ES2233799T3 - Separador con medios para evitar daños por rozamiento en las barras de combustible y el correspondiente elemento del reactor nuclear. - Google Patents
Separador con medios para evitar daños por rozamiento en las barras de combustible y el correspondiente elemento del reactor nuclear.Info
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Abstract
Separador para varias barras de combustible colocadas respectivamente en una malla del separador de un elemento de combustible para un reactor nuclear refrigerado por una corriente de agua ligera, con respectivamente varios elementos de soporte en cada una de dichas mallas, en que la barra de combustible se apoya lateralmente de tal manera que limita y amortigua la movilidad relativa de la barra de combustible conseguida por le separador de tal modo que dicha barra de combustible transforma la corriente de refrigerante sobre todo en vibraciones giratorias en el plano del separador, caracterizado por el hecho de que los elementos de soporte ejercen respectivamente sobre una barra de combustible un momento de giro M <10 N.mm con un ángulo de giro ö = 0, 1º, cuyo eje de giro corre perpendicular a la barra de combustible en el plano del separador.
Description
Separador con medios para evitar daños por
rozamiento en las barras de combustible y el correspondiente
elemento del reactor nuclear.
El invento hace referencia a un separador para un
elemento combustible de un reactor nuclear con las características
que figuran en el preámbulo de la reivindicación 1. Asimismo, el
invento se refiere a un elemento combustible con uno de tales
separadores.
Por tanto el invento se ocupa de reducir los
daños por rozamiento en las barras de combustible de un reactor
nuclear, cuyos elementos combustibles están llenos de agua ligera
-en especial de un reactor de agua a presión- modificando medios
que hasta ahora se aplicaban a los elementos combustibles -para
limitar en todo lo posible, durante el funcionamiento del reactor,
el movimiento de las barras de combustible, de tal manera que, en
la corriente del agua de refrigeración, las barras de combustible
no puedan realizar ningún desplazamiento transversal ni ningún
movimiento de vuelco en los lugares que se apoyan en los
separadores y limitando así su roce en los separadores. No
obstante, dichos medios, con los cuales se sujetan las barras de
combustible a los separadores para limitar al máximo su respectiva
movilidad, se fatigan al poco tiempo (por ejemplo debido a daños de
radiación) con las condiciones de funcionamiento del reactor, y por
tanto los medios que limitan al máximo posible la movilidad, en el
segundo ciclo de funcionamiento en que se emplea uno de tales
elementos combustible, generalmente ya no pueden ejercer esta clase
de grandes fuerzas sobre las barras de combustible, que mantienen
dichas barras de combustible en los separadores por medio de
adherencia por fricción. Más bien aparecen entonces propias
oscilaciones que, incluso con una reducida toma de energía de la
corriente de agua de refrigeración, pueden producir amplitudes de
oscilación demasiado elevadas y los correspondientes
rozamientos.
Pero la solicitante ha descubierto que puede
utilizarse otro efecto inesperado para evitar los daños por
rozamiento. Dado que este efecto -según conocimiento del invento-
también puede observarse en elementos combustibles, en que las
fuerzas ejercidas sobre las barras de combustible del elemento
combustible, debido a un prolongado empleo (por ejemplo en el
segundo ciclo de la radiación), ya se han fatigado de una manera
especial, el invento también hace referencia al empleo controlado
de dichas fuerzas reducidas para aprovechar el inesperado efecto
descubierto por la solicitante.
Ahora el invento se refiere al refuerzo
conseguido con este efecto inesperado, para reducir los daños por
rozamiento mediante el empleo controlado y modificado de medios,
que limitan la relativa movilidad de las barras de combustible (por
lo menos en las columnas de pastillas encerradas en los tubos
envolventes de materia combustible nuclear sinterizada) con
respecto a los separadores. Además, el invento hace referencia a un
funcionamiento del elemento combustible que aprovecha este efecto,
un correspondiente elemento combustible, así como, de manera
especial, un separador apropiado para dicho elemento
combustible.
En un reactor nuclear que está refrigerado por
agua ligera, el combustible se encuentra en columnas de pastillas
de combustible cerámico sinterizado, que están respectivamente
encerradas en un tubo envolvente de metal hermético al gas
(generalmente zircaloy). Para llenar las pastillas en los tubos
envolventes, dichos tubos envolventes poseen un radio interno que,
como máximo, debe ser aproximadamente 100 \mum mayor que el radio
de las pastillas, y la rendija restante todavía está llena de gas
(generalmente helio), para que el calor procedente del combustible
sea transferido lo más rápidamente posible al agua de
refrigeración. Por motivos físicos de reacción debe mantenerse una
cierta relación entre el agua (moderador) y el combustible, así
como una separación relativamente pequeña entre las columnas de
pastillas contiguas. Esto hace necesario mantener unas estrechas
relaciones espaciales en el elemento combustible con solo muy
reducidas tolerancias, que deben también mantenerse cuando el medio
refrigerante es conducido a alta velocidad a lo largo de las barras
de combustible y por tanto genera movimientos laterales en dichas
barras combustibles.
Existe una cantidad de tales barras combustibles
paralelas entre sí dispuestas dentro de una necesaria reducida
distancia unas de otras y conducidas a través de las mallas por
medio de separadores dispuestos separados axialmente entre ellos.
La cantidad N de dichos separadores, con los cuales se unen las
barras de combustible del reactor a los elementos combustibles, es
generalmente de N = 8, y el contenido en combustible apilable debe
medirse de manera que dicho elemento combustible pueda permanecer
por lo menos durante 4 ciclos de aplicación en el reactor antes de
ser sustituido por un nuevo elemento combustible, porque está tan
"quemado" que el equilibrio de neutrones del elemento
combustible resulta negativo.
La causa más frecuente de la sustitución antes de
tiempo de un elemento combustible, o por lo menos que provoca una
costosa reparación, son daños en los tubos envolventes de barras de
combustible individuales, producidos por fricción ("fretting"
o desgaste por vibraciones). Para reducir el rozamiento de las
barras de combustible en cuerpos extraños ("fretting de cuerpos
extraños"), dichos cuerpos extraños ya son filtrados de la
corriente de agua de refrigeración, en los modernos elementos
combustibles, por medio de un filtro de cuerpos extraños. Sin
embargo, de modo especial en los lugares de la corriente de agua de
refrigeración en que se producen fuertes turbulencias, a pesar de
ello siempre se encuentran barras de combustible que, por el roce de
los tubos envolventes en los elementos de soporte en las mallas del
separador ("auto-fretting"), están tan dañadas
que deben ser sustituidas antes de tiempo.
Dichos daños por fricción no pueden aparecer si
las barras de combustible están sujetas de tal manera en las mallas
de los separadores de los correspondientes elementos de soporte de
tal manera que se impide todo movimiento relativo entre las barras
de combustible y los elementos de soporte. Además, durante el
transporte los elementos combustibles de nueva fabricación deben
tener las barras de combustible fijadas de manera que no puedan
esencialmente moverse y resultar dañadas. Por otra parte,
generalmente se han previsto fuerzas elásticas para sostener las
barras de combustible, para que dichas barras de combustible no
resulten dañadas al ser colocadas en las mallas de los
separadores.
