ES2224742T3 - Conjunto combustible. - Google Patents
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Abstract
Conjunto combustible para un reactor nuclear de agua ligera que comprende una pluralidad de barras de combustible (4, 4b) que se extienden entre una placa de unión superior (5) y una placa de unión inferior (6) en el que cada barra de combustible (4, 4b) comprende un tubo de encamisado (7a) con un primer y un segundo extremo, en el que el tubo de encamisado rodea una columna de material fisionable dividida en pastillas de combustible (7b) dispuestas contiguas unas a otras, en el que por lo menos una barra de combustible (4a, 4b, 4d) incluye holguras axiales (19) dispuestas entre la mayoría de las pastillas de combustible (7b), caracterizado porque las pastillas de combustible (7b) que se encuentran dispuestas junto a la holgura axial (19) con sus respectivos extremos encarados hacia la holgura axial están dotados de por lo menos dos salientes (7c) que se extienden desde el extremo de la respectiva pastilla de combustible (7b) hacia el extremo de la pastilla de combustible dispuesta contigua(7b).
Description
Conjunto combustible.
La presente invención se refiere a un conjunto
combustible para un reactor nuclear de agua ligera, según el
preámbulo de la reivindicación 1. Un tal conjunto combustible se da
a conocer en el documento WO97/49092.
En un reactor nuclear, moderado por medio de agua
ligera, el combustible se encuentra en forma de barras de
combustible. Cada una de las barras de combustible contiene un
apilamiento de pastillas de un material combustible nuclear
dispuesto en un tubo de encamisado, una columna de cilindros de
combustible extruídos, o una columna ininterrumpida de combustible
en polvo compactado mediante vibración. El tubo de encamisado está
construido normalmente de una aleación a base de circonio. Un
paquete combustible comprende una pluralidad de barras de
combustible dispuestas en paralelo entre sí, con una determinada
disposición, generalmente simétrica, la denominada celosía. Las
barras de combustible se encuentran retenidas en su parte superior
por una placa de unión superior y en su parte inferior por una
placa de unión inferior. Para mantener las barras de combustible
distanciadas entre sí y evitar que se curven o vibren durante el
funcionamiento del reactor, se distribuyen a lo largo del paquete
combustible, en dirección longitudinal, una pluralidad de
separadores. Un conjunto combustible comprende uno o más paquetes
combustibles, cada uno de los cuales se extiende a lo largo de la
mayor parte de la longitud del conjunto combustible.
El conjunto combustible, juntamente con una
pluralidad de otros conjuntos combustibles, se dispone en un
núcleo. El núcleo está sumergido en agua que actúa simultáneamente
como refrigerante y como moderador de neutrones. Durante el
funcionamiento, el agua fluye de abajo hacia arriba a través del
conjunto combustible, con lo cual, en un reactor de agua ligera de
agua hirviente, parte del agua se transforma en vapor. El
porcentaje de vapor aumenta hacia la parte superior del conjunto
combustible. En consecuencia, el refrigerante en la parte inferior
del conjunto combustible está constituido por agua, mientras que en
la parte superior del conjunto combustible está constituido por
vapor y agua.
Durante la fisión nuclear del material
combustible nuclear, se desprenden gases de fisión. Además, la
columna de material combustible se dilata debido al calor que se
desprende del material combustible. Para tener en cuenta los gases
de fisión y la dilatación térmica de las columnas de pastillas de
combustible, en las conocidas barras de combustible de longitud
total, esto es, columnas de combustible del orden de los 4 metros
de longitud, normalmente se forma, por encima de la pastilla de
combustible más alta en el tubo de encamisado, un espacio
relativamente grande, una holgura axial. La holgura axial es de una
longitud del orden de unos 200 a 300 mm. De este modo los gases de
fisión pueden difundirse en esta holgura axial y la columna de
pastillas de combustible puede dilatare hacia la misma.
La patente US nº 3.671.393 describe un conjunto
combustible que comprende barras de combustible cada una de las
cuales incluye un tubo de encamisado que contiene una columna de
material combustible. En la columna de material combustible se
encuentra dispuesto un separador, independiente del material
combustible, con la finalidad de dividir la columna de material
combustible en segmentos alargados, Por lo menos un extremo del
separador está formado de manera que presenta baja resistencia al
aplastamiento, con lo cual los segmentos alargados pueden dilatarse
en la dirección longitudinal del tubo de encamisado debido a la
deformación del separador.
Las diferencias anteriormente mencionadas entre
las partes superior e inferior de un conjunto combustible por lo
que se refiere al refrigerante que se encuentra en forma de agua en
la parte inferior del conjunto combustible y como mezcla de agua y
vapor en la parte superior del mismo da lugar a unas condiciones
especiales que deben tomarse en consideración a la hora de diseñar
el conjunto combustible.
