ES2316723T3 - Distanciador para el elemento combustible de un reactor de agua en ebullicion. - Google Patents
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Abstract
Elemento combustible de un reactor de agua en ebullición, que comprende varios distanciadores con células (4) formadas por puentes interiores (2) dispuestos en cruz y puentes exteriores (3) que rodean dichos puentes interiores a modo de marco, y que por lo menos en una parte de las células (4) hay insertada una barra combustible, caracterizado por el hecho de que el distanciador posee por lo menos un dispositivo guía (11) que comprende un orificio de paso (12), dispuesto en un puente exterior (3), y un elemento indicador (13), el cual, visto en la dirección de flujo (16) del refrigerante, se encuentra dispuesto en el sentido ascendente de dicho orificio de paso y se proyecta hacia dentro desde el interior (6) del puente exterior (3) y estrecha un canal de flujo (14) formado por la superficie de una barra combustible (5) y los puentes interiores y exteriores (2, 3) que rodean dicha barra combustible, y por un dispositivo guía (11) dispuesto en una zona (23) del puente exterior comprendida entre un muelle de apriete (7), que se proyecta hacia dentro en cooperación con una barra combustible (5), y un puente interior (2).
Description
Distanciador para el elemento combustible de un
reactor de agua en ebullición.
El invento hace referencia a un elemento
combustible de un reactor de agua en ebullición. En un elemento
combustible de este tipo hay varias barras combustibles reunidas en
una caja de elementos combustibles que forman un haz de barras
combustibles. A lo largo de dichas barras combustibles hay
dispuestos varios distanciadores para guiarlas, que constan de
células formadas por puentes interiores dispuestos en cruz y puentes
exteriores que rodean dichos puentes interiores a modo de marco. Los
elementos combustibles de este tipo se divulgan, por ejemplo, en los
documentos JP-05.323.073-A,
EP-A-0.468.870 y
US-A-4.999.153. En el reactor de
agua en ebullición, durante su funcionamiento, el agua entra como
fluido refrigerante primario desde abajo hasta el elemento
combustible y pasa por éste hacia arriba. El calor desprendido por
las barras de combustible calienta el agua, de modo que ésta se
evapora parcialmente. Por este motivo, en la zona superior del
elemento combustible se genera una mezcla bifásica de agua y vapor.
Al salir del elemento combustible, la proporción de vapor
normalmente es de aproximadamente un 60%.
Debido al flujo bifásico típico del reactor de
agua en ebullición, existen requisitos especiales en el
acondicionamiento de un elemento combustible. Además de tenerse en
cuenta una moderación de neutrones adecuada, es de especial
importancia garantizar una refrigeración suficiente de las barras
combustibles, o bien una disipación del calor suficiente de sus
superficies. Para ello, debe garantizarse que la superficie de las
barras combustibles está hidratada con el agua suficiente. Esto es
un requisito para lo que se conoce como "vaporización
nucleada", en que se forman burbujas de vapor que se van
expandiendo para, finalmente, explotar. La transferencia de calor
se realiza principalmente a través de una zona de forma anular
situada bajo la burbuja. Sin embargo, debido al alto contenido en
vapor de la zona superior del elemento combustible, existe el
peligro de que se produzca lo que se conoce como "ebullición en
película". Bajo dicho término se entiende el siguiente efecto:
una película de agua situada sobre la superficie de la barra
combustible se evapora de forma laminar sin formación de burbujas,
lo cual finalmente conlleva que la barra combustible ya no se
encuentre hidratada con agua en esa zona. Debido a la reducida
refrigeración que esto provoca, la temperatura de la barra
combustible asciende bruscamente, lo cual puede conllevar un
deterioro de la barra combus-
tible.
tible.
