ES2265942T3 - Metodo y aparato para limpiar ultrasonicamente conjuntos de combustible nuclear irridiados. - Google Patents
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Abstract
Un aparato (20) para limpiar un conjunto de combustible nuclear irradiado (70), incluyendo: una carcasa (24); y una pluralidad de transductores ultrasónicos (22) colocados en dicha carcasa para suministrar energía ultrasónica omnidireccional de emanación radial que quita depósitos de un conjunto de combustible nuclear irradiado colocado cerca de dicha carcasa.
Description
Método y aparato para limpiar ultrasónicamente
conjuntos de combustible nuclear irradiados.
Esta solicitud reivindica prioridad por la
Solicitud de Patente provisional titulada, "Aparato y método para
limpiar ultrasónicamente conjuntos de combustible nuclear
irradiados", número de serie 60/128.391, presentada el 8 de abril
de 1999.
Esta invención se refiere en general al
mantenimiento de centrales nucleares. Más en particular, esta
invención se refiere a una técnica para limpiar ultrasónicamente
conjuntos de combustible nuclear irradiados de centrales
nucleares.
Durante la operación de un reactor nuclear se
depositan impurezas y productos del refrigerante del reactor en los
conjuntos de combustible nuclear. Estos depósitos pueden impactar en
la operación y el mantenimiento de centrales nucleares de varias
formas; por ejemplo, (a) sus propiedades neutrónicas pueden afectar
adversamente al rendimiento nuclear del reactor; (b) su resistencia
térmica puede producir en las barras de combustible una temperatura
superficial elevada que puede dar lugar a fallo del material de la
barra; (c) su decadencia radiactiva da lugar a exposición a
radiación cuando se redistribuyen por todo el sistema de
refrigerante del reactor, en particular durante los transitorios de
potencia; (d) complican la inspección minuciosa del conjunto de
combustible nuclear irradiado tanto por métodos visuales y de
corrientes parásitas; (e) los depósitos liberados de barras de
combustible tienden a reducir la visibilidad en la piscina de
combustible gastado, retardando considerablemente otros trabajos en
la piscina de combustible durante los cortes de reabastecimiento de
combustible; (f) una vez recargados en el reactor en conjuntos que
serán irradiados una segunda o tercera vez, forman un inventario de
material que se puede redistribuir sobre nuevos conjuntos de
combustible de manera perjudicial. Actualmente, los métodos de
quitar eficientemente y a un costo razonable tales depósitos de
conjuntos de combustible nuclear irradiados son técnicas manuales
lentas.
Recientemente se ha referido anomalía de
desviación axial (AOA) en reactores de agua a presión (PWRs). AOA es
un fenómeno en el que forman depósitos en el revestimiento de barras
de combustible debido a la combinación de condiciones
termohidráulicas locales e impurezas del fluido del lado primario
características del reactor y el sistema primario. Estos depósitos
actúan como un veneno para la reacción nuclear y producen una
distribución de potencia anormal a lo largo del eje del núcleo,
reduciendo el margen disponible bajo algunas condiciones operativas.
AOA ha obligado a algunas centrales a reducir el nivel de potencia
del reactor durante períodos prolongados.
El problema de AOA ha necesitado el desarrollo
de un mecanismo eficiente, de costo razonable, para quitar depósitos
de combustible PWR. Tal mecanismo también es deseable para reducir
la cantidad total de depósitos a velocidades de dosis más bajas para
el personal de la central, para mejorar la inspeccionabilidad del
combustible, para preparar combustible para almacenamiento en seco a
largo plazo, y para facilitar la recogida de muestras de materias
extrañas para análisis.
Se han propuesto varios acercamientos para
quitar depósitos de combustible PWR. Un método es limpiar
químicamente los conjuntos in situ en el reactor, o después
de llevarlos a una pila de limpieza separada. Este acercamiento
tiene varios problemas, incluyendo el costo, el potencial de
corrosión por las sustancias químicas limpiadoras, y la dificultad
de desechar las sustancias químicas altamente contaminadas
resultantes. Quizás el mayor inconveniente de este acercamiento
químico sea que es lento, precisando varias horas para limpiar un
único conjunto de combustible.
Otro acercamiento seguido es la circulación de
trozos de hielo en una pila de limpieza donde el flujo de hielo por
las barras de combustible quitaría depósitos suavemente. Este
acercamiento tiene problemas, incluyendo la efectividad de la
limpieza, la dificultad de mover los trozos de hielo a través de
ciertas estructuras de soporte de combustible, la necesidad de
crear grandes volúmenes de trozos de hielo, el efecto de las bajas
temperaturas en la integridad estructural de las barras de
combustible, y la dilución de boro en la piscina de combustible
gastado.
