herméticamente. En un canal 8 puede
disponerse un solo cuerpo absorbente 1 de suficiente longitud o una
pluralidad de cuerpos absorbentes más cortos.
Es evidente que las personas expertas en la
materia pueden realizar una pluralidad de posibles variaciones y
formas de realización alternativas del objeto de la invención sin
apartarse del alcance de la invención. La invención solamente debe
considerarse limitada por las reivindicaciones adjuntas, con el
soporte de la descripción y los dibujos adjuntos.
Por ejemplo, las dimensiones de las barras
absorbentes individuales se ajustarán a la dilatación esperada en
las diferentes posiciones de las barras de control. Además, también
sería posible hacer que dicho por lo menos un rebaje se extienda a
lo largo del cuerpo absorbente siguiendo una línea helicoidal.
Claims (11)
1. Cuerpo absorbente, dispuesto para absorber
energía en un reactor nuclear, en el que el cuerpo absorbente es
alargado y presenta dos extremos, y comprende por lo menos dos
zonas (2, 3, 4) de grosor localmente reducido, caracterizado
porque una de tales zonas de grosor localmente reducido (2, 3) está
situada en cada uno de los dos extremos del cuerpo absorbente.
2. Cuerpo absorbente según la reivindicación 1,
caracterizado porque dicha zona (2, 3) en cada uno de los
extremos se define por una conicidad del cuerpo (1) en el
respectivo extremo.
3. Cuerpo absorbente según la reivindicación 1 ó
2, caracterizado porque por lo menos una zona (4) de grosor
localmente reducido está definida por un rebaje (4) por lo menos,
que está dispuesto en la superficie exterior (5) del cuerpo
absorbente (1).
4. Cuerpo absorbente según la reivindicación 3,
caracterizado porque es alargado y porque dicho por lo menos
un rebaje (4) se extiende transversalmente con respecto a la
dirección longitudinal del cuerpo absorbente (1).
5. Cuerpo absorbente según la reivindicación 3 ó
4, caracterizado porque dicho por lo menos un rebaje (4) se
extiende en torno a por lo menos una parte de la periferia del
cuerpo (1).
6. Cuerpo absorbente según cualquiera de las
reivindicaciones 3 a 5, caracterizado porque dicho por lo
menos un rebaje (4) se extiende como bucle anular cerrado en torno
a la periferia del cuerpo (1).
7. Cuerpo absorbente según cualquiera de las
reivindicaciones 3 a 6, caracterizado porque dicho por lo
menos un rebaje (4) cubre aproximadamente del 2 al 15% del área
total de dicha superficie exterior (5), preferiblemente del 5 al 10%
de dicha área.
8. Cuerpo absorbente según cualquiera de las
reivindicaciones 3 a 7, caracterizado porque presenta
sustancialmente forma de barra y porque dicha superficie exterior
(5) es la superficie cilíndrica del cuerpo.
9. Cuerpo absorbente según cualquiera de las
reivindicaciones 3 a 8, caracterizado porque la relación
entre la profundidad (d) de dicho rebaje y el grosor (t) del cuerpo
absorbente en la zona de los rebajes (4) es d/t \leq 0,40,
preferiblemente d/t \leq 0,35.
10. Cuerpo absorbente según cualquiera de las
reivindicaciones 3 a 9, caracterizado porque se encuentran
dispuestos una pluralidad de rebajes (4) a una distancia entre sí
tal como se aprecia en la dirección longitudinal del cuerpo (1).
11. Barra de control para un reactor nuclear,
caracterizada porque comprende un cuerpo absorbente (1)
según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10.
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