Como es sabido, una película de refrigerante
fluye a través de la pared interior de la caja de elementos
combustibles, y su contenido de vapor en la zona superior del haz de
barras combustibles aumenta. Se divulga el aprovechamiento del
potencial de refrigeración de esta película de refrigerante cuando
en el área de un distanciador se conduce radialmente refrigerante
hacia el interior del haz de barras combustibles. El documento
US-4.999.153 describe una medida mediante la cual
esto puede conseguirse. En la pared interior de la caja de elementos
combustibles se han practicado unas ranuras, denominadas
"flowtripper", que discurren oblicuamente respecto a la
dirección de flujo del refrigerante. Dichas ranuras sirven para
arremolinar el flujo del refrigerante en la pared interior de la
caja. Montados a continuación de las ranuras y en la dirección de
flujo se encuentran unos elementos de derivación que sobresalen del
exterior de los puentes exteriores y que en cierto modo raspan de la
pared interior de la caja la película de agua arremolinada a través
de las ranuras y la desvían por el orificio de paso hacia el
interior del haz de barras combustibles. Un efecto similar se
alcanza mediante un distanciador divulgado a partir del documento
JP-05.323.073-A, con puentes
exteriores alternados con orificios de admisión.
El presente invento tiene como objetivo
presentar un elemento combustible de un reactor de agua en
ebullición con un distanciador mediante el cual se puede aprovechar
de un modo alternativo el refrigerante que fluye por la pared
interior de la caja para la refrigeración de las barras
combustibles.
Este objetivo se alcanza de conformidad con la
reivindicación 1 mediante un distanciador con un dispositivo guía
que consta de un orificio de paso dispuesto en un puente exterior y
un elemento indicador, el cual, visto en la dirección de flujo del
refrigerante, se encuentra dispuesto en el sentido ascendente de
dicho orificio de paso y se proyecta hacia dentro desde el interior
del puente exterior y estrecha un canal de flujo formado por la
superficie de una barra combustible y los puentes interiores y
exteriores que rodean dicha barra combustible, y con un dispositivo
guía dispuesto en una zona del puente exterior comprendida entre un
muelle de apriete que se proyecta hacia dentro en cooperación con
una barra combustible y un puente interior.
En un acondicionamiento de este tipo, el
elemento indicador coopera con el orificio de paso a la manera de
una tobera de Venturi. En una tobera de Venturi, un canal de
aspiración conectado al exterior desemboca en un punto estrecho de
un canal de flujo. Debido a la velocidad de circulación elevada en
el punto estrecho del canal de flujo, se produce allí un vacío
parcial, que se propaga hacia afuera a través del canal de
aspiración. La zona entre la superficie de una barra combustible y
los puentes interiores y exteriores que la rodean forma un canal de
flujo. Dicho canal se estrecha mediante el elemento indicador que se
proyecta hacia el interior. En comparación con el refrigerante que
escapa por el exterior, el refrigerante que circula por el interior
del puente exterior se encuentra con un adelgazamiento de la sección
transversal en forma de elemento indicador que se proyecta hacia el
interior, lo cual conlleva el mencionado aumento de la velocidad, o
bien de la energía cinética del refrigerante, y la correspondiente
reducción de la presión. De ahí que el refrigerante que circula a lo
largo de la pared interior de la caja sea en cierto modo aspirado a
través del orificio de paso.
Cuando preferentemente a cada célula se le
asigna por lo menos un dispositivo guía de este tipo, el potencial
de refrigeración del flujo de la pared interior puede aprovecharse
hasta una proporción significativa. De este modo aumenta la
distancia hasta el conducto de transición de la ebullición y con
ello se reduce el peligro de la ebullición en película. En los
distanciadores de este tipo en cuestión, hay muelles de apriete en
cooperación con las barras combustibles tanto en los puentes
interiores como en los exteriores. Dichos muelles de apriete se
encuentran dispuestos en el centro de la zona del puente exterior
que define la longitud del borde de una célula. Por ello resulta
útil colocar los dispositivos guía en la zona de un puente exterior
que se extiende desde un muelle de apriete hasta el siguiente
puente interior correspondiente.
