20-05 OPTIMIZACIÓN DE CONFIGURACIONES DE ÓXIDO DE GADOLINIO EN REACTORES PWR

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1 20-05 OPTIMIZACIÓN DE CONFIGURACIONES DE ÓXIDO DE GADOLINIO EN REACTORES PWR P. A. Melgar 1, J. Vicente 1, C. Ahnert 2 1 ENUSA Industrias Avanzadas S.A. 2 Departamento de Ingeniería Nuclear, ETSI de Industriales, UPM 1. INTRODUCCIÓN En los esquemas de bajas fugas de la mayoría de los núcleos de los reactores PWR viene siendo común el uso de absorbentesneutrónicos consumibles para I)el control eficaz de los factores de canal caliente,ii) la reducción de la concentración crítica de boro inicial y III)la reducción del coeficiente de temperatura del moderador (CTM).Una de las posibles opciones que se consideran, y que ha sido objeto de estudio en este proyecto, es el empleo de absorbentes neutrónicos integrados enla propia pastilla combustible, como el óxido de gadolinio (Gd 2 O 3 ). El empleo del gadolinio como absorbente neutrónico integrado, con la posibilidad de utilizar distintas concentraciones en un mismo elemento (baja y alta concentración), así como distintas configuraciones de barras de gadolinio dentro deun mismo elemento, se adapta perfectamente a los requerimientos de los diseños actuales de los 5 PWR españoles de diseño Westinghouse. En esta ponencia se resumen los trabajos realizados y los resultados obtenidos dentro del proyecto de Optimización de las configuraciones de gadolinio para combustible PWR (Ref.1), llevado a cabo en ENUSA Industrias Avanzadas S.A. con la colaboración del Departamento de Ingeniería Nuclear de la ETSII-UPM. 2. OBJETIVO DEL PROYECTO A corto plazo, el objetivo principal del proyecto consistió en determinar, a partir de cada uno de los tipos de configuraciones más comúnmente empleadas por los reactores PWR españoles de diseño Westinghouse,la distribución óptima en el elemento combustible de las barritas con gadolinio, utilizando como criterio para la optimización una reducción significativa de los factores de picopor barrita (FPB) del elemento a lo largo de su operación en el núcleo. Como objetivo final a medio plazo, a partir de las configuraciones optimizadas, este proyecto pretende abrir un camino para el establecimiento de un catálogo reducido de configuraciones de gadolinio estándar, que sean empleadas y compartidas por los reactores 17x17 PWR españoles. 3. PROCESO DE OPTIMIZACIÓN El proceso desarrollado para la determinación de las configuraciones óptimas se ha basado en el empleo de las herramientas del sistema de diseño nuclear de Westinghouse APA (ALPHA/PHOENIX-P/ANC).

2 El primer paso del proceso de optimización se lleva a cabo a nivel de elemento combustible, a partir de los resultados de cálculos realizados con el código de transporte neutrónico PHOENIX-P. Estos cálculos se realizan empleando geometría bidimensional con simetría reflectiva en las cuatro caras del elemento combustible que se simula. Como se ha apuntado anteriormente, el parámetro significativo para el proceso de optimización es el factor de pico por barrita (FPB) o relación pico/media de la distribución de potencia en el elemento combustible, a lo largo de su operación en el núcleo. En un segundo paso, para las mejores configuraciones identificadas en los cálculos de elemento combustible, se comprueba con cálculos de núcleode esquemas de recarga reales realizados con el simulador nodal 3D ANC, que la mejora en los factores de pico obtenida en los cálculos de elemento combustible es plenamente extrapolable a los correspondientes parámetros a nivel de núcleo, verificando a la vez el cumplimiento, e incluso la posible flexibilización, de los criterios de diseño siguientes: Control eficaz de la reactividad (boro crítico y CTM) y de los factores de canal caliente (F Q y F H ). Minimizar la interacción (competencia) del gadolinio con el absorbente de las barras de control. Minimización del apantallamiento neutrónico en posiciones adyacentes a los tubos de instrumentación. En la Ref.1 y en la Fig. 1., se recoge de forma detallada el proceso de optimización llevado a cabo en este estudio, así como una buena parte de los resultados que se muestran en esta ponencia. Fig. 1. Diagrama del proceso de optimización a nivel de elemento empleado en los análisis con PHOENIX-P. De manera resumida, las premisas del proceso consisten en obtener configuraciones de gadolinio de alta y baja concentración que den lugar a factores de pico más reducidos

