ES2876272T3 - Haz absorbente y barra absorbente para reactor nuclear - Google Patents

Abstract

Haz absorbente (2) para reactor nuclear de agua a presión, que comprende un haz de combustible absorbentes (6), comprendiendo cada barra absorbente (6) una vaina tubular (16) y una columna absorbente (18) formada por una pila de elementos que absorben los neutrones (20) recibidos en el interior de la vaina tubular (16), de manera que cada elemento absorbente (20) se extiende según un eje longitudinal (A) y presenta una estructura en sección transversal determinada por la geometría en sección transversal, la composición y la tasa de porosidad del elemento absorbente (20), conteniendo las columnas absorbentes (18) al menos dos conjuntos absorbentes (22, 24, 26), estando cada conjunto absorbente (22, 24, 26) constituido por una pluralidad de elementos absorbentes (20) que tienen la misma estructura en sección transversal, comprendiendo el haz al menos un primer conjunto absorbente (22) y un segundo conjunto absorbente (24), de manera que los elementos absorbentes (20) del primer conjunto absorbente (22) tienen una estructura en sección transversal diferente de la de los elementos absorbentes (20) del segundo conjunto absorbente, caracterizado porque los elementos absorbentes (20) de cada uno del primer conjunto absorbente (22) y del segundo conjunto absorbente (24) están hechos a partir de un mismo material o de una misma combinación de materiales elegidos entre el grupo de materiales que absorben los neutrones constituido por un primer hafnato de europio, un segundo hafnato de europio, un primer hafnato de samario, un segundo hafnato de samario, carburo de hafnio y hexaboruro de samario, siendo el primer hafnato de europio y el segundo hafnato de europio dos compuestos definidos formados por una reacción entre el óxido de hafnio (HfO2) y el óxido de europio (Eu2O3) y que poseen composiciones diferentes, siendo el primer hafnato de samario y el segundo hafnato de samario dos compuestos definidos formados por una reacción entre el óxido de hafnio (HfO2) y el óxido de samario (Sm2O3) y que poseen composiciones diferentes.

Description

DESCRIPCIÓN

Haz absorbente y barra absorbente para reactor nuclear

[0001] La invención se refiere al campo de los haces absorbentes para un reactor nuclear de agua a presión.

[0002] Los reactores nucleares de agua a presión (RAP o en inglés PWR, por «Pressurized Water Reactor») incluyen un núcleo que comprende una pluralidad de elementos de combustible nuclear yuxtapuestos en una vasija del reactor.

[0003] Un elemento de combustible nuclear comprende un haz de barras de combustible insertadas en una estructura portadora, comprendiendo la estructura portadora un manguito inferior y un manguito superior entre los cuales se disponen las barras de combustible, tubos-guía que unen el manguito inferior y el manguito superior y rejillas de soporte fijadas en los tubos-guía y distribuidas a lo largo de los tubos-guía entre los manguitos superior e inferior, de manera que las rejillas de soporte mantienen las barras de combustible.

[0004] Los tubos-guía tienen como función asegurar la rigidez de la estructura portadora y permitir la inserción, en el elemento de combustible nuclear, de barras que absorben los neutrones usados para la moderación de la reactividad del núcleo del reactor nuclear.

[0005] Las barras absorbentes están unidas entre sí, en su extremo superior, por un soporte. El conjunto formado por el soporte y el haz de combustible absorbentes llevados por el soporte se denomina haz absorbente. El soporte presenta generalmente una forma en estrella, a veces designada por el término araña, o una forma agujereada sustancialmente cuadrada denominada placa de soporte o bandeja.

[0006] Es posible prever haces absorbentes móviles, también denominados haces de control o haces de ajuste, que están suspendidos cada uno por su araña respectiva a una barra de control de un mecanismo de control de haz del reactor nuclear, y pueden moverse verticalmente durante el funcionamiento normal del reactor para introducir más o menos sus barras absorbentes en los tubos-guía de los elementos de combustible nuclear de manera que se ajuste la reactividad del núcleo del reactor nuclear.

[0007] Estos haces de control se elevan para aumentar la reactividad del núcleo de reactor nuclear o se bajan para disminuir la reactividad del núcleo del reactor nuclear.

[0008] Estos haces de control no forman parte solidaria con la barra de control de manera que introduzcan de forma rápida y completa las barras absorbentes en los elementos de combustible nuclear para parar el reactor nuclear.

[0009] Es posible prever haces de control de diferentes tipos, por ejemplo, haces de control muy absorbentes, o haces negros, y haces de control menos absorbentes, o haces grises, en diferentes zonas del núcleo del reactor nuclear. Los haces absorbentes grises poseen en general barras absorbentes cuyo poder absorbente está adaptado al nivel requerido y barras inertes en general de acero.

[0010] También es posible prever haces absorbentes fijos, cuyas barras llevadas por una placa de soporte permanecen introducidas en los elementos de combustible nuclear correspondiente durante el funcionamiento normal del reactor nuclear, en zonas en las que se desea la reactividad del núcleo.

[0011] Dichos haces absorbentes fijos están dispuestos por ejemplo en elementos de combustible nuclear situados en la periferia del núcleo del reactor nuclear, para reducir la actividad neutrónica y limitar la irradiación de la vasija.

[0012] Los haces absorbentes fijos poseen barras absorbentes cuyo poder absorbente está adaptado al nivel requerido y en su caso barras inertes generalmente en forma de tacos cortos de acero.

[0013] Con independencia de que un haz absorbente sea fijo o móvil, sus barras absorbentes comprenden en general una vaina tubular y una columna absorbente formada por una pila de elementos absorbentes cilíndricos hechos de materiales absorbentes de neutrones. Los elementos absorbentes están previstos en general en forma de pastillas cilíndricas circulares (o «pellets» en inglés) de altura comprendida entre 10 y 20 mm y de diámetro comprendido entre 7 y 9 mm, o de segmentos de barra cilíndricos (o «bars» en inglés) de diámetro sustancialmente idéntico al de las pastillas cuya longitud puede alcanzar varios centímetros e incluso varios metros, es decir, la longitud total de la columna absorbente. En algunos casos, una barra absorbente puede estar constituida directamente por una barra sin vaina y hecha de material absorbente.