En el pasado, las barras de combustible
individuales y los canales de combustible se han limpiado por
ultrasónica convencional durante los procesos de fabricación. Sin
embargo, la ultrasónica convencional no sería muy efectiva al
limpiar grandes haces de barras de combustible en conjuntos de
combustible irradiados debido a la baja densidad de potencia por
unidad de volumen que se puede producir. Además, los transductores
de limpieza ultrasónica convencionales son grandes y por lo tanto
difíciles de implementar en una piscina de combustible de una
central típica.
Se conocen dispositivos para limpiar
ultrasónicamente conjuntos de combustible nuclear por los documentos
US-A-5467791,
US-A-4847042 y
JP-A-54073474. En vista de lo
anterior, sería altamente deseable proporcionar una técnica rápida,
efectiva, de bajo costo, para quitar depósitos de conjuntos de
combustible nuclear irradiados.
La invención incluye un aparato para limpiar un
conjunto de combustible nuclear irradiado. El aparato incluye una
carcasa para enganchar un conjunto de combustible nuclear. Se coloca
un conjunto de transductores ultrasónicos en la carcasa para
suministrar energía ultrasónica omnidireccional de emanación radial
con el fin de quitar depósitos del conjunto de combustible
nuclear.
El método de la invención se dirige a limpiar un
conjunto de combustible nuclear irradiado. El método incluye el paso
de colocar un conjunto de combustible nuclear junto a una carcasa.
Entonces se suministra energía ultrasónica omnidireccional que emana
radialmente de transductores colocados en la carcasa al conjunto de
combustible nuclear con el fin de quitar depósitos del conjunto de
combustible nuclear.
Para una mejor comprensión de la invención, se
deberá consultar la siguiente descripción detallada tomada en unión
con los dibujos acompañantes, en los que:
La figura 1 es una vista frontal de un aparato
de limpieza ultrasónica construido según una realización de la
invención.
La figura 2 ilustra un transductor ultrasónico
usado según una realización de la invención para producir energía
omnidireccional de emanación radial.
La figura 3 es una vista lateral del aparato de
limpieza ultrasónica de la figura 1.
La figura 4 es una vista en planta del aparato
de limpieza ultrasónica de la figura 1 con un conjunto de
combustible nuclear colocado dentro de él.
La figura 5 ilustra el aparato de limpieza
ultrasónica de la figura 1 y la bomba asociada y equipo de
filtración utilizados según una realización de la invención.
Las figuras
6(a)-6(c) ilustran el proceso de
colocar un conjunto de combustible dentro de la carcasa de la
invención.
La figura 7 ilustra una realización de la
invención utilizando transductores ultrasónicos colocados en
diagonal.
Las figuras
8(a)-8(b) ilustran un aparato de
limpieza ultrasónica móvil según una realización de la
invención.
La figura 9 ilustra el aparato de limpieza
ultrasónica de la invención con una bomba integral y un sistema de
filtración.
Las figuras 10-12 ilustran un
aparato de limpieza ultrasónica para uso en conexión con reactores
de agua en ebullición.
Números de referencia análogos se refieren a
partes correspondientes en todos los dibujos.
La figura 1 es una vista frontal de un aparato
de limpieza ultrasónica 20 construido según una realización de la
invención. El aparato 20 incluye transductores ultrasónicos 22
montados en una carcasa 24. Una guía 28 está colocada en la parte
superior de la carcasa 24. Un conjunto de combustible nuclear (no
representado en la figura 1) se pasa a través de la guía 28 y entra
en la carcasa 24. Una vez que el conjunto de combustible nuclear
está colocado dentro de la carcasa 24, se limpia mediante la
aplicación de energía ultrasónica procedente de los transductores
ultrasónicos 22, como se explica mejor más adelante.
Se puede usar soportes de reacción de conjunto
26 para montar la carcasa 24 en una pared de una piscina de
limpieza. Alternativamente, la carcasa 24 se puede soportar por una
grúa o montacargas. La figura 1 también ilustra tubos de filtración
32 y un agujero de enfriamiento de emergencia 30, para uso en caso
de que el sistema de filtración falle. El agujero de enfriamiento de
emergencia 30 realiza suficiente extracción de calor de decadencia
del canal de combustible mediante convección natural en el caso de
fallo del equipo (por ejemplo, pérdida de las bombas). El tubo de
filtración 32 se utiliza para enviar agua cargada con depósitos
quitados a una unidad de filtración, como se explica más
adelante.
Los transductores 22 se pueden montar en chapas
de montaje de transductor 34. Las chapas de montaje de transductor
34 se usan para conectar los transductores 22 a la carcasa 24. Se
utilizan espaciadores de transductores 36 para montar los
transductores 22 en las chapas de montaje 34 en la posición
apropiada.
