MX2014015421A - Sistemas y metodos de reduccion de fluencia en reactor nuclear. - Google Patents
Sistemas y metodos de reduccion de fluencia en reactor nuclear.Info
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Abstract
Los ensambles de combustible nuclear incluyen por lo menos una estructura de control de fluencia para el uso en un núcleo de reactor nuclear con otros ensambles de combustible nuclear; tales ensambles y estructuras que limitan el flujo pueden ser posicionados fuera de o alrededor de los otros ensambles de combustible nuclear en el núcleo para reducir el flujo de neutrones más allá de los ensambles de combustible nuclear de fluencia controlada, y las estructuras de control de fluencia pueden ser posicionadas en una orilla exterior del núcleo; las estructuras de control de fluencia limitan el flujo de neutrones con materiales no combustibles en estructuras como barras de combustible e insertos, canales, cortinas de protección, etc. en posiciones particulares en los ensambles de combustible; un ingeniero puede seleccionar y/o instalar los ensambles de combustible que limitan la fluencia con características que limitan el flujo en núcleos que tienen perfiles neutrónicos que se espera se beneficien de tal limitación de flujo.
Description
SISTEMAS Y MÉTODOS DE REDUCCIÓN DE FLUENCIA EN REACTOR
NUCLEAR
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Como se muestra en la figura 1 , una central nuclear incluye convencionalmente un tanque de presión de reactor 10 con varias configuraciones de combustible y partes internas de reactor para producir energía nuclear. Por ejemplo, el tanque 10 puede incluir un anillo de refuerzo de núcleo 30 que rodea un núcleo de combustible nuclear 35 que aloja estructuras de combustible, tales como ensambles de combustible, 40. Una guía superior 45 y un soporte de combustible 70 pueden soportar cada ensamble de combustible 40. Puede formarse una región anular de tubos descendentes 25 entre el anillo de refuerzo de núcleo 30 y el tanque 10, a traves del cual un fluido refrigerante y un moderador fluyen dentro del pleno inferior del núcleo 55. Por ejemplo, en los tipos de Reactor de Agua Ligera de EEUU, el fluido puede ser agua purificada, mientras que en reactores de tipo de uranio natural, el fluido puede ser agua pesada purificada. En reactores enfriados por gas, el fluido refrigerante puede ser un gas tal como helio, con la moderación proporcionada por otras estructuras. El fluido puede fluir hacia arriba desde el pleno inferior del núcleo 55 a través del núcleo 35. Después de ser calentado en el núcleo 35, el fluido energético puede entrar al pleno superior del núcleo 60 bajo el cabezal del anillo de refuerzo 65.
Uno o más impulsores de barra de control 81 pueden ser posicionados debajo del tanque 10 y conectarse a hojas de la barra de control 80 (figura 2) que se extienden entre ensambles de combustible 40 dentro del núcleo 35. El tanque 10 puede ser sellado y puede ser abierto a través del cabezal superior 95 en la brida 90. Con acceso a las partes internas del reactor, algunos de los ensambles de haz de combustible 40 son reemplazados y/o movidos dentro del núcleo 35, y el mantenimiento/instalación en otras estructuras internas y estructuras externas, incluyendo el anillo de refuerzo 30 y el tanque de presión del reactor 10 mismo pueden ser realizados dentro y fuera del reactor 10.
La figura 2 es una ilustración de una parte del núcleo de combustible 35 de la figura 1 mostrando varios ensambles de combustible 40 posicionados alrededor de una hoja de control 80. Durante la operación, el impulsor de barra de control 81 maniobra la hoja de la barra de control 80 a una posición axial deseada entre ensambles de combustible 40 para obtener una densidad de energía deseada. La hoja de barra de control 80 tiene típicamente una sección transversal en cruz o cruciforme; sin embargo, las barras y otras formas son elementos de control conocidos utilizables en los reactores nucleares. La hoja de barra de control 80 incluye un material que absorbe neutrones de un espectro deseado, tal como boro, cadmio, etc., para reducir la fluencia de neutrones entre los ensambles 40 y así controlar la reacción nuclear en cadena. En la figura 2, los ensambles de haz de combustible 40 rodean la hoja de barra de control 80, que está posicionada en
una intersección central rodeada por los cuatro ensambles de haz de combustible 40 para llevar al máximo la exposición a, y así controlar, los ensambles de combustible 40 juntos.