3 durante la mayor parte del ciclo, en comparación con las actuales configuraciones de referencia y sin alterar sustancialmente la reactividad de las mismas. Aquellas configuraciones que cumplan dichas condiciones, pasan a ser consideradas como potencialmente óptimas, y se procede a verificar su validez a nivel de núcleo, insertándolas en un esquema de recarga real. Merece la pena hacer mención al criterio de restricción del impacto producido por las nuevas configuraciones en la reactividad del elemento combustible. Con esta medida se pretende aislar el efecto de la optimización producida por la redistribución de las barras de gadolinio en el elemento combustible. En caso contrario, un impacto apreciable en la reactividad del elemento combustible podría dar lugar a una redistribución de potencia dentro del propio núcleo, que podría llegar a enmascarar la reducción buscada en los factores de pico del núcleo en el que se ensayan las configuraciones optimizadas. En posteriores investigaciones, este criterio restrictivo se podrá relajar, buscando configuraciones que optimicen no sólo el factor de pico por barrita sino también la reactividad del elemento combustible. Por ejemplo, reduciendo la reactividad inicial (control de la concentración de boro inicial y/o CTM) y/o reduciendo la penalización residual del veneno a final de vida. 4. RESULTADOS DEL PROCESO Como punto de partida se han evaluadodistintas configuraciones de referencia, seleccionadasde entre las configuraciones de gadolinio actualmente en uso en los diseños de ENUSA.A partir de ellas, se ha modificado la distribución de las barras de gadolinio y, siguiendo el proceso de optimización en dos pasos descrito en el apartado anterior, se han obtenido 10configuraciones optimizadas con distinto número total de barras y a la vez con distinto número de barras de gadolinio, enriquecidas al 3% y al 8%: 1-4 barras: G barras: G barras: G1600 y G barras: G1604 y G barras: G1608 y G barras: G1612 y G2008. En los cálculos realizados a nivel de elemento combustible, para las configuraciones seleccionadas, los factores de pico obtenidos quedan por debajo de los valores correspondientes a las configuraciones de referencia durantela mayor parte del ciclo de vida, manteniendo satisfactoriamente sus reactividades dentro de una banda de aceptación entorno a las reactividades correspondientes a dichas configuraciones. Una de las principales características que definen a las configuraciones optimizadas es la inserción de barras de gadolinio de alta concentración (8%) en posiciones frontalmente adyacentes a tubos guía. Esta disposición, que actualmente sólo se estaba empleando para las barras de gadolinio de baja concentración, se ha revelado como uno de los 1 La nomenclatura GXXYY define que el elemento combustible lleva una distribución con XX barras de gadolinio al 3% e YY barras al 8%.

4 factores decisivos para la mejoría en el comportamiento de los factores de pico por barrita. A continuación, en la Fig. 2., se muestra un ejemplo de una de las configuraciones optimizadas obtenidas en este estudio junto con su correspondienteconfiguración de referencia: REFERENCIA OPTIMIZADA G1612 Fig. 2.Configuración de referencia y optimizada de 28 barras de gadolinio (16 barras al 3% de gadolinioy 12 al 8%). En azul barras de combustible con óxido de gadolinio al 3% y en rojo al 8% (Ref. 1). Para ilustrar un ejemplo de los resultados obtenidos, particularizados en la anterior configuración, se presenta la Fig. 3, que muestra por un lado a) el factor de pico por barrita de la configuración G1612 optimizada,contrastada con la de la configuración de referencia (G1612A), y por otro lado b)la curva de la diferencia entre las reactividades de ambos elementos, y cómo se mantiene dentro de una banda de aceptación de ±100 pcm en torno a la reactividad de la configuración de referencia. a) b) Fig. 3.a)Evolución con el quemado a nivel de elemento del factor de pico de las configuraciones de referencia y optimizada; b) curva que representa la diferencia de reactividades entre las configuraciones de referencia y optimizados. (Ref. 1)

5 Para comprobar que las nuevas distribuciones optimizadas se adaptan a los criterios de diseño, se han realizado a nivel de núcleo,en esquemas de recarga realistas, los siguientes tres ensayos: Determinación de los factores de canal caliente F Q y F H. Determinación del valor de bancos de control y margen de parada. Comprobación de las potencialespenalizaciones al DNBR (DeparturefromNucleateBoiling Ratio) de las nuevas configuraciones. En el primer ensayo se verifica que el objetivo de reducciónde los factores de pico y F H se consigue a lo largo de todo el ciclo, o al menos durante la mayor parte del mismo, ganando márgenes con respecto a los límites de diseño.a modo de ejemplo, en la Fig. 4 se muestran los resultados obtenidos en un caso con dos configuraciones de gadolinio optimizadas: a) b) Fig. 4. Evoluciones de los factores de canal caliente, en los que se comparan los valores de referencia y optimizados junto con los límites de diseño(ref.1). Debido a que las barras de combustible con gadolinio de alta concentración se sitúan, en algunos casos,en posiciones frontalmente adyacentes a tubos guía,ha sido necesario comprobar que no entran en competencia excesiva con el absorbente neutrónico de los bancos de control. Para ello, se determinó si el valor acumulado de bancos de control y parada se veía afectado por la competencia entrelos dos materiales absorbentes para distintos momentos del ciclo. El momento del ciclo en el que se obtiene un mayor impacto se produce cerca del final de vida (a MWd/MTM). Los valores obtenidos, que se muestran en la tabla de la Fig. 5.,demuestran que el valor total de los bancos de control y parada se diferencia en mucho menos de un ±1%con respecto al valor de bancos calculado utilizando las configuraciones de referencia.