La figura 2 ilustra un transductor 22 usado
según la invención. El transductor 22 incluye un primer transductor
piezoeléctrico o pila de transductores 40 y un segundo transductor
piezoeléctrico o pila de transductores 42 montados en lados opuestos
de una barra 44. Los transductores 40 y 42 reciben señales de
control por la línea 46. La configuración del transductor 22 produce
ondas de presión radial que emanan de la barra 44 en todas las
direcciones. Por ello, las ondas de presión que emanan radialmente
se denominan omnidireccionales.
Las ondas de presión omnidireccionales
utilizadas según la invención están en contraposición a los
transductores ultrasónicos convencionales que producen ondas de
presión unidireccionales en el líquido en el que vibran. Los frentes
de ondas unidireccionales son nominalmente planos, al ser producidos
por el movimiento de una estructura plana, como la pared o el fondo
de un baño ultrasónico, al que se une el transductor. La energía
transmitida se disipa cuando encuentra objetos físicos. Así, en el
caso de barras de combustible de un conjunto de combustible, es
difícil usar ultrasónica convencional, dado que es difícil llevar la
energía ultrasónica hasta el centro del conjunto de combustible. La
energía requerida para realizarlo es excesiva y podría producir
posiblemente daño en el combustible.
Los transductores 22 de la invención producen
ondas de presión omnidireccionales. Los frentes de onda son
producidos por el movimiento de bloqueo de fase de los dos
transductores piezoeléctricos 40 y 42. Las ondas de presión
producidas cilíndricamente espaciadas de tal manera que su
estructura de nodo a lo largo del eje de barra sea aproximadamente
equivalente a la espaciación de barra de combustible o un múltiplo
de la espaciación de barra de combustible, pueden penetrar más
fácilmente en las filas de barras de combustible. Por lo tanto, la
limpieza de las barras interiores dentro del haz de combustible se
puede realizar con una entrada de energía mucho menor que la que se
requeriría si dicha limpieza interior se obtuviese usando
ultrasónica convencional. En otros términos, los transductores, la
posición desviada, y sus reflectores operan para producir un campo
de energía de relleno de espacio que tiene energía suficiente en el
interior del conjunto de combustible para limpiar rápidamente los
depósitos de la mayor parte de la barra de combustible altamente
apantallada, sin transmitir tanta energía a una barra de combustible
que el movimiento del revestimiento dañe físicamente los pelets de
combustible.
La invención se ha implementado usando
transductores PUSH-PULL comercializados por Martin
Walter Ultraschalltechnik, GMBH, Staubenhardt, Alemania. Estos
transductores se describen en la Patente de Estados Unidos
5.200.666, que se incorpora aquí por referencia. Frecuencias
ultrasónicas de entre 20 kHz y 30 kHz y una potencia del transductor
de entre 1.000 y 1.500 vatios han demostrado ser satisfactorias.
Esto ha producido una densidad de energía entre
20-30 vatios/galón, que es una densidad de energía
especialmente efectiva para quitar depósitos de un conjunto de
combustible irradiado. Se considera que esta densidad de energía es
considerablemente menor que la densidad de energía obtenida durante
el uso de transductores ultrasónicos convencionales.
Otros transductores que se pueden usar para
producir energía omnidireccional de emanación radial según la
invención incluyen transductores de radiador telsónico (tubo) y
transductores de sonotrodo (con un transductor en un único lado de
una barra).
En una realización, el cuerpo de transductor se
hace de titanio y se utilizan tapones de extremo de acero
inoxidable. Las juntas estancas, los cables, y los conectores
asociados con el dispositivo deberán configurarse para operación
dentro de una piscina de combustible gastado y se deben cumplir por
lo demás todos los requisitos de compatibilidad típicos y los
requisitos de seguridad (por ejemplo, la exclusión de materiales
extraños, o FME, los requisitos en la zona de manipulación de
combustible) habituales en las centrales nucleares.
La figura 3 es una vista lateral del aparato 20
de la figura 1. La figura 3 ilustra el canal de combustible o
carcasa 24, el soporte de reacción de conjunto 26, la guía 28, tubo
de filtración 32, reflectores 50, y un haz de montaje de conjunto
52. Los reflectores 50 se utilizan para incrementar la cantidad de
energía ultrasónica que se suministra al conjunto de combustible. Es
decir, los reflectores 50 operan con el fin de reflejar energía
ultrasónica al conjunto de combustible. Los haces de montaje de
conjunto 52 se usan para conectar las chapas de montaje de
transductor 34 a los soportes de reacción de conjunto 26. Los
soportes de reacción de conjunto 26 presionan contra la pared 54 de
una piscina de combustible donde tiene lugar la limpieza, como se
explica más adelante.