[0014] La altura de la columna absorbente de las barras absorbentes de los haces absorbentes es como mínimo igual a la de la columna de material fisionable contenida en las barras de combustible para permitir el recubrimiento completo de la columna fisionable por la columna absorbente de los haces absorbentes fijos y de los haces absorbentes móviles cuando están totalmente insertados en el núcleo del reactor nuclear.

[0015] Las barras absorbentes de los haces absorbentes fijos están constituidas en general por una vaina de acero que contiene borosilicato vitrificado en forma de tubo.

[0016] Es posible usar barras absorbentes con vaina que comprenden elementos absorbentes hechos de plataindio-cadmio (PIC), elementos absorbentes hechos de titanato de disprosio, elementos absorbentes hechos de hafnato de disprosio y/o elementos absorbentes hechos de carburo de boro (B4C), o barras absorbentes sin vaina a base de hafnio para los haces absorbentes móviles.

[0017] Es posible especialmente usar barras absorbentes con vaina que contienen, en su parte inferior, elementos absorbentes hechos de plata-indio-cadmio (PIC) y, en su parte superior, elementos absorbentes hechos de carburo de boro (B4C).

[0018] Esto permite disponer, por una parte, de una eficacia neutrónica adaptada al funcionamiento normal del reactor cuando los haces de control están poco o nada insertados y en la parada del reactor gracias a una absorción neutrónica superior en la parte superior de las barras absorbentes cuando los haces de control están totalmente insertados y, por otra parte, de una masa suficiente para asegurar una caída de los haces de control en los tiempos impuestos por las reglas de seguridad en caso de parada de urgencia del reactor nuclear.

[0019] Sin embargo, los componentes de la PIC son materiales raros (indio), tóxicos (cadmio) o que conducen a una actividad radioactiva importante después de irradiación (plata). Además, bajo el efecto de la irradiación, la PIC se hincha y puede provocar la deformación y la fisuración de la vaina.

[0020] Además, el carburo de boro produce helio y tritio gaseoso bajo irradiación. El tritio migra en el circuito primario a través de las vainas de acero. A partir de 850°C el carburo de boro empieza a reaccionar con el acero de la vaina. La reacción se vuelve significativa a partir de 1.150°C, lo que conduce a una fragilización de la vaina.

[0021] El documento US4678628A describe un haz de control para reactor de agua a presión, presentando el haz de control un poder absorbente más elevado en la parte superior que en la parte inferior, conteniendo las barras del haz de control pilas de pastillas hechas de materiales absorbentes tales como B4C, PIC y Hf, de manera que la variación de poder absorbente se obtiene actuando sobre la geometría, la naturaleza y/o la densidad de las pastillas y su distribución axial en las barras absorbentes.

[0022] El documento FR2741186 describe una barra absorbente que comprende una pila de grupos de pastillas idénticos. El enriquecimiento con B10 de las pastillas del grupo superior es más alto que el de las pastillas del grupo inferior.

[0023] Uno de los objetos de la invención es proponer un haz absorbente que presente características de absorción neutrónica y de masa satisfactorias, evitando el uso de aleación de plata-indio-cadmio y limitando o evitando en lo posible el uso de carburo de boro, y usando materiales absorbentes que presentan un hinchamiento con la irradiación bajo o incluso nulo.

[0024] Para este fin, la invención propone un haz absorbente para reactor nuclear de agua a presión según la reivindicación 1.

[0025] En las reivindicaciones 2 a 18 se definen características opcionales.

[0026] La invención se refiere también a una barra absorbente para reactor nuclear de agua a presión según la reivindicación 19.

[0027] La invención y sus ventajas se comprenderán mejor con la lectura de la siguiente descripción, dada únicamente a modo de ejemplo y con referencia a los dibujos adjuntos, en los cuales:

- la figura 1 es una vista en perspectiva de un haz absorbente móvil, según la invención, para reactor nuclear de agua a presión parcialmente insertado en un elemento de combustible nuclear;

- la figura 2 es una vista parcial en sección transversal axial de una barra absorbente del haz de la figura 1; y - las figuras 3 a 5 son vistas en sección transversal de elementos absorbentes que pueden insertarse en la barra de la figura 2.

- la figura 6 es una vista en perspectiva de un haz absorbente fijo según la invención.

[0028] El haz absorbente 2 representado en la figura 1 incluye un soporte 4 y un haz de combustible absorbentes 6 llevados por el soporte 4.

[0029] El soporte 4 asegura el mantenimiento de las barras absorbentes 6 en forma de un haz, en el que las barras absorbentes 6 son paralelas entre sí y están colocadas de forma que pueden insertarse en tubos-guía 8 de un elemento de combustible nuclear 10.

[0030] En funcionamiento, las barras absorbentes 6 se extienden sustancialmente en vertical. En lo sucesivo, los términos «vertical» y «altura» se entienden con respecto a la dirección de extensión vertical de las barras absorbentes 6.

[0031] El soporte 4 del haz absorbente 2 de la figura 1 presenta una forma en estrella. Comprende un elemento 12 central a partir del cual se extienden unos brazos 14, denominados generalmente aletas, en estrella. Cada brazo 14 lleva una o varias barras absorbentes 6.

[0032] Como se ilustra en la figura 2, cada barra absorbente 6 comprende una vaina tubular 16 y una columna absorbente 18 recibida en el interior de la vaina tubular 16.

[0033] La columna absorbente 18 está formada por una pila de elementos absorbentes 20 hechos de materiales que absorben los neutrones. Los elementos absorbentes 20 están apilados verticalmente en la vaina tubular 16.

[0034] Cada elemento absorbente 20 presenta una forma cilíndrica circular y se extiende según un eje longitudinal A. El eje longitudinal A es sustancialmente vertical cuando el elemento absorbente 20 es recibido en la vaina tubular 16.

[0035] Los elementos absorbentes 20 presentan la forma de pastillas cilíndricas o de segmentos de barra cilíndricos o «bars». Preferentemente los elementos absorbentes 20 son pastillas cilíndricas circulares o «pellets».