Las diferencias entre las partes superior e
inferior del conjunto combustible pueden ser tomadas en
consideración, por ejemplo, mediante de un conjunto combustible
flexible que de manera sencilla pueda establecerse una realización
en la que la parte superior del conjunto combustible sea diferente
de la inferior de tal manera que puedan obtenerse unas condiciones
óptimas. En el documento PCT/SE95/01478 (Publ. Int. no WO
96/20483). Se da a conocer un conjunto combustible para un reactor
de agua hirviente con tales propiedades. Este conjunto combustible
comprende una pluralidad de unidades combustibles apiladas unas
sobre otras, comprendiendo cada una de ellas una pluralidad de
barras de combustible que se extiende entre una placa de unión
superior y una placa de unión inferior. Cada unidad combustible es
de un orden de dimensión de 300 a 1500 milímetros de longitud.
También en este caso debe disponerse una holgura axial en el
material combustible para tener en cuenta los gases de fisión y la
dilatación térmica del material combustible. Las unidades
combustibles se encuentran rodeadas por un canal de combustible
común de sección transversal sustancialmente cuadrada. Un conjunto
combustible de este tipo puede realizarse en varias formas de
realización en sus partes superior e inferior.
También en un reactor de agua ligera del tipo de
agua a presión, puede ser apropiado diseñar los conjuntos
combustibles de tal manera que cada uno de ellos comprenda una
pluralidad de unidades combustibles apiladas unas sobre otras. Tal
como se ha descrito anteriormente, cada una de las unidades
combustibles comprende además una pluralidad de barras de
combustible que se extienden entre una placa de unión superior y
una placa de unión inferior. Sin embargo, un conjunto combustible
para un reactor de agua a presión no incluye ningún canal de
combustible.
Un factor que debe tenerse en cuenta al diseñar
holguras axiales en barras de combustible de longitud total así
como en otras cortas, es que la temperatura del tubo de encamisado
en la zona que rodea la holgura axial es inferior a la del resto
del tubo de encamisado, debido a que en la holgura axial no se
encuentra alojado material fisionable. Un problema que se presenta
como consecuencia de ello es, entre otras cosas, que en caso de
corrosión del tubo de encamisado, que normalmente es de una aleación
a base de circonio, el hidrógeno formado es absorbido por la misma
y se difunde dentro de esta zona más fría. Si la concentración de
hidrógeno llega a ser demasiado elevada en esta zona, se forman
hidruros del material de encamisado produciendo su fragilidad. En
casos extremos, pueden producirse perforaciones en el tubo de
encamisado y el material fisionable contaminar el agua de
refrigeración. Problemas de este mismo tipo también pueden
presentarse en las zonas entre los segmentos longitudinales del
material combustible que, en la patente US nº 3.671.393, incluye
separadores, así como en la zona entre dos unidades combustibles
apiladas unas sobre otras, tal como se da a conocer en el documento
PCT/SE95/01478. El riesgo de fragilización por una concentración de
hidrógeno demasiado elevada aumenta, hasta cierto límite con las
dimensiones de la holgura axial.
El gas de fisión liberado contribuye a una mayor
caída de la temperatura en la holgura axial. Ello es debido al
hecho de que los gases de fisión dificultan la conductividad
térmica del gas alojado en la holgura axial. Lo mismo sucede con el
gas alojado en la holgura que se forma entre el material combustible
y el tubo de encamisado, por lo que aumenta la diferencia de
temperatura entre la superficie exterior del material combustible y
la superficie interior del tubo de encamisado.
Se conocen varias formas de reducir la emisión de
gases de fisión. Una de tales formas consiste en dotar a una o más
de las pastillas de combustible, en la columna de material
combustible que está dividida en pastillas de combustibles, de
taladros pasantes en dirección longitudinal de las pastillas de
combustible. De este modo, se reduce la temperatura de cada pastilla
de combustible, con lo que se reduce la emisión de gases de fisión
y puede reducirse la holgura axial en la columna de pastillas. En
estas condiciones, la holgura axial puede limitarse hasta el orden
de unos pocos milímetros en una barra cuya longitud sea del orden
de los 300 milímetros, hasta unos veinte o treinta milímetros en
barras de mayor longitud, para permitir la dilatación térmica de la
columna de pastillas de combustible. Un inconveniente que presentan
las pastillas dotadas de un taladro pasante es lo complicado de su
fabricación. Por tal motivo, es deseable disponer holguras axiales
en el material fisionable.
Otro factor que debe tomarse en consideración en
el diseño de las holguras axiales en una barra de combustible, es
que en esos puntos es donde se producen picos de potencia
localizados. Los picos de potencia se producen porque la moderación
en esta zona, en donde no existen materiales fisionables y
absorbentes de neutrones, es muy buena. La consecuencia de ello es
que la potencia en las pastillas que se encuentran junto a la
holgura axial resulta muy alta, es decir, se origina un pico de
potencia. El pico de potencia aumenta con el tamaño de la holgura
axial.
El documento WO97/49092 da a conocer un conjunto
combustible para un reactor de agua ligera. El conjunto combustible
comprende una pluralidad de barras de combustible que se extienden
entre una placa de unión superior y una placa de unión inferior.
Cada barra de combustible comprende un tubo de encamisado con un
primer y segundo extremo. El tubo de encamisado rodea así una
columna de material fisionable dividido en una pluralidad de
pastillas de combustible. Entre cada dos pastillas de combustible
contiguas existe una holgura axial. La holgura axial se mantiene
mediante un elemento deformable independiente.