La carcasa 24, las chapas de montaje 34, los
espaciadores 36, y los reflectores 50 se pueden hacer de acero
inoxidable. Se puede usar otros materiales si cumplen los requisitos
de seguridad general y de compatibilidad de materiales típicos de la
operación de centrales nucleares. En particular, el material
seleccionado deberá ser compatible para uso en el almacenamiento de
combustible y las zonas de manipulación de una planta, incluyendo la
piscina de combustible gastado y el foso de carga del cofre.
Preferiblemente, las superficies interiores de
la carcasa 24 se electropulen para reducir la posibilidad de que se
depositen partículas radiactivas en estas superficies o se alojen en
hoyos o fisuras en estas superficies. Esto permite desmontar y
enviar la carcasa sin exposición del personal a radiación. Obsérvese
que los transductores ultrasónicos 22 se pueden usar para limpiar
la carcasa 24. Es decir, los transductores 22 se activan cuando la
carcasa 24 está vacía para limpiar los depósitos de las paredes de
la carcasa 24.
La figura 4 es una vista en planta del aparato
de limpieza ultrasónica 20. La figura 4 ilustra claramente los
componentes siguientes antes descritos: los transductores 22, la
carcasa 24, las chapas de montaje de transductor 34, los
espaciadores de transductores 36, y los reflectores 50. La figura
también ilustra espaciadores de carcasa 60, que operan para dejar
que pase energía ultrasónica a los dos lados del aparato que no
miran a las redes de transductores. Cada reflector 50 incluye una
superficie reflectora interior 56 y una superficie exterior 54
separada por un intervalo de aire. Se ha demostrado que esta
configuración es especialmente efectiva al reflejar la energía
ultrasónica.
La figura 4 también ilustra un conjunto de
combustible nuclear 70 colocado dentro de la carcasa 24. El conjunto
de combustible 70 incluye barras de combustible individuales 72. Los
depósitos 74 se muestran adheridos a las barras de combustible 72.
Los depósitos de este tipo se quitan según la invención.
La figura 4 ilustra un conjunto de combustible
de 17 x 17 70. La carcasa 24 se puede configurar para aceptar todos
los diseños de combustible de reactor de agua ligera. Naturalmente,
la carcasa también se puede implementar para fuentes de combustible
alternativas.
El aparato de las figuras 1-4
proporciona ultrasónica de alta densidad de energía para quitar
depósitos fuertemente adheridos de los conjuntos de combustible
nuclear irradiados. En particular, los transductores 22 producen una
densidad de potencia y un campo sónico que penetran hasta el centro
del haz de combustible 70 con el fin de limpiar el revestimiento de
la barra de combustible allí situada. Los transductores 22 están
instalados (ejes orientados horizontalmente) en series verticales a
lo largo de dos lados del conjunto de combustible (por ejemplo, como
se representa en la figura 1). La figura 1 ilustra transductores 22
en la parte superior de la carcasa 24 porque esto corresponde a la
posición de los depósitos en la mayoría de los reactores de agua a
presión. Naturalmente, los transductores 22 se pueden colocar a lo
largo de toda la longitud de la carcasa 24 o en posiciones
estratégicas limitadas.
Las barras de combustible dentro de un conjunto
70 son típicamente más de 200 y se disponen en un cuadrado (por
ejemplo, 17 x 17). En un conjunto candidato a limpiar, el
revestimiento que aloja la pila de pelets de combustible se cubre
con depósitos, que se han de quitar. En cada serie vertical de
transductores, los transductores adyacentes están desviados en la
dirección lateral, de tal manera que los nodos en un transductor (es
decir, los puntos que experimentan desplazamiento cero para la
forma de modo excitado) se alinean con los puntos de desplazamiento
máximo en los transductores adyacentes por encima y por debajo
durante la operación del sistema. Además, cada transductor está
desviado axialmente de esta manera del situado en el lado opuesto
del conjunto de combustible. En otros términos, es deseable colocar
los transductores para desviación de semionda (o sus múltiplos) a lo
largo del eje de transductores opuestos. Esta colocación mejora
considerablemente la penetración del haz de tubos.
La figura 5 ilustra el aparato de la invención
20 colocado en una piscina de combustible 80. El aparato 20 se monta
usando los soportes de reacción de conjunto 26. También se puede
usar un cable 82 para soportar el aparato 20. El aparato 20 tiene un
conjunto de bomba y filtración 90 asociado. El conjunto 90 incluye
al menos una bomba 92 y un conjunto de filtros 94. Preferiblemente,
un sensor de radiación 96 está colocado en el punto de entrada a la
bomba. El sensor de radiación 96 se usa para determinar cuándo el
conjunto de combustible está limpio. En particular, cuando la
actividad gamma en el sensor 96 cae a un valor base, se sabe que ya
no se quitan más partículas de depósitos de combustible y por lo
tanto la limpieza ha terminado.