En separadores que, unidos entre sí, se
convierten en envolventes de forma anular que circundan las
respectivas barras de combustible, se han previsto normalmente como
elementos de soporte de las barras de combustible con "5 puntos
de apoyo", que se acoplan dispuestos en el tubo envolvente en
tres lugares equidistantes sobre la periferia de la barra de
combustible. En uno de dichos tres lugares hay un resorte o un
elemento de apoyo elástica similar, que aprieta elásticamente la
barra de combustible contra los dos otros lugares. En estos dos
otros lugares van dispuesto un par de botones rígidos situados uno
sobre el otro, de modo que en los botones superiores se encuentra
respectivamente un nivel axial superior y en los botones inferiores
hay un correspondiente nivel axial inferior, encontrándose ambos
niveles aproximadamente a la misma distancia axial por encima y por
debajo del lugar de apoyo del resorte. Para girar la barra de
combustible, hay que elevar por lo menos uno de ambos niveles de
como mínimo un botón, de modo que el resorte ejerza un momento de
giro sobre la barra, que amortigüe dicho movimiento de giro, caso
de que la fuerza de resorte no baste para superar completamente el
movimiento por medio de fricción adherente. Preferentemente, a
menudo se emplean separadores que están formados por bridas
dispuestas en ángulo recto y que son denominados "egg crate
spacer" (separador de cesta de huevos). También en la malla
cuadrada que se obtiene con ellos resulta posible una especie de
sujeción en 5 puntos, si el resorte se coloca diagonalmente en una
esquina de la malla y ambos pares de botones se colocan
respectivamente en el centro de ambas superficies laterales opuestas
y contiguas de la malla. Pero en un "egg crate spacer" también
puede preverse una sujeción de 6 puntos, si en el centro de dos
superficies laterales contiguas de la malla se coloca
respectivamente un resorte que apriete la barra de combustible
contra el correspondiente par de botones del costado opuesto.
Mientras las fuerzas del resorte sujeten también
la barra de combustible de tal modo que pueda aceptar la fricción
de adherencia que ejercen sobre la barra de combustible todas las
fuerzas dinámicas, capaces de provocar un movimiento relativo de la
barra de combustible, se excluyen daños por rozamiento. En todo
caso, los elementos elásticos de sujeción se relajan gradualmente
con el paso del tiempo y con las cargas de radiación en el reactor
de una manera relativamente rápida, de manera que en un elemento
combustible nuevo basta la citada fricción de adherencia para
evitar daños de rozamiento, pero en el segundo ciclo de empleo del
elemento combustible ya no pueden evitarse todos los movimientos de
la barra de combustible en las mallas con separadores.
Puesto que las barras de combustible no son
totalmente rígidas, incluso con una prácticamente rígida sujeción
en los planos del elemento de soporte aún pueden ser sometidas a
vibraciones por turbulencias en la corriente de agua de
refrigeración, que presentan nudos de vibraciones en dichos planos.
La frecuencia de estas vibraciones depende de las distancias en que
estén distribuidos los elementos de soporte a todo lo largo de la
barra de combustible. Hasta ahora los separadores están
distribuidos equidistantes, con una separación axial de 40 a 60 cm
a todo lo largo de la barra de combustible, y dado que en el
reactor los elementos combustible contiguos se apoyan en sus
separadores, las posiciones de los separadores y por tanto las
propias frecuencias son fijas en elementos combustibles frescos,
que se colocan junto a elementos combustibles ya existentes. Es
evidente que las propias vibraciones resultan tanto menos
provocadas cuanto más rígida es la sujeción a los elementos de
soporte, y por tanto menos necesitan ser amortiguadas con amplitudes
de vibraciones relativamente pequeñas.
Hasta ahora se había esperado que estas
vibraciones propias así como otros movimientos relativos entre los
elementos de soporte y las partes de las barras de combustible
sujetas por ellos no produjesen daños por rozamiento o que estos
fuesen limitados sobre las barras de combustible, si -mediante una
correspondiente elevada fuerza de resorte y fricción adherente con
ayuda de la correspondiente elección de los materiales y la debida
conformación de los elementos de apoyo- se limitaban estos
movimientos relativos en los planos de los separadores con la
máxima presión, por ejemplo, amortiguándolos de manera reforzada
tal como ocurre con la conocida realización de los elementos de
apoyo de un separador, conocido a través de la patente
DE-29.808.966 U1. Tan solo cuando se relaja la
fuerza de resorte del elemento de apoyo, empieza a temerse que se
produzca un verdadero fretting.
Los separadores pueden utilizarse, no solo para
sostener las barras de combustible, sino también para conseguir
otros efectos que son deseables para la aplicación en el reactor.
Así, por ejemplo, en los reactores de agua a presión, el agua que
está en contacto directo con la caliente superficie de la barra de
combustible se encuentra a una temperatura más elevada que el agua
situada a mayor distancia de las barras de combustible. Por tanto,
los separadores también se utilizan como soporte para elementos
que, debido al desvío de la corriente de refrigerante, producen
componentes de velocidad transversal y/o turbulencias en la
corriente de refrigerante y ocasionan una mezcla del agua y una
igualación de la temperatura. Por tanto, desde hace tiempo son
usuales separadores que en el canto superior de la brida vuelta
hacia la corriente de refrigeración llevan aletas de guía para
desviar la corriente y por tanto ocasionan turbulencias. Hasta el
presente no se ha investigado con detalle, pero es inevitable que
dichas turbulencias provoquen intensos movimientos a las barras de
combustible.
En las patentes
US-4.756.878-A,
US-4.726.926-A y
US-4.849.161-A se propone un
separador que genera pocas turbulencias, pero que tiene ventajas en
lo que respecta a la mezcla y similares propiedades
termohidráulicas. En tal caso, las respectivas mallas contiguas de
la rejilla de separadores están separadas entre sí por medio de
dobles bridas, de manera que ambas paredes individuales de la doble
brida se apoyan planas una sobre otra, pero dichas dobles bridas
están intercaladas en ángulo recto a modo del "egg crate
spacer". Ambas paredes individuales de una doble pared no quedan
planas una sobre la otra en toda la zona entre dos esquinas de
malla, sino que se separan por su centro con una forma trapezoidal
o elíptica, de manera curvada, de tal modo que se forma un canal
intermedio que va de abajo a arriba, con lo cual el extremo superior
de dicho canal intermedio está curvado en el plano de la doble
brida hasta el punto de que el refrigerante que deja dicho canal
experimenta un desvío lateral. Este discreto desvío evita en todo
lo posible la formación de mayores turbulencias y los
correspondientes movimientos producidos a la barra de combustible.
Además, generalmente en las partes colocadas una sobre otra de dos
paredes individuales se ha previsto una ventana que une las dos
mallas del separador separadas por la correspondiente doble brida y
fuerza un equilibrio de presiones, que contribuye en todo lo
posible a evitar la formación de grandes turbulencias y movimientos
de la barra de combustible.
En la parte recta del canal intermedio, cada
pared individual todavía lleva una curvatura en forma de arco
alrededor de un eje perpendicular a las barras de combustible, a
fin de formar una superficie de apoyo para la barra de combustible.
Esta curvatura en forma de arco se halla además dividida por una
ranura longitudinal, de manera que existen dos elementos de apoyo
elásticos en esta pared lateral del canal de la corriente. Se habla
de un soporte de 8 puntos, puesto que en una malla existen ocho
"puntos de pórtico" aun cuando se trata de ocho superficies de
apoyo longitudinales, cuya extensión axial depende de la forma de
la curvatura. Partiendo de la actual geometría de la curvatura se
puede concluir que al colocar una barra de combustible en una malla
del separador acabado de fabricar (o sea sin radiación) los ocho
elementos de apoyo en forma de arco constituidos por la curvatura
son apretados planos una longitud de aproximadamente 3 cm y como
mínimo la mitad de dicha longitud (es decir por lo menos 15 cm) se
apoyan en la barra de combustible. Todas ocho superficies de apoyo
se hallan entonces en el mismo nivel axial; al final con este
elemento de apoyo tan solo se sostiene de manera elástica en la
malla un tramo de unos 5 mm de la barra de combustible.