El objetivo de la presente invención es proponer
un conjunto combustible con una pluralidad de barras de combustible
de longitud total y posiblemente barras de combustible de longitud
parcial y un conjunto combustible que comprende una pluralidad de
unidades combustibles cortas, respectivamente, presentando cada una
de estas unidades barras de combustible una o más de las cuales
están diseñadas con holguras axiales en el material combustible
fisionable con la finalidad de minimizar los picos de potencia.
Dicho objetivo se consigue mediante el conjunto
combustible definido inicialmente, que comprende las
características de la parte caracterizadora de la reivindicación
1.
La presente invención se refiere a un conjunto
combustible que comprende una pluralidad de barras de combustible.
Cada barra de combustible comprende una columna de material
combustible fisionable rodeado por un tubo de encamisado. En la
columna de material combustible se hallan dispuestas axialmente una
pluralidad de holguras dispuestas para dar cabida a los gases de
fisión que se forman durante el funcionamiento y para permitir la
dilatación térmica del material combustible en dirección
longitudinal del tubo de encamisado.
En esta forma de realización de la invención, el
material combustible nuclear se encuentra dividido en un pluralidad
de pastillas sustancialmente cilíndricas circulares, dispuestas
apiladas unas sobre otras en el tubo de encamisado. El tubo de
encamisado está sellado por un tapón en cada extremo, más
exactamente, por un tapón superior y por un tapón inferior.
La mayoría de las pastillas de la columna del
material combustible presentan, en cada extremo, por lo menos dos
salientes de material combustible, de grafito, un metal o un óxido
que difiere del material combustible. Los salientes se extienden a
partir del extremo de la pastilla y en dirección longitudinal de la
misma. Preferiblemente los salientes están dispuestos
periféricamente en el extremo de la pastilla, esto es, en la parte
radialmente exterior del extremo de la pastilla. Los salientes
presentan una forma característica, aguzada, con una superficie de
sección transversal que disminuye a medida que se aleja del extremo
de la pastilla. La forma característica aguzada de los salientes
tiene por objeto evitar la influencia mutua de los salientes. En el
caso en que dos salientes del extremo de una primera pastilla se
encuentren aplicados contra el extremo de una segunda pastilla, la
cual está dotada, a su vez, de dos salientes que se encuentran
aplicados contra el extremo de la primera pastilla, se obtienen
entre las dos pastillas cuatro puntos de contacto independientes.
La extensión de los salientes en dirección longitudinal define la
distancia entre los extremos de dos pastillas, esto es, la holgura
axial entre dos pastillas. Una holgura axial formada de este modo es
deformable, por lo menos parcialmente. Al producirse la dilatación
térmica del material combustible en la dirección longitudinal de las
pastillas, se comprime el material que forma los salientes, y/o los
respectivos extremos de las pastillas, con lo cual la holgura axial
se deforma y se reduce. Al no poderse deformar totalmente los
salientes, se mantiene una parte de la holgura axial para
alojamiento de los gases de fisión.
En una forma de realización preferida de la
invención, los salientes descritos se disponen en cada uno de los
extremos de todas las pastillas que forman la columna. De este
modo, cada una de las holguras axiales puede hacerse
considerablemente menor que si solamente existiera un pequeño número
de holguras en la barra de combustible, de este modo se minimizan
los picos de potencia debidos a las holguras axiales de material
combustible.
Para reducir todavía más los picos de potencia en
los extremos superiores e inferiores de las barras de combustible,
respectivamente, es decir, entre dos unidades combustibles apiladas
una sobre la otra, las pastillas de combustible de esas zonas
pueden formarse de menor diámetro que las restantes pastillas de
combustible. Para evitar la holgura anular entre la pastilla de
combustible y el tubo de encamisado, esa parte de la barra de
combustible que rodea la pastilla de combustible así como el tubo
de encamisado, se hacen de un diámetro correspondientemente más
reducido en una extensión en dirección axial igual a la de la
pastilla de combustible. Alternativamente, las pastillas de
combustible de esta zona pueden estar algo menos enriquecidas.
En una forma de realización alternativa de la
invención, la barra de combustible comprende, entre la mayor parte
de las pastillas de la columna de material combustible, un elemento
separador independiente de las pastillas. El elemento separador
está formado, por ejemplo, de grafito, de metal o de cerámica
porosa. El elemento separador está dispuesto entre dos pastillas,
bien sea centrado o en posición periférica, es decir, entre las
partes radialmente exteriores de los extremos de la respectiva
pastilla. Preferiblemente, el elemento separador se encuentra
dispuesto entre cada dos pastillas de la columna de pastillas.
Normalmente, no se dispone elemento separador entre la pastilla
superior de la columna de pastillas y el tapón superior y entre la
pastilla inferior de la columna de pastillas y el tapón inferior,
respectivamente.
Una ventaja de la invención es que se evitan las
holguras axiales en las partes superior e inferior,
respectivamente, de las barras de combustible. En el caso en que
las barras de combustible estén dispuestas en una pluralidad de
unidades de combustible cortas apiladas unas sobre otras, se reduce
la zona exenta material fisionable, formada entre dos unidades
combustibles apiladas una sobre otra, y por tanto también se reduce
el pico de potencia localizado, que puede presentare en esta zona
por una moderación excesiva.