La figura 5 también ilustra equipo de control
auxiliar 100 asociado con realizaciones de la invención. El equipo
100 puede incluir generadores ultrasónicos de potencia 102, bomba y
circuitería de control de filtración 106, y un sistema de filtración
y limpieza 108.
Las figuras
6(a)-6(b) ilustran la colocación de un
conjunto de combustible 70 en una ilustración simplificada de la
carcasa 24. El conjunto de combustible 70 se coloca utilizando una
grúa 110. En la figura 6(a) el conjunto de combustible 70
está dentro de la carcasa 24. En la figura 6(b) el conjunto
de combustible 70 se ha sacado parcialmente de la carcasa 24. En la
figura 6(c) el conjunto de combustible 70 se ha sacado de la
carcasa 24. La grúa 110 de las figuras
6(a)-6(b) se puede usar en el sistema
de la figura 5 para introducir y sacar un conjunto de combustible 70
de la piscina 80. La grúa 110 también se puede usar para recolocar
el conjunto de combustible 70 durante la limpieza ultrasónica, con
el fin de limpiar diferentes zonas a lo largo de la longitud axial
del conjunto de combustible 70.
Una vez que un conjunto de combustible 70 está
colocado dentro de la carcasa 24, comienza la limpieza ultrasónica.
Se han logrado resultados satisfactorios usando ondas ultrasónicas
radiales omnidireccionales que operan a una frecuencia de entre
aproximadamente 20 y 30 kHz y una potencia del transductor de entre
1.000 y 1.500 vatios. Como se aprecia con referencia a la figura 5,
la bomba 92 aspira agua a través del conjunto de combustible,
lavando por ello los depósitos que se quitan por la energía
ultrasónica producida por los transductores 22. La provisión de un
flujo descendente a través de la carcasa 24 elimina la necesidad de
sellar la parte superior de la carcasa 24.
Preferiblemente, el conjunto de combustible 70
se soporta en todo momento por la grúa 110 de modo que la carcasa 24
nunca soporte realmente el peso del conjunto de combustible 70
durante el proceso de limpieza. Como se ha descrito previamente, los
transductores 22 se montan en el exterior de la carcasa 24 de tal
manera que la energía ultrasónica pase a través de las paredes de la
carcasa. Pruebas han demostrado que el efecto primario de las
paredes de la carcasa interviniente es la atenuación de la porción
de baja frecuencia de la señal ultrasónica. La porción de alta
frecuencia de la señal ultrasónica (es decir, las frecuencias
superiores a 10 kHz), responsables de la mayor parte de la limpieza
efectiva, pasa a través de una carcasa de diseño apropiado con poca
atenuación.
Una secuencia de limpieza típica según la
invención es la siguiente. La grúa de combustible 110 toma un
conjunto de combustible 70 de un bastidor de almacenamiento de
combustible. Maquinaria móvil asociada con la grúa 110 transporta el
conjunto de combustible 70 a la piscina 80 o alguna otra estación de
limpieza. Preferiblemente, el conjunto de combustible 70 se graba en
vídeo cuando se introduce en la carcasa 24. A modo de ejemplo, la
figura 6(b) ilustra una cámara 120 colocada en la parte
superior de la carcasa 24 para grabar en vídeo el conjunto de
combustible 70. Entonces se energizan los transductores 22.
Preferiblemente, la grúa 110 se usa para empujar el montaje 70 hacia
arriba y después hacia abajo, a intervalos de dos minutos (es decir,
hacia arriba durante dos minutos, hacia abajo durante dos minutos).
Cada excursión de empuje es preferiblemente de aproximadamente
varias pulgadas.
La actividad de radiación gamma se supervisa con
el sensor 96. El agua con partículas depositadas de combustible
radiactivo es bombeada por la bomba 92 a través de los filtros 94 y
después se hace volver a la piscina 80. La radioactividad total de
los filtros 94 se supervisa preferiblemente. Una vez que la
actividad gamma en el sensor 96 cae de nuevo a la línea base, se
sabe que ya no se quitan más partículas de depósitos de combustible
y por lo tanto la limpieza ha terminado. La secuencia de limpieza
típica está entre 7-10 minutos. Esto se encuentra en
fuerte contraposición a los acercamiento químicos de la técnica
anterior que duran horas. La duración de la secuencia de limpieza
asociada con la invención se puede reducir incrementando la potencia
del transductor. La evidencia experimental existente sugiere que la
mayor potencia del transductor no dañará los pelets de
combustible.
Después de la limpieza, se saca el conjunto de
combustible 70 de la carcasa 24, lo que se graba al mismo tiempo en
vídeo. La cinta vídeo de antes y de después de la limpieza se puede
estudiar para confirmar el éxito del proceso.
