LonghinoJ. M. DiFRA GIN GAEN CNEA, IB UNCuyo

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1 CÁLCULO DE LOS PARÁMETROS DE IRRADIACIÓN PARA BARRAS COMBUSTIBLES EN EL DISPOSITIVO LOOP DEL RA-10. CONTROL DE POTENCIA POR VENENOS LÍQUIDOS. QUEMADO ESTIMADO DE BARRAS. LonghinoJ. M. DiFRA GIN GAEN CNEA, IB UNCuyo 1 Abstract This paper presents the results of the neutronic calculations of a device placed in the Reflector of the RA-10 reactor. This device is a pressurized Loop, capable of containing an array of power station type-fuel rods, at pressure and temperature conditions similar to those in the power plant. An external, low pressure device provides attached to the LOOP controls the entrant neutron current,allowing the control of the power produced in fuel bars. Two LOOP models were developed, one for Base irradiations long lasting irradiations for burnup accumulation, another for Ramp irradiations inwhich the bars are exposed to cycles of controlled increase in produced power. The calculation code used is MCNP5 with ENDF-B VII libraries, as to achieve detailed transport of neutrons and photons. Both LOOP models were included in the comprehensive model of the nuclear island of RA-10; core, reflector and all facilities planned for the reactor and reflector, obtaining realistic spectra and intensities distributionsfor both radiation fields, as well as related factors, such as deposited energies and reaction rates. The burnup of the fuel bars is performed with COUPLE + ORIGEN-S, with input data from transport calculation. Between the parameters obtained for the both configurationsare: power distribution and peak factors in irradiated fuel bars, with and without power control. Also, the burnuprate, and cumulative burnupup to 36 power cycles of the reactor, the reactivity introduced for the power control device, and deposited power in components, coolant and other materials. 2 Introducción Objetivo El propósito del dispositivo LOOP consiste en la provisión del vehículo para irradiar barras combustibles de reactores de potencia en una posición en el reflector del reactor RA-10, con el objetivo de estudiar su comportamiento. Asímismo, en el mismo se pueden establecer las condiciones de presión, temperatura, y químicas del refrigerante de las centrales nucleares argentinas en operación, en construcción y proyectadas (CNA II en este trabajo, CNAI, CNE, CAREM opwrs comerciales). Dado que el objetivo del dispositivo es el de realizar ensayos a potencias constantes y simulando rampas de potencia, se adosa un dispositivo externo al ámbito de pruebas de Barras Combustibles, el cual provee a demanda la disminución esperada de la fuente externa de neutrones utilizada. Este dispositivo se denomina Sistema de Venenos Líquidos (SVL). Su acción permitirá el manejo de las rampas de potencia en el Modulo de Irradiación de la LOOP, y proveerá las condiciones para un estado de convección natural del dispositivo, aún a plena potencia del reactor. Configuraciones de irradiación Configuración para ensayos a potencia constante ( Base ). La potencia lineal para estos ensayos podrá estar comprendida entre 200W/cm y 500W/cm. Se irradiarán hasta 3 barras. Las barras estarán instrumentadas para la medición de parámetros de interés. Estos ensayos podrán tener tiempo de residencia correspondiente hasta 36 ciclos de plena potencia del reactor. Configuración para irradiaciones a potencia variable ( Rampa ). Las rampas se ejecutarán dentro del rango de potencia lineal de 200W/cm a 600 W/cm.

