Modelo de Gestión Automática de Combustible para la Central Nuclear ATUCHA II con el Código PUMA IV

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1 Simposio LAS/ANS 2007 / 2007 LAS/ANS Symposium XVIII Congreso Anual de la SNM / XVIII SNM Annual Meeting XXV Reunión Anual de la SMSR / XXV SMSR Annual Meeting Copatrocinado por la AMEE / Co-sponsored by AMEE Cancún, Quintana Roo, MÉXICO, del 1 al 5 de Julio 2007 / Cancún, Quintana Roo, MEXICO, July 1-5, 2007 Modelo de Gestión Automática de Combustible para la Central Nuclear ATUCHA II con el Código PUMA IV Marconi Giglio, Javier F. - Tarazaga, Ariel E. - Romero, Luis D. Comisión Nacional de Energía Atómica (Argentina) Av. Gral. Paz 1499 San Martín-Bs. As.-Argentina marconi@cnea.gov.ar; tarazaga@cnea.gov.ar; lromero@cnea.gov.ar Resumen La central ATUCHA II es una central de agua pesada y uranio natural. Por dicho motivo y debido al bajo exceso de reactividad que tienen este tipo de reactores, es necesario realizar una gestión de combustible continua y con la central en potencia (para el caso de ATUCHA II cada 0.7 días aproximadamente). Para mantener en funcionamiento estas centrales y lograr una buena economía de combustibles, se prueban diferentes tipos de gestiones de combustibles que incluyen zonas y caminos donde los combustibles se desplazan dentro del núcleo; es necesario probar la gran mayoría de estas gestiones en períodos largos a fin de corroborar el comportamiento de la central y el quemado de extracción de los elementos combustibles. Para realizar este trabajo resulta de gran ayuda que un programa implemente los criterios a seguir en cada recambio, utilizando los caminos y zonas de cada tipo de gestión a probar, y así obtener como resultados el cumplimiento en el tiempo de las regulaciones y el quemado promedio de extracción de los elementos combustibles, siendo fundamental este último dato para la empresa operadora de la central. Para realizar el trabajo anterior es necesario que un físico con experiencia en gestión de combustible pruebe cada una de las posibles gestiones, aún aquellas que pueden rápidamente descartarse si no cumplen con las normas regulatorias o poseen un quemado de extracción promedio demasiado bajo. Para esto es de fundamental ayuda que con un modelo automático se prueben las diferentes gestiones y por último el físico analice los casos más importantes. El modelo en cuestión no sólo permite programar distintos tipos de caminos y zonas de gestión de combustible, sino que también prevé la posibilidad de desactivar alguno de los criterios. 1. INTRODUCCIÓN La central ATUCHA II es una central de agua pesada y uranio natural (actualmente en construcción), con una potencia térmica aproximada de 2175 MWth y una potencia eléctrica neta al sistema de 692 MW. Es un reactor del tipo recipiente de presión, que aloja los canales combustibles y el tanque del moderador; aunque físicamente no están aislados el sistema primario y el moderador se encuentran a diferentes temperaturas pero a la misma presión. El sistema primario como el moderador se encuentra a una presión de 115 bares, la temperatura del Memorias CIC Cancún 2007 en CDROM 81 Proceedings IJM Cancun 2007 on CDROM