La grúa 110 desplaza después el conjunto de
combustible 70 al bastidor de almacenamiento de combustible. El
sistema de limpieza está ahora preparado para aceptar el conjunto de
combustible siguiente 70 a limpiar. Obsérvese que en el caso de una
carcasa fuertemente soportada 24, se puede usar una única grúa 110
para cargar un conjunto de dispositivos de limpieza ultrasónica 20.
Tal configuración mejora la producción general.
La técnica de la invención se demostró con éxito
en 16 conjuntos de combustible una vez irradiados que se procesaron
según la invención durante un corte de reabastecimiento de
combustible. Los conjuntos limpiadores se cargaron posteriormente de
nuevo para irradiación siguiente en el reactor. Los conjuntos de
combustible se supervisaron para comprobar la existencia de signos
de degradación de la integridad de los pelets y de signos de que
los depósitos de combustible que producen anomalía de desviación
axial podrían no haberse limpiado suficientemente. El esfuerzo más
serio en los pelets se produce durante la rampa de arranque del
reactor. No había indicación de efectos adversos en los pelets
durante rearranque, y posteriormente no se observaron efectos
adversos durante la operación continua del reactor. Además, los
mapas de flujo neutrónico indican que los depósitos de combustible
en las zonas más críticas debajo de las rejillas de combustible se
quitaron suficientemente de tal manera que el conjunto funciona como
nuevo combustible, sin indicación de depresiones de flujo
anómalas.
Además de demostrar la efectividad de la
invención in situ, la invención también ha resistido con
éxito una variedad de pruebas de laboratorio. En particular, se
realizó una serie de experimentos con muestras de revestimiento de
combustible Zircaloy oxidado al aire. En particular, se comprobó un
modelo a escala de laboratorio de un conjunto de barras de
combustible 17 x 17. Las pruebas no demostraron daño metalúrgico del
óxido de revestimiento como resultado de la exposición prolongada a
la limpieza ultrasónica de la invención. Esta prueba indica que el
revestimiento de combustible (la pared metálica cilíndrica
conteniendo los pelets de combustible que en combinación constituyen
la barra de combustible) no quedará afectado adversamente por la
exposición de los conjuntos de combustible al proceso de limpieza
ultrasó-
nica.
nica.
La técnica de limpieza ultrasónica de la
invención puede limpiar sin impartir fuerza potencialmente nociva a
los pelets de combustible. Las ondas ultrasónicas utilizadas según
la invención no penetran en el intervalo de gas hallado típicamente
entre el pelet y la superficie interior del revestimiento, de modo
que el único medio de transmitir energía vibracional nociva a los
pelets es por el movimiento de la superficie interior de
revestimiento contra los pelets. Resultados experimentales
demuestran que el espectro de vibración del revestimiento es
comparable con el espectro de vibración experimentado por el
combustible durante la operación. En la ultrasónica convencional no
cabría esperar que las vibraciones nocivas quedasen delimitadas por
las condiciones operativas típicas en el reactor, dado que cabría
esperar que la entrada mucho mayor de energía requerida para limpiar
las barras interiores dentro del haz de combustible fuese nocivos
para los pelets.
Los expertos en la técnica apreciarán que la
invención se puede implementar en varias configuraciones. A modo de
ejemplo, se muestran realizaciones adicionales en las figuras
7-10.
La figura 7 ilustra el transductor 22 de la
invención orientado a 45º en un plano vertical, más bien que
horizontalmente, como en las realizaciones anteriores. El
transductor 22 se puede colocar dentro de un bloque de montaje 120
de un soporte de montaje 122. A modo de ejemplo, el aparato de la
figura 7 se puede montar en la parte superior de la carcasa 24 de
las figuras 6(a)-6(c). En esta
realización, el conjunto de combustible 70 es subido y bajado por
los transductores durante el proceso de limpieza, como se representa
en las figuras 6(a)-6(c).
Se deberá notar que la invención se puede
implementar con transductores en los cuatro lados de una carcasa 24.
Tales realizaciones incluyen reflectores para cada transductor.
La figura 8(a) ilustra una realización de
la invención en la que se montan transductores 22 en una carcasa 130
que se sube y baja durante el proceso de limpieza, mientras que el
conjunto de combustible 70 permanece estacionario. Esta realización
de la invención demuestra que la carcasa 130 no tiene que rodear el
conjunto de combustible. En la realización de las figuras
1-5, la carcasa 24 opera con el fin de proteger el
combustible, mejorar la filtración y el enfriamiento, y contener los
depósitos quitados. La carcasa también puede operar para soportar
simplemente los transductores ultrasónicos, como se representa en la
figura
8a.
8a.