La figura 3 es una ilustración de un ensamble de combustible de la téenica relacionada 40, tal como los ensambles 40 mostrados en las figuras 2 y 3. Como se muestra en la figura 3, el ensamble de combustible 40 incluye múltiples barras de combustible 14 llenas de material fisible para la generación de energía. Las barras de combustible 14 están dispuestas en una cuadrícula uniforme lateralmente y se extienden en la dirección axial continuamente a través del ensamble 40. Las barras de combustible 14 son asentadas en una placa de anclaje inferior 16 y se extienden hacia arriba dentro de una placa de anclaje superior 17 en los extremos del ensamble de combustible 40. Las barras de combustible 14 están unidas por un canal 12 que forma un exterior del ensamble 40, manteniendo el flujo de fluido dentro del ensamble 40 a través de la longitud axial del ensamble 40. El ensamble convencional del combustible 40 también incluye uno o más espaciadores de combustible 18 en varias posiciones axiales para alinear y separar las barras de combustible 14. Una o más barras de agua 19 también pueden ser presentes para proporcionar un nivel deseado de moderador o refrigerante a través de flujo al ensamble 40.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
Las modalidades de ejemplo incluyen núcleos de combustible nuclear y estructuras circundantes, ensambles de combustible para el uso en los mismos, y estructuras de control de fluencia para el uso en los mismos. Los núcleos de ejemplo incluyen ensambles de combustible nuclear en combinación con un ensamble/es de combustible que tienen una(s) estructura(s) de control de fluencia. Los ensambles y las estructuras que limitan la fluencia pueden ser posicionados fuera o alrededor de los otros ensambles de combustible nuclear en el núcleo para reducir el flujo de neutrones más allá de los ensambles de combustible nuclear de fluencia controlada. La estructura de control de fluencia puede a sí misma ser posicionada en una orilla exterior del núcleo para que sólo exista control de fluencia más allá de los ensambles de combustible nuclear y ensambles que limitan la fluencia. Las estructuras de control de fluencia limitan el flujo de neutrones en posiciones particulares a traves del uso de material, dimensionamiento, y colocación apropiados, en los ensambles de combustible. En los métodos de ejemplo, los ingenieros de núcleo pueden seleccionar y/o instalar los ensambles de combustible que limitan la fluencia con características que limitan el flujo en núcleos que tienen perfiles neutrónicos que se espera se beneficien de tal limitación de flujo.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Las modalidades de ejemplo llegarán a ser más evidentes al describir, a detalle, los dibujos anexos, en donde elementos similares son representados por numerales de referencia similares, que se dan sólo a manera de ilustración y que no limitan los terminos que ellos representan.
La figura 1 es una ilustración de un tanque de energía nuclear y de las partes internas de la téenica relacionada.
La figura 2 es una ilustración de un grupo controlado de ensambles de combustible de la técnica relacionada en el uso con una hoja de barra de control.
La figura 3 es una ilustración de un ensamble de combustible de la técnica relacionada.
La figura 4 es una ilustración de una modalidad de ejemplo del núcleo nuclear.
La figura 5 es una ilustración de una modalidad de ejemplo de un ensamble de combustible.
Parte Número
Tanque de Presión del Reactor 10
Canal 12
Barras de combustible 14
Placa de anclaje inferior 16
Placa de anclaje superior 17
Espaciador 18
Barra de Agua 19
Tubo descendente 25
Anillo de refuerzo de núcleo 30
Núcleo del Combustible nuclear 35
Ensamble de combustible 40
Guía Superior 45
Pleno inferior 55
Pleno superior 60
Cabezal del anillo de refuerzo 65
Soporte de combustible 70
Hoja de Control 80
Impulsor de la Barra de Control 81
Brida 90
Cabezal superior 95
Ensamble de Combustible de la modalidad de ejemplo 110
Canal de protección 112
Barras de Combustible de Protección 114
Cortina de Placa 120
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
Este es un documento de patente, y deben aplicarse las reglas amplias generales de construcción cuando se lea y se comprenda. Todo lo que se describe y muestra en este documento es un ejemplo de la materia que entra dentro del alcance de las reivindicaciones anexas. Cualquier detalle estructural y funcional específicos descritos en la presente son sólo para propósitos de describir cómo hacer y utilizar las modalidades o los metodos de ejemplo. Varias modalidades diferentes no específicamente descritas en la presente entran dentro del alcance de las reivindicaciones; como tal, las reivindicaciones pueden estar incorporadas en muchas formas alternas y no deben ser interpretados como limitadas a sólo las modalidades de ejemplo expuestas en la presente.
Se entenderá que, aunque los términos primero, segundo, etc. se pueden utilizar aquí para describir varios elementos, no se debe limitar a
estos elementos por estos términos. Estos términos son sólo utilizados para distinguir un elemento de otro. Por ejemplo, un primer elemento podría ser llamado un segundo elemento, y asimismo un segundo elemento podría ser llamado un primer elemento, sin separarse del alcance de las modalidades de ejemplo. Tal como se utiliza aquí, el término "y/o" incluye cualquiera y todas las combinaciones de uno o más de los artículos nombrados relacionados.