En una variante de ejecución preferente, el
elemento indicador es un álabe de flujo moldeado sobre los puentes
exteriores que forma un ángulo agudo que se abre en la dirección de
flujo con el plano del puente exterior. Un álabe de flujo de este
tipo puede fabricarse de un modo sencillo. Preferentemente, se forma
mediante cortes que se extienden en la dirección de flujo y
desembocan en el borde inferior del orificio de paso. En lo
sucesivo, cuando aquí se hable de inferior y superior, se hará
referencia a la colocación de un distanciador o de un elemento
combustible. Otro acondicionamiento preferido, especialmente desde
el punto de vista de la producción, prevé que el álabe de flujo esté
formado por una zona de pared embutida del puente exterior,
colindante con el borde inferior del orificio de
paso.
paso.
En otra forma de realización preferente, cada
célula colindante con un puente exterior está asignada por lo menos
a un dispositivo guía, para elevar la proporción de refrigerante
desviada hacia el interior. Preferentemente, los orificios de paso
presentan una anchura superior a la de los elementos indicadores. Se
ha demostrado que mediante este acondicionamiento, el efecto de
remolino de los elementos indicadores se puede aprovechar mejor, es
decir, que puede conducirse una cantidad de refrigerante superior
hacia el haz de barras combustibles.
Preferentemente, los orificios de paso tienen
forma de agujero ovalado dispuesto oblicuamente respecto a la
dirección de flujo. Mediante este acondicionamiento, al flujo de
refrigerante introducido en el orificio de paso se le puede añadir
un componente de flujo radial respecto a una barra combustible.
Preferentemente, hay dos orificios de paso colocados uno al lado del
otro, que mediante la formación de un ángulo agudo que se abre
contra la dirección de flujo, se encuentran dispuestos oblicuamente
en sentido contrario. En particular, las células adyacentes a los
dos orificios de flujo están asignadas. El rendimiento del
dispositivo guía aumenta por el hecho de que el borde superior del
orificio de flujo y la zona de pared seguida en la dirección de
flujo del puente exterior se curvan de forma convexa hacia
fuera.
fuera.
A continuación, se describe el invento con mayor
detalle mediante los ejemplos de ejecución representados en los
dibujos adjuntos. Se muestra lo siguiente:
La figura 1 muestra una sección de un primer
ejemplo de ejecución de un distanciador en una vista lateral;
La figura 2 muestra un plano horizontal en
dirección de la flecha II de la figura 1;
La figura 3 muestra una sección longitudinal
conforme a la línea IIIIII de la figura 1, así como una sección
ampliada de la misma, donde los muelles de apriete y el puente
interior se han obviado a efectos de simplificación;
La figura 4 es otro ejemplo de ejecución de un
distanciador en una representación conforme a la figura 1;
La figura 5 muestra un plano horizontal en
dirección a la flecha V de la figura 4;
La figura 6 es una sección longitudinal
correspondiente a la línea VIVI de la figura 4, en una
representación conforme a la figura 3;
La figura 7 muestra la sección VII de la figura
4 en una representación en perspectiva ampliada;
La figura 8 es otro ejemplo de ejecución de un
distanciador en una representación conforme a la figura 1;
La figura 9 muestra un plano horizontal en la
dirección de la flecha IX de la figura 8;
La figura 10 muestra una sección longitudinal
correspondiente a la línea XX de la figura 8, en una representación
conforme a la figura 3.
