ES2348937T3 - Elemento de combustible para reactor nuclear de agua a presión. - Google Patents

Abstract

Elemento de combustible para un reactor nuclear con agua a presión, que comprende una serie de barras de combustible guiadas en una serie de separadores (4) separados axialmente, los cuales forman en cada caso una rejilla cuadrada constituida por travesaños de rejilla (141-17, 161-17) que comprenden una serie de celdas (6), las cuales están dispuestas en filas (10) y columnas (8), y en las cuales pasa en cada caso un tubo de guía de barra de control (12) a través de un cierto número de las celdas (6), estando constituido, como mínimo, un separador (4) con una primera zona parcial (18) mecánicamente más resistente que en una segunda zona parcial (19) y estando dotado, en la segunda zona parcial (19), como mínimo, de un cuerpo resistente (20) que entra en un canal auxiliar de flujo (17) formado entre las barras de combustible (2) y que aumenta la resistencia al flujo, y contrarresta la reducción de la resistencia al flujo en la segunda zona parcial (19), cuya reducción es consecuencia del diseño mecánico más débil.

Description

La presente invención se refiere a un elemento de combustible para un reactor nuclear de agua a presión, tal como es conocido, por ejemplo, por el documento DE 103 34 580 B3.

En principio, la estructura de un elemento de combustible para un reactor nuclear de agua a presión es el que se ha mostrado como ejemplo en la figura 6. En un elemento de combustible de este tipo, una serie de barras de combustible (2) están dispuestas en la dirección de las barras (axial) paralelamente entre varios separadores (4) que las separan axialmente entre sí, constituyendo de manera correspondiente, una rejilla bidimensional con múltiples celdas (6), que están dispuestas en columnas (8) y filas (10). A través de dichas celdas (6) de esta rejilla pasan, además de las barras de combustible (2) en posiciones seleccionadas, tubos de apoyo que no contienen combustible y que están destinados a recibir y guiar barras de control (los llamados tubos de guiado de barras de control (12)). Además, pueden existir también tubos de apoyo, que tampoco contienen combustible y que están destinados exclusivamente a aumentar la estabilidad (tubos de instrumentación o tubos estructurales, en el ejemplo de

elemento de combustible mostrado (2) no se han previsto ni

-2 –

tubos de instrumentación ni tampoco tubos estructurales). Estos tubos de apoyo, al contrario que las barras de combustible, están soldados en las celdas (6) con los separadores (4), de manera que se garantiza su efecto de

estabilización

durante la totalidad de la duración del

elemento de combustible (2).

En

el caso de hipotéticos siniestros externos, por

ejemplo

en un terremoto o una pérdida de medio de

refrigeración con una rotura importante (LOCA – Loss Of Coolant Accident (“Accidente de pérdida de refrigerante”)), los separadores pueden recibir una elevada carga de choque por los elementos de combustible adyacentes. Las deformaciones permanentes que se producen por este motivo que se manifiestan habitualmente en forma de deformaciones de filas o columnas, no deben superar los valores máximos permisibles para garantizar que las barras de control pueden ser guiadas todavía en los tubos de guiado de las mismas para posibilitar la continuación de un funcionamiento seguro o de un paro seguro de la instalación. Si bien son permisibles en principio las deformaciones plásticas de alcance limitado, se deben evitar las deformaciones grandes que llevan a un desplazamiento significativo de los tubos de guiado de las barras de control en el elemento de combustible.

Los separadores están dispuestos, por lo tanto, de manera tal que las cargas de choque que se pueden esperar no conducen a una deformación o doblado importante del separador. En la práctica, como objetivo de desarrollo, se

intenta conseguir una resistencia a la deformación para

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separadores nuevos, no irradiados (separadores BOL = Begin Of Life (“Inicio de vida”)) de unos 20 kN. Por lo tanto, para un separador BOL se pueden soportar las cargas de choque que tiene lugar dentro del ámbito de un siniestro (terremoto, LOCA) (fuerzas transversales que actúa sobre una cara plana), siempre que estas sean menores de 20 kN.