Dada su compleja geometría, esta clase de
separadores son muy costosos y caros; según su inventor y
fabricante, que al mismo tiempo es el solicitante de la presente
patente, están destinados a reactores que trabajan a una temperatura
especialmente elevada, mostrando allí un comportamiento ventajoso,
por cuyo motivo son denominados separadores para "High
temperature performance" ("HTP" o funcionamiento a alta
temperatura)). También presentan una alta resistencia contra el
fretting, incluso con posiciones de separadores especialmente
sometidas a fretting en elementos combustibles y reactores de agua a
presión.
Dichas posiciones especialmente sometidas son
conocidas y se encuentran, por ejemplo, en todos los lugares donde
la corriente de agua refrigerante es fuertemente desviada. Un
ejemplo lo constituye el separador inferior de un elemento
combustible en que la corriente de agua refrigerante sale por el pie
del elemento combustible y al entrar en el espacio intermedio
existente entre las barras de combustible se encuentra con los
extremos de dichas barras de combustible. Sin embargo, precisamente
dichos extremos poseen una movilidad y deben protegerse con un
separador ante colisiones opuestas. Por tanto, dichos separadores
están muy sometidos a esfuerzo y en el estado actual de la técnica
se conforman especialmente estables (por ejemplo de inconel, que
posee una alta resistencia material y también resiste bien las
radiaciones). En la práctica ya es necesario sustituir varias veces
en dichos lugares un separador con 5 ó 6 puntos de soporte, puesto
que poco tiempo después de su colocación ya se observa fretting.
Por contra, en el caso de elementos combustibles con separadores
HTP, que ya hacia dos años que estaban colocados -es decir que se
encontraban en la época de su empleo, en que la fuerza de sujeción
de otros separadores ya alcanza bajos valores- apenas aumentaron
las marcas aparecidas sobre las barras de combustible debidas a
rozamiento, ni siquiera en dichos lugares más expuestos.
Al comparar los separadores HTP con otros
separadores según el actual estado de la técnica, que también
utilizan fuerzas de resorte elásticas, se sospecha que la
claramente mejorada resistencia al fretting debe achacarse al mayor
número y mayor extensión de los elementos de apoyo, por cuyo motivo
se conseguía un mejor aprovechamiento y característica de las
fuerzas de resorte y eventualmente también una fatiga más lenta
(conjuntamente con una aproximación al "caso ideal" de un
soporte rígido). Bajo esta hipótesis, entonces también sería
favorable, para otra mejora del separador HTP, pasar del zircaloy
utilizado hasta el presente, el cual se encuentra por debajo de los
cambios de material necesarios para la radiación, al más resistente
inconel, que en el actual estado de la técnica se utiliza
frecuentemente para elementos elásticos o para todo el separador.
Entonces también seria posible prescindir de la compleja geometría
con canales intermedios curvados y otros detalles, que son
responsables del elevado coste del separador HTP.
También es conveniente conocer los mecanismos y
detalles que son importantes para la resistencia al fretting, a fin
de poder aportar y/o desarrollar separadores de un diseño más
económico, mejor o diferente por otros motivos. Desde el punto de
vista de las circunstancias planteadas podría ser objeto de una de
estas aportaciones o desarrollos el uso de tantos elementos de apoyo
longitudinales como fuera posible, que se extendieran por un tramo
axial de la barra de combustible que fuese lo más largo
posible.
Sin embargo, no existen conocimientos seguros que
permitan combinar las diferentes características, en los citados
separadores HTP, basados en Hight Temperature Performace, a fin de
mejorar el comportamiento al roce de los respectivos elementos
combustibles, ni si el indicado aumento del número y longitud de
los puntos de apoyo afecta de manera positiva o negativa (o de
ningún modo) el comportamiento al rozamiento.
El invento tiene por objeto proporcionar un
separador para un elemento combustible en el que se eviten de la
manera más segura posible los mencionados daños que pueden
producirse por rozamiento de los elementos de soporte del separador
en las barras de combustible.
El invento establece un mejor conocimiento de los
procesos que son responsables de los daños por rozamiento, puesto
que solo este conocimiento permite elegir en otros desarrollos
aquellas propiedades que son decisivas para los daños por
rozamiento, y la creación de un separador (en general: un elemento
combustible), que presente el mismo o incluso un mejor
comportamiento al "fretting" que el separador HTP, pero con
otras características, que no son importantes respecto al
compartimento al "fretting", que se apartan de este estado de
la técnica. También se trata especialmente de una elección,
transferencia y, en determinados casos, mejora específicas de
ciertas características del separador HTP en otras formas de
realización.
En pruebas, que todavía serán descritas con más
detalle a continuación, se ha partido de un separador convencional
de 5 puntos de apoyo, en cuyas mallas se introdujo una barra de
combustible para realizar una primera prueba, en que el diámetro de
la columna de pastillas estaba reducido con respecto al diámetro
interior del tubo envolvente de tal modo que las pastillas no podían
desplazarse o rozarse entre sí por causa de una vibración de la
barra de combustible. Pero dicho desplazamiento también fue
impedido, en la primera prueba, por el hecho de que se fijó un
alambre en el espacio intermedio existente entre la columna de
pastillas y el tubo envolvente. La posición relativa de las
pastillas de combustible con respecto al tubo envolvente también
estaba fijada, y la posición relativa del tubo envolvente con
respecto al separador también estaba sujetada con fuerzas de
resorte elásticas más o menos fijadas al tubo envolvente. En una
segunda prueba se prescindió de dicho alambre (solamente estaba
fijada la posición relativa del tubo envolvente al separador) y en
una tercera prueba se utilizó una barra de combustible también con
una posición relativa fija de las pastillas, pero con un diámetro
exterior que era aproximadamente 0,05 mm menor que el diámetro de
la abertura que alojaba la barra de combustible, definida en el
separador por medio de elementos de apoyo (las fuerzas de resorte
actúan también sobre el tubo envolvente aún solo en caso de fuertes
desvíos de la barra de combustible). En todos los tres casos se
utilizó esta disposición de barra de combustible y separador en un
canal de prueba con una corriente de agua, cuyas turbulencias se
convertían en vibraciones para la disposición.
En una primera prueba se observaron fuertes daños
por rozamiento en la barra de combustible, que eran parecidos a los
daños por rozamiento que también se observan en las barras de
combustible que resultarían inutilizables durante una aplicación
real en el reactor.
Sin embargo, sorprendentemente la solicitante
observó que en las otras dos pruebas prácticamente no existía
ningún desgaste por "fretting".
La primera prueba simuló prácticamente las
condiciones de un elemento combustible que se halla al comienzo de
su periodo de empleo ("begin of life", BOL o al comienzo de su
vida útil). Evidentemente no basta una alta fuerza de resorte con
una sujeción por fricción suficientemente elevada para evitar los
daños por "fretting". Un análisis más preciso de los
movimientos del elemento combustible y de las barras de combustible
muestra que la fuerza de resorte basta ciertamente para dominar los
movimientos a modo de golpes que se producen por el impulso
turbulento, pero no las propias vibraciones (vibraciones
"autoinducidas") que aparecen en forma vibraciones de flexión,
con las cuales las barras de combustible realizan movimientos de
giro en sus elementos de apoyo. Estas vibraciones de flexión
resultan más débilmente amortiguadas cuando más rígidamente se
sostengan las barras de combustible en las mallas. Por cierto, la
sujeción rígida también hace que una fuerza ejercida a la barra de
combustible la desvíe solo u poco de su posición de reposo (en las
vibraciones de flexión locales también se gira solo un pequeño
ángulo \varphi); sin embargo, en caso de fuerza periódica las
amplitudes pueden oscilar notablemente y por tanto llevar al
elemento de apoyo a un correspondiente intenso "fretting".
