ES2264889B1 - Elemento combustible para reactores nucleares de agua a presion, y metodo de carga de elementos combustibles en un nucleo de un reactor nuclear. - Google Patents
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Abstract
Elemento combustible para reactores nucleares de agua a presión, y método de carga de elementos combustibles en un núcleo de un reactor nuclear. La invención se refiere a un elemento combustible para reactores nucleares de agua a presión, que comprende una pluralidad de barras de combustible nuclear que cada una comprende una pluralidad de pastillas con combustible nuclear. El elemento incluye tanto pastillas con óxido de gadolinio de alta concentración (superior o igual al 6% en peso) como pastillas con óxido de gadolinio de media concentración (superior al 2% en peso e inferior o igual al 4% en peso). La invención también se refiere a un método para cargar el núcleo de un reactor nuclear.
Description
Elemento combustible para reactores nucleares de
agua a presión, y método de carga de elementos combustibles en un
núcleo de un reactor nuclear.
La invención se engloba en el campo de la
energía nuclear y, más concretamente, en el campo de los elementos
combustibles utilizados en los reactores de agua a presión (PWR:
"Pressurised Water Reactor").
Existen diferentes tipos de reactores nucleares,
por ejemplo, los reactores de agua en ebullición (BWR: "Boiling
Water Reactor"), los reactores de agua a presión (PWR), etc. En
los dos tipos de reactores mencionados, se utilizan elementos
combustibles que comprenden una pluralidad de barras de combustible
nuclear, organizadas en forma de matriz, en filas y columnas. Estas
barras incluyen pastillas ("pellets") de combustible, por
ejemplo, de uranio (U), en forma de óxido de uranio (UO_{2}),
normalmente enriquecido en U-235.
Un ejemplo de un elemento combustible de este
tipo, y de barras de combustible y sus correspondientes pastillas
de combustible, se describe en la solicitud de patente europea
publ. no. EP-A-0369305. Otros
ejemplos de elementos y barras de combustible, para reactores de
agua a presión o para reactores de agua en ebullición, se describen
en las patentes o solicitudes de patente publ. no.
US-A-4587090,
US-A-4649020,
US-A-4728487,
US-A-4378329,
US-A-4629599,
GB-A-1280366,
EP-A-0799484 y
EP-A-0155865.
El conjunto de elementos combustibles cargados
en el interior de la vasija constituye el núcleo del reactor. El
núcleo de los reactores de agua a presión y de agua en ebullición
está refrigerado por agua, que, a su vez, actúa como moderador de
los neutrones, para extraer la energía que se produce por la fisión
del material fisionable (básicamente del U-235). A
medida que desaparece el material fisionable, la reactividad del
sistema disminuye por lo que para que el reactor siga funcionando
es necesario cargar periódicamente nuevos elementos combustibles.
El nuevo núcleo, tras la recarga de combustible fresco, tiene que
tener un exceso de reactividad para poder operar durante un periodo
de tiempo suficientemente largo (un año o más) entre recargas.
Para controlar el exceso de reactividad al
principio del ciclo suelen emplearse venenos consumibles. Los
venenos consumibles son sustancias absorbentes de neutrones (es
decir, tienen una sección eficaz de absorción elevada) que al
capturar un neutrón se transforman en una sustancia inerte.
Atendiendo a la forma en que se incorporan al combustible, los
venenos absorbentes se dividen en: (1) integrados, cuando el
material absorbente va incorporado en las pastillas combustibles, y
(2) discretos, cuando el material absorbente se introduce en el
núcleo formando parte de un dispositivo (normalmente un haz de
barritas absorbentes) que se acopla al elemento combustible
utilizando los alojamientos previstos para las barras de
control.
La presente invención se refiere a los elementos
combustibles para reactores de agua a presión.
El uso de venenos consumibles, inicialmente
limitado a los primeros núcleos en los reactores de agua a presión
(en los que todo el combustible que se carga es combustible
fresco), se ha generalizado en los núcleos de recarga (en los que
sólo una parte del núcleo se carga con combustible fresco) como
consecuencia del alargamiento de los ciclos y de la necesidad de
mejorar el control de la distribución de potencia en los núcleos de
recarga.
En ciclos cortos es posible compensar el exceso
de reactividad a principio del ciclo (BOC) exclusivamente con el
boro disuelto en el refrigerante. La concentración de boro en el
refrigerante es máxima al principio del ciclo, cuando el exceso de
reactividad es mayor, y va disminuyendo con el quemado a medida que
la reactividad del núcleo baja como resultado del quemado del
combustible y la aparición de productos de fisión con secciones
eficaces de absorción de neutrones elevadas (venenos
neutrónicos).
Para ciclos más largos el exceso de reactividad
a BOC es mayor y para compensarlo se necesitarían concentraciones
de boro excesivamente altas, no admisibles por su impacto adverso
sobre el combustible y la operación de la central. Entre los
efectos adversos asociados a las concentraciones altas de boro se
pueden citar:
- Un coeficiente de temperatura del moderador
más positivo.
- Disminución de la eficacia de los sistemas de
seguridad de la planta.
- Aumento de la severidad de alguno de los
accidentes considerados en el Estudio Final de Seguridad, como por
ejemplo los de dilución de boro.
- Aumento de la concentración de litio (Li) que
contribuye a acelerar la corrosión del combustible y/o de otros
materiales del primario.