Otra ventaja es que la necesaria holgura axial
puede distribuirse a lo largo de la columna de pastillas de tal
manera que se obtiene un gran número de holguras axiales, por
ejemplo, una holgura axial entre cada dos pastillas, con lo cual se
minimizan los picos de potencia en las holguras axiales. Al propio
tiempo se reduce el riesgo de una excesiva concentración de
hidrógeno en la holgura axial.
Una ventaja de disponer los elementos separadores
periféricamente entre las pastillas es que el elemento separador
contribuye, por lo menos hasta cierto punto, a que la temperatura
del material que rodea la holgura axial aumente relativamente en
comparación con la temperatura de la holgura axial desprovista del
elemento separador. El aumento de la temperatura se debe al hecho de
que el elemento separador conduce hacia el tubo de encamisado parte
del calor generado en las pastillas encaradas hacia el elemento
separador. Gracias a este aumento de temperatura se reduce todavía
más el riesgo de que la concentración de hidrógeno resulte
excesivamente alta en las holguras axiales.
Otra ventaja es que el elemento separador y los
salientes pueden acumular, respectivamente, incluso durante la
fabricación de la barras de combustible cierta tolerancia en la
longitud de la columna de pastillas. Esto se consigue comprimiendo
la columna de pastillas hasta cierto límite al insertar el tapón
superior en el tubo de encamisado, con la ayuda de la deformación de
los elementos separadores y los salientes, respectivamente. Esto
implica una reducción de las exigencias en las tolerancias de
longitud de las pastillas de combustible individuales.
La Figura 1 representa, en sección vertical, un
conjunto combustible para un reactor del tipo de agua hirviente
dotado de unidades combustibles cortas.
La Figura 2 representa la sección
A-A del conjunto combustible de la Figura 1.
Las Figuras 2a y 2b representan formas de
realización alternativas de un conjunto combustible del mismo tipo
que el representado en la Figura 1 en una sección que corresponde a
la A-A del conjunto combustible de la Figura 1.
La Figura 3 representa, en sección vertical un
conjunto combustible para un reactor del tipo de agua a presión
dotado de unidades combustibles cortas.
La Figura 4 representa un conjunto combustible
para una unidad combustible según las Figuras 1 ó 2 con una
pluralidad de holguras axiales distribuidas en la dirección
longitudinal de la barra de combustible.
La Figura 5a representa una pastilla de
combustible según la sección B-B de la Figura 5b,
que presenta salientes. La Figura 5b representa la misma pastilla
de combustible en una vista desde arriba.
La Figura 6a representa una barra de combustible
según la sección C-C de la Figura 6b, con una
pluralidad de holguras axiales en las cuales se hallan dispuestos
elementos separadores periféricamente entre las pastillas de
combustible.
La Figura 7 representa una barra de combustible
con una pluralidad de holguras axiales en las cuales se hallan
dispuestos unos elementos separadores centralmente entre las
pastillas de combustible.
La Figura 8 representa, en sección vertical, un
conjunto combustible del tipo de agua hirviente con barras de
combustible de longitud total y de longitud parcial.
La Figura 9 representa una forma de realización
alternativa de una barra de combustible que comprende una
pluralidad de secciones de diámetro exterior variable.
La Figura 1 representa una forma de realización
particularmente ventajosa de la invención. Más concretamente, la
Figura 1 representa un conjunto combustible para un reactor de agua
hirviente que comprende un asidero superior 1, una parte extrema
inferior 2 y una pluralidad de unidades combustibles 3, apiladas
unas sobre las otras. Cada unidad combustible 3 comprende una
pluralidad de barras de combustible 4 dispuestas en paralelo y a
distanciadas determinadas entre sí en una distribución de celosía
dada. Cada una de las unidades combustibles 3 comprende, además, una
placa de unión superior 5 y una placa de unión inferior 6 para la
fijación de las barras de combustible 4 en sus respectivas
posiciones dentro de la celosía. Las unidades combustibles 3 se
encuentran apiladas unas sobre otras en dirección longitudinal del
conjunto combustible y su forma de apilamiento es tal que la placa
de unión superior 5 de una unidad combustible 3 se encuentra
encarada con la placa de unión inferior 6 de la unidad combustible
3 siguiente en la pila y de tal manera que las barras de combustible
4 de todas las unidades combustibles 3 están situadas paralelamente
entre sí. Una barra de combustible 4 contiene combustible en forma
de un apilamiento de pastillas de combustible 7b de uranio
dispuestas en un tubo de encamisado 7a. El tubo de encamisado 7a
está construido apropiadamente de una aleación a base de circonio.
Un refrigerante se hace fluir desde abajo hacia arriba a través del
conjunto combustible.