[0036] Cada elemento absorbente 20 posee una altura tomada según su eje longitudinal A.

[0037] Cada elemento absorbente 20 presenta una sección transversal tomada perpendicularmente al eje longitudinal A del elemento absorbente 20.

[0038] La sección transversal presenta una forma geométrica determinada. La sección transversal es por ejemplo tubular o maciza. La sección transversal se caracteriza especialmente por un diámetro externo y, en su caso, un diámetro interno.

[0039] Cada elemento absorbente 20 comprende al menos una capa. Cada elemento absorbente 20 comprende una única capa o varias capas concéntricas centradas en el eje longitudinal A. El número de capas y el espesor de las capas determinan también la geometría de la sección transversal del elemento absorbente 20.

[0040] Dos capas distintas de un elemento absorbente 20 difieren por su composición (es decir, los materiales o las combinaciones de materiales que constituyen estas capas) y/o por la tasa de porosidad de estas capas.

[0041] Cada elemento absorbente 20 está hecho a partir de un único material o de una única combinación de materiales distintos. Los materiales distintos están dispuestos en capas distintas o mezclados en una misma capa.

[0042] Cada elemento absorbente 20 posee una estructura en sección transversal determinada por la geometría de la sección transversal (maciza, tubular, diámetro externo, diámetro interno, número de capas, espesor de cada capa,...), la composición (material o combinación de materiales que constituye cada capa) y la tasa de porosidad (tasa de porosidad de cada capa).

[0043] Dos elementos absorbentes 20 poseen estructuras en sección transversal idénticas si estas estructuras en sección transversal presentan la misma geometría en sección transversal, la misma composición y la misma tasa de porosidad, y ello para cada capa si el elemento absorbente 20 comprende varias capas.

[0044] Dos elementos absorbentes 20 poseen estructuras en sección transversal diferentes si difieren en al menos una entre la geometría en sección transversal, la composición y/o la tasa de porosidad, y ello para al menos una capa si el elemento absorbente 20 comprende varias capas.

[0045] Las columnas absorbentes 18 del haz absorbente 2 contienen al menos dos conjuntos absorbentes 22, 24, 26, estando cada conjunto absorbente 22, 24, 26 constituido por una pluralidad de elementos absorbentes 20 que poseen la misma estructura en sección transversal.

[0046] Los elementos absorbentes 20 de un mismo conjunto absorbente 22, 24, 26 poseen la misma estructura en sección transversal pero en su caso pueden presentar alturas diferentes. Los elementos absorbentes 20 de un mismo conjunto absorbente son idénticos o difieren tan solo por su altura.

[0047] La columna absorbente 18 comprende al menos un primer conjunto absorbente 22 y un segundo conjunto absorbente 24.

[0048] Los elementos absorbentes 20 del primer conjunto absorbente 22 están hechos a partir de un mismo material o de una misma combinación de materiales elegidos entre el grupo de materiales que absorben los neutrones constituido por un primer hafnato de europio, un segundo hafnato de europio, un primer hafnato de samario, un segundo hafnato de samario, carburo de hafnio y hexaboruro de samario.

[0049] Los elementos absorbentes 20 del segundo conjunto absorbente 24 están hechos también a partir de un mismo material o de una misma combinación de materiales elegidos entre el grupo de materiales que absorben los neutrones constituido por un primer hafnato de europio, un segundo hafnato de europio, un primer hafnato de samario, un segundo hafnato de samario, carburo de hafnio y hexaboruro de samario.

[0050] Los elementos absorbentes 20 del primer conjunto absorbente 22 difieren de los del segundo conjunto absorbente 24 por su estructura en sección transversal, es decir, al menos por una entre la geometría en sección transversal, una composición y/o una tasa de porosidad.

[0051] La expresión «elemento absorbente 20 hecho a partir de una combinación de materiales» significa de manera general que un elemento absorbente 20 comprende varios materiales combinados o mezclados en una misma capa del elemento absorbente 20 y/o separados en capas distintas del elemento absorbente 20, hechas por ejemplo de materiales absorbentes diferentes.

[0052] Las expresiones «idéntico», «mismo material» o «misma combinación de materiales», «misma estructura en sección transversal», «misma geometría en sección transversal» y «misma tasa de porosidad» se extienden en este caso con las inevitables tolerancias de fabricación o de medida.

[0053] La expresión «las columnas absorbentes 18 contienen al menos dos conjuntos absorbentes 22, 24, 26» significa en este caso que los conjuntos absorbentes 22, 24, 26 están presentes en las columnas absorbentes 18 del haz absorbente 2 consideradas en su conjunto.

[0054] Cada conjunto absorbente 22, 24, 26 comprende varios elementos absorbentes 20 dispuestos en una misma columna absorbente 18 y/o varios elementos absorbentes 20 distribuidos en varias columnas absorbentes 18 del haz absorbente 2.

[0055] Es posible que los elementos absorbentes 20 de dos conjuntos absorbentes 22, 24, 26 estén contenidos en columnas absorbentes 18 respectivas diferentes y/o que los elementos absorbentes 20 de dos conjuntos absorbentes 22, 24, 26 estén contenidos en una misma columna absorbente 18.

[0056] Las expresiones «primer hafnato de europio» y «segundo hafnato de europio» designan dos compuestos definidos, formados por ejemplo por una reacción entre el óxido de hafnio (HfO2) y el óxido de europio (Eu2Oa), que poseen composiciones diferentes, y en particular contenidos molares de europio situados en gamas disjuntas.

[0057] Como recordatorio, un «compuesto definido» es un compuesto cuyo cambio de fase se realiza a temperatura constante. En un diagrama de fase, una vertical indica la presencia de un compuesto definido.

[0058] Preferentemente, el primer hafnato de europio tiene un contenido molar de óxido de europio comprendido entre el 43% y el 54% y el segundo hafnato de europio tiene un contenido molar de óxido de europio comprendido entre 19% y el 26%. Estos dos materiales presentan capacidades de absorción y densidades diferentes. En estas dos gamas, es posible obtener hafnato de europio en fase cristalina cúbica que presenta la ventaja de hincharse poco o nada bajo irradiación.