2 Marconi Giglio Javier F. et al, Modelo de Gestión Automática de Combustible para la Central Nuclear ATUCHA II con código PUMA IV sistema primario es de 300 ºC en promedio mientras que el moderador se encuentra a 260 ºC. La central posee 2 bombas principales y 2 generadores de vapor, las bombas principales tienen un caudal nominal de 5150 kg/s. El núcleo de la central está compuesto por 451 canales combustibles y 18 barras de control, con una carga total de uranio de 85 toneladas y una longitud activa de los elementos combustibles de 5,30 m. Cada canal combustible posee 36 barras combustibles compuestas de dióxido de uranio en forma de pastillas cilíndricas con un diámetro de 12.9 mm. Debido al bajo exceso de reactividad que tienen los reactores de uranio natural es necesario realizar movimiento y cambio de combustibles en forma continua y con la central en potencia; para el caso de ATUCHA II cada 0.7 días aproximadamente de acuerdo al tipo de gestión prevista y al quemado de extracción de los elementos combustibles, siendo este último del orden de los 7800 MW-día/Ton U. Para mantener en funcionamiento estas centrales y lograr una buena economía de combustibles, se prueban diferentes tipos de gestiones de combustibles que incluyen zonas y caminos donde los combustibles se desplazan dentro del núcleo, hasta alcanzar determinados anillos donde se los extrae. Es necesario probar la gran mayoría de estas gestiones en períodos largos a fin de corroborar el comportamiento de la central y el quemado de extracción de los elementos combustibles. Una vez realizada esta comprobación se extraen las gestiones que poseen el mejor comportamiento descartando aquellas que no cumplen los criterios regulatorios, para que el físico analice y determine la mejor gestión a usar en la Central. Para confeccionar este modelo se tuvieron en cuenta fundamentalmente los criterios usados habitualmente por los especialistas en el tema. Dichos criterios se enuncian y explican con detalle en el siguiente apartado. El modelo prevé ser usado tanto con 4 regiones por canal, como con 16 regiones por canal, como parte integral del modelo de ATUCHA II para el código PUMA IV. Durante la ejecución no se consideran movimientos de barras, estas se encuentran en la posición fijada por defecto por el usuario. En general esta posición está vinculada a la reactividad de reserva prefijada. El modelo tiene en cuenta que la existencia de una reactividad mínima antes de que se decida realizar un recambio. Por otro lado el modelo prevé la posibilidad de que luego de la operación de recambio, si la reactividad no alcanza un valor prefijado, se continúe con otro recambio. El modelo cuenta con rutinas que permiten partir desde un núcleo promediado de equilibrio, y tomando los caminos y zonas de recambio grabadas en los archivos de PUMA IV, permiten generar una gestión de combustible que mantenga las condiciones de reactividad y criterios solicitados por el usuario. Se espera como mínimo la existencia de dos zonas para cada camino, así como también que ninguna zona de un camino comparta elementos con alguna zona de otro camino. Se espera igual cantidad de zonas por camino, no aceptando caminos con más zonas que otros. El modelo prevé la posibilidad de seleccionar diferentes cantidades de candidatos para recambios en cada zona. Memorias CIC Cancún 2007 en CDROM 82 Proceedings IJM Cancun 2007 on CDROM

3 Congreso Internacional Conjunto Cancún 2007 / International Joint Meeting Cancun 2007 Para los modelos geométricos referirse al informe CNEA.C.RCN.ITE.186 [1], y para las tablas y secciones eficaces incrementales usadas referirse a los informes de celda de NASA [2]. Para la confección del modelo se usó la versión de PUMA IV. Las secciones eficaces incrementales para las barras de control se extrajeron de la [3]. El esquema de perturbaciones usadas corresponde al informe CNEA.C.RCN.ITE.186 [1]. Las secciones eficaces en función del quemado se detallan en la referencia [4]. El núcleo de equilibrio desde el cual parte la simulación pertenece a la referencia [5]. Los criterios seguidos para el modelo automático se detallan en el apartado siguiente y en referencia [6]. 2. CRITERIOS Los criterios para la selección de canales aportados por el especialista en la materia [6] fueron los siguientes: Máximo quemado de extracción y de traslado dentro del camino y zona. Tener en cuenta las restricciones de potencia de canal para las zonas hidráulicas. Detectores Ficticios, que tienen en cuenta los recambios recientes a fin de no superar las potencias locales. Definir sectores que tengan en cuenta diferencia de potencias respecto de otros para mejorar el factor de forma del núcleo. Observancia de la reglas para evitar las fallas por el efecto PCI (interacción pastilla vaina). En el caso del quemado máximo, el modelo busca los canales con el mayor quemado de cada zona, seleccionando una cantidad de ellos para efectuar el resto de los cálculos y determinar así el recambio a utilizar en cada operación. En cuanto a la restricción de potencias de cada zona hidráulica, el modelo tiene en cuenta las potencias máximas admisibles para cada una de las 5 zonas hidráulicas de la Central Nuclear ATUCHA II; aunque esta cantidad de zonas puede modificarse dentro del programa. El uso de Detectores Ficticios hace una verificación de los canales que recientemente se cambiaron para evitar que el nuevo combustible se coloque en las cercanías de estos canales. Se definió como sector un conjunto de canales contenidos en un sexto del reactor definido por un ángulo de 60 grados. El uso de sextos permite ver si una zona del reactor aumenta su potencia con respecto a otra, pudiendo evitar así que diferentes zonas del reactor se alejen demasiado unas de las otras, creando en consecuencia excesos de potencias localizadas que rotarían acimutalmente en el reactor con una frecuencia característica. Memorias CIC Cancún 2007 en CDROM 83 Proceedings IJM Cancún 2007 on CDROM