El distanciador 1 del elemento combustible de un
reactor de agua en ebullición se compone de puentes interiores 2
fijados oblicuamente entre sí, rodeados a modo de marco por puentes
exteriores 3. Los puentes interiores y exteriores 3 rodean células
4, y en estado de montaje, por lo menos en una parte de cada una de
ellas se inserta una barra combustible 5. Del interior 6 de los
puentes exteriores 3 sobresalen muelles de apriete 7, los cuales
admiten las barras combustibles 5 más o menos en sentido radial. En
los puentes exteriores 3 hay dos ranuras 8. Por ellas se extienden
los puentes interiores 2 con las secciones de fijación 2a salientes
de sus bordes de ataque laterales y se encuentran soldados con éstos
desde el exterior de los puentes exteriores 3. En el borde superior
de los puentes exteriores 3 hay dispuestos álabes de turbulencia 9,
y en el borde inferior, álabes deflectores 10. Los primeros sirven
principalmente para arremolinar el refrigerante que circula de abajo
hacia arriba de un elemento combustible y dirigirlo a la superficie
de las barras combustibles; los segundos sirven como ayuda de
incorporación al introducir un haz de elementos combustibles en una
caja de elementos combustibles 21.
En el ámbito del flujo bifásico de un elemento
combustible de agua en ebullición existe el peligro de que algunas
partes de la superficie de las barras combustibles no estén lo
suficientemente provistas de agua y se genere lo que se conoce como
"ebullición en película". En ese caso, se evapora de forma
laminar una película de agua refrigerante sin formación de burbujas
de vapor. La consecuencia es una evacuación escasa o insuficiente
del calor generado por las barras combustibles. Para contrarrestar
este efecto, existen varios dispositivos guía 11 en los puentes
exteriores 3. Éstos comprenden en cada caso un orificio de paso 12
con un elemento indicador 3 asignado, el cual se proyecta desde el
interior del puente exterior 3 y coopera con el orificio de paso a
la manera de una tobera de Venturi. El elemento indicador 13
dispuesto en el interior 6 del puente exterior 3 realiza un
estrechamiento de la sección del flujo de la superficie del canal de
flujo 14 formado por la superficie de una barra combustible 5, un
puente interior 2 y un puente exterior 3. En la zona del
estrechamiento, frente al refrigerante que circula fuera del puente
exterior 3, concretamente, en el canal de flujo 15 circunscrito por
la caja de elementos combustibles 21 y los puentes exteriores 3, se
produce un vacío parcial. A través del orificio de paso 12, el
refrigerante se aspira del canal de flujo 15 y se introduce en el
canal de flujo 14 (véase la flecha 29 en la figura 3). El potencial
de refrigeración de dicha proporción de refrigerante puede
aprovecharse entonces para la refrigeración de las barras
combustibles.
Los elementos indicadores 13 son álabes de flujo
moldeados en el interior 6 de los puentes exteriores 3, que con el
plano del puente exterior 3 incluyen un ángulo agudo a (figura 3)
que se abre en el sentido longitudinal de una barra longitudinal, o
bien en la dirección de flujo 16. En los ejemplos de ejecución
representados en las figuras 1 a 7, el elemento indicador 13 es un
álabe de flujo formado por una zona de pared embutida 18 del puente
exterior 3, colindante con el borde inferior 17 del orificio de
paso. Los orificios de paso 12 tienen forma de agujeros ovalados, de
modo que su borde inferior 17 y su borde superior 19 se extienden
más o menos paralelos entre sí. Sus bordes laterales 20 se extienden
más o menos en la dirección de flujo 16. Asimismo, los orificios de
paso 12 son más anchos que los elemento indicadores 13, de modo que
éstos últimos sobresalen lateralmente con un resalto 22.
Cada célula 4 colindante con un puente exterior
3 está asignada a un dispositivo guía 11, de modo que ésta cada vez
se encuentra situada en una zona del puente exterior 3 que se
extiende entre un muelle de apriete 7 y un puente interior 2.