La Figura 2a representa la forma en que se
encuentra dispuesto el conjunto combustible dentro de un canal de
combustión 8 de sección transversal sustancialmente cuadrada. El
canal de combustión 8 está dotado de un elemento de soporte hueco 9
de sección transversal cruciforme, el cual se fija a las cuatro
paredes del canal de combustión 8. Por el canal central 14 formado
por elemento de soporte 9, fluye agua que actúa de moderador. El
canal de combustión con el elemento de soporte determina cuatro
partes en forma de canal vertical 10, los denominados subcanales,
de sección transversalmente cuadrada, al menos sustancialmente. Cada
uno de los cuatro subcanales comprende una pila de unidades
combustibles 3. Cada unidad combustible 3 comprende 24 barras de
combustible 4 dispuestas en una celosía simétrica de 5 x 5.
El conjunto combustible de la Figura 2 comprende
10 x 10 posiciones de barras de combustible. Por posición de barra
de combustible se entiende una posición en la celosía. No todas las
posiciones de barras de combustible de la celosía deben estar
ocupadas necesariamente por barras de combustible 4. En
determinados conjuntos combustibles, un cierto número de barras de
combustible 4 están sustituidas por uno o más canales de agua. La
introducción de un canal de agua cambia el número de barras de
combustible 4, pero no el número de posiciones de barras de
combustible.
La Figura 2a representa una forma de realización
alternativa de un conjunto combustible según la invención. Esta
Figura 2a representa una sección horizontal a través del conjunto
combustible que está dotado de un canal vertical dispuesto
interiormente 14a por el cual el agua es conducida en dirección
vertical de abajo hacia arriba a través del conjunto combustible. El
canal 14a está rodeado de un tubo 9a de sección transversal
sustancialmente cuadrada. Las unidades combustibles 3 se mantienen
en posición al estar ajustadas dentro del tubo que rodea el canal
vertical.
La Figura 2b representa una forma de realización
adicional de un conjunto combustible según la invención. La Figura
representa una sección horizontal a través del conjunto combustible
que está dotado de dos barras de agua verticales 14b, dispuestas
centralmente, por las cuales es conducida el agua de abajo arriba a
través del conjunto combustible. Las barras de agua 14 presentan un
diámetro que es algo superior al diámetro de las barras de
combustible 4 y su sección transversal es sustancialmente circular.
Las unidades combustibles 3 se mantienen en su posición por estar
ajustadas sobre las barras de agua 14b.
La Figura 3 representa un conjunto combustible
del tipo para reactor de agua a presión de sección transversal
cuadrada. Al igual que en el conjunto combustible de la Figura 1,
comprende una pluralidad de unidades combustibles 3 apiladas unas
sobre las otras. Cada unidad combustible 3 comprende una pluralidad
de barras de combustible 4 dispuestas paralelamente y a distancias
determinadas entre sí formando una celosía dada. Cada unidad
combustible 3 comprende además una placa de unión superior 5 y una
placa de unión inferior 6 para la fijación de las barras de
combustible 4 en sus respectivas posiciones en la celosía. Las
unidades combustibles 3 se encuentran apiladas unas sobre otras en
dirección longitudinal del conjunto combustible y de tal forma que
la placa de unión superior 5 de una unidad combustible 3 está
encarada con la placa de unión inferior 6 de la unidad combustible
3 siguiente en la pila, y de tal manera que las barras de
combustible 4 de todas las unidades combustibles 3 son paralelas
entre sí. Una barra de combustible 4 contiene material fisionable en
forma de un apilamiento de pastillas de combustible de uranio 7b
dispuestas en un tubo de encamisado 7a. Un refrigerante se hace
fluir desde abajo hacia arriba a través del conjunto combustible.
Un cierto número de los denominados tubos guías de las barras de
control 4b se encuentran extendidos por todo el conjunto
combustible. Los tubos guías de las barras de control 4b están
destinados a recibir unas barras de control en forma de dedos (no
representadas) que se introducen y se extraen de los tubos guías 4a
con el fin de controlar la potencia del reactor nuclear. Los tubos
guías se extienden entre una parte superior 15 y una parte inferior
16. La parte superior 15 se halla dispuesta por encima de la unidad
combustible 3 más alta del conjunto combustible y la parte inferior
16 se halla dispuesta por debajo de la unidad combustible 3 más baja
del conjunto combustible. Las unidades combustibles 3 se mantienen
en su posición al estar ajustadas entre los tubos guías de las
barras de control 4b.
La Figura 4 representa parte de una barra de
combustible 4 para un conjunto combustible según las Figuras 1, 2 o
la Figura 3. La barra de combustible 4 comprende, tal como se ha
indicado, un tubo de encamisado 7a y una pila de pastillas de
combustible 7b dispuestas en su interior. El tubo de encamisado 7a
está sellado en su parte superior con un tapón superior 17 y en su
parte inferior con un tapón inferior 18. La barra de combustible 4
está formada con una pluralidad de cavidades interiores, las
holguras axiales 19, destinadas a acumular los gases de fisión y
también a permitir la dilatación térmica de la columna de pastillas
de combustible 7a.
Las Figuras 5a y 5b representan una pastilla de
combustible que presenta salientes 7c en cada uno de sus extremos.