\newpage
Para conseguir ciclos más largos, que mejoran la
economía del ciclo, ha sido necesario aumentar el número de
elementos frescos que se cargan tras la parada del ciclo anterior,
así como su enriquecimiento en material físil (normalmente
U-235). Además, la distribución de los elementos en
el núcleo ha evolucionado desde los primeros esquemas de recarga de
tipo "out-in" (en los que el combustible
fresco se cargaba mayoritariamente en la parte exterior del núcleo)
a los actuales de bajas fugas (en los que el combustible más
quemado se carga en la periferia para disminuir las fugas
neutrónicas).
Con la introducción de los esquemas de bajas
fugas, la distribución de potencia tiende a ser menos homogénea
provocando la aparición de picos locales que no pueden controlarse
sólo con la adición de un veneno homogéneamente distribuido entre
los elementos combustibles, como es el caso del boro disuelto en el
refrigerante. Por lo tanto, es necesario incorporar elementos de
veneno que afecten de forma diferente y selectiva a diferentes zonas
del núcleo del reactor y/o de los elementos combustibles.
El uso de venenos consumibles que pueden
ubicarse de forma selectiva en el reactor, junto con el boro
disuelto en el refrigerante (que, como se ha indicado, se
distribuye de forma homogénea), permite compensar el exceso de
reactividad a principio de vida y conseguir una distribución de
potencia homogénea en los ciclos largos. Entre los venenos
consumibles, los venenos integrados tienen dos ventajas
principales:
(1) No generan residuos; y
(2) Su posición en el núcleo no está limitada a
las posiciones sin barras de control. (Todos los elementos
combustibles para reactores de agua a presión suelen, en adición a
las barras de combustible, comprender posiciones destinadas a
recibir barras de control que sirven para moderar la combustión y
para pararla en casos de emergencia. Sin embargo, en los núcleos de
los reactores de agua a presión, dichas barras sólo están presentes
en correspondencia con una parte de los elementos, por lo que, en
los demás elementos, las posiciones que dichas barras ocuparían en
la matriz de barras están libres y pueden ser utilizadas para
alojar barras de veneno discreto).
Como contrapartida, el elemento resultante tras
la absorción neutrónica no es completamente inerte, lo que da
lugar a una pequeña penalización remanente durante toda la vida
útil del combustible.
El óxido de gadolinio (Gd_{2}O_{3})
sinterizado junto con el UO_{2} en las pastillas de combustible
es el veneno consumible integrado más utilizado en los reactores de
agua en ebullición y se emplea cada vez más en los reactores de
agua a presión (aunque, debido a las diferencias conceptuales entre
el funcionamiento de estos dos tipos de reactores, la forma de
utilizar el óxido de gadolinio en los reactores de agua a presión
difiere de la forma de utilizarlo en los reactores de agua en
ebullición). Algunos de los documentos mencionados más arriba
describen ejemplos del uso de óxido de gadolinio en diferentes
tipos de reactores.
En las aplicaciones actuales para ciclos largos
de entre 18 y 24 meses en reactores de agua a presión, se suelen
utilizar mezclas de óxido de gadolinio de alta y de baja
concentración, como único veneno consumible o combinado con otros
venenos. En estos diseños, el óxido de gadolinio de alta
concentración (típicamente, entre el 6% y el 10% en peso) tiene
como función principal controlar la distribución de potencia y los
factores de pico de potencia a lo largo de todo el ciclo, mientras
que el óxido de gadolinio de baja concentración (entre el 0,5% y el
2% en peso) se utiliza para reducir la concentración de boro
soluble durante la primera parte del ciclo, para evitar los efectos
adversos asociados a las concentraciones altas de boro a BOC
mencionados más arriba.
El empleo simultáneo de óxido de gadolinio de
alta y baja concentración se basa en la distinta evolución con el
quemado de la reactividad (negativa) del óxido de gadolinio en
función de su concentración inicial. En la Figura 1 se compara el
efecto sobre la reactividad de un elemento combustible de una barra
de óxido de gadolinio al 1% en peso con el de otra al 8% en peso
(los porcentajes se refieren a la proporción del peso del óxido de
gadolinio con respecto al peso total de una pastilla de combustible
que puede comprender dicho óxido de gadolinio y, por ejemplo,
óxido de uranio (UO_{2})). Como se ve en la Figura 1 (eje
vertical: efecto sobre la reactividad del elemento por barra de
óxido de gadolinio en pcm; eje horizontal: quemado medio del
elemento en MWd/tU), el valor del óxido de gadolinio de baja
concentración es sensiblemente inferior al del óxido de gadolinio
de alta concentración para el combustible fresco (0 MWd/tU de
quemado), pero lo que es más importante, disminuye mucho más
rápidamente con el quemado que el valor del óxido de gadolinio de
alta concentración, con lo que, en el caso del óxido de gadolinio
de una concentración del 1% en peso, el efecto prácticamente
desaparece a los 6.000 MWd/tU de quemado, mientras que para el
mismo quemado el óxido de gadolinio con una concentración del 8%
sigue teniendo un valor en torno a las 600 pcm (1 pcm es el valor
en reactividad, \DeltaK/K, multiplicado por 10^{5}), que
representa más del 70% de su valor al comienzo del ciclo (BOC). El
comportamiento descrito, prácticamente independiente de cual sea la
distribución de óxido de gadolinio en el núcleo, es bien conocido
y está en la base de todas las aplicaciones del óxido de gadolinio
en reactores de agua a presión que utilizan óxido de gadolinio de
baja concentración para bajar el boro a BOC y óxido de gadolinio de
alta concentración para controlar la distribución de potencia a lo
largo del ciclo.