En la segunda prueba las pastillas de combustible
se movían una respecto a otra y debido al respectivo rozamiento
interno en la columna de pastillas se destruyó energía cinética.
Para la fricción de adherencia también apareció una mayor
amortiguación de las vibraciones de flexión, que con motivo de dicha
amortiguación también pueden oscilar solo en aptitudes menores. Por
consiguiente, los movimientos de giro y el correspondiente fretting
resultan esencialmente más débiles.
En la tercera prueba, los elementos de apoyo
-considerando un periodo de vibración- ejercen una menor fuerza
sobre las barras de combustible, que correspondía aproximadamente
al estado del elemento combustible al final de su periodo de empleo
("end of life" EOL o final de su vida útil). Mientras antes
podía creerse que el elemento combustible sería cada vez más
sensible a los daños por fretting, cuando más tiempo haga que está
siendo utilizado y cuanto más débil sea la fuerza de resorte de su
elemento de apoyo, se ha puesto de manifiesto que el elemento
combustible al decaer el elemento de apoyo cada vez es más
insensible al fretting. El análisis del estado de vibraciones
muestra que, en la tercera prueba, las "vibraciones
autoinducidas" quedan amortiguadas en la misma medida que en la
segunda prueba y por tanto aparecen únicamente las respectivas
bajas amplitudes de los movimientos de
giro.
giro.
Para evitar los daños por fretting el estado BOL
debe corresponder en todo lo posible al estado EOL de los actuales
elementos combustibles.
También ocurre que el estimulo de fuerza de
resorte y una correspondiente elevada fricción de adherencia
conlleva autovibraciones no amortiguadas con movimientos de giro
que provocan fretting, siendo pues perjudiciales, mientras que una
elevada amortiguación de una de estas autovibraciones, caso de que
sea producida por turbulencias de la corriente, desprende energía,
y por tanto limita las amplitudes de los movimientos de giro e
impide el fretting.
La solicitante también ha descubierto que, en
caso de vibraciones del elemento combustible producidas por
corriente de agua, son decisivas las vibraciones de flexión, cuyo
impulso y amplitud aumenta, cuanto más rígidas sean las barras de
combustible y su sujeción en los elementos de combustible, porque
dicha rigidez está relacionada con una reducción de la
amortiguación. Por tanto, un soporte rígido fomenta el fretting y
es perjudicial. Por consiguiente, en comparación con el actual
estado de la técnica, hay que aumentar la movilidad mediante medios
apropiados.
El lector se dará cuenta que este desarrollo y
los consiguientes medios que se desprenden del mismo para aumentar
la amortiguación no son del estado actual de la técnica y no se
emplean en el actual estado de la técnica.
El invento también se refiere al empleo de
elementos combustibles en un reactor refrigerado por agua ligera,
en que por lo menos partes de las barras de combustible del
elemento combustible son desplazadas en movimientos transversales
por la corriente de refrigerante y las barras de combustible son
guiadas por mallas de varios separadores colocados unos sobre otros
separados axialmente, pero dichos movimientos transversales quedan
limitados en estas células por medio de elementos de apoyo. Sin
embargo, los elementos de apoyo ya no poseen, por lo menos en el
segundo ciclo de aplicación del elemento combustible, suficiente
fuerza de resorte para impedir mediante fricción de adherencia los
movimientos relativos provocados por las propias vibraciones del
elemento combustible entre los elementos de apoyo y las barras de
combustible.
Tal como se indicará aún experimentalmente, la
corriente de refrigeración alcanza el elemento combustible y las
barras de combustible, prácticamente con solo vibraciones que se
conocen como vibraciones propias autoinducidas y vienen
representadas por las soluciones de la ecuación de vibraciones
propias:
\frac{d^{2}x}{dt^{2}} + D\cdot
w\cdot \frac{dx}{dt} + w^{2}x =
0
donde D indica la amortiguación y
puede expresarse en porcentaje, mientras que x es el desvío
transversal y \omega indica la frecuencia. En este caso, las
vibraciones se tratan de vibraciones propias con el modo de
vibraciones de flexión hasta el orden N, siendo N el número de
separadores utilizados en el elemento combustible, y dichas
vibraciones propias del elemento combustible están en fase con las
correspondientes vibraciones propias de la barra de combustible.
Tal como se indicará más adelante, sobre todo son responsable del
fretting los órdenes (N-2) y (N-3).
Para el orden (N-2), la amortiguación de una
vibración de amplitud 50 \mum en un elemento combustible con el
soporte usual de 5 puntos de la barra de combustible (en aire) es
inferior al 0,35%; pero el invento nos enseña amortiguar más este
orden. Los órdenes inferiores son menos importantes para el
comportamiento del fretting, puesto que son esencialmente más
amortiguados por naturaleza y por tanto las correspondientes
vibraciones propias tan solo pueden conseguirse esencialmente con
amplitudes más reducidas, tal como todavía se indicará. Además la
elevada amortiguación del modo (N-2) está conectada
con una amortiguación más elevada del modo inferior, de manera que
basta concentrarse en el modo
(N-2).
Bajo la denominación "amortiguación más
elevada" se entiende una amortiguación que se halla por encima
del valor obtenido con el soporte usual de 5 puntos.
El objeto antes citado se consigue, de acuerdo
con el invento, mediante un separador que tiene las características
indicadas en la reivindicación 1. Según dichas características se
han previsto elementos de apoyo en el separador que, con un ángulo
de giro \varphi = 0,1º de la barra de combustible, se ejerce como
máximo un momento de giro M = 10 N\cdotmm sobre dicha barra de
combustible. Esto comporta una amortiguación más elevada y evita
daños por rozamiento.
Es preferible por lo menos un separador (de modo
especial el separador inferior en un elemento combustible de agua a
presión) en la mayoría de mallas, que aloje una barra de
combustible (especialmente en todas las mallas con barras de
combustible) conformado con elementos de soporte de este tipo. Esta
posibilidad ya se ha indicado con más detalle. Naturalmente esto no
sirve para mallas que no estén ocupadas por barras de combustible,
como por ejemplo las mallas con tubos de guía de barras de control
en los reactores de agua a presión.
Preferiblemente los elementos de apoyo están
conformados de manera que una vez colocada la correspondiente barra
de combustible, dicha barra de combustible se apoya en varias
superficies de apoyo longitudinales, cuya dilatación longitudinal
es respectivamente por lo menos de 1 mm. El punto de apoyo superior
de la barra de combustible en esta malla es pues como máximo de 10
mm (preferiblemente de 5 mm como máximo, y de modo especial de 3 mm
como máximo) por encima del punto de apoyo inferior de la barra de
combustible en la misma malla; dicho con otras palabras: si
consideramos el elemento de apoyo como parte del separador,
entonces el punto de contacto superior e inferior entre la barra de
combustible y el separador definen un tramo axial sobre la barra de
combustible, que es sostenido por el separador y que posee como
máximo la longitud indicada. Según esta forma de realización, la
barra de combustible es únicamente sostenida por una parte
relativamente corta (longitud axial de 10 mm, o incluso menos, como
máximo) por los elementos de apoyo, cuya fuerza de resorte no
basta, en todos los casos más realistas, para impedir movimientos de
giro relativos de la barra de combustible de 0,1º. No obstante,
dicha fuerza amortigua efectivamente tales movimientos de giro. Sin
embargo, cuando mayor se elija la longitud axial de la parte de la
barra de combustible sostenida por los elementos de apoyo (es
decir, cuando más rígida sea la sujeción de la barra en el elemento
de apoyo), tanto mayor es la fuerza necesaria para un desvío, pero
no obstante la amortiguación de las vibraciones de flexión será
menor y por tanto aumentará su amplitud.