En la forma de realización representada, la pastilla de combustible
presenta tres salientes en cada uno de sus extremos. Los salientes
7c están formados preferiblemente del mismo material de la
pastilla. Estos salientes 7c se forman, por ejemplo, durante la
fabricación de la pastilla 7b, ejerciendo presión sobre el material
combustible en un molde que presenta los tres salientes 7c y
procediendo al sinterizado subsiguiente. En caso de que los
salientes 7c estén formados de un material diferente al del
material combustible, por ejemplo un metal, grafito o un óxido
diferente del material combustible, los salientes 7c se disponen
sobre la pastilla 7b una vez que la pastilla haya sido sometida a
presión y sinterización. Los salientes 7c pueden disponerse
entonces sobre la pastilla 7b, por ejemplo, mediante pulverización
de plasma, técnica de deposición gaseosa o la técnica denominada
pulverización catódica.
Los salientes 7c están situados en la periferia
de la pastilla de combustible y de tal manera que la distancia
entre ellas es sustancialmente uniforme. La extensión axial de las
holguras axiales 19 viene definida, al menos inicialmente, por la
extensión de los salientes 7c en dirección longitudinal de la barra
de combustible. Las pastillas 7b contiguas están dispuestas de tal
manera que los salientes 7c de una pastilla 7b no entran en contacto
con las proyecciones 7c de una pastilla de combustible 7b situada
adyacente. Formando los salientes 7c de forma distintiva, esto es,
pequeñas tanto en dirección longitudinal como en dirección
transversal de la pastilla 7b, se obtiene una forma que impide
automáticamente que las proyecciones 7c de pastillas 7b adyacentes
queden en contacto entre sí. En el caso en que los extremos de dos
salientes 7c se dispongan en contacto, se influyen mutuamente para
que las pastillas 7b efectúen un giro relativo, con lo cual los
salientes 7c de las respectivas pastillas 7b deslizarían entre sí
de forma que la distancia entre las pastillas corresponderían
sustancialmente a la extensión del saliente 7c en dirección
longitudinal. Además, la forma distintiva de los salientes 7c
supone que la superficie de contacto es pequeña, con lo cual la
fuerza necesaria para la deformación de los salientes y la reducción
de la extensión de la holgura axial 19 en dirección longitudinal de
la barra de combustible debe ser moderada. En el caso en que la
columna de pastillas de combustible 7b se expanda debido la
dilatación térmica, las holguras axiales 19 se reducen por la
deformación de los salientes 7c y/o los extremos de las pastillas,
en los que o contra los que se encuentran dispuestos los salientes
7c.
En una forma de realización preferida, las
pastillas de combustible 7b se conforman con sus superficies
superior en inferior cóncavas (véase la referencia numérica 19a).
Debido a la dilatación térmica, las pastillas de combustible 7b se
dilatan más por su parte central, más caliente que por sus partes
exteriores, más frías. La forma cóncava 19a permite de este modo la
dilatación térmica hasta cierto límite antes de que la holgura axial
19 se utilice para este fin. Además, la forma cóncava 19 determina
un espacio en el que pueden acumularse los gases de fisión.
Gracias a la forma cóncava 19a de las pastillas
de combustible 7b, basta una pequeña holgura axial 19, esto es, la
distancia entre las partes periféricas de los extremos de las
pastillas, para la dilatación térmica y para la acumulación de los
gases desprendidos en la fisión. La forma cóncava 19a se consigue
al someter a presión en material combustible para constituir la
pastilla de combustible, después de lo cual se sinteriza la
pastilla.
Las Figuras 6a, 6b representan una forma de
realización alternativa de la presente invención. La Figura 6
representa con mayor precisión un apilamiento de pastillas de
combustible 7b en las que se encuentra dispuesto, periféricamente
entre cada dos pastillas de combustible 7b, un elemento separador
7d. Como puede apreciarse claramente en la Figura 6b, el elemento
separador 7d es un elemento de forma anular y de sección transversal
arbitraria. El elemento separador 7d se construye preferiblemente
de un material que es deformable en relación con el material
combustible de las pastillas de combustible. Preferiblemente, el
material que forma el elemento separador incluye grafito. Este
material del elemento separador puede estar formado
alternativamente, por ejemplo, de un metal o de una cerámica porosa.
Una ventaja de esta forma de realización es que mejora la
transmisión del calor entre el elemento separador periférico y el
tubo de encamisado 7a en comparación con las formas de realización
representadas en las Figuras 4 y 7.
La Figura 7 representa una forma de realización
de la invención. Más concretamente, la Figura 7 representa un
apilamiento de pastillas de combustible 7b en las que se encuentra
dispuesto un elemento separador 7e centralmente entre cada dos
pastillas de combustible 7b. El elemento separador 7e está
constituido por un elemento de forma sustancialmente esférica. Al
igual que en la forma de realización descrita con referencia a la
Figura 6, el elemento de forma esférica está formado de un material
que es deformable con respecto al material combustible de las
pastillas de combustible. Preferiblemente, el material del elemento
separador incluye sustancialmente grafito. Este material del
elemento separador puede estar formado alternativamente, por
ejemplo, por un metal o una cerámica porosa.