Se entenderá que cuando se hace referencia a que un elemento está "conectado", "acoplado", "emparejado", "unido", o "fijado" a otro componente, puede estar directamente conectado o acoplado al otro elemento o pueden estar presentes elementos intermedios. Por el contrario, cuando se hace referencia a que un elemento esta "directamente conectado" o "directamente acoplado" a otro elemento, no están presentes elementos intermedios. Otras palabras utilizadas para describir la relación entre los elementos deben ser interpretadas en un modo similar (por ejemplo, "entre" contra " directamente entre", "adyacente" contra " directamente adyacente", etc.). Asimismo, un término tal como "conectado comunicativamente" incluye todas las variaciones de las rutas de intercambio de información entre dos dispositivos, incluyendo dispositivos intermedios, redes, etc., conectados o no inalámbricamente.
Como utilizado en la presente, las formas singulares "un", "uno" y "el" pretenden incluir tanto las formas singulares como las plurales, a menos que el lenguaje indique explícitamente lo contrario con las palabras como "sólo," "único," y/o "uno". Además, se entenderá que los términos
"comprende", "que comprende", "incluye" y/o "que incluye", cuando se utilizan en la presente, especifican la presencia de características, pasos, operaciones, elementos, ideas, y/o componentes establecidos, pero no excluyen la presencia o adición de una o varias otras características, pasos, operaciones, elementos, componentes, ideas y/o grupos de las mismas.
Tambien debe ser apreciado que las estructuras y las operaciones discutidas después pueden ocurrir fuera del orden descrito y/o indicado en las figuras. Por ejemplo, dos operaciones y/o figuras mostradas en secuencia pueden de hecho ser ejecutadas concurrentemente o a veces o ejecutarse en orden inverso, dependiendo de la funcionalidad/actos involucrados. Asimismo, las operaciones individuales dentro de los métodos de ejemplo descritos después pueden ser ejecutadas repetitivamente, individualmente o secuencialmente, para proporcionar ciclos u otra serie de operaciones aparte de las operaciones únicas descritas después. Debe ser asumido que cualquier modalidad que tiene las características y funcionalidades descritas a continuación, en combinación que se pueda trabajar, entra dentro del alcance de las modalidades de ejemplo.
El inventor ha reconocido problemas que surgen de las operaciones de energía nuclear donde el flujo de neutrones, con el tiempo, o la fluencia, causa la fragilidad o falla de componentes. Este problema puede tener consecuencias particulares en componentes nucleares no reemplazables, especialmente sensibles al flujo o grandes tales como un anillo de refuerzo de núcleo 30 (figura 1) o el tanque de presión del reactor 10
(figura 1). El inventor ha descubierto además que la instalación de una estructura de reflector / absorbente separado dentro de un reactor o el uso de núcleos más pequeños con perímetros de agua, crea problemas adicionales. Una estructura de reflector/absorbente separado requiere su propia instalación y mantenimiento separados y puede no ajustar entre un núcleo y un anillo de refuerzo sin interferir con la hidrodinámica. Los núcleos más pequeños generan menos energía y pueden tener perfiles más agudos de flujo radial, que pueden acercarse o pueden exceder los márgenes de seguridad para proporciones de energía de los ensambles de combustible. La descripción siguiente supera extraordinariamente estos y otros problemas reconocidos por el inventor en las operaciones de reactores nucleares.
La invención presente es el control de la fluencia a base del combustible nuclear. Las modalidades de ejemplo discutidas después ilustran sólo un subconjunto de la variedad de configuraciones diferentes que pueden ser utilizadas como y/o con respecto a la invención presente.
La figura 4 es un mapa de cuadrantes de un núcleo de reactor de modalidad de ejemplo que tiene la modalidad de ejemplo de las estructuras de control de fluencia del ensamble de combustible periférico. En la figura 4, cada cuadro representa una ubicación del ensamble de combustible dentro de un cuarto del núcleo. Los núcleos del reactor pueden estar simétricos alrededor de por lo menos dos ejes perpendiculares, de manera que un mapa de cuadrante como la figura 4 pueda transportar una aportación del núcleo entero. Aunque las figuras 4 ilustra un cuadrante de 17x17 encontrado en
algunos diseños de Reactor de Agua en Ebullición, otros tamaños y formas son utilizables con modalidades de ejemplo.
Como se muestra en la figura 4, las ubicaciones pueden estar llenas (reborde sólido) y vacías (reborde en líneas punteadas) para crear un núcleo y perímetro más allá del cual un anillo de refuerzo y/o tanque de reactor (por ejemplo, el anillo de refuerzo 30 y/o el tanque 10 de la figura 1) pueden unirse el núcleo. Las ubicaciones ocupadas del ensamble pueden acomodar más (relleno diagonal o de rayas cruzadas) o menos (mostrados sin relleno) haces de combustible de reactividad durante cualquier ciclo de combustible. Variar la reactividad puede lograrse a traves de variar enriquecimientos del combustible inicial, utilizando los ensambles de combustible de exposiciones diferentes, ajustando los venenos de fisión, etc. Por ejemplo, el anillo de los ensambles inferiores alrededor de un perímetro exterior mostrado en la figura 4 pueden ser ensambles de enriquecimiento menor que utilizan ensambles de uranio natural o de quemado de una vez, y haces enriquecimiento mayor en una parte interior del núcleo pueden utilizar haces de uranio enriquecido o más frescos. Otros patrones de reactividad, incluyendo núcleos con reactividad uniforme, son utilizables como núcleos de modalidad de ejemplo.