Ciertamente, los elementos de apoyo que sostienen
una parte tan corta de la barra de combustible están en condiciones
de admitir y controlar prácticamente, incluso después de la
relajación de la fuerza de resorte requerida para el funcionamiento
los movimientos relativos transitorios que se producen bruscamente
de dichas partes, pero sin embargo no pueden aceptar los movimientos
de giro relativos de dichas partes ni siquiera en estado sin
radiación, puesto que siguen permitiendo micromovimientos. Si tales
micromovimientos son producidos por vibraciones elásticas, entonces
generan una fricción que no ocasiona daños por rozamiento, sino que
amortigua dichas vibraciones.
En todas las formas de realización es preferible
que encima y debajo de un elemento de apoyo elástico de una malla
apoyado en una barra de combustible exista respectivamente un
elemento de seguridad rígido, que tenga una separación entre 0,1 y
0,5 mm (preferiblemente de unos 0,3 mm o menos) de la
correspondiente barra de combustible en estado de reposo. De este
modo se obtiene un máximo desvió de la barra de combustible y se
garantiza que entre las paredes del separador y la barra de
combustible (y también entre dos barras de combustible contiguas)
existe una distancia mínima, tal como se requiere por diferentes
motivos, que no puede sobrepasarse.
El descubrimiento antes citado debe conducirnos
esencialmente a un nuevo desarrollo del separador HTP, o sea a
objetos que se diferencian de estos separadores ya conocidos. Por
tanto, el invento enseña, al proporcionar la ventajosa extensión de
las superficies de contacto, que el elemento de apoyo elástico no
puede ni deformarse demasiado por una barra de combustible, para lo
cual se formaba una superficie de contacto demasiado grande en el
sentido axial, ni puede tener un contacto de superficie demasiado
pequeña. Estos objetos se cumplen a ser posible cuando los
elementos de apoyo se fatigan durante la radiación, pero ya se
tienen en cuenta ventajosamente al proyectar y fabricar los
separadores sin radiación. De manera especial, también se ha pensado
en separadores con las características que figuran en las
reivindicaciones y con mallas, que posean menos de ocho superficies
de contacto. Pero también puede pensarse en separadores (y los
correspondientes elementos combustibles) en que se prescinda de una
o otra característica, descrita en relación con el separador HTP o
indicada en los dibujos 19 a 21. Esto abre la posibilidad de
simplificar o mejorar las construcciones.
Preferiblemente, las mallas previstas, por lo
menos para las barras de combustible interiores, están conformadas
igual. En separadores con mallas cuadradas es ventajoso si cada una
de las cuatro paredes de la malla tiene su respectivo elemento de
apoyo. Preferiblemente todos los elementos de apoyo están
conformados como resorte elástico. En las mallas hexagonales los
elementos de apoyo o pares de elementos de apoyo están dispuestos
de manera que quedan distribuidos aproximadamente con el mismo
ángulo periférico a lo largo de la periferia de las barras de
combustible, llevando por lo menos elementos de apoyo tres paredes
de la malla. Ventajosamente, todas las paredes de malla, que llevan
elementos de apoyo para las barras interiores, tienen la misma
construcción.
Hasta ahora se han investigado y probado con
éxito elementos de apoyo longitudinales y elásticos que están
orientados paralelamente a las barras de combustible. De acuerdo
con el invento la extensión debe estar limitada en el sentido axial
para evitar un impulso brusco. Caso de que la amortiguación dependa
decisivamente de los micromovimientos entre las superficies de
apoyo, también puede ser ventajoso orientar la superficie
longitudinal de apoyo perpendicularmente a las barras de
combustible, puesto que entonces, incluso en caso deseado en vista
a la amortiguación, puede aumentarse una pequeña extensión axial
las longitudes de las superficies de apoyo.
Con ayuda de los diversos dibujos se explican con
detalle el invento y ejemplos de formas de realización
preferidas.
Dichos dibujos muestran:
La figura 1, es una vista en planta de un
elemento combustible con agua a presión;
Las figuras 2 y 3 son una vista en planta y una
sección longitudinal (a lo largo de la línea
III-III de la figura 2) a través de una malla de un
separador de acuerdo con el invento;
La figura 4 es una correspondiente sección
longitudinal de un separador convencional de 5 puntos;
Las figuras 5 y 6 representan la dependencia de
los espectros de vibraciones de un elemento combustible
convencional, en los estados BOL y EOL, de la velocidad de
corriente del agua de refrigeración;
Las figuras 7 y 8 son espectros de vibraciones de
un elemento combustible, sin y con fricción, y la correspondiente
amortiguación de las barras de combustible;
La figura 9 es el esquema en estado de reposo de
un estado de vibración posible y de un estado de vibración
imposible del elemento combustible;
La figura 10 representa el desplazamiento de la
barra de combustible con respecto a su posición de reposo en
función del lugar sobre la barra de combustible con una desviación
debida a vibración;
Las figuras 11 y 12 representan el ángulo de giro
de la barra de combustible en función del lugar para modos del
orden 1 y (N-2);
La figura 13 indica las posiciones de la barra de
combustible y del elemento de soporte elástico en caso de
vibraciones de giro en separadores convencionales;
La figura 14 indica el momento de giro M
necesario para un ángulo de giro \varphi de una barra de
combustible con un separador de la figura 13;
Las figuras 15 y 16 son las representaciones
esquemáticas correspondientes a las figuras 13 y 14 en el caso del
invento;
Las figuras 17 y 18 presentan la amortiguación
para los modos (N-3) y (N-2) en el
montaje convencional y según el invento;
La figura 19 es un separador HTP con tubo de guía
y una barra de combustible;
La figura 20 presenta la doble brida de este
separador antes del montaje;
La figura 21 presenta el efecto del canal
intermedio sobre las barras de combustible de este separador; y
Las figuras 22 y 23 presentan otro ejemplo de
forma de realización de un separador de acuerdo con el invento.
El lector se da cuenta de que el invento parte de
un funcionamiento habitual de un reactor nuclear, cuyos elementos
combustibles están refrigerados con agua ligera. Las barras de
combustible de tales elementos combustibles contienen pastillas
apiladas para formar columnas de combustible nuclear sinterizado,
las cuales están encerradas en tubos envolventes. Dado que tales
elementos de combustible poseen varios separadores para las barras
de combustible, cada separador comprende secciones de columnas de
pastillas, de manera que separadores y tubos envolventes sirven de
medio para limitar el movimiento de dicha sección (y también toda
la movilidad de las columnas de pastillas) por lo menos con
respecto a los separadores. Por tanto, los movimientos como los del
estado b (que se expondrá más adelante con mayor detalle) de la
figura 9 resultan vastamente imposibles o bien solo pueden
producirse con una amplitud sumamente reducida y fuerte
amortiguación. Sin embargo, preponderantemente aparecen vibraciones
de flexión que corresponden al estado c de la figura 9.