Las aplicaciones conocidas incorporan el óxido
de gadolinio en algunas o en todas las pastillas de combustible de
algunas (o, posiblemente, en algún caso, en todas) las barras de
combustible de algunos o todos los elementos combustibles. Tal y
como se ha indicado, el óxido de gadolinio se incorpora junto con
el combustible (por ejemplo, óxido de uranio UO_{2}) y,
posiblemente, en algunos casos, junto con otros elementos. En las
aplicaciones conocidas, las pastillas de óxido de gadolinio de baja
concentración suelen tener un contenido en óxido de gadolinio de
entre el 0,5% y el 2% en peso de Gd_{2}O_{3} (con respecto al
peso total de la pastilla), utilizando preferentemente el 1%. En
cambio, las pastillas de óxido de gadolinio de alta concentración
suelen tener una concentración de Gd_{2}O_{3} de entre el 6% y
el 10% en peso. El empleo descrito de estos dos tipos de
pastillas/concentraciones de óxido de gadolinio ha demostrado ser
suficiente para controlar la distribución de potencia y mantener
concentraciones de boro aceptablemente bajas a BOC para ciclos de
18 meses. Ahora bien, con estudios que la solicitante ha realizado
se ha determinado que la combinación de estos dos tipos de
pastillas/concentraciones de combustible no da resultados óptimos.
De hecho, la combinación de sólo estos dos tipos de pastillas de
veneno consumible puede incluso resultar insuficiente en el caso de
ciclos más largos, por ejemplo, de 24 meses, y/o en el caso de
posibles aumentos de la potencia nominal de las centrales
nucleares.
Por lo tanto, se ha considerado que existe una
necesidad de mejorar la forma de incorporar venenos consumibles en
los elementos combustibles para reactores de agua a presión.
Especialmente, se ha considerado deseable mejorar la incorporación
de óxido de gadolinio con el fin de mejorar las prestaciones de los
diseños actuales en ciclos de media o larga duración (en torno a 18
meses), y con el fin de obtener una incorporación de óxido de
gadolinio que sea adecuada también para ciclos más largos (por
ejemplo, ciclos del orden de 24 meses o más) y/o con mayor nivel de
potencia.
Un primer aspecto de la invención se refiere a
un elemento combustible para reactores nucleares de agua a
presión, que puede ser del tipo que comprende un bastidor que
define una malla o matriz de posiciones, que pueden ser de dos
tipos: por una parte, posiciones en las que están alojadas barras
de combustible nuclear, y por otra parte posiciones para recibir
barras de control externas, que se usan, entre otras cosas, para
controlar el proceso de fisión y para pararlo en el caso de una
emergencia, introduciendo las barras de control externas al máximo
en el núcleo. La matriz o malla puede comprender NxN posiciones,
siendo N mayor o igual a 14, por ejemplo, 15, 16, 17, 18 o más. De
estas posiciones, sólo una pequeña parte suele corresponder a las
barras de control externas (por ejemplo, en un caso de una matriz
con 17x17 posiciones, típicamente 24 corresponden a las barras de
control externas, una (la posición central) es para el tubo de
instrumentación, y el resto de las barras (264) pueden corresponder
al combustible nuclear, con o sin veneno integrado).
El elemento combustible comprende una pluralidad
de barras de combustible nuclear que cada una comprende una
pluralidad de pastillas con combustible nuclear (por ejemplo,
UO_{2}, por ejemplo, enriquecido en U-235). Al
menos algunas de dichas pastillas, en al menos algunas de dichas
barras de combustible nuclear, comprenden óxido de gadolinio
(Gd_{2}O_{3}) de alta concentración, siendo dicha alta
concentración una concentración de óxido de gadolinio superior o
igual al 6% en peso con respecto al peso de la pastilla (el resto
del peso puede corresponder al combustible nuclear, opcionalmente
completado con otros elementos).
De acuerdo con la invención, al menos algunas de
dichas pastillas, en al menos algunas de dichas barras, comprenden
óxido de gadolinio de media concentración, siendo dicha media
concentración una concentración de óxido de gadolinio superior al
2% en peso e inferior o igual al 4% en peso con respecto al peso de
la pastilla (el resto del peso puede corresponder al combustible
nuclear, opcionalmente completado con otros elementos).
Esta incorporación de óxido de gadolinio de
media concentración proporciona una serie de ventajas
importantes:
- Mayor capacidad para reducir la concentración
de boro a BOC, necesaria o conveniente para ciclos largos,
especialmente para los ciclos de más de 18 meses.
- Mejor evolución de la curva de boro en la
primera parte del ciclo, especialmente en el primer tercio del
ciclo, sin repuntes significativos asociados a la desaparición del
óxido de gadolinio de baja concentración.
- Mejor control de la distribución de potencia y
de los factores de pico de potencia.
Esto es aplicable tanto a venenos de longitud
total (es decir, a los casos en los que todas las pastillas de la
barra incluyen veneno) como de longitud parcial (cuando sólo una
parte, por ejemplo, menos del 75%, o menos del 50%, o menos del
25%, de las pastillas de la barra incluyen el veneno). La invención
es directamente compatible con los diseños existentes de elementos
combustibles, y también puede utilizarse junto con otros
venenos.