2 Lasvelocidades mínima y máxima de variación de potencia lineal de la rampa serán de 4 y 100 W/(cm.min) respectivamente. La barra podrá estar instrumentada para la medición de parámetros de interés. Se podrá incluir en este tipo de experiencia, barras sometidas a experiencias del tipo de acumulación de quemado con puntos de detención para realzar las rampas. 3 Materiales y Métodos Modelo de cálculo para parámetros de irradiación El cálculo de transporte de radiaciones se realizó con el código MCNP5 v1.60, utilizando bibliotecas ENDF-B VI y VII. Se incluyeron bibliotecas modificadas las cuales incluyen la generación de fotones de decaimiento de los PF del Uranio. El modelo del dispositivo se halla inserto en un modelo general de la isla nuclear del reactor RA-10, incluyendo núcleo detallado, materiales quemados a BOC del ciclo de equilibrio, barras de control en la posición de crítico correspondiente, dispositivos de irradiación interno al núcleo, tanque reflector y dispositivos de irradiación exteriores al núcleo. Este modelo es utilizado para todas las determinaciones referentes a desempeño y parámetros de Irradiación de dispositivos. La ejecución de cada caso consiste en el cálculo de criticidad del sistema completo, donde se realiza el transporte de partículas en toda la geometría modelada, y en particular hasta alguna zona de interés.se ejecutaron los casos mencionados de los modelos de TQREF con suficiente estadística para que los resultados más relevantes convergieran hasta incertezas 1% a una desviación estándar. Se ejecutaron los casos de cálculo en modo N P (neutrones y fotones), sin cortes en los respectivos rangos de energía, obteniéndose la mejor exactitud disponible para el modelo. (Figura #1) (Figura #2) La geometría del LOOP incluye, entre otras características:barra combustible tipo CNA II con Uranio enriquecido al 7,5% (y hasta 10%); si detalle de las pastillas, ni cambios de densidad en función del enriquecimiento o la temperatura; Refrigeración independiente de los sistemas del reactor;doble envoltura concéntrica de Acero: Tubo de presión y Tubo de seguridad; y encamisado externo al Tubo de seguridad, conformandoun circuito de baja presión utilizado para la circulación de veneno líquido (SVL). El veneno líquido considerado es Ácido Bórico enriquecido en 10 B, para el cual se considera un concentración máxima de ~7000ppm de Boro. (Tabla conteniendo 2 figuras: Figura#3 y Figura#4) Al considerar lo cada configuración de irradiación; Base y Rampa, se establecen elmodelo Base : Consistente en un arreglo triangular de tres Barras combustibles, con un canal de refrigeración ajustado a la forma correspondiente, y el modelo Rampa : Consistente en una única Barra Combustible, con un canal de refrigeración concéntrico. Adicionalmente, cada configuración, se encuentra bajo la acción del SVL en algún estado de envenenamiento. A los fines de simplificar la caracterización de las condiciones extremas de funcionamiento, se estudian los estados del SVL: SVL- Veneno, correspondiente al SVLE con una solución de Acido Bórico enriquecido, a 7000ppm de Boro en la solución, y SVLE-Agua, correspondiente al SVLE con agua pura a temperatura ambiente. Los resultados buscados son; flujo de neutrones a multigrupo, ritmos de fisión de los isótopos físiles, ritmos de activación de los isótopos mayoritarios, potencias depositadas (por neutrón y fotón) y espectros y ritmos de reacción varios para su posterior utilización en el código de quemado. En función de este interés, se establecen tallies en:volumen de pastillas en Barras Combustibles (cada 1 cm, 40 segmentos axiales en zona activa), Vainas de Barras, refrigerante (raiser y downcomer), Tubo de presión, Tubo de seguridad, liquido contenido en el SVL, y otros volúmenes menores.

3 Cálculo de quemado El cálculo de quemado, composiciones e inventario radiactivos se realiza con el código ORIGEN-S, del paquete SCALE El mismo utiliza la aproximación del modelo de expansión exponencial matricial, con constantes físicas de ENDF/B-VII.0 para 2226 radioisótopos producidos en forma habitual por activación, fisión o decaimiento. Las bibliotecas de secciones eficaces de interacción con neutrones a un grupo comprenden 774 isótopos para 23 reacciones posibles. Las mismas incluyen los yields de fisión y potencias medias de fisión para 30 isótopos físiles distintos.estan bibliotecas se generan en forma particular para cada composición inicial mediante el código COUPLE, del mismo paquete Scale. A partir de un espectro neutrónico de usuario a 238 grupos, y de las bibliotecas multigrupo a dilución infinita (JEFF-3.0/A) en la misma estructura de grupos, COUPLE colapsa las mismas a fin de generar un conjunto de secciones eficaces a 1 grupo de energía. Adicionalmente, se proveen valores individuales de sección eficaz a 1 grupo obtenidas desde los resultados del cálculo de transporte MCNP en la geometría detallada, de forma de incluír específicamente el autoapantallamiento presente en el caso de cálculo. Para el cálculo, se consideran hasta 36 ciclos de potencia del reactor, de 30 días de duración a potencia, más dos días sin potencia correspondientes a recambio de combustible. Sólo se calculó el quemado para la configuración Base. El proceso de cálculo de cada paso de quemado se compone de: Cálculo de espectro y ritmos de reacción en combustible (MCNP); construcción de la biblioteca de reacciones específica del paso de quemado (COUPLE); quemado durante 30 días al flujo de cálculo, más dos días sin flujo (ORIGEN-s); obtención de la nueva composición quemada del combustible, y reescritura del material utilizado en el modelo MCNP, para el cálculo del siguiente paso de quemado. Este proceso se sintetiza en la siguiente figura. (Figura #5) 4 Resultados Parámetros de irradiación A continuación se presentan los resultados obtenidos para ambas configuraciones de la LOOP, irradiando Barras tipo CNA2 al 7,5% de enriquecimiento, en el RA-10 con núcleo en composición BOC, crítico. (Tabla #1) (Tabla #2) (Tabla#3) (Tabla sin número, conteniendo dos figuras: Figura#6 y Figura#7) Quemado (Figura#8) (Tabla sin número, conteniendo dos figuras: Figura#9 y Figura#10) 5 Conclusiones Parámetros de irradiación Con los modelos de reactor utilizados en la etapa de ingeniería básica, con detalle en la modelización deldispositivo exterior al núcleoloop, se han caracterizado dos modelos capaces de cumplir los objetivos del dispositivo. En la configuración de ensayo de acumulación de quemado ( Base ), se ha obtenido como resultados de cálculo potencias lineales máximas con combustibles frescos, hasta 510W/cm, con el SVL lleno de agua pura. En caso de inundarse el SVL de veneno, esta potencia lineal disminuye