La supresión del estado b es necesaria y tanto
más eficaz cuanto más intensamente actúen los medios que amortigüen
con limitaciones esta movilidad relativa de los movimientos. Hasta
ahora se partía de la base que los medios de limitación más fuertes
posibles también amortiguaban respectivamente con mayor intensidad
el estado c. No obstante, la antes mencionada primera prueba pone de
manifiesto lo contrario. El invento prevé pues disponer dichos
medios de manera que por lo menos aumenten la movilidad para los
citados tramos de algunas barras de combustible en como mínimo uno
de los separadores -con respecto a los medios de limitación en el
estado actual de la técnica comparativa. Entonces, en los
correspondientes movimientos se extrae energía incluso en dicho
estado c de la figura 9, y se amortiguan mucho dichas vibraciones
de flexión. Por tanto, un ligero aumento de la amortiguación ya
conduce a una reducción de la fricción en los tubos envolventes en
una magnitud totalmente inesperada.
Dado que los daños por rozamiento observados en
los reactores de agua en ebullición hasta ahora se retrotraen al
antes citado fretting de cuerpos extraños, pero en los reactores de
agua a presión el motivo de la mayor parte de los daños (en todo
caso sumamente extraños) consiste en el rozamiento directo entre la
barra de combustible y los elementos de apoyo, fundamentalmente el
invento está destinado a elementos combustible para reactores de
agua a presión, y se describe para ellos.
Un elemento combustible para agua a presión de
este tipo (figura 1) posee una cabeza K y un pie F, unidos entre sí
por medio de tubos de guía/barra de control G. En dichos tubos de
guía hay fijados varios (generalmente de 8 a 9) separadores SP, que
por ejemplo pueden estar formador por manguitos soldados entre sí,
pero que en el caso representado están constituidos por bridas
cruzadas en ángulo recto a modo de rejilla. En las mallas circulares
o rectangulares así obtenidas se colocan los tubos de guía G y las
barras de combustible FR.
En la vista en planta sobre una malla de un
separador "egg crate" (figura 2) puede verse el cruce de las
bridas de zircaloy 1 y 2, que en este caso forman una esquina con
ventanas, en las que se inserta un resorte 3 de inconel. En las
paredes de la malla que se juntan en la esquina opuesta existe, en
cada una de ellas, una curvatura dirigida hacia la misma malla, que
puede verse con más precisión en la figura 3, y que forma un botón,
o sea un elemento de apoyo 4 prácticamente rígido, contra el cual
es apretada la barra de combustible 5 por el elemento de apoyo
elástico 3. Tal como puede verse en la figura 3, los elementos de
apoyo elásticos y rígidos 3, 4 se encuentran en un nivel común, de
modo que el punto más elevado h1 sobe el que se apoya la barra de
combustible 5 en un elemento de apoyo 3, 4, se halla a una
distancia axial d0 del punto de apoyo más profundo h_{2} que en
este caso es de 3 mm. En esta forma de realización de los elementos
de apoyo, las superficies de apoyo entre la barra de combustible 5
y los elementos de apoyo 3, 4 están orientadas casi en línea y
paralelas al eje de la barra de combustible. La fuerza de resorte
del elemento de apoyo elástico 3 es normalmente de más de 5 N.
A diferencia de ello, también es ventajoso
conformar las curvaturas como elementos de apoyo elásticos.
La figura 3 también muestra que, entre el tubo
envolvente HR y la columna de pastillas TS encerrada en el mismo,
existe una rendija SG en el estado de reciente fabricación. En el
caso de un elemento combustible de nuevo desarrollo y que se adapte
a la física del reactor, puede ser ventajoso prever una anchura de
rendija de aproximadamente 150 \mum. En la presente prueba la
rendija viene determinada por un diámetro de pastilla reducido,
puesto que para una posterior prueba se prevén tubos envolventes
con diámetros interiores y exteriores más reducidos. En la primera
prueba existe una rendija relativamente grande pero se coloca un
alambre que fija la columna de pastillas TS dentro del tubo
envolvente.
Al contrario del separador descrito, la figura 4
muestra la sección longitudinal a través de un soporte convencional
de 5 puntos, en que la barra de combustible es luego apretada con
un elemento de apoyo elástico respectivamente por un par de botones
colocados en oposición 4a, 4b en las otras paredes de la malla. La
distancia d0 en la figura 3 corresponde en esta sujeción a la
distancia d, que normalmente tiene por lo menos unos 30 mm.
Un elemento combustible con separadores, que
representan una sujeción de 5 puntos según la figura 4, se coloca
en estado sin radiación (estado BOL) en una corriente de agua de
refrigeración con velocidad de corriente variable v, mostrando la
figura 5 la amplitud A de los movimientos del elemento combustible,
medida en los tubos de guía en el centro entre dos separadores.
Puede verse que, en la zona de una velocidad de corriente v entre
5,5 y 6,0 m/seg aproximadamente, se producen especialmente fuertes
vibraciones en el elemento combustible con una frecuencia de
aproximadamente 25 hertzios. Para simular el comportamiento al
final del tiempo de empleo (estado EOL) del elemento combustible -o
sea con débiles fuerzas de resorte (relajadas)- en la prueba de la
figura 6 se han reducido ligeramente los diámetros del tubo
envolvente/barra de combustible, mientras se ha utilizado el mimo
tipo de separador con los mismos elementos de apoyo. Por tanto,
ahora la rendija entre la barra de combustible y el tubo envolvente
es ciertamente menor, pero se ha superado de nuevo gracias a un
alambre para fijar la columna de pastillas. Se pone de manifiesto
que debido al menor diámetro exterior del tubo envolvente y la
correspondiente mayor movilidad de la barra de combustible en los
elementos de apoyo, han desaparecido ampliamente por lo menos las
amplitudes tan llamativas en la figura 5.
La figura 7 muestra un espectro de frecuencias en
un elemento combustible que corresponde al de la figura 5, que en
el modo (N-2) posee una amortiguación del 0,3%,
mientras que en la figura 8 se utilizan barras de combustible que no
llevan ningún alambre, pero por el resto han quedado igual. La
amortiguación ha aumentado en este caso desde aproximadamente el
0,3 a aproximadamente el 0,5%, con lo cual sorprendentemente con
este pequeño aumento absoluto de solo el 0,2% se ha obtenido
prácticamente la desaparición de las vibraciones ostentadas en la
figura 7.
Estas pruebas muestran que la fuerza de resorte
habitual del separador no basta para evitar por si misma las
vibraciones, en el estado BOL, de amplitud superior a la frecuencia
de 25 hertzios, puesto que tanto la elevada fuerza de resorte
resulta perjudicial como la relajación de la fuerza de resorte
produce menores amplitudes: Por contra es notablemente suficiente
si se aumenta la amortiguación, de modo que para la especial
vibración indicada de 25 hertzios ya baste una amortiguación que
represente el 0,5% o incluso únicamente el 0,4%.
Para explicar las vibraciones propias de un
elemento combustible, en la figura 1 se ha simbolizado el elemento
combustible a través de una barra de combustible FR dispuesta por
medio de separadores SP entre dos tubos de guía. En el estado (a)
el elemento combustible está en reposo o los elementos de apoyo
aseguran, con su muy elevada fuerza de resorte, que las barras de
combustible y los tubos de guía no puedan moverse con respecto a
los separadores, no pudiendo ejercer ni movimientos de traslación
ni tampoco de giro. Naturalmente, en este caso (sujeción rígida) no
existe ningún rozamiento entre la barra de combustible y el
separador. Sin embargo, las barras de combustible y los tubos de
guía pueden realizar grandes traslaciones y movimientos de giro
independientemente unas de otros, lo cual haría posible el estado
(b). Sin embargo, estos estados no son realistas, puesto que
cambian mucho las distancias relativas de las barras de combustible
y los tubos de guía, mientras que los separadores tan solo permiten
pequeños cambios de distancia. Prácticamente tan solo pueden
producirse movimientos sincrónicos. Además, las barras de
combustible realizan movimientos de giro (ángulo de giro \varphi)
respecto a los elementos combustibles, que asimismo sólo son
posibles con una cierta movilidad de las barras de combustible en
los elementos de apoyo.