Además, utilizado junto con un modelo para la
conductividad térmica de las pastillas con óxido de gadolinio
ajustado con las últimas medidas experimentales, la invención
permite conseguir importantes ventajas, sin penalizar sensiblemente
la longitud del ciclo.
De acuerdo con una posible modalidad de la
invención, en el elemento combustible, un número limitado de barras
emplea óxido de gadolinio como veneno neutrónico, con dos o más
concentraciones de óxido de gadolinio dentro del mismo
elemento.
En una posible modalidad de la invención, un
número comprendido entre 2 (número absoluto, no %) y el 12% del
número total de las barras de combustible nuclear pueden comprender
pastillas de gadolinio de alta concentración, y un número
comprendido entre 2 (número absoluto, no %) y el 15% del número
total de las barras de combustible nuclear pueden comprender
pastillas de gadolinio de media concentración. O, dicho con otras
palabras, el elemento combustible puede comprende un número total T
de barras de combustible nuclear, comprendiendo un número A de
dichas barras de combustible nuclear pastillas de gadolinio de
alta concentración y comprendiendo un número B de dichas barras de
combustible nuclear pastillas de gadolinio de media concentración,
2\leqA\leqel 12% de T, 2\leqB\leqel 15% de T. Es decir, en
el caso de un elemento combustible con configuración 17x17 y que
tiene 264 barras de combustible nuclear, un mínimo de 2 de dichas
barras y un máximo de 31 barras (es decir, un número de barras
igual o mayor a 2 y menor o igual al 12% de 264; en la práctica no
se utilizaría 31 sino más bien 28 -o tal vez 32-, salvo en
elementos asimétricos, ya que por motivos de simetría puede ser
preferible un número múltiplo de 4) pueden comprender pastillas de
gadolinio de alta concentración, y un mínimo de dos barras y un
máximo de 39 barras (es decir, un número de barras igual o mayor a
2 y menor o igual al 15% de 264 o, en la práctica, para utilizar un
número de barras que sea un múltiplo de 4, 36 o, tal vez, 40
barras) pueden comprender pastillas de gadolinio de media
concentración.
Por ejemplo, A y B pueden seleccionarse de
manera que 2\leqA\leqel 8% de T, 2\leqB\leqel 10% de T.
En las barras de combustible nuclear que no
comprenden pastillas que comprenden óxido de gadolinio, las
pastillas pueden presentar un primer grado de enriquecimiento de
U-235. Por otra parte, en las barras de combustible
nuclear que comprenden pastillas que comprenden óxido de gadolinio,
las pastillas que comprenden óxido de gadolinio de media
concentración pueden adicionalmente comprender combustible nuclear
con un segundo grado de enriquecimiento de U-235
sustancialmente idéntico al primer grado de enriquecimiento de
U-235, (ya que un contenido de óxido de gadolinio
inferior o igual a un 4% en peso implica que las características
térmicas de la pastilla no empeoren tanto como en el caso de las
pastillas de alta concentración de óxido de gadolinio, con lo cual
no es necesario reducir la reactividad utilizando un
enriquecimiento más bajo que el del combustible sin óxido de
gadolinio), y las pastillas que comprenden óxido de gadolinio de
alta concentración pueden adicionalmente comprender combustible
nuclear con un tercer grado de enriquecimiento de
U-235, sustancialmente inferior al primer grado de
enriquecimiento de U-235 (ya que el alto contenido
de óxido de gadolinio implica que las características térmicas de
la pastilla empeoren sustancialmente, por lo que resulta necesario
reducir la reactividad de estas pastillas en relación con la de
aquellas que no llevan veneno).
La media concentración de óxido de gadolinio
puede ser una concentración de óxido de gadolinio superior al 2,5%
en peso e inferior al 3,5% en peso (por ejemplo, una concentración
de un 3% en peso), con respecto al peso de la pastilla.
Es posible que en al menos algunas de las barras
de combustible nuclear que comprenden pastillas que comprenden
óxido de gadolinio de media concentración, todas las pastillas
comprendan óxido de gadolinio de media concentración.
También es posible que en al menos algunas de
las barras de combustible nuclear que comprenden pastillas que
comprenden óxido de gadolinio de media concentración, sólo una
parte de las pastillas comprendan óxido de gadolinio de media
concentración.
Es posible que en al menos algunas de las barras
de combustible nuclear que comprenden pastillas que comprenden
óxido de gadolinio de alta concentración, todas las pastillas
comprendan óxido de gadolinio de alta concentración.
También es posible que en al menos algunas de
las barras de combustible nuclear que comprenden pastillas que
comprenden óxido de gadolinio de alta concentración, sólo una parte
de las pastillas comprendan óxido de gadolinio de alta
concentración.
El experto medio en la materia puede utilizar la
opción que más interesante resulte en cada caso, por ejemplo, en
función del tipo de núcleo, duración del ciclo, tipo de esquema de
recarga etc.
Un número adicional, por ejemplo, entre 2
(barras) y el 15% (o entre 2 (barras) y el 10%) del número total de
barras combustibles pueden incluir pastillas que comprenden óxido
de gadolinio de baja concentración, siendo dicha baja concentración
una concentración superior o igual al 0,5% en peso e inferior o
igual al 2% en peso. O, dicho con otras palabras, el elemento
combustible puede comprender un número total T de barras de
combustible nuclear, comprendiendo un número C de dichas barras de
combustible nuclear pastillas de gadolinio de baja concentración,
2\leqC\leqel 15% de T (por ejemplo, 2\leqC\leqel 10% de T).