4 Marconi Giglio Javier F. et al, Modelo de Gestión Automática de Combustible para la Central Nuclear ATUCHA II con código PUMA IV Por último el criterio de interacción pastilla - vaina se ejecuta de acuerdo con lo expresado en el informe de Dusch - Von Jan [7] teniendo en cuenta tanto el incremento de la potencia como la potencia máxima admitida en función del quemado. 3. DESCRIPCION GENERAL DEL MODELO Todas las rutinas y configuraciones necesarias para correr la gestión de combustible a partir de un núcleo de equilibrio están incluidas en los archivos CONTROL.QUE y PROCESAR.AXY. A su vez estos archivos generan un tercero, PARAR.QUE, necesario para recomenzar cualquier corrida luego de terminada la misma, o para cambiar algunos parámetro en tiempo de ejecución del programa. El archivo a partir del cual debe iniciarse la ejecución del programa es PROCESAR.AXY. En este archivo deben configurarse la totalidad de las variables necesarias para el caso a correr. Como puede apreciarse en la Figura 1 el modelo realiza un procedimiento cíclico en el cual quema los combustibles, y procede al recambio de los mismos hasta alcanzar cualquiera de las siguientes tres condiciones: Cantidad de combustibles cambiados igual o mayor que la solicitada. Tiempo de evolución del modelo igual o mayor que el solicitado. Orden de PARAR en el archivo PARAR.QUE. Inicio Definición de variables No No Quema Si Cantidad de combustibles cambiados mayor que la seleccionada Paso actual mayor que cantidad de pasos Si Fin Cambia combustible Reactividad mayor que la reactividad para recambio No Si Figura 1. Diagrama de flujo general del modelo de gestión automática Memorias CIC Cancún 2007 en CDROM 84 Proceedings IJM Cancun 2007 on CDROM

5 Congreso Internacional Conjunto Cancún 2007 / International Joint Meeting Cancun 2007 En cada paso de quemado y verificación de la necesidad de recambio el programa imprime un renglón en las salidas secuenciales, de acuerdo a las solicitadas por el usuario, a fin de poder reconstruir los estados intermedios para ser interpretados por un especialista en el tema. Dentro del proceso de recambio de combustibles el programa sigue una serie de pasos para determinar el mejor candidato al recambio según se puede observar en la Figura 2. En este proceso el programa usa los criterios solicitados por el usuario ordenando los combustibles candidatos de acuerdo al quemado de salida. Para ello elige una cantidad variable de combustibles de salida (ver variable de sistema nzona, primer elemento) y una cantidad también variable de combustibles de pasaje (ver el elemento 2 de la misma variable). Con todos los canales así encontrados ejecuta, para cada camino, una rutina de burbujeo que ordena los combustibles por quemado de salida, y dentro de este ordenamiento a su vez por quemado de pasaje. Cada uno de estos candidatos es probado hasta encontrar aquel que cumple con todas las condiciones para el recambio, continuando luego el proceso tal como se muestra en la Figura 2. Cambia Combustible Ordena los canales por quemado Verifica la no existencia de cambios recientes Verifica si el sexto no posee sobrepotencia Prueba un cambio No Verifica potencia y PCI Si Realiza el cambio Figura 2. Rutina de Cambio de Combustible 4. SALIDAS El modelo prepara varias salidas que permiten visualizar el estado de la gestión automática. Otra característica que presenta el modelo, es que permite agregar una serie de caracteres a los nombres de los archivos de salida, para poder distinguir así las salidas de los diferentes casos Memorias CIC Cancún 2007 en CDROM 85 Proceedings IJM Cancún 2007 on CDROM