Los elementos de control, tales como las hojas de barra 80
(figura 2), son posicionados a través de un interior del núcleo. Un subconjunto de tales elementos de control puede ser utilizado durante la operación para controlar la energía en el núcleo, y se muestran ensambles adyacentes para
controlar los elementos que se movieron regularmente para ajustar la reactividad como haces controlados en la figura 4, delineados en cuadrados más pesados que contienen cuatro ubicaciones del ensamble. Por ejemplo, como se muestra en la figura 2, los ensambles 10 posicionados alrededor de una hoja de control 80 pueden ser representados como ensambles controlados en la figura 4. Aunque no se muestra en la figura 4, otros elementos de control y grupos de ensambles controlados pueden ser utilizados con las modalidades de ejemplo, incluyendo elementos de control y ensambles controlados más cercanos a una periferia del núcleo. Como tal, se comprende que la forma, el tamaño, el patrón del ensamble, el patrón del elemento de control, y los niveles de reactividad del ensamble del núcleo de la modalidad de ejemplo pueden ser variados a traves de diseños conocidos y futuros, con base en los requerimientos de la generación de energía, los márgenes de seguridad, de tipo reactor, etc.
Como se muestra en la figura 4, estructuras de control de fluencia de ensamble de combustible son utilizadas en los ensambles de combustible alrededor de un perímetro más exterior del núcleo de combustible de la modalidad de ejemplo. Las estructuras de control de fluencia son mostradas por un delineado más pesado en la figura 4. Las estructuras de control de fluencia de la modalidad de ejemplo no generan flujo pero tienen un efecto sustancial absorbente y/o efecto reflejante en el flujo de neutrones para los espectro encontrados en una periferia de un ensamble de combustible. Por ejemplo, las estructuras de control de fluencia pueden incluir materiales que
tienen secciones transversales de absorción de un barn o más para neutrones termicos y rápidos. De esta manera, las estructuras de control de fluencia limitan el flujo de neutrones - y así la fluencia con el tiempo - más allá del núcleo.
Como se muestra en la figura 4, las estructuras de control de fluencia de ensamble de combustible pueden ser utilizadas en una o más orillas exteriores de ensambles periféricos de combustible de manera que el control de la fluencia pueda ser continuo en y exclusivo a la periferia del núcleo, creando una frontera de flujo en un perímetro exterior entero del núcleo. Esto puede reducir la fluencia a un anillo de refuerzo del núcleo, tanque de presión de reactor, y/a otras partes internas del reactor que rodean el núcleo.
Las estructuras de control de fluencia pueden extenderse axialmente completamente a través del núcleo o en elevaciones seleccionadas. Asimismo, las estructuras de control de fluencia de ensamble de combustible pueden ser utilizadas selectivamente en menos que todas las superficies del ensamble periférico de combustible para crear posiciones periféricas interrumpidas que protegen sólo ubicaciones particulares. Por ejemplo, sólo los ensambles de esquina, tal como el ensamble en la posición 12-2 en la figura 4, que tienen dos superficies expuestas pueden utilizar estructuras de control de fluencia de ensamble de combustible, mientras los ensambles con menos exposición carecen de tales estructuras, o las estructuras de control de fluencia de ensamble de combustible pueden ser
utilizadas sólo en ubicaciones con impacto significativo de fluencia en los componentes vulnerables. Las estructuras de control de fluencia pueden ser utilizadas además en posiciones internas dentro de la periferia para la simplificación de la fabricación del ensamble, el perfilado del flujo, y/o la protección de los componentes internos al núcleo, por ejemplo.
Las estructuras de control de fluencia de ensamble de combustible de la modalidad de ejemplo pueden ser componentes de ensambles de combustible o de otro modo directamente unidos en ensambles de combustible de la modalidad de ejemplo. De esta manera, el control de la fluencia puede ser posicionado con base en el posicionamiento del ensamble de combustible. Como se muestra en la figura 4, al colocar selectivamente y orientar los ensambles de combustible con una o dos caras de las estructuras de control de fluencia de la modalidad de ejemplo con un posicionamiento axial compartido, puede formarse un perímetro continuo de control de fluencia alrededor de un perímetro exterior del núcleo a traves de la elevación entera del núcleo o en secciones axiales específicas. Al instalar las estructuras de control de fluencia en ensambles de combustible individuales, pueden crearse, alterarse, y/o eliminarse posiciones de control de fluencia, moviendo o reorientando adecuadamente los ensambles de combustible, sin la necesidad de instalación adicional en o cerca de un núcleo de reactor.