Esta utilización adicional de óxido de gadolinio de baja
concentración puede servir para ajustar la concentración de boro
soluble a BOC.
Tal y como se ha indicado más arriba, en las
barras de combustible nuclear que no comprenden pastillas que
comprenden óxido de gadolinio, las pastillas pueden presentar un
primer grado de enriquecimiento de U-235. Las
pastillas que comprenden óxido de gadolinio de baja concentración
pueden adicionalmente comprender combustible nuclear con un cuarto
grado de enriquecimiento de U-235 sustancialmente
idéntico al primer grado de enriquecimiento de
U-235 (ya que el bajo contenido de gadolinio implica
que las características térmicas de la pastilla no empeoren tanto
como en el caso de las pastillas de alta concentración, con lo cual
no es necesario reducir la reactividad utilizando un
enriquecimiento más bajo que en las pastillas sin óxido de
gadolinio).
Puede ser preferible, al menos en algunos casos,
que las barras de combustible nuclear que comprenden pastillas que
comprenden óxido de gadolinio no estén en las filas exteriores del
elemento combustible.
Tal y como se ha indicado más arriba, el
elemento combustible puede comprender una pluralidad de posiciones
(tubos guía) para permitir la inserción de las barras de control.
Las barras de combustible nuclear que comprenden pastillas de óxido
de gadolinio que se cargan en las filas interiores del elemento
combustible lo hacen preferentemente en las posiciones adyacentes a
los tubos guía. Para minimizar la interacción neutrónica entre el
óxido de gadolinio y las barras de control, las posiciones
diagonalmente adyacentes son preferibles a las adyacentes cara a
cara con el tubo guía.
Para no apantallar neutrónicamente el detector
intranuclear que, en algunos diseños, se introduce por el interior
del tubo central de instrumentación, preferentemente no se
colocarán barras con óxido de gadolinio en las posiciones adyacentes
al tubo de instrumentación.
Las barras de combustible nuclear que comprenden
pastillas con óxido de gadolinio pueden estar distribuidas
simétricamente, con simetría de revolución de orden cuatro en el
elemento combustible, aunque también existe la posibilidad de
distribuirlas asimétricamente en el elemento, pero con la idea de
colocar los elementos en el núcleo del reactor de manera que el
núcleo, como tal, presente una configuración simétrica de barras de
combustible con óxido de gadolinio.
Otro aspecto de la invención se refiere a un
método de carga de elementos combustibles en un núcleo de un
reactor nuclear. El método comprende el paso de situar una
pluralidad de elementos combustibles en dicho núcleo, siendo al
menos algunos de dichos elementos combustibles de acuerdo con la
invención, tal como se ha descrito más arriba. Algunos de los
elementos pueden tener una distribución no simétrica de las barras
que contienen pastillas con óxido de gadolinio. Entonces, la carga
del núcleo del reactor nuclear se realiza de manera que en dicho
núcleo, las barras que comprenden pastillas de óxido de gadolinio
estén distribuidas simétricamente.
Para complementar la descripción y con objeto de
ayudar a una mejor comprensión de las características de la
invención, especialmente de acuerdo con un ejemplo preferente de
realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante
de dicha descripción, un juego de figuras en el que con carácter
ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
La figura 1.- Muestra la evolución con el
quemado del efecto sobre la reactividad del elemento combustible de
la presencia de una barra de óxido de gadolinio, para
concentraciones del 1% y del 8% en peso.
La figura 2.- Es igual que la figura 1 pero
incorpora adicionalmente una curva para óxido de gadolinio de media
concentración (en este caso, de un 3% en peso).
La figura 3.- Refleja un ejemplo de la
distribución de las barras con pastillas de óxido de gadolinio de
acuerdo con una realización preferida de la invención.
Las figuras 4-8.- Muestran
diagramas que ilustran la variación de diferentes parámetros a lo
largo del proceso.
Las figuras 9 y 10.- Muestran, respectivamente,
el desequilibrio axial de potencia ("axial offset") y la
distribución axial de potencia en el núcleo, para dos
concentraciones de óxido de gadolinio.
A continuación se presenta un diseño de elemento
combustible de acuerdo con una posible realización de la
invención, y se comparan sus resultados con los de un diseño actual
equivalente, incluyendo una comparación de las concentraciones de
Li en el primario (en el fluido refrigerante) correspondientes a
cada uno de los diseños.
En primer lugar, la Figura 2 (eje vertical:
efecto en la reactividad del elemento combustible (pcm) por barra
de gadolinio; eje horizontal: quemado medio del elemento en
MWd/tU), que se basa en la Figura 1, muestra adicionalmente la
evolución del efecto sobre la reactividad de un elemento
combustible de una barra que comprende pastillas con una
concentración de óxido de gadolinio de un 3% en peso, con lo que
permite comparar dicha evolución con la evolución de los casos con
pastillas con una concentración del 1% y 8%. Tal y como se puede
observar, el óxido de gadolinio al 3% muestra una evolución con el
quemado intermedia entre la de las concentraciones bajas y altas
actualmente utilizadas en los elementos combustibles, y se entiende
que es más apropiada para su uso en ciclos largos, para los que el
óxido de gadolinio de baja concentración se quema demasiado rápido,
lo que obliga a cargar un número innecesariamente alto de óxido de
gadolinio de alta concentración, para limitar la necesidad de subir
la concentración de boro cuando desaparece el óxido de gadolinio de
baja concentración, y controlar eficientemente los picos de
potencia en la parte intermedia del ciclo. La carga de un número
innecesariamente alto de barras de óxido de gadolinio de alta
concentración tiene dos efectos negativos que penalizan la
eficiencia neutrónica del diseño. En primer lugar, disminuye la
carga de UO_{2} en el núcleo con el consiguiente acortamiento del
ciclo. El segundo efecto negativo es que aumenta la penalización
residual al final del ciclo debida a las absorciones parásitas en
los isótopos pares del gadolinio.