[0059] El hafnato de europio, en forma de pastillas sinterizadas de las mismas dimensiones, es un poco más absorbente y aproximadamente 4 veces más denso que el carburo de boro.

[0060] El hafnato de europio no genera producto de irradiación gaseoso, no reacciona con el acero inoxidable hasta al menos 1.300°C, orden de magnitud de la temperatura de fusión del acero, y no provoca reacción exotérmica con el agua.

[0061] Las expresiones «primer hafnato de samario» y «segundo hafnato de samario» designan dos compuestos definidos, formados por ejemplo por una reacción entre el óxido de hafnio (HfO2) y el óxido de samario (S1TI2O3), que poseen composiciones diferentes, y en particular contenidos molares de samario situados en gamas disjuntas.

[0062] Preferentemente, el primer hafnato de samario tiene un contenido molar de óxido de samario comprendido entre el 8% y el 20% y el segundo hafnato de samario tiene un contenido molar de óxido de samario comprendido entre el 50% y el 60%. En estas dos gamas, es posible obtener hafnato de samario en fase cristalina cúbica que presenta la ventaja de hincharse poco o nada bajo irradiación.

[0063] El hafnato de samario no genera producto de irradiación gaseoso, no reacciona con el acero inoxidable hasta al menos 1.300°C y no provoca reacción exotérmica con el agua. En forma de pila de pastillas sinterizadas de las mismas dimensiones que el o los tacos de PIC, el hafnato de samario es menos denso que la PIC: la densidad teórica del hafnato de samario es inferior aproximadamente en el 20% a la de la PIC.

[0064] En forma de pastillas sinterizadas de las mismas dimensiones, el primer hafnato de samario absorbe un poco menos los neutrones que la PIC, mientras que el segundo hafnato de samario absorbe un poco más los neutrones que la PIC, siendo la desviación de absorción del orden del 10% cada vez.

[0065] Al ser el primer hafnato de samario, el segundo hafnato de samario, el primer hafnato de europio y el segundo hafnato de europio miscibles entre sí y al presentar condiciones de sinterización cercanas, dos o más de estos materiales absorbentes pueden mezclarse en un mismo elemento absorbente 20 sinterizado.

[0066] Con geometría equivalente, el carburo de hafnio (HfC) es un poco menos absorbente que la PIC, del orden del 5%. La densidad teórica del carburo de hafnio es aproximadamente el 20% superior a la de la PIC.

[0067] El carburo de hafnio no genera producto de irradiación gaseoso, no reacciona con una vaina de acero inoxidable a menos de 1.300°C, no provoca reacción exotérmica con el agua y se encuentra naturalmente en fase cúbica.

[0068] En forma de pastillas sinterizadas de las mismas dimensiones, el hexaboruro de samario (SmB6) es un poco más absorbente y tres veces más denso que el carburo de boro y se encuentra naturalmente en fase cúbica.

[0069] En una realización, las pastillas se obtienen por sinterización de polvo, si fuera necesario, con la adición de un agente porógeno para ajustar la tasa de porosidad y/o de un aditivo de sinterización. La sinterización se lleva a cabo de forma continua o por lotes (en inglés «batch») a una temperatura comprendida entre 1.400°C y 1.700°C al aire para los hafnatos de europio o de samario y al vacío o con gas neutro para el hexaboruro de samario. La sinterización se realiza por lotes a una temperatura comprendida entre 1.900°C y 2.200°C, al vacío, para el carburo de hafnio, bien a partir de un polvo finalmente pulverizado (cristalitos < 50 pm, preferentemente < 20 pm) o bien añadiendo del 1 al 2% de MoSÍ2 para asegurar la sinterización del carburo de hafnio.

[0070] En una realización, las columnas absorbentes 18 del haz absorbente 2 contienen un primer conjunto absorbente 22 y un segundo conjunto absorbente 24 diferentes cuyos elementos absorbentes 20 difieren por sus composiciones, es decir, por sus materiales o combinaciones de materiales elegidos entre el grupo de materiales.

[0071] El primer conjunto absorbente 22 y el segundo conjunto absorbente 24 están contenidos en una o varias columnas absorbentes 18.

[0072] Es posible disponer el primer conjunto absorbente 22 y el segundo conjunto absorbentes 24 en columnas absorbentes 18 respectivas o disponer el primer conjunto absorbente 22 y el segundo conjunto absorbente 24 diferentes en al menos una misma columna absorbente 18.

[0073] Es posible prever al menos una columna absorbente 18 que comprende elementos absorbentes del primer conjunto absorbente 22 y del segundo conjunto absorbente 24.

[0074] También es posible prever al menos dos columnas absorbentes 18 que comprenden cada una los elementos absorbentes 20 de uno solo entre el primer conjunto absorbente 22 y el segundo conjunto absorbente 24.

[0075] En una realización, los elementos absorbentes 20 del primer conjunto absorbente 22 están hechos, entre el grupo de materiales, exclusivamente, de primer hafnato de samario, primer hafnato de europio, segundo hafnato de samario y/o segundo hafnato de europio, y los elementos absorbentes 20 del segundo conjunto absorbente 24 están hechos exclusivamente de carburo de hafnio.

[0076] En una realización, un haz absorbente 2 comprende una columna absorbente 18 que contiene solo elementos absorbentes 20 del primer conjunto absorbente 22, hechos, entre el grupo de materiales, exclusivamente de primer hafnato de samario, primer hafnato de europio, segundo hafnato de samario y/o segundo hafnato de europio, y otra columna absorbente 18 que contiene solo elementos absorbentes 20 del segundo conjunto absorbente 24, hechos, entre el grupo de materiales, exclusivamente de carburo de hafnio.

[0077] La disposición de los elementos absorbentes 20 del primer conjunto absorbente 22 y de los elementos absorbentes 20 del segundo conjunto absorbente 24 en dos columnas distintas facilita la fabricación.