6 Marconi Giglio Javier F. et al, Modelo de Gestión Automática de Combustible para la Central Nuclear ATUCHA II con código PUMA IV corridos. Para tal fin se debe cargar el nombre en la variable CasoCorrido. Cabe aclarar que la extensión de todos los archivos de salida es.csv, lo que permite que sean compatibles con Microsoft EXCEL o cualquier planilla de cálculo Descripción general de las salidas GESTION.TXT: Guarda los datos correspondientes de todos los cambios de combustibles que se hacen. Los datos guardados son los siguientes: Tiempo [días] en que se realiza el cambio. Camino elegido. Posición de los elementos que participan del recambio. Potencias totales [MW] de cada canal que participa del recambio antes y después de la operación. GLOBAL.TXT: Muestra los parámetros globales en cada paso de cálculo, imprimiendo los siguientes parámetros Tiempo [días] del paso de cálculo. Reactividad [mk]. Factor de forma. Potencia del canal más caliente del reactor [MW]. Canal correspondiente a la situación anterior. Potencia lineal del trozo más caliente del reactor [W/cm]. Canal correspondiente a la situación anterior. Trozo del canal anterior en que se produce la potencia lineal máxima. Quemado medio del núcleo [MW-Día / Ton U]. ZONAS.TXT: Muestra los parámetros globales del reactor por zonas termohidráulicas y zonas de quemado. Imprime los siguientes parámetros: Tiempo [días] del paso de cálculo. Para cada zona hidráulica: - Canal más caliente. - Potencia del canal [MW]. Para cada camino, y dentro de cada camino, cada zona de quemado, el quemado medio correspondiente [MW-Día / Ton U]. POTS.TXT: Muestra en cada paso de cálculo la distribución de potencias por canales y trozos para todo el reactor [MW]. QUEM.TXT: Muestra en cada paso de cálculo la distribución de quemados por canales y trozos [MW-Día / Ton U]. Existe además el archivo general SALIDA de PUMA IV donde se guarda toda la información que envía el modelo a la salida, como así los mensajes de error. Memorias CIC Cancún 2007 en CDROM 86 Proceedings IJM Cancun 2007 on CDROM

7 Congreso Internacional Conjunto Cancún 2007 / International Joint Meeting Cancun EJEMPLOS DE APLICACIÓN A fin de verificar el comportamiento del modelo se corrieron tres casos como ejemplo. En dos de ellos se usaron todos los criterios de gestión activos con la única diferencia entre ambos del uso de un modelo de 4 regiones por canal en uno de ellos (Caso I) y de 16 regiones por canal en el otro (Caso II). Para estos dos casos se realizó una gestión de 700 días. En el tercer caso corrido (Caso III) se deshabilitó el criterio de detectores ficticios y se partió desde un núcleo de equilibrio luego de una gestión de 400 días, a fin de homogeneizar los quemados y evitar la distribución inicial determinada en forma aleatoria. Para este último caso se realizó una gestión de 500 días. En todos los casos se han usado las variables de impresión en la condición de verdad a fin de obtener las subsecuentes salidas. Por otro lado, en un cálculo estático, se determinó la reactividad de equilibrio del núcleo en pcm. Con dicha reactividad se tomó 5 pcm por debajo como reactividad a insertar en un recambio y 5 pcm por encima como reactividad mínima esperada luego del recambio. Con estos valores se configuraron las variables ROMinimoDespues y ROMedio. Se dio un valor importante a la cantidad de elementos extraídos para que el programa termine su ejecución solo por tiempo (MaxExtraidos). Se adoptó un paso de un tercio de día para ajustes de flujo y quemado (paso). No se aceptaron sobrepotencias por lo tanto a DeltaPot se le asignó un valor de 1.0. Se determinó como óptima una variación de potencia media entre sextos del 1 por ciento (MAXDEV). La cantidad de caminos del modelo fue 3 y la cantidad de zonas 2 (NumCaminos y NumZonas). De cada zona de recambio se tomaron 3 elementos como candidatos para recambio (nzona). Las tablas fueron dadas con una energía por fisión de 1.0 ev/fisión (EFision) (Esto significa que la energía de fisión fue incluida en las tablas de secciones eficaces dentro del programa). Se asignó una posición normal de barras de 80% para el banco G10, 60% para el banco G20, 40% para el banco G30 y 15% para el banco S10 (PosBarras). La configuración de variables usada para cada caso se detalla en los siguientes apartados. En el presente trabajo solo se presentará el Caso III. Memorias CIC Cancún 2007 en CDROM 87 Proceedings IJM Cancún 2007 on CDROM