La carcasa 130 de la figura 8a está unida a un
cable de elevación 132. Se utiliza un contrapeso 134 para equilibrar
el peso de la carcasa 130. El contrapeso 134 está unido a un cable
de nivelación 133. El cable de elevación 132 se mueve por grúas 136,
que se colocan en una viga de soporte 138. Se puede utilizar un
freno 140 para controlar el movimiento de la carcasa 130.
La figura 8(b) es una ilustración
detallada de la carcasa 130. En esta realización, la carcasa 130
soporta los transductores 22 en una guía 150, que tiene un reflector
asociado 152.
La figura 9 ilustra un canal 160 para recibir un
aparato de limpieza ultrasónica de la invención y un conjunto de
combustible asociado. El canal 160 incluye una bomba integral 162 y
filtros integrales 164 y 166. Así, en esta realización, un sistema
integrado único realiza las funciones de limpieza y filtración. El
filtro 164 puede ser un filtro basto para circulación interna,
mientras que el filtro 166 puede ser un filtro fino para expulsión
a una piscina de combustible durante la limpieza final. El bloque
168 ilustra que el filtro fino 166 se puede implementar con una
matriz de filtros plegados (por ejemplo, nueve filtros plegados de
dos pulgadas).
Las figuras 10-12 ilustran una
realización de la invención para uso con reactores de agua en
ebullición. En particular, la figura 10 ilustra un aparato para
limpiar combustible canalizado usado en conexión con reactores de
agua en ebullición sin descanalizar el conjunto de combustible. La
figura 10 ilustra una carcasa 200 que soporta un conjunto de
transductores montados verticalmente 22. Aunque no se representa en
la figura 10, los transductores pueden abarcar la longitud axial
completa de la carcasa 200.
La figura 11 es una vista superior de la carcasa
200 tomada a lo largo de la línea 11-11 de la figura
10. La figura 11 ilustra los transductores montados verticalmente 22
rodeando un conjunto de combustible 202. Preferiblemente, la carcasa
200 incluye un reflector 204. La figura 12 ilustra un reflector 204,
incluyendo una superficie reflectora interior 206 y una superficie
exterior 208. Un intervalo de aire 210 está colocado entre la
superficie reflectora interior 206 y la superficie exterior 208.
Los expertos en la técnica apreciarán que la
invención proporciona una técnica de rápida, efectiva, compacta, de
bajo costo, para quitar depósitos de conjuntos de combustible
nuclear. La técnica de la invención es sumamente rápida en
comparación con los acercamientos químicos de la técnica
anterior.
La invención también permite limpiar un conjunto
de combustible sin desmontarlo. La técnica de la invención no
produce desplazamientos adversos del revestimiento que de otro modo
amenazarían la integridad física de los pelets de combustible
irradiado. En otros términos, la invención puede limpiar depósitos
interiores en un conjunto de combustible sin ninguna consecuencia
durante el rearranque posterior del reactor.
Otro beneficio significativo asociado con la
invención se refiere a la gestión mejorada de la radiación y la
reducida exposición a radiación del personal de la central. Las
partículas de depósito de combustible quitadas por el proceso de
limpieza son de hecho el mismo material radiactivo que, cuando se
distribuye por el bucle de refrigerante como resultado de
transitorios térmicos/hidráulicos en el núcleo, produce las dosis
más significativas del personal durante los cortes. Así, limpiando
el combustible y conteniendo el particulado radiactivo en filtros,
que se pueden almacenar con seguridad en la piscina de combustible
durante períodos largos de tiempo (mientras decae su actividad), se
puede lograr reducciones de velocidad de dosis de corte y las dosis
del personal. Por lo tanto, la limpieza de combustible como una
estrategia para el control de velocidad de dosis y la reducción de
la velocidad de dosis es un método nuevo viable para reducir los
costos de gestión de la radia-
ción.
ción.
La descripción anterior, a efectos de
explicación, utilizó terminología específica para ofrecer una
comprensión a fondo de la invención. Sin embargo, será evidente para
los expertos en la técnica que los detalles específicos no se
requieren para poner en práctica la invención. En otros casos, se
muestran circuitos y dispositivos conocidos en forma de diagrama de
bloques con el fin de evitar la distracción innecesaria de la
invención subyacente. Así, las descripciones anteriores de
realizaciones específicas de la presente invención se presentan con
la finalidad de ilustración y descripción. No se pretende que sean
exhaustivas ni limitar la invención a las formas exactas descritas;
obviamente muchas modificaciones y variaciones son posibles a la luz
de las ideas anteriores. Las realizaciones se eligieron y han
descrito con el fin de explicar mejor los principios de la invención
y sus aplicaciones prácticas, para permitir por ello que otros
expertos en la técnica utilicen mejor la invención y varias
realizaciones con varias modificaciones que sean adecuadas para el
uso particular contemplado. Se pretende que el alcance de la
invención se defina por las reivindicaciones siguientes.