Preferentemente, los dispositivos guía 11, 11a, de dos células 4, 4a
separadas entre sí por un puente interior 2, se encuentran colocados
en las zonas 23, 23a que se extienden a ambos lados desde el puente
interior 2. Los orificios de paso 12 pueden extenderse, por ejemplo,
transversalmente respecto a la dirección de flujo 16. Sin embargo,
en los ejemplos de ejecución representados en los dibujos están
orientados oblicuamente. La posición oblicua de los orificios 12,
12a asignados a las segundas células adyacentes 4, 4a es opuesta, de
modo que éstos incluyen un ángulo agudo b (figura 1) que se abre en
contra de la dirección de flujo 16. Al flujo de refrigerante
introducido en los orificios de paso 12, 12a, mediante la posición
oblicua se le añade una torsión que coincide aproximadamente con las
flechas de flujo 24 de la figura 2. El refrigerante introducido a
través del orificio de paso 12, 12a se conduce de este modo en
dirección radial alrededor de las barras combustibles 5.
En el ejemplo de ejecución representado en las
figuras 4 a 7, el borde superior 19 del orificio de paso 12', 12'a y
la zona de pared adyacente 25, 25a de los puentes exteriores se
curva de forma convexa hacia fuera. Las zonas de pared 25 que se
curvan en forma de pala o cuchara se encuentran en el canal de flujo
15 que discurre entre el puente exterior 3 y la caja de elementos
combustibles 21 y conducen el refrigerante al interior 6 de los
puentes exteriores 3, o bien al canal de flujo 14. Mediante el
acondicionamiento mencionado, a la proporción de refrigerante
descendente debido al efecto Venturi anteriormente mencionado se le
añade aún otra proporción de refrigerante. Mediante la curvatura
opuesta del borde superior 19 y del borde inferior 17 de los
orificios de paso 12' y 12'a, la sección de paso 26 (figura 6) se
amplía respecto a los orificios, cuyos bordes discurren en el plano
del puente exterior 3, y con ello se reduce la afluencia de
refrigerante.
En la figura 7 se muestran un par de
dispositivos guía 11', 11'a asignados a las células adyacentes 4,
4a. Entre las zonas de pared 25, 25a hay una sección de pared 27
dispuesta a un nivel más bajo con una ranura 8a insertada que
discurre en la dirección de flujo 16. A la sección de pared 27 se
acopla otra sección de pared 28, que discurre oblicuamente y que
separa los dos orificios de paso 12', 12'a. En el acondicionamiento
en cuestión, la arista lateral de un puente interior 2 está moldeada
de tal modo que se prolonga por dentro de la curvatura formada por
las secciones de pared 27 y 28. La ranura 8a, tal como ya se ha
descrito para las ranuras 8, está sujeta por una sección de fijación
2a de un puente interior 2. Mediante la disposición desplazada hacia
dentro o hundida de la sección de pared 27, se puede fijar la
sección de fijación 2a en el área de la ranura 8a, desde el
exterior y con ayuda de una soldadura, sin que la junta de soldadura
sobresalga de las zonas de pared 25, 25a.
Además de los orificios de paso descritos 12 y
12', también pueden existir orificios de circulación 12'', en los
cuales sólo el borde superior 19 y una zona de pared consecutiva 25'
sobresalen hacia fuera, de modo que el borde inferior 17 discurre en
el plano del puente exterior 3, por lo tanto, no existe un elemento
indicador 13 proyectado hacia dentro (véase la figura 4).
En el ejemplo de ejecución representado en la
figura 8 a 10, el dispositivo guía 11'' presenta un elemento
indicador 13', que también es una zona de pared 18' que se proyecta
hacia dentro oblicuamente. Sin embargo, en este caso se forma
mediante un corte 30 que discurre más o menos en la dirección de
flujo 16 y que desemboca en el borde inferior 17 del orificio de
paso 12'.