Además de las limitaciones ya comentadas, el
quemado excesivamente rápido del óxido de gadolinio de baja
concentración (\leq2% en peso) produce, en los diseños de bajas
fugas actuales, un desplazamiento radial muy acusado de la potencia
hacia el interior del núcleo en la primera parte del ciclo
(coincidiendo con la desaparición del óxido de gadolinio de baja
concentración) que reduce la señal que llega a los detectores
excore, lo que obliga a recalibrarlos con más frecuencia que en
otros tipos de diseño. El uso de óxido de gadolinio de
concentración intermedia, al desaparecer de manera más gradual (más
lentamente) que el de baja concentración, permite controlar mejor
la distribución de potencia y, en los esquemas de bajas fugas,
limita el desplazamiento de la potencia hacia el interior del
núcleo, reduciendo el número de calibraciones de los detectores
excore durante el ciclo.
En la Figura 3 se muestran dos posibles
distribuciones, de acuerdo con esta invención, de las barras de
combustible para una matriz con la geometría 17x17 (diseños
equivalentes son posibles para otras geometrías de la malla
combustible, por ejemplo, de 14x14, 15x15, 16x16 o más). Los
cuadrados vacíos representan posiciones ocupadas por barras de
combustible sin pastillas con óxido de gadolinio, mientras que
"1" representa las posiciones ocupadas por barras de
combustible que comprenden pastillas de gadolinio de alta
concentración, "2" las posiciones ocupadas por barras que
comprenden pastillas de gadolinio de media concentración, y
"X" las posiciones correspondientes a los tubos guía para las
barras de control (la posición central corresponde al tubo de
instrumentación). Los dos ejemplos corresponden a diseños en los
que las barras sin gadolinio tienen un enriquecimiento del 4,70% en
U-235. Las barras con óxido de gadolinio de media
concentración (3% en los ejemplos) tienen el mismo enriquecimiento
que las barras que no llevan óxido de gadolinio (4,70%); mientras
que las barras con óxido de gadolinio de alta concentración, debido
a la peor conductividad térmica de estas pastillas, tienen un
enriquecimiento menor (2,80% en U-235 en los
ejemplos).
Lógicamente, existen muchas otras posibilidades
de distribución de las barras, y el experto medio en la materia
puede optimizar la distribución en cada caso, en función de las
características del reactor, del ciclo, en función de aspectos
logísticos, etc. Por ejemplo, adicionalmente puede incorporar
barras con pastillas de óxido de gadolinio de baja
concentración.
Las figuras siguientes muestran diferentes
comparaciones entre un diseño actual de un ciclo de 18 meses y
bajas fugas que emplea óxido de gadolinio al 2% y al 8% en peso, y
otro que emplea un diseño optimizado en el que las barras con óxido
de gadolinio al 2% en peso del diseño anterior se han sustituido
por otras con óxido de gadolinio al 3% en peso. El resto de las
características del diseño actual (con óxido de gadolinio al 2%),
tales como las posiciones y quemados de los elementos a BOC,
enriquecimientos, posición de las barras con óxido de gadolinio en
los elementos combustibles frescos etc., se han mantenido en el
diseño optimizado (que emplea óxido de gadolinio al 3% en peso)
para no desvirtuar la comparación.
En la Figura 4 se muestra, en el diagrama
superior, la evolución de la concentración de boro disuelto en el
fluido refrigerante para un ciclo típico de 18 meses y esquema de
bajas fugas (en un caso de plena potencia, xenón en equilibrio y
sin barras de control en el núcleo). En la Figura 4 se compara la
curva de boro de un esquema que utiliza un diseño actual con
pastillas con óxido de gadolinio en concentraciones del 2% y 8% en
peso (Gd2%), y la curva correspondiente (Gd3%) para el diseño
optimizado descrito más arriba, que utiliza pastillas con óxido de
gadolinio del 3% y 8% en peso (Gd2% y Gd3% tienen los mismos
significados en las demás figuras). Como se puede observar en el
segundo diagrama de la Figura 4, que refleja la diferencia entre
las dos curvas del primer diagrama de la Figura 4, el uso de la
invención permite bajar la concentración de boro en 70 ppm a 150
MWd/tU y hasta en 170 ppm a 3.000 MWd/tU, sin que se acorte el
ciclo.