Por lo tanto, especialmente en el caso de separadores que han tenido una utilización durante un largo periodo de tiempo y que se encuentran al final de su periodo útil (EOL = End Of Life (“Fin de vida”)), en situaciones desfavorables se pueden producir esfuerzos superiores a su resistencia a la deformación, puesto que esta resistencia se puede haber reducido notablemente en comparación con separadores nuevos. Esta disminución de la resistencia a la deformación depende del correspondiente tipo de separador y puede ascender a 50-60%.

Para la mejora de la seguridad contra siniestros, se ha recomendado en el documento DE 103 34 580 B3 la disposición constructiva de los separadores de forma que, al superar un esfuerzo límite que actúa lateralmente sobre el separador, se inicie exclusivamente una deformación en una zona del separador cuyas celdas se encuentran fuera de una zona interna que contenga un tubo de guiado de las barras de control. Este comportamiento de deformación puede ser conseguido de forma que el separador esté construido de manera que, por fuera de esta zona interna sea mecánicamente más débil.

La invención se propone el objetivo de dar a conocer

un elemento de combustible para un reactor nuclear de agua

-4 –

a

presión que presente una elevada seguridad contra

siniestros

y unas satisfactorias características

termohidráulicas.

El objetivo indicado

se consigue, de acuerdo con la

invención, mediante un elemento de combustible que tiene las características de la reivindicación 1. De acuerdo con estas características, partiendo de un elemento de combustible conocido por el documento DE 103 34 580 B3, en el que, como mínimo un separador está dispuesto de manera que la primera zona parcial es mecánicamente más resistente que una segunda zona parcial, en la segunda zona parcial se prevé, como mínimo, un cuerpo resistente que aumenta la resistencia al flujo, que se introduce en un canal de guiado del flujo constituido entre las barras de combustible, que contrarresta la reducción de la resistencia al flujo en la segunda zona parcial de disposición mecánica más débil. La invención se basa en el descubrimiento de que una disposición más débil del separador en la zona del borde, que se consigue, por ejemplo, mediante una reducción del grosor de paredes de los travesaños de rejilla en la zona del borde, o mediante la reducción del número, o adelgazamiento de los puntos de soldadura, en los que están soldados entre sí los travesaños de la rejilla, conduce a que la resistencia al flujo del separador en estas zonas externas debilitadas es menor que en la zona interna. En otras palabras: la falta de homogeneidad mecánica introducida para la mejora del comportamiento EOL del separador puede provocar una falta

de homogeneidad hidráulica, es decir, una distribución

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heterogénea de las pérdidas de carga producidas por el flujo del medio de refrigeración a través del separador en dirección axial de las barras de combustible.

Mediante el aumento previsto de la resistencia al flujo, en la segunda zona parcial de disposición mecánica más débil, de acuerdo con la invención, se aumentarán en aquella zona localmente las pérdidas de carga, de manera que se reducirán las faltas de homogeneidad hidráulica generadas por la diferente disposición mecánica de la primera y segunda zonas parciales. En otras palabras: mediante las medidas técnicas de la presente invención, a pesar de la falta de homogeneidad de la disposición mecánica del separador, se consigue esencialmente la homogeneidad de la pérdida de carga generada por los separadores. Para ello se persigue preferentemente la disposición del cuerpo o cuerpos resistentes de manera tal que la disminución de la resistencia al flujo en la segunda zona parcial, conseguida mediante la disposición mecánica más débil, quede compensada por lo menos de manera aproximada.