8 Marconi Giglio Javier F. et al, Modelo de Gestión Automática de Combustible para la Central Nuclear ATUCHA II con código PUMA IV 5.1. CASO III: Criterio de Detectores Ficticios desactivado y 4 regiones por canal Este caso se corrió sobre un modelo de 4 regiones por canal activando todos los criterios excepto el de Detectores Ficticios, y realizando una corrida primaria de 300 días a fin de homogeneizar el núcleo, para evitar las fluctuaciones producidas por la primera distribución aleatoria del núcleo de equilibrio. Posteriormente se analiza nueva corrida de 500 días. Estas fluctuaciones se deben a que para calcular el núcleo de equilibrio se usó un programa que selecciona los cambios al azar. 6. RESULTADOS En la Figura 3 se observa el quemado de salida del camino 1, y puede verse que se encuentra dentro de los parámetros normales. También se observa que la pendiente de la línea de tendencia es positiva debido principalmente al comportamiento cíclico del quemado de salida. Aquí puede verse que el quemado promedio de salida de este camino, se sitúa en el orden de los 8000 MW-D/Ton U, valor esperado de acuerdo con los resultados del TIME AVERAGE de PUMA IV. Este mismo comportamiento se nota en el quemado de pasaje promedio que está en el orden de 3025 MW-D/Ton U, valor también consistente con los 2958 MW-D/Ton U que resultan del correspondiente TIME AVERAGE de PUMA IV. También se observó que la frecuencia de recambio para este camino se ubica en días, valor consistente con el valor del TIME AVERAGE de PUMA IV de días. Quemado de Salida Quemado de Salida Lineal ( Quemado de Salida) Tiempo [Días] Quemado [MW-Día/Ton U] Figura 3. Quemado de salida del camino 1 caso III. Memorias CIC Cancún 2007 en CDROM 88 Proceedings IJM Cancun 2007 on CDROM

9 Congreso Internacional Conjunto Cancún 2007 / International Joint Meeting Cancun 2007 En la Figura 4 se observa el quemado de salida del camino 2, resultando este también con valores aceptables de acuerdo con la simulación. Aquí puede verse que el quemado promedio de salida de este camino, al igual que el anterior, se sitúa en el orden de los 8000 MW-D/Ton U, valor esperado de acuerdo con los resultados del TIME AVERAGE de PUMA IV. Este mismo comportamiento se nota en el quemado de pasaje promedio que está en el orden de 3775 MW-D/Ton U, valor también consistente con los 3737 MW-D/Ton U resultantes del correspondiente TIME AVERAGE de PUMA IV. También se observó que la frecuencia de recambio para este camino se ubica en días, valor consistente con el valor del TIME AVERAGE de PUMA IV de días. Quemado de Salida Quemado de Salida Lineal ( Quemado de Salida) 8300 Tiempo [Días] Quemado [MW-Día/Ton U] Figura 4. Quemado de salida del camino 2 caso III. En la Figura 5 se observa el quemado de salida del camino 3. En este caso se puede apreciar una singularidad debida al núcleo de equilibrio original que fue determinado al azar, llegando el quemado a valores consistentes con la simulación. También puede verse que el quemado promedio de salida de este camino, al igual que el anterior, se sitúa en el orden de los 8000 MW-D/Ton U, valor esperado de acuerdo con los resultados del TIME AVERAGE de PUMA IV. Este mismo comportamiento se nota en el quemado de pasaje promedio que está en el orden de 5420 MW-D/Ton U, valor también consistente con los 5523 MW-D/Ton U resultantes del correspondiente TIME AVERAGE de PUMA IV. Asimismo se observó que la frecuencia de recambio para este camino se ubica en días, igual valor que en el TIME AVERAGE de PUMA IV. Memorias CIC Cancún 2007 en CDROM 89 Proceedings IJM Cancún 2007 on CDROM