Mediante la división de la holgura axial de una
barra de combustible en una pluralidad de holguras axiales 19, 19a,
dispuestas entre la mayor parte de la pastillas de combustible 7b,
se minimiza el riego de la presencia de picos de potencia y los
daños correspondientes del tubo de encamisado. Además se facilita
la posibilidad de que las pastillas de combustible 7b se dilaten en
dirección axial debido a la dilatación térmica. Al tenerse en
cuenta la dilatación térmica entre la mayor parte de las pastillas
de combustible 7b, se facilita el dimensionado de la columna de
pastillas de tal manera que, al introducir el tapón superior en el
tubo de encamisado, se comprime de forma que se consigue una
holgura axial 19 muy pequeña entre el tapón superior 17 y la
pastilla de extremo que se encuentra en contacto con el tapón
superior 17. De este modo, se minimiza el riesgo de que se formen
holguras axiales 19 entre el tapón superior 17 y la pastilla de
combustible 7b situada en la posición más alta en la columna.
La Figura 4 indica que las pastillas 7b situadas
en las posiciones superior e inferior de la barra de combustible 4,
están formadas con taladros pasantes 23. Con esta forma de
realización, puede reducirse la temperatura máxima de las pastillas
de combustible 7b en la zona en donde se presentan los picos de
potencia debido a la buena moderación, esto es, en las holguras 19c
entre las unidades combustibles 3 (véanse Figuras 1 y 3). Al propio
tiempo, puede reducirse la cantidad de gases desprendidos en la
fisión y crearse un espacio para estos gases dentro de las
pastillas 7b.
La invención también se refiere a un conjunto
combustible que comprende por lo menos una barra de combustible
según la invención. En otra forma de realización de la invención,
las barras de combustible de los tipos representados en las Figuras
4, 6 ó 7 se disponen en un paquete para formar un conjunto
combustible. En todavía otra forma de realización de la invención,
todas las barras de combustible son del mismo tipo, es decir, de
alguno de los tipos representados en las Figuras 4, 6 ó 7, y en
otra forma de realización de la invención el conjunto combustible
comprende barras de combustible de por lo menos dos tipos
diferentes en donde por lo menos uno de los dos tipos consta de
barras de combustible como las presentadas en las Figuras 4, 6 ó
7.
Una unidad combustible 3 que es de un orden de
dimensión de 400 milímetros de longitud comprende barras de
combustible 4 que presentan holguras axiales 19 entre por lo menos
la mayor parte de las pastillas de combustible. En el caso en que
las pastillas de combustible 7b presenten una dimensión en
dirección longitudinal de un orden de dimensión de 10 mm, la parte
deformable de la holgura axial 19 presenta una extensión en
dirección longitudinal de la barra de combustible de 0,1 a 0,2
milímetros. Ello supone una longitud axial total de la parte
deformable de la holgura axial que corresponde a un 1% al 2% de la
longitud total de la barra de combustible 4.
La Figura 8 representa otra forma de realización
alternativa de la invención. Más concretamente, la Figura 8
representa un conjunto combustible del tipo de reactor de agua
hirviente en donde las partes que corresponden a las representadas
en la Figura 1 se indican con las mismas referencias numéricas En
una sección transversal el conjunto combustible de la Figura 8 se
forma, por ejemplo, en una disposición que corresponde a la que se
representa en las Figuras 2, 2a y 2b, respectivamente. El conjunto
combustible representado en la Figura 8 comprende barras de
combustible de longitud total 4a. En una forma de realización de la
invención, por lo menos una de las barras de combustible de
longitud total 4a se sustituye por una barra de combustible de
longitud parcial 4b. La barra de combustible de longitud parcial 4b
está dispuesta en la placa de unión inferior 6 y se extiende hacia
la placa de unión superior 5 sin llegar a alcanzarla. Las barras de
combustible 4a, 4b se mantienen separadas mediante separadores
convencionales 13.
En otra forma de realización alternativa de la
invención, la barra de longitud parcial 4b esta dotada de una
extensión que se indica en líneas de trazos en la figura y se
indica con la referencia numérica 4c. La extensión 4c se prolonga a
partir del extremo superior de la barra de combustible de longitud
parcial 4b hasta la placa de unión superior 5. La extensión 4c no
comprende material combustible alguno. De forma análoga a lo que se
describe con referencia a las Figuras 4 a 7, la columna de material
combustible en estas formas de realización de la invención
comprende unas holguras axiales 19, 19a. Las holguras axiales 19,
19a se encuentran dispuestas entre la mayor parte del número total
de pastillas de combustible 7b en la barras de combustible de
longitud total 4a y/o en las barras de combustible de longitud
parcial 4b.