Preferentemente, los cuerpos resistentes están dispuestos en el punto de cruzamiento de los travesaños de la rejilla, es decir, en el centro de un canal de guiado de flujo constituido por barras de combustible adyacentes. Mediante la disposición de los cuerpos resistentes, especialmente en la zona de los bordes de un travesaño de la rejilla, se pueden generar, de manera especialmente sencilla, perfiles de corriente locales que son simétricos

alrededor del eje del canal de guiado del flujo, de manera

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que los cuerpos resistentes no generan ningún modelo de corriente que provoque esfuerzos sobre los elementos combustibles transversales a la dirección de flujo del medio de refrigeración.

En cuanto a los cuerpos resistentes, se pueden constituir como elementos constructivos separados soldados, como mínimo, a uno de los travesaños de la rejilla. De manera alternativa a ello y de manera constructiva especialmente simple, los cuerpos resistentes pueden ser constituidos mediante una deformación de los travesaños de la rejilla.

Las celdas del separador están constituidas preferentemente mediante travesaños de rejilla dispuestos en el borde y travesaños de rejilla internos, de manera que, a continuación, el concepto de travesaño de rejilla, así como travesaño del borde de rejilla, se designarán también como travesaños internos de rejilla. La zona del borde, es decir, la segunda zona parcial, en la que se llevará a cabo dicho debilitamiento mecánico, está constituida entonces a base de los travesaños internos de rejilla que se encuentran por fuera de la zona interna, los extremos que sobresalen sobre la zona interna, los travesaños internos de rejilla que atraviesan la zona interna y los travesaños de rejilla del borde.

Preferentemente, los travesaños de rejilla están unidos entre sí mediante uniones soldadas, de forma que, como mínimo, una parte de las uniones soldadas de los travesaños internos de la rejilla está realizada por fuera

de la primera zona parcial con una resistencia más reducida

-7 –

que

las uniones soldadas de los travesaños de rejilla

internos

de la primera zona parcial.

En

una disposición ventajosa de la invención,

presenta, como mínimo, una parte de los travesaños internos de rejilla en una zona de travesaños que se encuentra por fuera de la primera zona parcial en oposición a las zonas de travesaños dispuestas dentro de la zona interna un debilitamiento del material de manera que este debilitamiento del material se consigue en especial mediante un menor espesor de pared (anchura del travesaño) de estos travesaños de rejilla.

Para una explicación adicional de la invención, se hará referencia a los ejemplos de realización de los dibujos. En los que:

La figura 1 muestra un separador, según la invención, en una representación esquemática en planta,

Las figuras 2-5 representan, de manera correspondiente, un punto de cruzamiento de un separador en una zona de borde, según representación en perspectiva, en la que se muestran diferentes formas de realización de la invención para el aumento de la resistencia local al flujo,

La figura 6 muestra un elemento de combustible para un reactor nuclear de agua a presión del tipo conocido en el estado de la técnica.

Según la figura 1, el separador (4) está realizado mediante travesaños de rejilla (141-147) y (161-167), que están unidos por soldadura entre sí en los puntos de cruzamiento, los travesaños de rejilla (141,1417, 161 y 1617)

constituyen el borde de la rejilla y, a continuación, se

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designarán como travesaños de borde de la rejilla. Los travesaños de rejilla (142-1416) y (162-1616) discurren en el interior de la rejilla y, a continuación, se designarán travesaños de interior de rejilla. Los travesaños de rejilla que se cruzan entre sí (141-1417), (161-1617) constituyen una rejilla cuadrada con múltiples celdas (6) (en el ejemplo 16x16) a través de cuyas celdas (6), no atravesadas por tubos de apoyo, son guiadas las barras de combustible (2) de las que solamente se han representado algunas en la figura, a efectos de mejor visibilidad. De manera correspondiente, cuatro barras de combustible (2) adyacentes entre sí determinan un canal (17) de flujo por el cual pasa el medio de refrigeración paralelamente a las barras de combustible (2) (axial) y, por lo tanto, perpendicularmente al plano del dibujo.

En el ejemplo de la realización, todos los tubos de apoyo son tubos de guiado de barras de control (12). No

existen

en este ejemplo de realización otros tubos

estructurales.