[0078] Estas dos columnas absorbentes 18 son preferentemente las de dos barras absorbentes 6 adyacentes del haz absorbente 2, de forma que se obtiene una absorción neutrónica sustancialmente equivalente a la de dos columnas absorbentes idénticas que contienen PIC.

[0079] De manera general, los elementos absorbentes 20 del primer conjunto absorbente 22 y los elementos absorbentes 20 del segundo conjunto absorbente 24 están dispuestos en barras absorbentes 6 distintas y adyacentes dos a dos. Cada barra absorbente 6 que contiene los elementos absorbentes 20 del primer conjunto absorbente 22 es adyacente a una barra absorbente 6 que contiene los elementos absorbentes 20 del segundo conjunto absorbente 24. Como variante o como opción, al menos una columna absorbente 18 contiene, por una parte, elementos absorbentes 20 del primer conjunto absorbente 22, es decir, hechos, entre el grupo de materiales, exclusivamente de primer hafnato de samario, primer hafnato de europio, segundo hafnato de samario y/o segundo hafnato samario de europio, y, por otra parte, elementos absorbentes 20 del segundo conjunto absorbente 24, hechos, entre el grupo de materiales, exclusivamente de carburo de hafnio.

[0080] En una realización, en dicha columna absorbente 18, los elementos absorbentes 20 del primer conjunto absorbente 22 y los elementos absorbentes 20 del segundo conjunto absorbente 24 están distribuidos a lo largo de la columna absorbente 18.

[0081] En este caso, preferentemente, los elementos absorbentes 20 del primer conjunto absorbente 22 y los elementos absorbentes 20 del segundo conjunto absorbente 24 están distribuidos en la columna absorbente 18 según un motivo repetido.

[0082] Pueden plantearse diferentes motivos repetidos de los elementos absorbentes 20 del primer conjunto absorbente 22 y de los elementos absorbentes 20 del segundo conjunto absorbente 24. Preferentemente, los motivos repetidos se eligen de forma que se obtiene una absorción neutrónica lineal media deseada en el conjunto de la longitud de la columna absorbente 18.

[0083] Esta realización puede usarse así para sustituir la PIC en los reactores nucleares existentes con una absorción neutrónica y una masa sustancialmente equivalentes a las de la PIC, por ejemplo combinando, en proporciones adaptadas, el segundo hafnato de samario (elementos absorbentes del primer conjunto absorbente 22) y el carburo de hafnio (elementos absorbentes del segundo conjunto absorbente 24), ya que el segundo hafnato de samario es más absorbente pero menos denso mientras que el carburo de hafnio es menos absorbente pero más denso que la PIC.

[0084] Para nuevos reactores nucleares, el ajuste de las proporciones de cada material absorbente permite obtener una columna absorbente 18 de masa y absorción adaptada a la necesidad definida por el diseñador del reactor.

[0085] En una realización, y como se ilustra en la figura 2, además del primer conjunto absorbente 22 formado por elementos absorbentes 20 hechos por ejemplo exclusivamente de primer hafnato de samario, primer hafnato de europio, segundo hafnato de samario y/o segundo hafnato de europio, y el segundo conjunto absorbente 24 formado por elementos absorbentes 20 hechos por ejemplo exclusivamente de carburo de hafnio, las columnas absorbentes 18 contienen un tercer conjunto absorbente 26 formado por elementos absorbentes 20 hechos por ejemplo exclusivamente de carburo de boro.

[0086] Dicho haz absorbente 2 permite por ejemplo sustituir, en los reactores nucleares existentes, un haz absorbente cuyas columnas absorbentes contienen carburo de boro por la combinación de elementos absorbentes hechos de primer hafnato de samario, primer hafnato de europio, segundo hafnato de samario y/o segundo hafnato de europio y de elementos absorbentes hechos de carburo de hafnio, y conservándose el carburo de boro.

[0087] En una columna absorbente 18 que contiene elementos absorbentes 20 hechos de primer hafnato de samario, primer hafnato de europio, segundo hafnato de samario y/o segundo hafnato de europio (elementos absorbentes 20 del primer conjunto absorbente 22) y/o elementos absorbentes 20 hechos de carburo de hafnio (elementos absorbentes 20 del segundo conjunto absorbente 24) y elementos absorbentes 20 hechos de carburo de boro (elementos absorbentes 20 del tercer conjunto absorbente 26), preferentemente, los elementos absorbentes 20 del primer conjunto absorbente 22 y/o los elementos absorbentes 20 del segundo conjunto absorbente 24 están dispuestos en la parte inferior de la columna absorbente 18, mientras que los elementos absorbentes 20 del tercer conjunto absorbente 26 están dispuestos en la parte superior de la columna absorbente 18.

[0088] En una realización, el haz absorbente 2 comprende una columna absorbente 18 que comprende elementos absorbentes 20 del primer conjunto absorbente 22 en la parte inferior y elementos absorbentes 20 del tercer conjunto absorbente 24 en la parte superior y otra columna absorbente 18 que contiene elementos absorbentes 20 del segundo conjunto absorbente 24 en la parte inferior y elementos absorbentes 20 del tercer elemento absorbente 26 en la parte superior.

[0089] Estas dos columnas absorbentes 18 son preferentemente las de dos barras absorbentes 6 adyacentes del haz absorbente 2.

[0090] El hexaboruro de samario puede usarse ventajosamente para sustituir el carburo de boro en el tercer conjunto absorbente 26 con el fin de beneficiarse de una masa de haz más elevada para un poder absorbente al menos igual.

[0091] Así, en las diferentes realizaciones indicadas anteriormente, parte o la totalidad del carburo de boro puede ser sustituida por hexaboruro de samario.

[0092] Como variante, puede usarse primer hafnato de europio, segundo hafnato de europio o una combinación de primer hafnato de europio y de segundo hafnato de europio de composición adecuada para obtener la masa y el poder absorbente pretendidos, en sustitución de parte o la totalidad del carburo de boro en los elementos absorbentes 20 del tercer conjunto absorbente 26.

