Simulación del Seguimiento Operacional de un Reactor BWR con Simulate-3

Transcripción

1 Simulación del Seguimiento Operacional de un Reactor BWR con Simulate-3 Javier Omar Jiménez Flores, Cecilia Martín del Campo Márquez, Luis Fuentes Márquez y Juan Luis François Lacouture Universidad Nacional Autónoma de México, Facultad de Ingeniería Departamento de Sistemas Energéticos Av. Universidad 3000, C.U México, D.F. ace.jo.cu@gmail.com; cmcm@fi-b.unam.mx; fgr7@prodigy.net.mx; jlf@fi-b.unam.mx Resumen Este trabajo fue desarrollado con la finalidad de describir la metodología para calcular el quemado del combustible de reactores nucleoeléctricos a lo largo del tiempo que dure su ciclo de operación y para cada recarga de combustible. Es decir, simular y dar seguimiento a los principales parámetros de operación de manera secuencial a lo largo de sus ciclos de operación. Para este caso en particular, se realizó el seguimiento operacional de cinco ciclos consecutivos de un reactor utilizando la información reportada por su computadora de procesos. La simulación se realizó con el software Simulate-3 y sus resultados fueron comparados con los de la computadora de proceso. El objetivo es obtener el quemado de combustible, ciclo tras ciclo para obtener las condiciones del estado del reactor necesarias para los análisis de recargas de combustible, estudios de estabilidad y análisis de transitorios, así como la elaboración de una metodología propia que permita manejar y solventar casos similares para los futuros ciclos de combustible de la central y explorar las distintas opciones que ofrece el simulador. 1. INTRODUCCIÓN El seguimiento operacional o core-follow, consiste en, como su nombre lo indica, hacer un seguimiento cronológico detallado del comportamiento de cada ciclo de operación de una unidad generadora, en este caso un reactor Boiling Water Reactor (BWR), enfocándose en aquellos parámetros de importancia que son influenciados por las distintas condiciones operacionales del reactor a lo largo del periodo de tiempo que dure el ciclo (o los ciclos) a considerar 1. Uno de los objetivos principales del seguimiento es conocer cómo varía el estado del quemado de todas las celdas de combustible, contenidas en las secciones axiales de los ensambles de combustible, que están presentes en las recargas de los diferentes ciclos de operación del reactor. Para ello, es necesario simular las condiciones de cada ciclo en un software simulador con la finalidad de obtener los resultados del comportamiento de parámetros, que podamos interpretar de manera concisa para dar pie a un análisis posterior de los ciclos subsecuentes. En este caso se utilizó Simulate-3 (S3). 1/13 Memorias Puerto Vallarta 2015 en CDROM

2 Javier Omar Jiménez Flores et al, Simulación del Seguimiento Operacional de un Reactor BWR con Simulate-3 2. METODOLOGÍA A continuación se describen las distintas etapas de la metodología aplicada a la simulación del seguimiento operacional de varios ciclos de operación. 2.1 Recolección de Datos. La metodología inicia con la recopilación de los parámetros operacionales de los archivos de la computadora de procesos (3D-Monicore) de la planta, correspondientes a los ciclos de operación n, n+1, n+2, n+3 y n+4, donde n es un ciclo para el cual ya se tiene el estado de quemado de los combustibles que permanecen en el núcleo. En este caso se trata de un ciclo que está situado a la mitad de la vida útil de la planta. Para cada ciclo se tienen más de archivos (P1), los cuales son necesarios para realizar la simulación del seguimiento. Los parámetros corresponden al registro de las condiciones operacionales que se hace cada determinado tiempo (aproximadamente cada 60 minutos) en la planta y/o antes si existiera algún cambio significativo en éstas que afecte de manera considerable la operación del reactor. Además, también se utilizaron archivos de entrada para los cálculos de recambio de combustible al inicio de ciclo (archivos shuffling) y para simular la gestión del ciclo de operación con parámetros de flujo de alimentación y patrones de barra de control (archivos cmr) para cada uno de los diferentes ciclos. Se recibió el archivo de reinicio (archivo.res) con el estado final del seguimiento operacional del ciclo n-1, así como los archivos de recarga de combustible de cada inicio de ciclo y un conjunto de archivos con los parámetros operacionales reportados en la computadora de procesos. Estos archivos contienen la información indispensable para preparar los archivos de entrada para el proceso de simulación del seguimiento operacional. En la tabla I se muestran los archivos utilizados. Número de archivos la computado ra de procesos Tabla I. Detalle de archivos usados en el seguimiento C n C n+1 C n+2 C n+3 C n Shuffling shuffhotcn.inp shuffhotcn+1.inp shuffhotcn+2.inp shuffhotcn+3.inp shuffhotn+4.inp CMR cmrcnhot.inp cmrcn+1hot.inp cmrcc+2hot.inp cmrcc+3hot.inp cmrcc+4hot.inp Reinicio n-1.core-follow.res En los archivos de la computadora de procesos se encuentran contenidos los principales parámetros del reactor, como son: Potencia, Flujo, Presión, Subenfriamiento, Quemado, Límites térmicos, Patrón de barras de control, entre otros. Los archivos correspondientes al shuffling contienen los patrones de recarga con el combustible nuevo (con sus respectivas especificaciones) que será insertado y reacomodado junto con el combustible remanente en el núcleo, todo esto para cada ciclo de operación. Es necesario contar con un archivo de reinicio para cada ciclo, el cual contiene el historial completo de quemado del 2/13 Memorias Puerto Vallarta 2015 en CDROM