Este cambio en el comportamiento del boro es una
mejora sustancial. Los programas de química del primario
recomendados actualmente por la industria se caracterizan por un pH
elevado (\geq 7,1 medido a la temperatura media de la vasija) y
constante durante toda la operación a plena potencia. Dependiendo
de la concentración de boro, el programa de química recomendado por
la industria puede llevar a tener que operar con concentraciones de
Li altas durante un periodo prolongado al principio del ciclo, lo
que, en base a la experiencia existente, podría acelerar la
corrosión del material de la vaina del combustible. Por ésta y
otras razones relacionadas con el comportamiento de los materiales
del primario, se recomienda no operar con más de 3,5 ppm de Li,
estando también limitado el tiempo que se puede operar con la
concentración máxima de Li. La invención permite reducir la
concentración de boro más que los diseños actuales, permitiendo la
operación con pH constante \geq 7,1 con menores concentraciones
de Li. Tal como se ve en la Figura 5 (que compara la evolución de
la concentración de Li en el primario para los dos casos
anteriores, para un caso de plena potencia, xenón en equilibrio y
sin barras de control en el núcleo), el uso de la invención (con
pastillas con una concentración de un 3% en peso de óxido de
gadolinio en lugar de las pastillas con una concentración de un 2%
en peso de gadolinio) permite disminuir hasta en un 15% el tiempo
de exposición a concentraciones altas de Li, reduciendo el impacto
negativo de este elemento sobre la vaina. En la figura se ve que
con el gadolinio al 2%, el reactor opera con 3.5 ppm de Li hasta
un quemado aproximado de 7000 MWd/tU, mientras que con el diseño al
3% sólo lo hace hasta unos 6000 MWd/tU, lo que representa
aproximadamente una reducción del 15%.
Asimismo, al desaparecer el repunte de boro
entre los quemados de 1.000 MWd/tU y 3.000 MWd/tU, aproximadamente,
es posible operar el reactor sin tener que añadir boro tras el
arranque del ciclo, lo que facilita sensiblemente la operación.
En las figuras 6 a 8 se comparan, en condiciones
de plena potencia, xenón de equilibrio y con todas las barras de
control extraídas, distintos factores de pico de potencia para un
diseño estándar (Gd2%) y otro con combustible optimizado (Gd3%).
Los factores de pico representan la relación entre un valor máximo
y el valor promedio de una magnitud. Valores más bajos de los
factores de pico de potencia indican distribuciones de potencia más
homogéneas en el núcleo del reactor, algo que es conveniente para
evitar la existencia de puntos calientes en el reactor. La
comparación que se presenta demuestra que el empleo de un diseño
optimizado como el propuesto mejora el control de los factores de
pico de potencia durante el ciclo. Los factores de pico con el
diseño mejorado son más bajos para los quemados donde son
limitantes, y solamente, en algún caso, están algo por encima de
los del diseño estándar para quemados donde no se presenta el
máximo del ciclo, y donde existe mucho margen.
La figura 9 muestra el desequilibrio axial de
potencia ("axial offset") del núcleo a plena potencia, xenón
de equilibrio y con todas las barras de control extraídas, para
los dos diseños objeto de esta comparación. El desequilibrio axial
de potencia mide la diferencia entre la potencia que se genera en la
mitad superior del núcleo y la que se produce en la mitad
inferior.
La figura 10 muestra, para los dos diseños
objeto de esta comparación, la distribución axial de potencia en el
núcleo a principio del ciclo para dos condiciones distintas. El
primer diagrama de la figura 10 corresponde al caso de BOC, cero
potencia, sin xenón y con todas las barras de control extraídas. El
segundo diagrama muestra el mismo parámetro para el caso de BOC,
plena potencia, xenón de equilibrio y con todas las barras de
control extraídas.
Las figuras 9 y 10 demuestran que el empleo de
óxido de gadolinio de media concentración objeto de esta invención
no modifica sensiblemente las distribuciones de potencia en el
núcleo, lo que indica que, aparte de las mejoras identificadas en
los factores de pico y en la curva de boro, el uso de gadolinio de
media concentración no provoca cambios importantes en ningún otro
parámetro del núcleo, tales como valores de las barras de control,
coeficientes de reactividad etc., que pudieran suponer una
desventaja respecto a los diseños actuales.
En este texto, la palabra "comprende" y sus
variantes (como “comprendiendo”, etc.) no deben interpretarse de
forma excluyente, es decir, no excluyen la posibilidad de que lo
descrito incluya otros elementos, pasos etc.
Por otra parte, la invención no está limitada a
las realizaciones concretas que se han descrito sino abarca
también, por ejemplo, las variantes que pueden ser realizadas por
el experto medio en la materia (por ejemplo, en cuanto a la
elección de materiales, dimensiones, componentes, configuración,
etc.), dentro de lo que se desprende de las reivindicaciones.
Claims (22)
1. Elemento combustible para reactores nucleares
de agua a presión, que comprende una pluralidad de barras de
combustible nuclear que cada una comprende una pluralidad de
pastillas con combustible nuclear, comprendiendo al menos algunas
de dichas pastillas, en al menos algunas de dichas barras de
combustible nuclear, óxido de gadolinio de alta concentración,
siendo dicha alta concentración una concentración de óxido de
gadolinio superior o igual al 6% en peso con respecto al peso de la
pastilla;
caracterizado porque al menos algunas de
dichas pastillas, en al menos algunas de dichas barras, comprenden
óxido de gadolinio de media concentración, siendo dicha media
concentración una concentración de óxido de gadolinio superior al
2% en peso e inferior o igual al 4% en peso, con respecto al peso
de la pastilla.
2. Elemento combustible según la reivindicación
1, caracterizado porque el elemento combustible comprende un
número total T de barras de combustible nuclear, comprendiendo un
número A de dichas barras de combustible nuclear pastillas de
gadolinio de alta concentración y comprendiendo un número B de
dichas barras de combustible nuclear pastillas de gadolinio de
media concentración,
2\leqA\leqel 12% de T,
2\leqB\leqel 15% de T.