10 Marconi Giglio Javier F. et al, Modelo de Gestión Automática de Combustible para la Central Nuclear ATUCHA II con código PUMA IV En la Figura 6 puede observarse el quemado medio del núcleo también consistente con el resto de los quemados de salida de los caminos por separado. Este quemado medio tiene una tendencia positiva que proviene del comportamiento cíclico del quemado. Quemado de Salida Quemado de Salida Lineal ( Quemado de Salida) 8300 Tiempo [Días] Quemado [MW-Día/Ton U] Figura 5. Quemado de salida del camino 3 caso III. Quemado Medio del Núcleo Quemado Medio Lineal ( Quemado Medio) 4260 Tiempo [Días] Quemado [MW-Día/Ton U] Figura 6. Quemado medio del núcleo caso III. Memorias CIC Cancún 2007 en CDROM 90 Proceedings IJM Cancun 2007 on CDROM

11 Congreso Internacional Conjunto Cancún 2007 / International Joint Meeting Cancun CONCLUSIONES De acuerdo con las simulaciones realizadas el modelo representa razonablemente bien una gestión típica de combustible, resultando por tanto adecuado para las simulaciones de gestión de combustible de acuerdo a las condiciones planteadas. En los resultados se puede apreciar que existe una leve diferencia en los quemados de salidas, entre los modelos de 4 regiones por canal y de 16 regiones por canal, debida principalmente a una mejor discretización y por ende a una menor fluctuación numérica típica del cálculo. También se pudieron observar algunas singularidades de quemado de salida en el camino 3 al utilizar todos los criterios activos. En las pruebas realizadas desactivando el criterio de Detectores Ficticios, dichas singularidades se reducen notablemente. Se considera que puede resultar de utilidad, realizar en el futuro una comparación entre los resultados obtenidos con este modelo y los resultados provenientes de una gestión de combustible manual. Se entiende que el modelo desarrollado puede extenderse a núcleos similares (ATUCHA I) con adaptaciones menores relacionadas con el modelo de núcleo correspondiente. AGRADECIMIENTOS Al departamento de Reactores y Centrales Nucleares del Centro Atómico Constituyentes de la Comisión Nacional de Energía Atómica, y Nucleoeléctrica Argentina S.A. REFERENCIAS 1. Elaboration of updated neutronic calculation models for ATUCHA I and ATUCHA II with PUMA 4 and DELFIN, J. Marconi C. Grant, Rev 1, Marzo 2006, CNEA.C.RCN.ITE Revision of the reactor physics calculation methodology for ATUCHA II. Comparison of supercell calculations between DRAGON and MCNP. Calculation of incremental cross sections for ATUCHA I and ATUCHA II, R. Mollerach, report in publication 3. Revision of the reactor physics calculation methodology for ATUCHA II Part I. Comparison of supercell calculations between DRAGON and MCNP. Calculation of incremental cross sections for ATUCHA I and ATUCHA II, R. Mollerach, F. Leszczynski, J. Fink report in publication. 4. Revision of the Reactor Physics Calculation Programs and Models used for the ATUCHA II Plant. Part 2: Models, Results and Benchmark Comparisons of Representative Core Problems and Main Conclusions, R. Mollerach, O. Serra, C. Grant, F. Leszczynski and J. Fink, NASA report in publication. Memorias CIC Cancún 2007 en CDROM 91 Proceedings IJM Cancún 2007 on CDROM

12 Marconi Giglio Javier F. et al, Modelo de Gestión Automática de Combustible para la Central Nuclear ATUCHA II con código PUMA IV 5. Comunicación personal. Núcleo de equilibrio determinado a partir de una configuración aleatoria de quemados, Manabu Higa, NASA, Junio Minuta de reunión Manabu Higa Javier Marconi 17 de mayo ATUCHA I: Recomendaciones operativas para reducir el riesgo de fallas por PCI en los elementos combustibles., Dusch Von Jan, junio 1980, ENACE. B11/R122/86/80. Memorias CIC Cancún 2007 en CDROM 92 Proceedings IJM Cancun 2007 on CDROM