Los

tubos de guiado de barras de control (12)

constituyen

una primera zona parcial (18) representada

mediante rayado, que en el ejemplo de realización está constituida por una zona interna cuadrada limitada por los travesaños de rejilla (143, 1415, 163 y 1615), cuya zona interna comprende dichos travesaños de rejilla (143 145, 163 y 165). Esta primera zona parcial (18) está rodeada por una segunda zona parcial (19), en el ejemplo de la figura una zona de borde constituida por dos columnas (8), o bien

filas (10). El separador (4) está constituido, de acuerdo

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con el documento DE 103 34 580 B3, en su primera zona parcial (18) mecánicamente más resistente que en la segunda zona parcial (19). Las medidas técnicas para conseguir esta disposición más resistente de la primera zona parcial (18),

o bien, en una consideración inversa, una disposición más débil de la segunda zona parcial (19)-variación del espesor

o bien del número de los puntos de soldadura, aumento de las dimensiones o bien reducción del grosor de paredes de los travesaños de rejilla, colocación de debilitamientos de material, por ejemplo, en forma de rebajes en las zonas de los travesaños de la segunda zona parcial (19)-, conducirían a que la resistencia al flujo del separador (4)

en

la primera zona parcial (18) fuera mayor que en la

segunda

zona parcial (19), de manera que la pérdida de

carga

del medio de refrigeración que pasa desde el

separador (4) paralelamente a la dirección axial de las barras de combustible (2), es decir, perpendicularmente al plano de la rejilla, sea no homogénea. De esta manera, se generan ingredientes de presión en el plano de la rejilla perpendicularmente a la dirección axial de las barras de combustible que conducirían a corrientes transversales no deseadas.

Para evitar esta falta de homogeneidad, de acuerdo con la invención, se prevén medidas técnicas en la segunda zona parcial (18) con las que se compensa esencialmente la disminución de la resistencia al flujo.

En la figura, ello se ha representado con ayuda de puntos marcados dentro de un círculo de color negro, con

los cuales se indica que los canales (17) de flujo que se

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encuentran por fuera de esta primera zona parcial (18) en la zona de los travesaños de rejilla que se cruzan entre sí (162=1616) ó (142-142) están dotados de un cuerpo resistente

(20) que incrementa la resistencia al flujo en dichos canales secundarios de flujo (17), sin aumentar el debilitamiento mecánico introducido conocido, de acuerdo con el documento DE 103 34 580 B3, en los travesaños internos de rejilla (142-16) y (162-16) que discurren en la segunda zona parcial (19).

En el segundo ejemplo de realización, según la figura 2, dicho aumento de la resistencia al flujo, en uno de los puntos de cruzamiento que se encuentran en la segunda zona parcial (19), se consigue de manera tal en el caso de separadores (4) construidos a base de travesaños de rejilla de pared doble (141, 16i) que cada fleje de cada uno de los travesaños internos de rejilla (16i) presente en su borde superior (en un elemento dispuesto verticalmente en el núcleo), en la zona de los puntos de cruzamiento, una deformación o rebatimiento (20a) que está inclinado hacia el canal secundario de flujo (17), o la celda adyacente correspondiente (6), asociado a dicho punto de cruzamiento. Estas deformaciones (20a) tienen una estructura aproximadamente triangular. El travesaño interno de rejilla

(142) ó (1416) que cruza el travesaño interno de rejilla (16i) tiene en esta zona un rebaje (24) aproximadamente en forma de V y está soldado en su base al travesaño interno de rejilla (16i). Esta unión por soldadura está dispuesta de forma correspondiente al procedimiento previsto en el