Las estructuras de control de fluencia de ensamble de combustible de la modalidad de ejemplo pueden tener una variedad de formas y características. Por ejemplo, las estructuras de control de fluencia pueden
ser posicionadas en una variedad de ubicaciones alrededor de las estructuras del núcleo y de los ensambles de combustible para proporcionar protección en las ubicaciones deseadas. Asimismo, las estructuras de control de fluencia pueden ser fabricadas de una variedad de materiales que limitan el flujo para proporcionar una cantidad deseada de protección donde se coloquen. Múltiples estructuras diferentes de control de fluencia son utilizables juntas en cualquier combinación y en cualquier posición con base en las características neutrónicas en el núcleo y la limitación de fluencia deseada.
La figura 5 es una ilustración de una estructura de control de fluencia de la modalidad de ejemplo en el uso con un ensamble de combustible de la modalidad de ejemplo 110. Aunque las figuras 5 ilustran múltiples estructuras diferentes de control de fluencia de la modalidad de ejemplo, se comprende que cualquier aspecto individual de la figura 5 puede ser utilizado solo o en cualquier combinación. El ensamble de combustible de la modalidad de ejemplo 110 puede ser configurado de manera muy similar a, y utilizarse intercambiablemente con, los ensambles convencionales de combustible, tal como el ensamble de combustible 10 en las figuras 1 a 3. El uso de las estructuras de control de fluencia de la modalidad de ejemplo en los ensambles de la modalidad de ejemplo no reduce necesariamente ni destruye la compatibilidad con una variedad de tipos diferentes de reactor. Por ejemplo, como se muestra en la figura 5, el ensamble de combustible de la modalidad de ejemplo 110 puede ser utilizado en una posición adyacente a una hoja del control 80 y alojar elementos convencionales tales como barras
de combustible 14, ambos de longitud completa ("T") y parcial ("P"), y barras de agua 19, así como, y en lugar de, un ensamble de combustible BWR convencional.
El ensamble de combustible de la modalidad de ejemplo 110 incluye una cortina de placa 120 como una estructura de control de fluencia. La cortina de placa 120 puede estar en un interior o exterior del canal 112, unido por soldadura, pernado, formado como una pieza integral con el canal 112, y/o con cualquier otro mecanismo de unión. Por ejemplo, dos cortinas de placa 120 pueden ser colocadas en cualquiera del exterior o interior de las caras más exteriores del canal 112 expuesto a un anillo de refuerzo del núcleo o al tanque de presión del reactor, si el ensamble de combustible 110 es un ensamble de esquina tal como la posición 6-6 en la figura 4. La cortina de placa 120 puede extenderse completamente o substancialmente alrededor de una cara interior o exterior del ensamble 110, o la cortina de placa 110 puede cubrir sólo una parte lateral o axial de una cara del canal en el ensamble 110. La colocación y el tamaño de la cortina de placa 120 pueden seleccionarse con base en sus propiedades reductoras de flujo y la posición dentro de un núcleo. Por ejemplo, el flujo de neutrones en una posición particular de núcleo puede ser proyectado para ser especialmente alto excepto en posiciones axiales inferiores, y la cortina de placa 120 puede extenderse sólo alrededor del canal 112 para cubrir las porciones axiales superiores.
La cortina de placa 120 es fabricada de un material y espesor que tienen una característica deseada de reducción de flujo de neutrones. Por
ejemplo, la cortina de placa 120 puede ser de acero inoxidable, puede tener una sección transversal mayor de absorción de neutrones a las energías del reactor, o de circonio, teniendo una sección transversal más baja de absorción de neutrones. Para un efecto incluso más fuerte, la cortina de placa 120 puede ser fabricada asimismo como un brazo de una hoja de control cruciforme 80 y contener un absorbente más fuerte de neutrones como el hafnio, el boro, el gadolinio, el cadmio, etc.
La cortina de placa 120 puede ser de cualquier espesor que no interfiere con otras estructuras de núcleo, incluyendo aproximadamente 65-200 mil (miles de una pulgada). Asimismo para determinar la posición y la cobertura para la cortina de placa 120, el material y el espesor de la cortina de placa 120 pueden ser seleccionados con base en la neutrónica y la reducción de flujo esperados. Por ejemplo, si se usan haces de menor enriquecimiento alrededor de una periferia de un núcleo como se muestra en la figura 4, las cortinas de placa 120 pueden ser más delgadas y utilizar un material de menor absorción como una aleación de circonio. En otras situaciones con mayores flujos termicos y/o más rápidos, puede utilizarse una cortina de placa de estilo de hoja de control 120. Como tal, las cortinas de placa 120 de material y espesor apropiados absorberán y/o reflejarán el flujo de neutrones desde un perímetro de un núcleo y prevendrán o reducirán la fluencia con el tiempo a estructuras fuera de las cortinas de placa 120, tal como un anillo de refuerzo de núcleo o tanque de reactor, en el ensamble de la modalidad de ejemplo 110.