6 Fig.5. Valor acumulado de bancos del núcleo con configuraciones de referencia y optimizadas, junto con el error relativo entre ambos casos. Finalmente, como las configuraciones optimizadas son distintas de las que se han venido utilizando en el diseño de recargas, se ha determinado la penalización por DNBR de las nuevas configuraciones. En este ensayo se obtuvo una penalización del 3%, queestá dentro en el orden habitual de penalización que se obtiene con las configuraciones de referencia empleadas en las plantas españolas, entre un 3-5%. Además de los resultados anteriores, en las comparaciones realizadas frente a los resultados de las configuraciones/ciclos de referencia, se ha comprobado que las configuraciones optimizadas no afectan negativamente a otros parámetros de interés: asimetría axial, valores de boro, etc. Estos últimos parámetros se presentan en las Fig. 6 a y b: a) b) Fig. 6.a) Diferencias en ppm de boro y b) asimetrías axiales de los casos de referencia y optimizado. En base a los resultados obtenidos, tanto a nivel de elementocombustible como a nivel de núcleo, las configuraciones anteriormente analizadas pueden considerarse optimizadas para el uso en los diseños actuales de los 17x17 PWR españoles. 5. CONCLUSIONES El proceso de optimización llevado a cabo consiguió determinar, a nivel de elemento combustible,un conjunto de distribuciones potencialmente óptimas para cada uno de los tipos de configuraciones de gadolinio analizados.

7 Los resultados obtenidos en las pruebas a las que se han sometido dichas configuraciones dentro de núcleos realeshan confirmado que los beneficios identificados a nivel de elemento combustible se mantienen, o incluso mejoran,en un esquema de recarga real. En primer lugar, disponer de valores más reducidos def H supone una ganancia de márgenes con respecto alos límites de diseño que se puede traducir en la obtención de diferentes ventajas operativas. Por ejemplo, un valor menor del factor entálpicof H permite reducir las exigencias termomecánicas a las que se encuentran sometidas las barras combustibles, mejorando sus prestaciones; alternativamente, dicha reducción puede permitirla ampliación de las ventanas de quemado del final de vida del ciclo previo, con la consiguiente mejoría de la flexibilidad operativa para los clientes. En segundo lugar, en cuanto al factor de flujo caloríficof Q, disponer de un valor más bajo, sobre todo a final de vida, permite ganar márgenes respecto a transitorios de accidente a plena potencia que pueden llegar ser limitantes en el Análisis de Seguridad de la recarga. Adicionalmente, se ha comprobado que las configuraciones optimizadas no afectan negativamente a otros parámetros nucleares de interés. Del cálculo del valor de los bancos de control y parada, se hace patente que el efecto combinado de absorción entre el gadolinio y el absorbente de los bancos, al disponer las barras con gadolinio de alta concentración de forma frontal a los tubos guía, no influye de forma significativa sobre el valor final de los bancos, y por tanto sobre el valor del margen de parada. El último de los ensayos, en el que se calculó la penalización al DNBR, mostró que desde el punto de vista termohidráulico las distribuciones optimizadas son aptas, al estar las penalizaciones encontradas dentro del orden habitual de las configuraciones de referencia empleadas en las plantas españolas, del 3 al 5%. Al cierre de este proyecto, se consideran cumplidos los objetivos del mismo con la definición de un proceso de optimización para las configuraciones de gadolinio y la obtención de un primer catálogo de configuraciones optimizadas susceptibles de ser utilizadas en los diseños de los 17x17 PWR españoles. 6. REFERENCIAS 1. "OPTIMIZACIÓN DE CONFIGURACIONES DE ÓXIDO DE GADOLINIO EN REACTORES PWR (Proyecto Fin de Máster depositado por Pedro A. Melgar Santa-Cecilia en la ETSII- UPM, Marzo 2013)".