documento DE 103 34 580 B3 con mayor debilidad que las

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uniones por soldadura existentes en la primera zona parcial (18). Esto se ha mostrado en la figura mediante nudos de soldadura (26) que presentan un diámetro más reducido que los nudos de soldadura (27) existentes en la primera zona parcial (18) (exagerados en la figura y mostrados de manera esquemática en un punto de cruzamiento adyacente) para generar, de esta manera, el debilitamiento deseado de la estabilidad mecánica en la segunda zona parcial (19). También en el borde inferior opuesto al borde superior se han dispuesto deformaciones (20a), de las que en la figura se ha mostrado solamente una deformación (20a) en el travesaño interno de rejilla (142) ó (1416), y el travesaño interno de rejilla (16i) está dotado de una escotadura en forma de V (24). También en este caso se encuentra en la base de la escotadura en forma de V (24) un nudo de soldadura más pequeño (24) con el que están soldados los travesaños de rejilla que se cruzan entre sí (16i) y (142,16).

El medio de refrigeración (K) que pasa en el sentido de la flecha (30) (axial) será desviado en las deformaciones (20a), de forma que se genera un componente de flujo dirigido hacia el plano de la rejilla, tal como se ha mostrado en la figura mediante las flechas (32). Este desvío está orientado en este caso en sentido contrario por pares, de manera que se anula la fuerza transversal

generada

por la desviación de la corriente sobre el

separador

y, por lo tanto, sobre el elemento de

combustible.

-12 –

En el ejemplo de realización, según la figura 3, en un separador (4) realizado mediante travesaños de rejilla de un solo grueso (142(16), 16i), así como en el borde superior y también en el borde inferior de los travesaños de rejilla (142(16), 16i) en la zona de los puntos de cruzamiento, de modo correspondiente deformaciones triangulares (20b) que ejercen sobre el medio de refrigeración que circula un impulso de torsión en desviación de la corriente, alrededor del eje medio del canal auxiliar de flujo (17). Los travesaños internos de rejilla (142(16)) y (16i) están soldados entre sí en la zona del borde superior mediante nudos de soldadura (27), cuya extensión y la resistencia mecánica asociada a la misma es comparable a una unión de soldadura con los nudos de soldadura utilizados en la primera zona parcial. En este ejemplo de realización, el debilitamiento mecánico deseado se consigue en la segunda zona parcial de forma tal que el número de nudos de soldadura (27) y, por lo tanto, la resistencia de la unión por soldadura quedan reducidos. Esto se ha mostrado por la falta de nudos de soldadura en el borde inferior, mostrado en la figura mediante línea discontinua.

En los ejemplos de realización, de acuerdo con las figuras 4 y 5, los cuerpos resistentes se han constituido con piezas constructivas en forma de disco (20c) y (20d), soldadas separadamente con los travesaños de rejilla (142(16)) y (16i), cada uno con cuatro nudos de soldadura (26), cuyas piezas constructivas adoptan, en el ejemplo de realización según la figura 4, una forma aproximadamente de

cruz y, en el ejemplo de realización según la figura 5, una

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estructura de forma circular. Los puentes internos de rejilla (142(16)) y (16i) están dotados en este caso en los puntos de cruzamiento en escotaduras en las que están colocadas las piezas constructivas (20c, d), de manera que

5  la cara plana alejada de la superficie reflectora se encuentre en el mismo plano que el borde superior o bien el borde inferior de los travesaños de rejilla (142(16)) ó (16i).

En el ejemplo de realización según la figura 4, el

10  debilitamiento deseado de la segunda zona parcial tiene lugar mediante el debilitamiento del material provocado por la escotadura (36), mientras que en el ejemplo de realización según la figura 5, está previsto que los travesaños internos de rejilla (142) y (1416) (y, de manera

15 análoga, los travesaños internos de rejilla (162) y (1616) que discurren por completo en la segunda forma parcial presenten un grosor de pared más reducido que los otros travesaños de rejilla. La invención no está limitada a los elementos de

20  combustible con separadores cuadrados 16x16, tal como los mostrados en el ejemplo de realización, sino que son utilizables con elementos de combustible que tienen otras formas geométricas del separador.