Pero, con una sujeción muy rígida de las barras
de combustible en los separadores pueden aparecer estados (c), en
que tanto la separación de las barras de combustible entre sí como
a los tubos de guía permanecen prácticamente iguales también cuando
aparecen reducidos ángulos de giro \varphi en desaparición. Por
tanto, el estado (c) representa una vibración especialmente
favorable, puesto que aquí predomina prácticamente \varphi = 0 en
los planos de los separadores, de modo que las barras de
combustible no trabajan contra la fuerza de resorte de los
elementos de apoyo, sino que mantienen su posición de reposo
relativa con respecto a los separadores. Tales vibraciones no son
peligrosas respecto al fretting, pero significan un modo de orden
mayor.
Con un menor orden las relaciones son distintas.
La figura 10 muestra mediciones del desplazamiento transitorio D de
una barra de combustible con respecto a su posición de reposo en
una vibración por flexión de primer orden, en función de la
distancia H desde el extremo inferior de la barra de combustible.
Aquí puede verse claramente la deformación de la función del seno
provocada por los separadores.
Aún resulta más clara la variación de la forma
del seno, cuando se observa el ángulo \varphi en la figura 10, es
decir el ángulo de giro entre la barra de combustible (o tubo de
guía, respectivamente) y la perpendicular al separador. La
variación de la oscilación sinusoidal se pone de manifiesto por
claros picos, situados respectivamente en los planos del separador
que se encuentran entre el primer separador (el más bajo) y el
octavo separador (el más alto). Aquí la barra de combustible
vibratoria trabaja contra la fuerza de su sujeción. Pero dicha
vibración queda relativamente muy amortiguada por la fuerza de
resorte de la sujeción; por tanto esta vibración tan solo influye
débilmente en el espectro de vibraciones.
Si se determina, para la vibración por flexión
del orden 6, el correspondiente recorrido del ángulo de giro
\varphi, entonces la figura 12 muestra que dichos picos ya no son
completos sino que han desaparecido en gran medida. Por tanto, en
este modo la barra de combustible y el elemento combustible pueden
moverse casi en forma de seno sin trabajar contra su sujeción,
puesto que los nudos de vibraciones de esta oscilación sinusoidal
se encuentran prácticamente en los planos de los separadores.
También es respectivamente pequeña la amortiguación de la vibración
en los planos de los separadores.
En todo caso, las barras de combustible no se
mantiene en los separadores en forma de puntos, sino que sus
superficies de apoyo tienen una extensión axial.
La figura 13 muestra la influencia sobre el
fretting, cuando en la expansión axial final la fuerza de resorte
de los elementos de apoyo ejerce sobre una vibración, según las
figuras 11 y 12. Con la barra de combustible en posición de reposo
(posición P1) la fuerza de resorte del elemento de apoyo elástico FH
aprieta la barra de combustible contra los elementos de apoyo
rígidos SH de tal modo que dicha barra de combustible queda
orientada perpendicularmente al separador. Si luego se desvía la
barra de combustible alrededor del ángulo de giro \varphi desde
una dirección (posición P2) a otra dirección (posición P3), el
elemento de apoyo elástico HP se opone a dicho desvío y absorbe
energía del movimiento de la barra de combustible, amortiguando
también las correspondientes vibraciones, de modo que dicha
amortiguación, en los modos inferiores, es relativamente grande,
contrarrestando un impulso de la vibración. La más fuerte
amortiguación de los modos inferiores hace que la energía
transferida por la corriente turbulenta del agua de refrigeración
pase a los elementos elásticos, sin provocar las correspondientes
vibraciones de flexión de amplitudes demasiado elevadas.
Por el contrario, en los modos altos el reducido
movimiento de giro produce una amortiguación más débil; los
impulsos del refrigerante tan solo son débilmente amortiguados.
Ahora pueden producirse los grandes desvíos que aparecen en la
figura 5.
En la figura 13 se indican con AF las zonas en
que los movimientos citados producen un rozamiento entre la barra
de combustible y dos superficies de apoyo. Ahora, en estos
elementos de apoyo, que en el actual estado de la técnica son
rígidos, aparecen señales de gran desgaste por roce. Esto se
respalda con la observación de que únicamente los elementos de
apoyo rígidos del separador provocan las correspondientes marcas
por roce en las barras de combustible del elemento combustible. Por
tal motivo, parece ventajoso hacer elásticos tantos elementos de
apoyo como sea posible. Además, en los ensayos llevados a cabo
tales marcas de rozamiento tan solo se producen con aquellas
frecuencias de la barra de combustible que corresponde a los
órdenes (N-2) y (N-3).
Si se prescinde del momento de giro M, que es
necesario para desviar la barra de combustible un ángulo de giro
\varphi, como función de dicho ángulo, se obtiene la curva de
histéresis indicada en la figura 14: incluso con ángulos pequeños
pero finitos (por ejemplo de \varphi = 0,1), siempre se precisa un
momento de giro finito.
Sin embargo, con la misma fuerza de resorte este
momento de giro M se reduce en la medida en que disminuye la
distancia d entre el punto superior e inferior del elemento de
apoyo rígido SH en la figura 13. Si dicha distancia d y la
superficie de apoyo del elemento de apoyo elástico FH se convierten
respectivamente en un punto común, tal como puede verse en la figura
15, entonces aun en caso de un gran ángulo de giro \varphi no se
requiere prácticamente ningún momento de giro M (figura 16). Ahora
el comportamiento de la barra de combustible es prácticamente
independiente de la fuerza de resorte.
A pesar de ello, en todo caso todavía se producen
micromovimientos, que restan constantemente energía una
correspondiente oscilación de giro, de manera que la elevada
movilidad de giro de la barra de combustible montada de este modo
conlleva a una amortiguación más alta de los correspondientes modos.
Para ello, la extensión de las superficies de apoyo no debe ser
demasiado pequeña. En la figura 17 la curva CONV muestra la función
de amortiguación del desvío (amplitud) de la barra de combustible
en el modo (N-3) para una distancia d = 30 mm
prácticamente convencional, y la curva INV la correspondiente
amortiguación para la innovadora distancia d = 3 mm aquí propuesta.
Para el modo (N-2) se indican las correspondientes
curvas en la figura 18.
En el principio de construcción del ya citado
separador HTP (figuras 19, 20, 21) se emplean -con excepción de la
brida del borde 30- dobles bridas 31 que están formadas por dos
paredes 32 y 33 colocadas planas una contra otra y unidas entre sí.
Estas dobles bridas están insertadas de tal modo entre sí que forman
mallas cuadradas 35, las cuales sirven para alojar una barra de
combustible 36 o un tubo de guía 37. En el cruce 39 de dos dobles
bridas 31 y 34, cada una de dichas dobles bridas (ancho b = 4 a 4,5
cm) tiene una primera ranura longitudinal 38. Además, cada pared,
que limita una determinada malla para alojar una barra de
combustible, lleva una segunda ranura longitudinal 41, siendo ambas
ranuras aproximadamente de la misma longitud (longitud l entre 0,6
y 0,65 mm) y terminan aproximadamente a la misma distancia del
canto inferior y del canto superior de la doble brida. En el
centro, entre dos puntos de cruce, cada pared que limita una malla
prevista para una barra de combustible está curvada hacia al eje
central de la malla que limita la pared, de modo que entre las
paredes existe un canal intermedio 40 que va de arriba a abajo.