4 hasta ~150W/cm. Se indica que en función del quemado estas potencias lineales se reducirán, resultando los resultados presentados máximos al enriquecimiento actual. En la configuración de ensayos de rampas de potencia ( Rampa ), se obtiene para condición de SVL con agua una potencia lineal máxima de ~600W/cm; mientras que tras el envenenamiento hasta el valor de diseño del SVL, esta potencia disminuye hasta ~160W/cm. Éste último valor es entonces el mínimo esperable de una rampa de potencia inducida, y el envenenamiento de arranque de dicha configuración.para ambas configuraciones, se verifican los requerimientos enunciados para el dispositivo. La actuación del SVL nunca introduce al reactor reactividades superiores a 130pcm, asumiéndose que es posible caracterizar a la LOOP como experimento móvil en operación. Adicionalmente, bajo la suposición de que la inserción de veneno insume un lapso superior a 13 segundos, se respeta la máxima tasa de inserción de reactividad para este tipo de dispositivos.la disminución total de la potencia lineal máxima debida a la actuación del SVLE es de 440W/cm. A fin de cumplir el requerimiento relacionado a la máxima tasa de cambio de potencia lineal, el envenenamiento del SVL debe implementarse en 4.4 minutos. Se indica que con esta velocidad no se supera el límite de la Guía. Debido a que en los objetivos de diseño del RA10 está prevista la utilización de todos los DEEN, se indica que el modo normal de funcionamiento del SVL esaquel en el cual el líquido circulante es de agua pura. Quemado Se calcularon composiciones y actividades para barras combustibles tipo Atucha-II, quemadas en el espectro del dispositivo DEEN: LOOP del RA10, en configuración Base. Este cálculo se realizó acoplando transporte detallado a nivel reactor con MCNP5, y quemado de los materiales constituyentes con ORIGEN-S. El esquema de cálculo se demostró efectivo, y las actividades calculadas se muestran consistentes con datos previos. Se obtuvieron bibliotecas específicas de esta condición de irradiación, aptas para cálculos de quemado hasta MWd/tonU de la configuración Base, con barras al 7.5% de enriquecimiento. Analizando los resultados obtenidos de ORIGEN, se verifica una disminución paulatina en la potencia generada en Barras Combustibles. Esta disminución alcanza al 14% a fines del ciclo 12do, 29% a fines del ciclo 24to y 41% a fines del ciclo 36to. La utilización del control de potencia brindado por el funcionamiento del SVL podrá lograr irradiaciones a potencia constante durante lapsos más prolongados; sin embargo a menor potencia, y con menores quemados acumulados en los mismos intervalos. Como alternativa para la prolongación del período de irradiación a una potencia constante cercana a la máxima de requerimiento, se encuentra bajo estudio la utilización de combustible con enriquecimiento del 10%. Para el quemado e inventario de operaciones con control de potencia mediante SVL, se requerirá una revaluación de bibliotecas, debido a que la acción del SVL produce un filtrado de las componentes de baja energía del espectro de neutrones ingresante al LOOP.