-14 –

Claims (10)

1. REIVINDICACIONES

   1. Elemento de combustible para un reactor nuclear con agua a presión, que comprende una serie de barras de combustible guiadas en una serie de separadores (4) separados axialmente, los cuales forman en cada caso una rejilla cuadrada constituida por travesaños de rejilla (141-17, 161-17) que comprenden una serie de celdas (6), las cuales están dispuestas en filas (10) y columnas (8), y en las cuales pasa en cada caso un tubo de guía de barra de control (12) a través de un cierto número de las celdas (6), estando constituido, como mínimo, un separador (4) con una primera zona parcial (18) mecánicamente más resistente que en una segunda zona parcial (19) y estando dotado, en la segunda zona parcial (19), como mínimo, de un cuerpo resistente (20) que entra en un canal auxiliar de flujo

   (17) formado entre las barras de combustible (2) y que aumenta la resistencia al flujo, y contrarresta la reducción de la resistencia al flujo en la segunda zona parcial (19), cuya reducción es consecuencia del diseño mecánico más débil.

2. 2.

   Elemento de combustible, según la reivindicación 1, en el que el cuerpo o cuerpos resistentes (20) compensan, por lo menos aproximadamente, la reducción de la resistencia al flujo de la segunda zona parcial (19), que es consecuencia del diseño mecánicamente más débil.

3. 3.

   Elemento de combustible, según la reivindicación 1 ó 2, en el que el cuerpo resistente (20) está dispuesto en un punto de cruzamiento de los travesaños de rejilla (14i,

   16i).

   -15 –
4. 4. Elemento de combustible, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el cuerpo resistente

   (20) está dispuesto en la zona del borde de un travesaño de rejilla (14i, 16i).
5. 5. Elemento de combustible, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el cuerpo resistente

   (20) es una pieza constructiva (20c, d) soldada, como mínimo, a uno de los travesaños de rejilla (14i, 16i).

6. 6.

   Elemento combustible, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que el cuerpo resistente es un elemento constructivo conformado (20a, b) introducido en un travesaño de rejilla (14i, 16i).

7. 7.

   Elemento de combustible, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que una serie de cuerpos resistentes (20) está dispuesto de manera tal que las fuerzas ejercidas por estos cuerpos, por el medio de refrigeración (K) que circula sobre el elemento de combustible transversalmente al sentido de flujo (30) del medio de refrigeración (K) sobre el elemento de combustible, se compensan aproximadamente.

8. 8.

   Elemento de combustible, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la primera zona parcial (18) es una zona interior que contiene los tubos de guía de barras de control (12) y la segunda zona parcial

   (19) está formada por celdas (6) que se encuentran en el exterior de esta primera zona parcial (18).
9. 9. Elemento de combustible, según la reivindicación 8, en el que las celdas (6) del separador (4) están formadas por travesaños de borde de rejilla (141,17, 161,17) dispuestos

   -16 –

   sobre el borde y de las rejillas interiores de rejilla (142-16, 162-16) y sobre el cual los travesaños de rejilla están conectados por conjuntos soldados (26) entre sí, presentando, como mínimo, una parte de los conjuntos

   5  soldados travesaños interiores de rejilla (142-16, 162-16) en el exterior de la primera zona parcial (18) una resistencia más reducida con respecto a los conjuntos soldados que se encuentran en el interior de la primera zona parcial (18).
10. 10. Elemento de combustible, según cualquiera de las

    10  reivindicaciones 8 ó 9, en el que, como mínimo, una parte de los travesaños interiores de rejilla (142-16, 162-16) presenta un debilitamiento de material en una zona del travesaño situada en el exterior de la primera zona parcial (18).

    15 11. Elemento de combustible, según la reivindicación 10, en el que los travesaños interiores de rejilla (142, 1416, 162, 1616), dispuesto en el exterior de la zona interior (18), presentan un grosor de pared más reducido que los travesaños interiores de rejilla (143-15, 163-15) que

    20  atraviesan la primera zona parcial (18).