Estos canales intermedios están curvados por su extremo superior
45, de manera que el agua de refrigeración que sale de estos
canales intermedios forma una torsión 47 alrededor de la barra de
combustible. Además, las paredes 48, 49 están curvadas a ambos
costados de cada segunda ranura 41 alrededor de un eje
perpendicular a la barra de combustible, de tal modo que la
correspondiente barra de combustible se apoya en la longitud d, tan
pronto la barra de combustible es colocada en la malla.
Se muestra que, para el comportamiento al
fretting, no es necesaria la curvatura en el extremo 45 de los
canales intermedios. Más bien puede ser ventajoso el uso de canales
intermedio completamente rectos, pudiéndose colocar superficies de
guía de la corriente en los cantos superiores de las paredes que
obliguen al agua de refrigeración a seguir otros recorridos de
corriente. Asimismo también pueden sustituirse los bordes de la
segunda ranura que sirven como resortes del elemento de apoyo por
otros elementos de apoyo elásticos, prescindiendo por completo de
la segunda ranura. Asimismo, puede ser ventajoso establecer la
longitud d inferior a 3 mm. En la construcción de los separadores
HTP actuales se ha partido de que d tiene aproximadamente 15
mm.
Mientras que el ejemplo de forma de realización
de las figuras 2 y 3 muestra una sujeción de tres puntos y el
ejemplo de forma de realización de las figuras 19-21
representan una sujeción de ocho puntos, las figuras 22 y 23
muestran una sujeción de seis puntos. En tal caso se ha previsto
que todos los elementos de apoyo están conformados ventajosamente
elásticos, de manera que en este ejemplo de forma de realización un
resorte 50 en una pared de la malla aprieta la barra de combustible
sobre dos resortes 51, 52 situados uno sobre el otro en la pared
opuesta. La figura 23 muestra además con el contorno de puntos 53 la
presencia de topes rígidos para limitar la amplitud.
Para medir la reducción de los daños por
rozamiento conseguida con el invento, se puede sumar las
disminuciones del espesor de pared que se obtienen por el roce en
uno de los elementos de apoyo en una malla. Las siguientes tablas 1
y 2 comparan los valores conseguidos con esta adición para un
separador convencional (pruebas 1 a 4) con d = 30 mm y los
correspondientes valores de un separador de acuerdo con el invento
(pruebas 5 a 7) con d = 3 mm. Los elementos combustibles son
sometidos electromagnéticamente a los modos que también se
observarían en el reactor. En todo caso, las amplitudes se han
ajustado a un valor constante, que es muy atípico para el
funcionamiento del reactor; de esta manera pueden conseguirse los
valores comparativos en un tiempo finito.
Las diferencias aparecidas son especialmente
notables, puesto que se retrotraen principalmente a la diferente
amortiguación del modo (N-2), siendo no obstante
esta amortiguación tan solo muy pequeña en ambos casos. El aumento
de amortiguación en todo caso se debe por su parte a que la
movilidad de las barras de combustible, que propiamente se
considera el motivo del fretting claramente menor en las pruebas 5
a 7, ha aumentado claramente.
| 1, 2 | Brida |
| 3 | Resorte (Elemento de apoyo) |
| 4, 4a, 4b | Botón (Elemento de apoyo) |
| 5 | Barra de combustible |
| 30 | Brida exterior |
| 31, 34 | Doble brida |
| 32, 33 | Paredes |
| 35 | Malla |
| 36 | Barra de combustible |
| 37 | Tubo de guía |
| 38 | Ranura longitudinal |
| 39 | Cruce |
| 40 | Canal intermedio |
| 41 | Ranura longitudinal |
| 45 | Extremo superior del canal intermedio |
| 47 | Torsión |
| 48, 49 | Paredes |
| F | Pie |
| K | Cabeza |
| G | Tubo de guía - Barra de control |
| SP | Separador |
| FR | Barra de combustible |
| d, d_{0} | Distancia axial |
| h1, h2 | Punto de apoyo superior/inferior |
| v | Velocidad de la corriente |
| A | Amplitud |
| D | Desplazamiento respecto al estado de reposo |
| H | Distancia desde el extremo inferior |
| FH | Elemento de soporte elástico |
| AF | Superficies con fricción |
Claims (12)
1. Separador para varias barras de combustible
colocadas respectivamente en una malla del separador de un elemento
de combustible para un reactor nuclear refrigerado por una
corriente de agua ligera, con respectivamente varios elementos de
soporte en cada una de dichas mallas, en que la barra de
combustible se apoya lateralmente de tal manera que limita y
amortigua la movilidad relativa de la barra de combustible
conseguida por le separador de tal modo que dicha barra de
combustible transforma la corriente de refrigerante sobre todo en
vibraciones giratorias en el plano del separador,
caracterizado por el hecho de que los elementos de soporte
ejercen respectivamente sobre una barra de combustible un momento
de giro M \leq 10 N.mm con un ángulo de giro \varphi = 0,1º,
cuyo eje de giro corre perpendicular a la barra de combustible en
el plano del separador.
2. Separador de acuerdo con la reivindicación 1,
caracterizado por el hecho de que por lo menos una de dichas
mallas del elemento de soporte con varias superficies de apoyo
longitudinales, cuya dilatación longitudinal es por lo menos de 1
mm, se apoya en la barra de combustible y, ya en estado sin
radiación del separador, el punto de apoyo superior de la barra de
combustible se encuentra en dicha malla como máximo 10 mm por
encima del punto de apoyo inferior de la barra de combustible en la
misma malla.
3. Separador de acuerdo con la reivindicación 1 ó
2, caracterizado por el hecho de que el punto de apoyo
superior se encuentra como máximo a 5 mm, preferiblemente como
máximo a 3 mm sobre el punto de apoyo inferior de la barra de
combustible en la misma malla.
4. Separador de acuerdo con la reivindicación 1,
2 ó 3, caracterizado por el hecho de que por lo menos se han
previsto elementos de soporte de esta clase en las mallas
interiores.
5. Separador de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por el hecho de que
todas las mallas disponen de esta clase de elementos de
soporte.
6. Separador de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por el hecho de que en
cada malla que presenta dichas superficies de apoyo se han previsto
topes en un plano encima y debajo de las superficies de apoyo, que
limitan el desvío lateral de la barra de combustible respecto a su
estado de reposo entre 0,1 y 0,5 mm, preferiblemente por lo menos a
0,3 mm.
7. Separador de acuerdo con la reivindicación 6,
caracterizado por el hecho de que se ha previsto uno de
tales topes encima y debajo de cada superficie de apoyo.
8. Separador de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por el hecho de que
cada una de dichas barras de combustible se apoya en menos de ocho
superficies de apoyo longitudinales en los elementos de soporte de
la malla.
9. Separador de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 8, caracterizado por el hecho de que
las superficies de apoyo están orientadas paralelas a la barra de
combustible.
10. Separador de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por el hecho de que
las superficies de superficies de apoyo, o pares de superficies de
apoyo, están distribuidas equidistantes en la periferia de la barra
de combustible.
11. Elemento combustible para un reactor nuclear
refrigerado por una corriente de agua ligera, caracterizado
por el hecho de que por lo menos se ha previsto un separador de
acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores.
12. Elemento combustible de acuerdo con la
reivindicación 11, caracterizado por el hecho de que se ha
previsto por lo menos como separador inferior un separador de
acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores.
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