La Figura 9 representa una forma alternativa de
una barra de combustible preferiblemente de longitud total 4d para
aplicación en un conjunto combustible del tipo representado en la
Figura 8. Las partes de la barra de combustible análogas a las
partes correspondientes descritas con referencia a las formas de
realización expuestas anteriormente se indican con las mismas
referencias numéricas. En la forma de realización que se ha
elegido, la barra de combustible 4d comprende tres secciones
designadas por a, b y c, respectivamente. La sección inferior a de
la Figura 9 presenta un diámetro exterior Da, la sección central b
presenta un diámetro exterior Db y la sección superior c presenta un
diámetro exterior Dc. Estos diámetros exteriores Da, Db, Dc están
relacionados entre sí de forma que Da>Db>Dc. Cada una de las
secciones a, b, c comprende una columna de material combustible
dividida en pastillas de combustible 7b. De forma análoga a la
descrita con referencia a las Figuras 4 a 7, las holguras axiales
19, 19a se forman entre por lo menos la mayor parte del número total
de pastillas combustibles 7b.
Las secciones a y b se fijan entre sí mediante un
tapón de sección 24. Las secciones b y c se fijan entre sí mediante
un correspondiente tapón de sección indicado con la misma
referencia 24. La extensión de la holgura axial entre dos secciones
a, b ó c situadas contiguas corresponde sustancialmente a la
extensión axial del tapón de sección 24 y se designa por 19d. En una
forma de realización preferida, las pastillas 7b situadas contiguas
a un tapón de sección 24 están dotadas de taladros pasantes 23 de
forma análoga a lo que se ha descrito con referencia a la Figura 4.
Las pastillas 7b situadas contiguas a un tapón de sección 24 están
dotadas de taladros pasantes 23 de forma análoga a lo que se ha
descrito con referencia a la Figura 4. Las pastillas 7b que se
encuentras situadas contiguas a un tapón de sección 24 o a un tapón
superior 17 o a un tapón inferior 18, respectivamente, están
dispuestas sustancialmente para establecer un contacto íntimo con
dichos tapones por la compresión de la columna de pastillas a la
introducción del tapón de sección 24, del tapón superior 17 y del
tapón inferior 18, respectivamente.
La ventaja de la forma de realización de una
barra de combustible 4d como la que se representa en la Figura 9 es
que la holgura axial total 19, 19a, que se precisa para la
dilatación térmica del material combustible y para el alojamiento
de los gases de fisión en las respectivas secciones a, b, c, en vez
de estar dispuestos en la parte superior de la respectiva sección,
se divide en una pluralidad de cortas holguras axiales, con lo cual
puede reducirse considerablemente el riesgo de picos de potencia en
la transición respectiva 19d entre las secciones. En aquellos casos
en los que las holguras axiales 19, 19a se encuentran dispuestas
entre cada dos pastillas de combustible 7b de la columna de
material combustible, se minimiza el riesgo de picos de potencia en
la transición entre las respectivas secciones a, b, c.
Claims (9)
1. Conjunto combustible para un reactor nuclear
de agua ligera que comprende una pluralidad de barras de
combustible (4, 4b) que se extienden entre una placa de unión
superior (5) y una placa de unión inferior (6) en el que cada barra
de combustible (4, 4b) comprende un tubo de encamisado (7a) con un
primer y un segundo extremo, en el que el tubo de encamisado rodea
una columna de material fisionable dividida en pastillas de
combustible (7b) dispuestas contiguas unas a otras, en el que por
lo menos una barra de combustible (4a, 4b, 4d) incluye holguras
axiales (19) dispuestas entre la mayoría de las pastillas de
combustible (7b), caracterizado porque las pastillas de
combustible (7b) que se encuentran dispuestas junto a la holgura
axial (19) con sus respectivos extremos encarados hacia la holgura
axial están dotados de por lo menos dos salientes (7c) que se
extienden desde el extremo de la respectiva pastilla de combustible
(7b) hacia el extremo de la pastilla de combustible dispuesta
contigua (7b).
2. Conjunto combustible según la reivindicación
1, caracterizado porque la barra de combustible (4d) que
incluye las holguras axiales (19) entre la mayoría de las pastillas
de combustible (7b) comprende una pluralidad de secciones (a, b, c)
en las que el diámetro exterior de una sección difiere del diámetro
exterior de la sección dispuesta adyacente y en donde se encuentran
dispuestas pastillas de combustible en cada sección (a, b, c).
3. Conjunto combustible según la reivindicación
1, de sección sustancialmente cuadrada, caracterizado porque
comprende una pluralidad de unidades combustibles cortas (3), cada
una de las cuales comprende por lo menos una barra de combustible
(4) que se extiende entre una placa de unión superior (5) y una
placa de unión inferior (6).
4. Conjunto combustible según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los
salientes (7c) y/o los respectivos extremos de las pastillas de
combustible son deformables por lo menos parcialmente.
5. Conjunto combustible según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el número
de salientes (7c) en el extremo de cada pastilla de combustible es
por lo menos de tres.
6. Conjunto combustible según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los
salientes (7c) están formados de material fisionable.
7. Conjunto combustible según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los
salientes (7c) están formados de un metal o de un material de
grafito.
8. Conjunto combustible según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las
pastillas de combustible (7b) presentan una forma cóncava (19a) en
cada extremo.
9. Conjunto combustible según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las
pastillas de combustible (7b) que se encuentran dispuestas junto al
primer o segundo extremo del tubo de revestimiento (7a) están
dotadas de taladros pasantes (23) o presentan un enriquecimiento
inferior al de las restantes pastillas de combustible (7b).
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