[0093] En particular, en una realización, las columnas absorbentes 18 del haz absorbente 2 comprenden elementos absorbentes 20 del primer conjunto absorbente 22 hechos de primer hafnato de samario, de primer hafnato de europio, de segundo hafnato de samario y/o de segundo hafnato de europio, y elementos absorbentes 20 del segundo conjunto absorbente 24 hechos de carburo de hafnio, estando situados los elementos absorbentes 20 del primer conjunto absorbente 22 y del segundo conjunto absorbente 24 en la parte inferior de las columnas absorbentes 18, y un tercer conjunto absorbente 26 situado en la parte superior de las columnas absorbentes 18 y constituido por elementos absorbentes 20 hechos de carburo de boro, hexaboruro de samario o un material o una combinación de materiales elegidos entre el primer hafnato de europio y el segundo hafnato de europio.

[0094] El primer hafnato de samario, el segundo hafnato de samario, el primer hafnato de europio y el segundo hafnato de europio presentan capacidades de absorción diferentes y densidades diferentes. Su combinación permite así obtener un compromiso satisfactorio entre la absorción neutrónica y la masa del haz absorbente 2 en su conjunto, debiendo esta última ser suficiente en el caso de un haz de control para asegurar la caída del haz de control en los tiempos impuestos por las reglas de seguridad en caso de parada de urgencia del reactor nuclear.

[0095] En una realización, un haz absorbente 2 comprende un primer conjunto absorbente 22 cuyos elementos absorbentes 20 están hechos exclusivamente de carburo de hafnio y un segundo conjunto absorbente 24 cuyos elementos absorbentes 20 están hechos de primer hafnato de samario, segundo hafnato de samario, primer hafnato de europio y/o segundo hafnato de europio. Los elementos absorbentes 20 del primer conjunto absorbente 22 y los del segundo conjunto absorbente 24 o bien se mezclan en las barras absorbentes 6 o bien se distribuyen en barras absorbentes 6 distintas del haz absorbente 2. Como opción, el haz absorbente 2 comprende además un tercer conjunto absorbente 26 cuyos elementos absorbentes 20 están hechos bien de hexaboruro de samario o bien de primer hafnato de europio y/o de segundo hafnato de europio, estando los elementos absorbentes 20 del tercer conjunto absorbente 26 dispuestos en la parte superior de cada barra absorbente 6 del haz absorbente 2.

[0096] Con el fin de ajustar la absorción neutrónica y/o la masa de las diferentes barras absorbentes 6 del haz absorbente 2, es posible adaptar las estructuras en sección transversal de los elementos absorbentes 20 modificando la geometría de la sección transversal de los elementos absorbentes 20 y/o la tasa de porosidad del material absorbente con el fin de modificar la densidad del material absorbente constitutivo de los elementos absorbentes 20 con respecto a la densidad teórica de dicho material.

[0097] También es posible prever conjuntos absorbentes 22, 24, 26 constituidos por elementos absorbentes 20 hechos de un mismo material o una misma combinación de materiales del grupo de materiales, pero cuyas estructuras en sección transversal presentan geometrías diferentes y/o tasas de porosidad (y por tanto densidades) diferentes, de manera que los elementos absorbentes 20 de un conjunto absorbente, aunque hechos de un mismo material o una misma combinación de materiales del grupo de materiales, poseen una capacidad de absorción neutrónica y/o una masa o masas diferentes de las de los elementos absorbentes 20 de otro conjunto absorbente.

[0098] En un elemento absorbente 20, los neutrones son absorbidos en primer lugar por la zona periférica del elemento absorbente, y después progresivamente por las zonas intermedias hasta alcanzar la zona central.

[0099] En una realización los elementos absorbentes 20 de un primer conjunto absorbente 22 son cilíndricos macizos, como se ilustra en la figura 3, y los elementos absorbentes 20 de un segundo conjunto absorbente 24 son cilíndricos tubulares, como se ilustra en la figura 4. En una variante de realización los elementos absorbentes 20 de dicho primer conjunto absorbente 22 y los de dicho segundo conjunto absorbente 24 están hechos a partir del mismo material o de la misma combinación de materiales.

[0100] Como variante o como opción, los elementos absorbentes 20 del primer conjunto absorbente 22 poseen un diámetro externo D1 estrictamente superior al D2 de los elementos absorbentes 20 del segundo conjunto absorbente 24, como se ilustra en las figuras 3 y 4.

[0101] En una realización, al menos un conjunto absorbente comprende elementos absorbentes 20 que contienen al menos dos materiales entre el grupo de materiales.

[0102] En una realización, al menos un conjunto absorbente comprende elementos absorbentes 20 que contienen en combinación el primer hafnato de europio y el segundo hafnato de europio o que contienen en combinación el primer hafnato de samario y el segundo hafnato de samario.

[0103] En una realización, al menos un conjunto absorbente comprende elementos absorbentes 20 que contienen en combinación al menos dos hafnatos elegidos entre el primer hafnato de europio, el segundo hafnato de europio, el primer hafnato de samario y el segundo hafnato de samario.

[0104] Para obtener dicho elemento absorbente 20 pueden implementarse diferentes realizaciones.

[0105] En una realización, el elemento absorbente 20 es homogéneo y se obtiene por sinterización en forma de una pastilla maciza o tubular de una mezcla en las proporciones deseadas de diferentes polvos de hafnato.

[0106] Como se ilustra en la figura 5, en una realización, el elemento absorbente 20 comprende por ejemplo al menos dos capas superpuestas constituidas por hafnatos diferentes elegidos entre el primer hafnato de europio, el segundo hafnato de europio, el primer hafnato de samario y el segundo hafnato de samario.

[0107] En el ejemplo ilustrado en la figura 5, el elemento absorbente 20 comprende una capa hecha de primer hafnato de europio E1 dispuesta en un alma 28 cilíndrica, una capa hecha de segundo hafnato de europio E2, una capa hecha de primer hafnato de samario S1 y una capa hecha de segundo hafnato de samario S2. Las capas son en este caso concéntricas y están centradas en el eje A del elemento absorbente 20 en forma de pastilla cilíndrica.