El ensamble de combustible de la modalidad de ejemplo 110 incluye un canal de protección 112 como una estructura de control de fluencia. El canal de protección 112 puede ser identico a un canal convencional 12 (figuras 1 a 3) en forma y tamaño. Por supuesto, en otros diseños de combustible, el canal de protección 112 puede tomar otras formas, tamaños, alineaciones, y puntos de conexión para preservar tal compatibilidad a través de muchos otros tipos de combustible y reactores. El canal de protección 112 puede ser fabricado de un material con una absorción mayor o deseada y/o una sección transversal dispersante para flujos de neutrones que se espera encontrar en una posición del ensamble de combustible de la modalidad de ejemplo 110. Por ejemplo, el canal de protección 112 puede ser fabricado de acero inoxidable en vez de una aleación de circonio, o el canal de protección 112 pueden ser adicionados con materiales como el boro y el hafnio que limitan el flujo de neutrones. El canal de protección 112 puede ser fabricado en un modo compuesto con sólo lados/orillas selectas que tienen un material reductor de flujo de neutrones, o un canal de protección 112 puede ser fabricado de un material uniforme.
El canal de protección 112 puede tener un menor efecto en la reducción del flujo de neutrones en el ensamble de la modalidad de ejemplo 110, debido al espesor relativo del canal de protección 112. Así, incluso si es fabricado de un material uniforme para simplicidad de fabricación, el canal de protección 112 no tendrá un efecto substancialmente perjudicial en el flujo dentro de un núcleo, donde se desea el flujo. El canal de protección 112
fabricado con un absorbente o reflector de neutrones apropiado tambien reducirá el flujo de neutrones de un perímetro de un núcleo y prevendrá o reducirá la fluencia con el tiempo a las estructuras fuera del ensamble de combustible de la modalidad de ejemplo 110, tal como un anillo de refuerzo de núcleo o tanque de reactor, cuando se usa en ensambles cerca de tales estructuras.
El ensamble de combustible de la modalidad de ejemplo 110 incluye una barra de combustible de protección 114 como una estructura de control de fluencia. Como se muestra en la figura 5, barras de protección de combustible 114 pueden ocupar una fila y/o columna exterior más cercana a una orilla de un núcleo si el ensamble de combustible de la modalidad de ejemplo 110 es colocada en una esquina o posición exterior. Una fila exterior entera y columna exterior en el ensamble 110 pueden ser formadas sólo de barras de combustible de protección 114, o las barras de combustible de protección 114 pueden ser colocadas en intervalos o en otros patrones o posiciones a través del ensamble 110 que limitan el flujo en una manera deseada. Las barras de combustible de protección 114 son compatibles con, y pueden reemplazar, a las barras de combustible convencionales 14, ambas de longitud completa T y longitud parcial P, dichas barras de protección 114 pueden coincidir en diámetro, en longitud, y/o en las características exteriores del encamisado. Por supuesto, en otros diseños de combustible, las barras de protección 114 pueden tomar otras formas, tamaños, alineaciones, densidades, y puntos de conexión para preservar tal compatibilidad a través
de varios otros tipos de combustible y reactores.
Las barras de combustible de protección 114 reducen el flujo de neutrones de las energías esperadas a través de la absorción y/o dispersión en su ubicación dentro del ensamble de combustible de la modalidad de ejemplo 110. Las barras de combustible de protección 114 pueden tomar una variedad de configuraciones con base en la cantidad y el tipo de efecto reductor de flujo deseado. Por ejemplo, las barras de combustible de protección 114 pueden ser un tubo vacío de encamisado de circonio, es decir, una barra de combustible sin una pastilla de combustible, o un tubo vacío de encamisado de acero inoxidable o de otro metal. O la barra de combustible de protección 114 puede ser una barra de aleación sólida de circonio, de acero inoxidable, o de otro metal sin un interior hueco o con pastillas falsas del material escogido insertadas en el mismo. Estos ejemplos que eliminan elementos de combustible y/o que utilizan una mayor absorción y/o materiales más gruesos tienen un efecto modesto en el flujo de neutrones, con materiales que tienen mayores secciones transversales que tienen mayor reducción de flujo y de fluencia con el tiempo.
Aún más, las barras de combustible de protección 114 pueden incluso incluir materiales de sección transversal mayor, incluyendo venenos de fisión y otros reductores de flujo como el boro, el gadolinio, el cadmio, el hafnio, etc., para la mayor reducción del flujo. Las barras de combustible de protección 114 también pueden incluir objetivos de irradiación como cobalto-59 o el iridio que producen los isótopos deseados ya que ellos absorben flujo.