3 combustible previo a iniciar uno nuevo. En este caso, como ya se mencionó, se usó el archivo de reinicio correspondiente al core-follow del ciclo n Manejo, Organización y Uso de los Archivos P1 Debido a que inicialmente los archivos provenientes de la computadora de procesos, contenidos en carpetas y subcarpetas correspondientes a cada ciclo no se encontraban ordenados consecutivamente de acuerdo al tiempo, y a que en ocasiones se tenían archivos en blanco que fueron descartados, se implementaron, para el manejo de los datos contenidos en cada archivo, dos programas que fueron desarrollados en la Facultad de Ingeniería de la UNAM (Tabla II), con los cuales fue posible generar el archivo base de entrada para el seguimiento operacional de cada ciclo, así como la extracción de la información de interés de cada P1 (Tabla III). Tabla II. Descripción de programas desarrollados por FI-UNAM CF.py Extrae.py Funciones Extrae de los P1 los parámetros necesarios (Potencia, Flujo, Presión, Subenfriamiento, Quemado, Patrón de barras de control) para la simulación S3 Ordena dichos parámetros de forma cronológica en función del quemado, de tal manera que garanticemos el correcto seguimiento del ciclo. Hace las conversiones de unidades para proporcionarlas a S3 en la forma que éste lo requiere. Genera el archivo de texto que será la base para el archivo de entrada para S3 (Figura 2) 2. Extrae todos los parámetros contenidos en los archivos de la computadora de procesos ordenándolos cronológicamente en función del quemado. Crea una tabla con todos los parámetros contenidos en los archivos de la computadora de procesos y genera un archivo que la contenga (Tabla III). 3/13 Memorias Puerto Vallarta 2015 en CDROM

4 Javier Omar Jiménez Flores et al, Simulación del Seguimiento Operacional de un Reactor BWR con Simulate-3 Tabla III. Ejemplo de datos extraídos de los archivos de la computadora de procesos Case ID Fecha Hora Cycle Core Pwr Core Flow SUBC PR keff FMND MAY : FMND MAY : FMND MAY : FMND MAY : FMND MAY : FMND MAY : FMND MAY : FMLD MAY : FMLD MAY : FMLD MAY : Tabla III (cont. 1 ). Ejemplo de datos extraídos de los archivos de la computadora de procesos Case ID AV VF MR MFLR MFLPD MAPRAT FEEDWTR FLOW FMND FMND FMND FMND FMND FMND FMND FMLD FMLD FMLD Generación de Archivos de Entrada para el Código de Simulate Shuffling El archivo de reinicio del final del ciclo n-1, antes mencionado, fungió como estado de inicio en el archivo de entrada para el shuffling del ciclo n (Figura 1). De igual manera, se utiliza una librería de secciones eficaces macroscópicas, llamada también banco de datos nucleares, con los parámetros en condiciones en caliente de todas las celdas que se han cargado en la historia operacional del reactor hasta la recarga del ciclo n incluida, con esto se creó el archivo de entrada para el ciclo n. 1 La tabla III contiene 15 columnas y es presentada en dos partes repitiendo la primera columna la cual representa el identificador del paso. 4/13 Memorias Puerto Vallarta 2015 en CDROM

5 RES n-1.core-follow.res 2000 / LIB cnhot.lib / Figura 1. Fracción del archivo de entrada para shuffling del ciclo n Seguimiento Una vez que se tiene el archivo base para el archivo de entrada de S3, se debe especificar e incluir en éste, el archivo de reinicio, el archivo include para el cálculo de límites térmicos y el archivo de la librería de datos nucleares correspondientes a cada ciclo que se analizará. Como un ejemplo, en este caso para el ciclo n, se debe introducir y direccionar los archivos a la ruta donde se encuentren almacenados (Figura 2). 5/13 Memorias Puerto Vallarta 2015 en CDROM