3. Elemento combustible según la reivindicación
2, caracterizado porque
2\leqA\leqel 8% de T,
2\leqB\leqel 10% de T.
4. Elemento combustible según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque
en las barras de combustible nuclear que no
comprenden pastillas que comprenden óxido de gadolinio, las
pastillas presentan un primer grado de enriquecimiento de
U-235,
y porque
en las barras de combustible nuclear que
comprenden pastillas que comprenden óxido de gadolinio,
- las pastillas que comprenden óxido de
gadolinio de media concentración comprenden adicionalmente
combustible nuclear con un segundo grado de enriquecimiento de
U-235 sustancialmente idéntico al primer grado de
enriquecimiento de U-235, y
- las pastillas que comprenden óxido de
gadolinio de alta concentración comprenden adicionalmente
combustible nuclear con un tercer grado de enriquecimiento de
U-235 sustancialmente inferior al primer grado de
enriquecimiento de U-235.
5. Elemento combustible según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicha
media concentración de óxido de gadolinio es una concentración de
óxido de gadolinio superior al 2,5% en peso e inferior al 3,5% en
peso, con respecto al peso de la pastilla.
6. Elemento combustible según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en al
menos algunas de las barras de combustible nuclear que comprenden
pastillas que comprenden óxido de gadolinio de media concentración,
todas las pastillas comprenden óxido de gadolinio de media
concentración.
7. Elemento combustible según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en al
menos algunas de las barras de combustible nuclear que comprenden
pastillas que comprenden óxido de gadolinio de media concentración,
sólo una parte de las pastillas comprenden óxido de gadolinio de
media concentración.
8. Elemento combustible según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en al
menos algunas de las barras de combustible nuclear que comprenden
pastillas que comprenden óxido de gadolinio de alta concentración,
todas las pastillas comprenden óxido de gadolinio de alta
concentración.
9. Elemento combustible según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en al
menos algunas de las barras de combustible nuclear que comprenden
pastillas que comprenden óxido de gadolinio de alta concentración,
sólo una parte de las pastillas comprenden óxido de gadolinio de
alta concentración.
10. Elemento combustible según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque una
pluralidad de las barras de combustible nuclear incluyen pastillas
que comprenden óxido de gadolinio de baja concentración, siendo
dicha baja concentración una concentración superior o igual al 0,5%
en peso e inferior o igual a 2% en peso.
11. Elemento combustible según la reivindicación
10, caracterizado porque el elemento combustible comprende
un número total T de barras de combustible nuclear, comprendiendo
un número C de dichas barras de combustible nuclear pastillas de
gadolinio de baja concentración,
2\leqC\leqel 15% de T.
12. Elemento combustible según la reivindicación
11, caracterizado porque 2\leqC\leqel 10% de T.
13. Elemento combustible según cualquiera de las
reivindicaciones 10-12, caracterizado porque
en las barras de combustible nuclear que no comprenden pastillas
que comprenden óxido de gadolinio, las pastillas presentan un
primer grado de enriquecimiento de U-235,
comprendiendo las pastillas que comprenden óxido de gadolinio de
baja concentración adicionalmente combustible nuclear con un
cuarto grado de enriquecimiento de U-235
sustancialmente idéntico al primer grado de enriquecimiento de
U-235.
14. Elemento combustible según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las
barras de combustible nuclear que comprenden pastillas que
comprenden óxido de gadolinio no están en filas exteriores del
elemento combustible.
15. Elemento combustible según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el
elemento combustible comprende una pluralidad de posiciones de
barras de control externas, para permitir la introducción en el
elemento de tales barras de control externas, estando las barras de
combustible nuclear que comprenden pastillas de óxido de gadolinio
situadas en posiciones adyacentes a dichas posiciones de barras de
control externas.
16. Elemento combustible según la reivindicación
15, caracterizado porque las barras de combustible nuclear
que comprenden pastillas con óxido de gadolinio están situadas en
posiciones diagonalmente adyacentes con respecto a las posiciones
de barras de control.
17. Elemento combustible según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende
un bastidor que define una matriz de posiciones, comprendiendo
dichas posiciones posiciones en las que están alojadas barras de
combustible nuclear y posiciones para recibir barras de control
externas, comprendiendo dicha matriz de posiciones NxN posiciones,
N\geq14.
18. Elemento combustible según la reivindicación
17, N\geq17.
19. Elemento combustible según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las
barras de combustible nuclear que comprenden pastillas con óxido de
gadolinio están distribuidas con simetría de revolución de orden
cuatro en el elemento combustible.
20. Elemento combustible según cualquiera de las
reivindicaciones 1-18, caracterizado porque
las barras de combustible nuclear que comprenden pastillas con
óxido de gadolinio no están distribuidas simétricamente en el
elemento combustible.
21. Método de carga de elementos combustibles en
un núcleo de un reactor nuclear, comprendiendo el paso de situar
una pluralidad de elementos combustibles en dicho núcleo,
caracterizado porque al menos algunos de dichos elementos
son elementos combustibles de acuerdo con una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores.
22. Método según la reivindicación 21,
caracterizado porque al menos algunos de dichos elementos
son elementos combustibles según la reivindicación 20, con una
distribución no simétrica dentro del elemento de las barras que
comprenden pastillas con óxido de gadolinio, realizándose la carga
del núcleo del reactor nuclear de manera que en dicho núcleo, las
barras que comprenden pastillas de óxido de gadolinio tengan una
distribución simétrica.
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