5 Tubo de Seguridad Figuras y Tablas TQREF DS#3 FTEFRI DS#4 DEEN Mo DEEN Ir-m / Lu DEEN Ir-i / ORI DS#1 #1 #2 #3 #4 #1 #5 #2 #6 #7 #8 NUC #9 #1 #2 #3 #4 #3 #10 #4 DS#2 LOOP Silicios (DS) PIIN (SILT / AAN) Fuente Fría DS# PRE Figura 1: Corte esquemático del modelo utilizado en el cálculo de parámetros para DEEN LOOP SVL Figura 2: Vista del Módulo de Irradiación (MI) de Loop con indicación de componentes mayores. Agua Pesada en el reflector del reactor Tubo de Irradiación Gap de Maniobra Agua Pesada en el reflector del reactor Tubo de Irradiación Gap de Maniobra Gas Anular Tubo de Presión Gas Anular Tubo de Presión Veneno líquido: H3BO3 Tubo de Seguridad Veneno líquido: H3BO3 BC#2 BC#3 BC#1 BC CNA2 Separador de caudales Separador de caudales Raiser Downcomer Figura 3: Corte horizontal del modelo de DEEN LOOP en su Configuración #1, Base, a nivel de la zona activa del dispositivo. Raiser Downcomer Figura 4: Corte horizontal del modelo de DEEN LOOP en su Configuración #2, Rampa, a nivel de la zona activa del dispositivo.

6 composición de BC fresca (sólo ciclo 1) Modelos MCNP escritura fuente TBT para DEEN: LOOP fuentes TBT: BOC y EOC composición de BC quemada (ciclo i+1) Cálculos MCNP en modelo de LOOP, BOC y EOC COUPLE Promedios de: espectro 238g 239 XS a 1g Biblioteca BFBO ORIGEN-S Promedios de: flujos a 1g Material quemado (ciclo i+1) Esquema de cálculo del i-ésimo ciclo de quemado Figura 5: Esquema de los pasos realizados para el cálculo de quemado en el i-ésimo ciclo de quemado. Tabla 1: Criticidad de los casos KCODE ejecutados. Reactividad calculada a partir del cambio de estado del SVLE. k eff Reactividad del SVLE [pcm] Base Agua ± Base Veneno ± ± 4 Rampa Agua ± Rampa Veneno ± ± 4 Tabla 2: Potencias depositada en Pastillas combustibles de las Barras en la Configuración Base, para dos estados de actuación del SVLE, con combustibles frescos. Todos los resultados con incertezas de convergencia menores a 1%. La potencia reportada corresponde a las suma de potencia cinética de PF, deposición de energía por fotones, y energía cinética de beta de PF. Base, Agua Base, Veneno Potencia Total U [W] Potencia Barra#1 [W] Potencia Barra#2 [W] Potencia Barra#3 [W] Máxima Potencia Lineal[W/cm] Máximo Factor de Pico Tabla 3: Potencias en Pastillas combustibles de la Barra en la Configuración Rampa, para dos estados de actuación del SVLE, con combustible fresco. Todos los resultados con incertezas de convergencia menores a 1%.La potencia reportada corresponde a las suma de potencia cinética de PF, deposición de energía por fotones, y energía cinética de beta de PF. Rampa, Agua Rampa, Veneno Potencia Barra#0 [W] Máxima Potencia Lineal[W/cm] <Potencia Lineal> [W] Factor de Pico

7 Potencia Lineal en Longitud Activa [W/cm] Potencias lineales en Barras Combustibles de LOOP Caso BASE - Caliente - Agua Barra#1 Barra#2 Barra# Posición Axial [cm] Figura 6: Distribución de potencia depositada total en Barras Combustibles de LOOP en Configuración #1 Base, para el estado Caliente, con el SVL inundado de agua pura, con combustibles frescos. Potencia lineal en longitud activa [W/cm] RAMPA, Caliente, Agua RAMPA, Caliente, Veneno Posición Axial [cm] Figura 7: Distribución de potencia depositada total en Barra Combustible de LOOP en Configuración #2 Rampa, para SVL con agua pura, y con Ácido Bórico con 7000ppm de 10 B, con combustible fresco. Potencia [kw] Potencia del Combustible fresco (90% de la Potencia Inicial) Ciclo Figura 1: Evolución de potencia calculada por ORIGEN-S para los 36 ciclos de potencia del reactor estudiados para la configuración Base. El valor de potencia corresponde a potencia generada total.

8 Quemado por ciclo [MWd/tonU] Ciclo # Figura 2: Evolución del quemado promedio por ciclo calculado por Origen-S para los 36 ciclos de potencia del reactor estudiados. Quemado Acumulado [MWd/tonU] Ciclo # Figura 3: Acumulación del quemado a partir de resultados de Origen-S para los 36 ciclos de potencia del reactor estudiados.