Claims (20)
1. Un aparato (20) para limpiar un conjunto de
combustible nuclear irradiado (70), incluyendo:
una carcasa (24); y
una pluralidad de transductores ultrasónicos
(22) colocados en dicha carcasa para suministrar energía ultrasónica
omnidireccional de emanación radial que quita depósitos de un
conjunto de combustible nuclear irradiado colocado cerca de dicha
carcasa.
2. El aparato de la reivindicación 1, donde
dicha pluralidad de transductores ultrasónicos están configurados de
manera que incluyan una barra (44) con un primer extremo y un
segundo extremo, un primer transductor piezoeléctrico (40) colocado
en dicho primer extremo y un segundo transductor piezoeléctrico (42)
colocado en dicho segundo extremo.
3. El aparato de la reivindicación 1, donde
dicha pluralidad de transductores ultrasónicos tiene un reflector
asociado (204) incluyendo una primera superficie reflectora (206),
un intervalo de aire (210), y una superficie exterior (208).
4. El aparato de la reivindicación 1, donde
dicha pluralidad de transductores ultrasónicos incluye un primer
transductor colocado para producir un primer conjunto de ondas de
energía ultrasónica omnidireccionales que emanan radialmente con
nodos de desplazamiento mínimo en posiciones selectivas, y un
segundo transductor colocado para producir un segundo conjunto de
ondas de energía ultrasónica omnidireccionales que emanan
radialmente con nodos de desplazamiento máximo en dichas posiciones
selectivas.
5. El aparato de la reivindicación 1, donde
dicha carcasa incluye un primer extremo con una guía (28) para
dirigir dicho conjunto de combustible nuclear a dicha carcasa.
6. El aparato de la reivindicación 1, donde
dicha carcasa incluye un segundo extremo con una abertura que define
un agujero de enfriamiento de emergencia (30).
7. El aparato de la reivindicación 6, donde
dicho segundo extremo está configurado para recibir tubos de
filtración.
8. El aparato de la reivindicación 7, incluyendo
además una bomba conectada a dichos tubos de filtración.
9. El aparato de la reivindicación 8, incluyendo
además un filtro conectado a dicha bomba.
10. El aparato de la reivindicación 1,
incluyendo además una grúa (110) para colocar dicho conjunto de
combustible nuclear irradiado dentro de dicha carcasa.
11. El aparato de la reivindicación 10, donde
dicha grúa vuelve a colocar dicho conjunto de combustible nuclear en
una secuencia de posiciones a lo largo del eje longitudinal de dicha
carcasa mientras dicha pluralidad de transductores ultrasónicos son
activados.
12. Un método de limpiar un conjunto de
combustible nuclear irradiado (70), incluyendo dicho método los
pasos de:
colocar un conjunto de combustible nuclear (70)
junto a una carcasa (24); y
suministrar energía ultrasónica omnidireccional
de emanación radial desde transductores (22) colocados en dicha
carcasa a dicho conjunto de combustible nuclear para quitar
depósitos de dicho conjunto de combustible nuclear.
13. El método de la reivindicación 12, donde
dicho paso de suministro incluye el paso de reflejar selectivamente
dicha energía ultrasónica omnidireccional que emana radialmente
dentro de dicha carcasa.
14. El método de la reivindicación 12,
incluyendo además el paso de circular un líquido a través de dicha
carcasa durante dicho paso de suministro.
15. El método de la reivindicación 14,
incluyendo además el paso de filtrar dicho líquido.
16. El método de la reivindicación 14,
incluyendo además el paso de medir la actividad radiactiva dentro de
dicho líquido.
17. El método de la reivindicación 16,
incluyendo además el paso de parar dicho paso de suministro cuando
dicha actividad radiactiva cae a un nivel predeterminado.
18. El método de la reivindicación 12,
incluyendo además el paso de recolocar dicho conjunto de combustible
nuclear en una secuencia de posiciones a lo largo del eje
longitudinal de dicha carcasa durante dicho paso de suministro.
19. El método de la reivindicación 13, donde
dicho paso de suministro incluye el paso de suministrar energía
ultrasónica omnidireccional de emanación radial con una frecuencia
de entre aproximadamente 20 y 30 kHz a una potencia del transductor
entre 1.000 y 1.500 vatios.
20. El método de la reivindicación 12, donde
dicho paso de suministro incluye el paso de suministrar un primer
conjunto de ondas de energía ultrasónica omnidireccionales que
emanan radialmente con nodos de desplazamiento mínimo en posiciones
selectivas, y suministrar un segundo conjunto de ondas de energía
ultrasónica omnidireccionales que emanan radialmente con nodos de
desplazamiento máximo en dichas posiciones selectivas.
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