- 1
- Distanciador
- 2
- Puente interior
- 2a
- Sección de fijación
- 3
- Puente exterior
- 4
- Célula
- 5
- Barra combustible
- 6
- Interior
- 7
- Muelle de apriete
- 8
- Ranura
- 9
- Álabe de turbulencia
- 10
- Álabe deflector
- 11
- Dispositivo guía
- 12
- Orificio de paso
- 13
- Elemento indicador
- 14
- Canal de flujo
- 15
- Canal de flujo
- 16
- Dirección de flujo
- 17
- Borde inferior
- 18
- Zona de pared
- 19
- Borde superior
- 20
- Borde lateral
- 21
- Caja de elementos combustibles
- 22
- Resalto
- 23
- Zona
- 24
- Flecha de flujo
- 25
- Zona de pared
- 26
- Sección de paso
- 27
- Sección de pared
- 28
- Sección de pared
- 29
- Flecha
- 30
- Corte
- \alpha
- Ángulo
- \beta
- Ángulo
Claims (10)
1. Elemento combustible de un reactor de agua en
ebullición, que comprende varios distanciadores con células (4)
formadas por puentes interiores (2) dispuestos en cruz y puentes
exteriores (3) que rodean dichos puentes interiores a modo de marco,
y que por lo menos en una parte de las células (4) hay insertada una
barra combustible, caracterizado por el hecho de que el
distanciador posee por lo menos un dispositivo guía (11) que
comprende un orificio de paso (12), dispuesto en un puente exterior
(3), y un elemento indicador (13), el cual, visto en la dirección de
flujo (16) del refrigerante, se encuentra dispuesto en el sentido
ascendente de dicho orificio de paso y se proyecta hacia dentro
desde el interior (6) del puente exterior (3) y estrecha un canal de
flujo (14) formado por la superficie de una barra combustible (5) y
los puentes interiores y exteriores (2, 3) que rodean dicha barra
combustible, y por un dispositivo guía (11) dispuesto en una zona
(23) del puente exterior comprendida entre un muelle de apriete (7),
que se proyecta hacia dentro en cooperación con una barra
combustible (5), y un puente interior (2).
2. Elemento combustible conforme a la
reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el
elemento indicador (13) es un álabe de flujo moldeado en los puentes
exteriores (3) y forma un ángulo agudo \alpha que se abre en la
dirección de flujo (16) con el plano del puente exterior (3).
3. Elemento combustible conforme a la
reivindicación 2, caracterizado por el hecho de que el álabe
de flujo es una región de la pared (18') de un puente exterior (3)
formado por dos cortes (30) que se extienden aproximadamente en la
dirección de flujo (16) y desembocan en el borde inferior (17) del
orificio de paso (12).
4. Elemento combustible conforme a la
reivindicación 2, caracterizado por el hecho de que el álabe
de flujo está formado por una zona de pared embutida (18) del puente
exterior (3) colindante con el borde inferior (17) del orificio de
paso (12).
5. Elemento combustible conforme a una de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por el hecho de que
cada célula (4) colindante con un puente exterior (3) está asignada
a por lo menos un dispositivo guía (11).
6. Elemento combustible conforme a una de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por el hecho de que el
orificio de paso (12) presenta una anchura superior a la del
elemento indicador (13).
7. Elemento combustible conforme a una de las
reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por un orificio de paso
(12) en forma de agujero ovalado y dispuesto oblicuamente en la
dirección de flujo.
8. Elemento combustible conforme a la
reivindicación 7, caracterizado por el hecho de que dos
orificios de paso (12, 12a) adyacentes se encuentran situados
oblicuamente y en sentidos opuestos, de modo que circunscriben un
ángulo agudo \beta que se abre contra la dirección de flujo
(16).
9. Elemento combustible conforme a la
reivindicación 8, caracterizado por el hecho de que ambos
orificios de paso (12, 12a) están asignados a las células
adyacentes.
10. Elemento combustible conforme una de las
reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por un dispositivo guía
(11''), en el cual el borde superior (19) del orificio de paso (12')
y la zona de pared contigua (25) del puente exterior (3) están
curvados de forma convexa hacia fuera.
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