[0108] Las capas E1, E2, S1 y/o S2 se depositan por ejemplo sucesivamente en el alma 28 cilíndrica, por ejemplo, por deposición en fase de vapor o por fabricación aditiva. El alma 22 está hecha por ejemplo de material absorbente (HfO2, HfC,...) o no absorbente (ZrO2, C,...).

[0109] En una variante, se prevé un elemento absorbente 20 en forma de una pastilla cilíndrica tubular constituido por al menos dos capas superpuestas constituidas por hafnatos diferentes elegidos entre el primer hafnato de europio, el segundo hafnato de europio, el primer hafnato de samario y el segundo hafnato de samario, sin alma central. Las capas de dicho elemento absorbente 20 se forman por ejemplo por fabricación aditiva, en su caso en un alma fusionable o desechable que se retira a continuación.

[0110] La geometría en sección transversal (diámetro interior, diámetro exterior, número de capas, espesor de cada capa) y la tasa de porosidad (densidad) y la composición (material o combinación de materiales) de las capas sucesivas están adaptadas para obtener la masa y la absorción neutrónica requeridas para el haz durante todo su tiempo de vida.

[0111] La vaina tubular 16 de las barras absorbentes 6 es preferentemente una vaina de acero inoxidable, por ejemplo, una vaina de AISI 304 o AISI 316L, o una vaina a base de hafnio.

[0112] El haz absorbente 2 ilustrado en la figura 1 es un haz absorbente móvil, o haz de control o de ajuste, que puede moverse verticalmente durante el funcionamiento normal del reactor para introducir más o menos sus barras absorbentes 6 en el elemento de combustible nuclear 10 de manera que se ajuste la reactividad del núcleo del reactor nuclear. Para las posiciones en el núcleo del reactor que necesitan un poder absorbente más bajo, algunas de las barras absorbentes del haz 2 pueden sustituirse por barras de acero.

[0113] Como variante, el haz absorbente 2 es un haz absorbente fijo, cuyas barras absorbentes 6 se mantienen introducidas permanentemente en el elemento de combustible nuclear 10 durante el funcionamiento normal del reactor nuclear, estando el elemento de combustible nuclear 10 situado por ejemplo en la periferia del núcleo del reactor nuclear.

[0114] Dicho haz absorbente 2 fijo se ilustra en la figura 6. Comprende barras absorbentes 6 llevadas por un soporte 4 en forma de una placa de soporte. Comprende también un conjunto de empuje 40 que comprende una barra de apoyo 42 y dos muelles 44, 46 helicoidales coaxiales interpuestos entre el soporte 4 y la barra de apoyo 42. Los muelles 44, 46 están previstos para empujar el soporte 4 hacia abajo apoyándose en la barra de apoyo 42, de manera que esta se apoya sobre la placa superior del núcleo del reactor nuclear.

[0115] El número de barras absorbentes 6, la longitud de la columna absorbente 18 y la naturaleza del material absorbente (absorbente o combinación de absorbentes del grupo de materiales) están adaptados para obtener la absorción neutrónica pretendida en el lugar deseado. Las otras barras del haz absorbente fijo son por ejemplo barras cortas de acero denominadas barras de tapón 48. El haz absorbente 2 ilustrado en la figura 6 comprende barras absorbentes 6 y barras de tapón 48.

[0116] Mediante la invención es posible disponer de barras absorbentes 6 que poseen una capacidad de absorción de neutrones satisfactoria, al menos igual a la de una barra absorbente que usa PIC y/o carburo de boro, obteniendo a la vez un haz absorbente 2 móvil que presenta una masa comparable con el fin de asegurar la caída del haz móvil en las mismas condiciones.

[0117] Además, los materiales absorbentes del grupo de materiales permiten obtener rendimientos más interesantes, especialmente en el caso de incidentes y de accidentes en los reactores o en preparación en fábrica.

[0118] De hecho, estos materiales, con excepción del hexaboruro de samario (SmB6), no producen productos de irradiación gaseosos, no reaccionan con la vaina de acero inoxidable hasta temperaturas elevadas y no realizan reacción exotérmica con el agua en caso de pérdida de estanqueidad de una barra absorbente.

Claims (19)

REIVINDICACIONES

1. Haz absorbente (2) para reactor nuclear de agua a presión, que comprende un haz de combustible absorbentes (6), comprendiendo cada barra absorbente (6) una vaina tubular (16) y una columna absorbente (18) formada por una pila de elementos que absorben los neutrones (20) recibidos en el interior de la vaina tubular (16), de manera que cada elemento absorbente (20) se extiende según un eje longitudinal (A) y presenta una estructura en sección transversal determinada por la geometría en sección transversal, la composición y la tasa de porosidad del elemento absorbente (20), conteniendo las columnas absorbentes (18) al menos dos conjuntos absorbentes (22, 24, 26), estando cada conjunto absorbente (22, 24, 26) constituido por una pluralidad de elementos absorbentes (20) que tienen la misma estructura en sección transversal, comprendiendo el haz al menos un primer conjunto absorbente (22) y un segundo conjunto absorbente (24), de manera que los elementos absorbentes (20) del primer conjunto absorbente (22) tienen una estructura en sección transversal diferente de la de los elementos absorbentes (20) del segundo conjunto absorbente, caracterizado porque los elementos absorbentes (20) de cada uno del primer conjunto absorbente (22) y del segundo conjunto absorbente (24) están hechos a partir de un mismo material o de una misma combinación de materiales elegidos entre el grupo de materiales que absorben los neutrones constituido por un primer hafnato de europio, un segundo hafnato de europio, un primer hafnato de samario, un segundo hafnato de samario, carburo de hafnio y hexaboruro de samario,

siendo el primer hafnato de europio y el segundo hafnato de europio dos compuestos definidos formados por una reacción entre el óxido de hafnio (HfO2) y el óxido de europio (Eu2O3) y que poseen composiciones diferentes, siendo el primer hafnato de samario y el segundo hafnato de samario dos compuestos definidos formados por una reacción entre el óxido de hafnio (HfO2) y el óxido de samario (S1TI2O3) y que poseen composiciones diferentes.