Por ejemplo, las barras de combustible de protección 114 pueden ser barras segmentadas como se describe en las Publicaciones de Patente de EEUU de titularidad compartida 2007/0133731 de Fawcett et al., 2009/0122946 de Fawcett et al., 2009/0135983 de Russell, II et al., 2009/0135988 de Russell, II et al., 2009/0135990 de Fung Poon et al., y/o 2013/0077725 de Bloomquist et al., las descripciones de estas publicaciones son incorporadas en la presente en su totalidad. En el ejemplo de una barra de combustible de protección segmentada 114, la variación axial en la absorción y/o reflexión del flujo puede lograrse llenando diferentes segmentos axiales con diferentes materiales que tienen secciones transversales deseadas para un nivel axial particular. Las barras de combustible de protección 114 pueden así reducir el flujo que escapa más allá del ensamble de combustible de la modalidad de ejemplo 110 mientras producen los isótopos deseados para cosechar y/o tener un efecto de veneno capaz de quemarse donde la reducción del flujo puede variar a traves de un único ciclo de combustible.
Aunque el ensamble de combustible de la modalidad de ejemplo 110 de la figura 5 sea ilustrado con estructuras de control de fluencia como barras de combustible de protección 114, que protegen al canal 112, y/o la cortina de placa 120, se comprende que otras y cualesquiera estructuras de control de fluencia son utilizables con ensambles de combustible de la modalidad de ejemplo. Adicionalmente, las estructuras de control de fluencia pueden ser utilizadas solas, en múltiplos, o en cualquier combinación, dependiendo de las necesidades de protección en una ubicación de núcleo
donde pueden colocarse los ensambles de combustible de la modalidad de ejemplo.
Por ejemplo, en el núcleo del ejemplo de la figura 4 con un anillo exterior de ensambles de combustible de reactividad más baja para permitir un perfil de energía radial más plano mientras se reduce el flujo de neutrones en las orillas del núcleo, un ensamble en la posición 5-9 (columna-fila) puede tener sólo una cara única expuesta fuera del núcleo y estar rodeada por ensambles de menor energía. Tal ensamble de combustible de 5-9 de la modalidad de ejemplo puede utilizar sólo una cortina de placa única 120 en la cara expuesta fabricada de acero inoxidable de sólo 60 mil de espesor o utilizar sólo un canal de protección 112 adicionado con un absorbente de neutrones y reduce de modo satisfactorio la fluencia a las estructuras del reactor adyacentes a la posición 5-9. Estas estructuras de control de fluencia de ejemplo pueden ser relativamente sencillas de implementar desde un punto de vista de fabricación y operación.
O, por ejemplo un ensamble de combustible de la modalidad de ejemplo puede ser colocado en una posición de núcleo adyacente a un componente sensible al flujo, tal como un anillo de refuerzo de núcleo de reactor que ha estado en uso por decadas y se está acercando a las restricciones de fluencia máximas de su vida útil. En tal ensamble de combustible de la modalidad de ejemplo, múltiples estructuras de control de fluencia con alta capacidad de reducción de flujo pueden ser utilizadas juntas. Por ejemplo, en un ensamble de combustible de esquina, una fila y columna
completas y más exteriores de barras de combustible pueden ser barras de combustible de protección 114 fabricadas de acero inoxidable sólido. En la combinación, una cortina de placa de tipo brazo de hoja de control 120 que tiene una absorción de neutrones muy alta puede ser instalada en las caras exteriores del ensamble más cercano el anillo de refuerzo. Esta combinación de la estructura de control de fluencia de ejemplo puede tener una capacidad muy alta de detención de flujo y protege al componente sensible al flujo sin la instalación de estructuras internas separadas del reactor.
Por supuesto, cualquier número de otras combinaciones de estructuras de control de fluencia es utilizable en los ensambles de combustible de la modalidad de ejemplo, con base en las necesidades de limite de fluencia en cualquier posición radial o axial dentro del reactor y de las preocupaciones como la simplicidad de fabricación, costos de combustible, tipo reactor, constitución del núcleo y respuesta neutrónica, las necesidades de producción de isótopos, y las dimensiones del núcleo y el combustible. Un ingeniero de reactores puede pronosticar las necesidades del núcleo y la respuesta de flujo para un ciclo particular y puede, en consecuencia, escoger y posicionar los ensambles de combustible de la modalidad de ejemplo para uso en operaciones próximas.
Las modalidades y los metodos de ejemplo así son descritos, será apreciado por un experto en la téenica que las modalidades de ejemplo pueden ser variadas y pueden ser sustituidas por experimentación de rutina y todavía entran dentro del alcance de las reivindicaciones siguientes. Por
ejemplo, una variedad de diseños diferentes de reactor y de núcleo es compatible con las modalidades y los metodos de ejemplo simplemente por un dimensionamiento apropiado de las modalidades de ejemplo - y entran dentro del alcance de las reivindicaciones. Tales variaciones no serán consideradas como separadas del alcance de estas reivindicaciones
Claims (20)
1. Un núcleo para un reactor nuclear, en donde el núcleo comprende: una pluralidad de ensambles de combustible nuclear; y un ensamble de combustible nuclear con fluencia controlada posicionado en una dirección fuera de la pluralidad de ensambles de combustible nuclear en el núcleo, en donde el ensamble de combustible nuclear de fluencia controlada incluye una estructura de control de fluencia sólo en las orillas más alejadas en la dirección en el ensamble, en donde la estructura de control de fluencia es fabricada de materiales que reducen el flujo de neutrones para reducir el flujo de neutrones en la dirección más allá del ensamble de combustible nuclear de fluencia controlada, y en donde la pluralidad de ensambles de combustible nuclear carece de la estructura de control de fluencia.