2. Haz según la reivindicación 1, en el que el primer hafnato de samario tiene un contenido molar de óxido de samario comprendido entre el 8% y el 20% y el segundo hafnato de samario tiene un contenido molar de óxido de samario comprendido entre el 50% y el 60%.

3. Haz según la reivindicación 1 o 2, en el que el primer hafnato de europio tiene un contenido molar de óxido europio comprendido entre el 43% y el 54% y el segundo hafnato de europio tiene un contenido molar de óxido europio comprendido entre el 19% y el 26%.

4. Haz según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que los elementos absorbentes (20) de al menos un conjunto absorbente (22, 24, 26) están hechos a partir del primer hafnato de europio y/o del segundo hafnato de europio.

5. Haz según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que los elementos absorbentes (20) del primer conjunto absorbente (22) están hechos exclusivamente de primer hafnato de samario, segundo hafnato de samario, primer hafnato de europio y/o segundo hafnato de europio, y los elementos absorbentes (20) del segundo conjunto absorbente (24) están hechos exclusivamente de carburo de hafnio.

6. Haz según la reivindicación 5, en el que los elementos absorbentes (20) del primer conjunto absorbente (22) y los elementos absorbentes (20) del segundo conjunto absorbente (24) están dispuestos en barras absorbentes distintas.

7. Haz según la reivindicación 6, que comprende el mismo número de barras absorbentes (6) que reciben elementos absorbentes (20) del primer conjunto absorbente (22) que de barras absorbentes (6) que reciben los elementos absorbentes (20) del segundo conjunto absorbente (24).

8. Haz según cualquiera de las reivindicaciones 5 a 7, en el que los elementos absorbentes (20) del primer conjunto absorbente (22) y los elementos absorbentes (20) del segundo conjunto absorbente (24) están dispuestos en barras absorbentes distintas adyacentes dos a dos.

9. Haz según cualquiera de las reivindicaciones 5 a 8, que comprende exclusivamente el primer conjunto absorbente (22) y el segundo conjunto absorbente (24).

10. Haz según cualquiera de las reivindicaciones 5 a 9, que comprende un tercer conjunto absorbente (26) que comprende elementos absorbentes (20) hechos exclusivamente de carburo de boro, de hexaboruro de samario o de primer hafnato de europio y/o de segundo hafnato de europio.

11. Haz según la reivindicación 10, en el que los elementos absorbentes (20) del tercer conjunto absorbente (26) están dispuestos en las barras absorbentes que reciben los elementos absorbentes (20) del primer conjunto absorbente (22) y del segundo conjunto absorbente (24), preferentemente en la parte superior de las barras absorbentes.

12. Haz según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que los elementos absorbentes (20) de al menos uno entre el primer conjunto absorbente (22) y el segundo conjunto absorbente (24) contienen varios materiales diferentes del grupo de materiales y/o los elementos absorbentes (20) de al menos uno entre el primer conjunto absorbente (22) y el segundo conjunto absorbente (24) contienen un único material del grupo de materiales.

13. Haz según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende al menos una columna absorbente (18) que contiene exclusivamente elementos absorbentes (20) de un mismo conjunto absorbente (22, 24, 26) y/o al menos una columna absorbente (18) que contiene elementos absorbentes (20) de al menos dos conjuntos absorbentes (22, 24, 26) distintos.

14. Haz según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que los elementos absorbentes del primer conjunto absorbente (22) y del segundo conjunto absorbente (24) están hechos a partir del mismo material o de la misma combinación de materiales del grupo de materiales y difieren por la geometría de su sección transversal y/o una tasa de porosidad.

15. Haz según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que los elementos absorbentes (20) de al menos un conjunto absorbente (22, 24, 26) contienen exclusivamente el primer hafnato de europio y/o el segundo hafnato de europio.

16. Haz según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que al menos un conjunto absorbente (26) posee elementos absorbentes (20) que poseen una estructura en sección transversal multicapa que comprende varias capas hechas cada una de un material o una combinación de materiales del grupo de materiales, comprendiendo cada elemento absorbente (20) al menos dos capas de composiciones distintas y/o de tasas de porosidad distintas.

17. Haz según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende al menos una columna absorbente (18) que contiene elementos absorbentes (20) del primer conjunto absorbente (22) y elementos absorbentes (20) del segundo conjunto absorbente (24) distribuidos a lo largo de la columna absorbente (18) según un motivo repetido.

18. Haz según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el primer hafnato de europio, el segundo hafnato de europio, el primer hafnato de samario, el segundo hafnato de samario, el carburo de hafnio y/o el hexaboruro de samario contenidos en los elementos absorbentes (20) del primer conjunto absorbente y del segundo conjunto absorbente (22, 24) están en fase cristalina cúbica.

19. Aguja absorbente (6) para reactor nuclear de agua a presión, que comprende una vaina tubular (16) y una columna absorbente (18) formada por una pila de elementos que absorben los neutrones (20) recibidos en el interior de la vaina, conteniendo la columna absorbente (18) al menos dos elementos absorbentes (20), de manera que cada elemento absorbente (20) se extiende según un eje longitudinal (A) y presenta una estructura en sección transversal determinada por la geometría en sección transversal, la composición y la tasa de porosidad del elemento absorbente (20), de manera que los elementos absorbentes (20) difieren por su estructura en sección transversal, caracterizado porque

cada elemento absorbente (20) está hecho de un material o una combinación de materiales elegidos entre el grupo de materiales que absorben los neutrones constituido por un primer hafnato de europio, un segundo hafnato de europio, un primer hafnato de samario, un segundo hafnato de samario, carburo de hafnio y hexaboruro de samario, siendo el primer hafnato de europio y el segundo hafnato de europio dos compuestos definidos formados por una reacción entre el óxido de hafnio (HfO2) y el óxido de europio (Eu2O3) y que poseen composiciones diferentes, siendo el primer hafnato de samario y el segundo hafnato de samario dos compuestos definidos formados por una reacción entre el óxido de hafnio (HfO2) y el óxido de samario (S1TI2O3) y que poseen composiciones diferentes.