2. El núcleo de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque el núcleo es cilindrico, y en donde la dirección es una dirección radial en el cilindro.
3. El núcleo de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque el ensamble de combustible nuclear de fluencia controlada es posicionado en un máximo radial del cilindro para ocupar un perímetro más exterior del núcleo, y en donde la orilla forma el perímetro más exterior del núcleo.
4. El núcleo de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque comprende adicionalmente: un anillo de refuerzo del núcleo que rodea los ensambles de combustible nuclear y el ensamble nuclear de fluencia controlada, en donde la orilla es dirigida hacia el anillo de refuerzo de núcleo sin la intervención de un ensamble de combustible nuclear.
5. El núcleo de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque la estructura de control de fluencia consiste en esencia de un material que tiene una sección transversal termica de absorción de neutrones de por lo menos 2 barns.
6. El núcleo de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado además porque el material es una aleación que contiene boro, hierro, hafnio, cadmio, gadolinio, o combinaciones de cualquiera de los mismos.
7. El núcleo de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque la estructura de control de fluencia es un miembro del grupo que incluye un canal de protección, una cortina de placa, y una barra de combustible de protección.
8. El núcleo de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado además porque, el canal de protección es un canal de combustible nuclear que rodea las barras de combustible en el ensamble de combustible nuclear de fluencia controlada, la cortina de placa está unida a una cara de un canal del ensamble de combustible nuclear de fluencia controlada, y la barra de combustible de protección define una cavidad interna y sellada que carece de combustible nuclear.
9. El núcleo de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado además porque la barra de combustible de protección es un miembro del grupo que incluye una barra segmentada que aloja un objetivo de irradiación no de combustible, una barra vacía, y una barra sólida que no tiene una cavidad interna.
10. El núcleo de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque el ensamble de combustible nuclear de fluencia controlada incluye una pluralidad de estructuras de control de fluencia, y en donde las estructuras de control de fluencia incluyen toda de una pluralidad de canal de protección, una cortina de placa, y una pluralidad de barras de combustible de protección.
11. Un ensamble de combustible nuclear de fluencia controlada para el uso en un reactor nuclear, el ensamble comprende: un elemento de combustible nuclear; y una estructura de control de fluencia en el ensamble de combustible, en donde la estructura de control de fluencia está posicionada fuera del elemento de combustible nuclear en el ensamble y está fabricada sólo de materiales que reducen el flujo de neutrones para limitar el flujo fuera del ensamble.
12. El ensamble de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado además porque la estructura de control de fluencia está posicionada sólo en una o dos orillas del ensamble.
13. El ensamble de conformidad con la reivindicación 11 , caracterizado además porque los materiales tienen una sección transversal termica de absorción de neutrones de por lo menos 2 barns.
14. El ensamble de conformidad con la reivindicación 11 , caracterizado además porque el elemento de combustible nuclear es una barra de combustible, y en donde la estructura de control de fluencia es una barra de protección posicionada en una fila o columna más exterior del ensamble de combustible.
15. El ensamble de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado además porque la barra de protección es un miembro del grupo que incluye una barra sólida, una barra hueca y vacía, y una barra segmentada que aloja un objetivo de irradiación.
16. El ensamble de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado además porque comprende adicionalmente: una pluralidad de las estructuras de control de fluencia, en donde las estructuras de control de fluencia incluyen una pluralidad de barras de protección y una cortina de protección en una cara del ensamble directamente adyacente a la fila o la columna.
17. El ensamble de conformidad con la reivindicación 11 , caracterizado además porque la estructura de control de fluencia es un canal que incluye boro, hierro, hafnio, gadolinio, cadmio, o las combinaciones de cualquiera de los mismos.
18. Un núcleo para un reactor nuclear, en donde el núcleo comprende: una pluralidad de ensambles de combustible nuclear; y el ensamble de combustible nuclear de fluencia controlada de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado además porque está posicionado en una orilla del núcleo.
19. El núcleo de conformidad con la reivindicación 18, caracterizado además porque el núcleo es cilindrico, y en donde el ensamble de combustible nuclear de fluencia controlada está posicionado en un perímetro más exterior del núcleo, y en donde la estructura de control de fluencia está posicionada en el perímetro.
20. El núcleo de conformidad con la reivindicación 19, caracterizado además porque comprende adicionalmente: una pluralidad de los ensambles de combustible nuclear de fluencia controlada posicionada en el perímetro más exterior, en donde la pluralidad de los ensambles de combustible nuclear de fluencia controlada tiene un combustible de menor reactividad que la pluralidad de ensambles de combustible nuclear.
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