6 Javier Omar Jiménez Flores et al, Simulación del Seguimiento Operacional de un Reactor BWR con Simulate-3 RES shuffhotcn.res 2000 / INC.FIL /home/papiit2/cf/inc/tlm.inc / LIB /home/papiit2/lib/cn.lib / Archivo de reinicio Archivo include límites térmicos Librería de datos nucleares Figura 2. Detalle de archivo de entrada para S3 con los archivos necesarios para su ejecución. Con el archivo de entrada, finalmente listo con todos los archivos de reinicio y librerías necesarios, se ejecuta el programa S Simulación Se simuló el caso para la recarga (shuffling) del ciclo n y como salida del simulador S3 se generan cuatro archivos de salida: * shuffhotcn.out * shuffhotcn.sum * shuffhotcn.res * shuffhotcn.cms El archivo shuffhotcn.res es el que se empleará en la siguiente etapa. Teniendo el archivo de reinicio proveniente de la simulación de shuffling del ciclo n y tomando como base la información contenida en los archivos de la computadora de procesos se realizó la simulación del seguimiento operacional o Core Follow para el ciclo n usando S3. De forma análoga, se procedió con los ciclos subsecuentes hasta terminar con el ciclo de operación n+4. 6/13 Memorias Puerto Vallarta 2015 en CDROM

7 3. RESULTADOS DE SEGUIMIENTO Dentro de los parámetros de interés, se encuentra el factor de multiplicación efectivo (keff) vs quemado, así como el límite térmico MLPD, el cual es la relación entre la Razón de Generación de Calor Lineal (LHGR) máxima y la (LHGR) límite. Con los resultados obtenidos con S3, se procedió a hacer una comparación entre dichos factores obtenidos con S3 y con los que se reportan en los archivos de la computadora de procesos () de la central a través de gráficos, los cuales se muestran a continuación para los distintos ciclos. Keff vs Quemado Cn Figura 3. Gráfico comparativo de keff vs quemado entre S3 y para el ciclo n. 7/13 Memorias Puerto Vallarta 2015 en CDROM

8 Javier Omar Jiménez Flores et al, Simulación del Seguimiento Operacional de un Reactor BWR con Simulate-3 MFLPD vs Quemado Cn Figura 4. Comparación MFLPD para el ciclo n, vs S3 Keff vs Quemado Cn+1 Figura 5. Gráfico comparativo de keff vs quemado entre S3 y para el ciclo n+1. 8/13 Memorias Puerto Vallarta 2015 en CDROM

9 MFLPD vs Quemado Cn+1 Figura 6. Comparación MFLPD para el ciclo n+1.. vs S3 Keff vs Quemado Cn+2 Figura 7. Gráfico comparativo de keff vs quemado entre S3 y para el ciclo n+2. 9/13 Memorias Puerto Vallarta 2015 en CDROM

10 Javier Omar Jiménez Flores et al, Simulación del Seguimiento Operacional de un Reactor BWR con Simulate-3 MFLPD vs Quemado Cn+2 Figura 8. Comparación MFLPD para el ciclo n+2. vs S3 Keff vs Quemado Cn+3 Figura 9. Gráfico comparativo de keff vs quemado entre S3 y para el ciclo n+3. 10/13 Memorias Puerto Vallarta 2015 en CDROM

11 MFLPD vs Quemado Cn+3 Figura 10. Comparación MFLPD para el ciclo n+3.. vs S3 Keff vs Quemado Cn+4 Figura 11. Gráfico comparativo de keff vs quemado entre S3 y para el ciclo n+4. 11/13 Memorias Puerto Vallarta 2015 en CDROM

12 Javier Omar Jiménez Flores et al, Simulación del Seguimiento Operacional de un Reactor BWR con Simulate-3 MFLPD vs Quemado Cn+4 Figura 12. Comparación MFLPD para el ciclo n+4. vs S3 4. CONCLUSIONES A pesar de presentarse una ligera diferencia en los gráficos, entre lo reportado en los archivos de la computadora de procesos y los resultados obtenidos con S3, se puede apreciar una tendencia similar entre ellos. La diferencia radica en el método de solución con el que trabaja cada código, es decir, tanto la computadora de procesos como el software de Simulate-3, evalúan de distinta manera los datos que están recibiendo, es por ello que no podemos hablar de una simulación correcta o incorrecta. No obstante, se puede concluir que, en términos generales, Simulate-3 es una buena alternativa para llevar a cabo la simulación del seguimiento operacional, ya que los resultados obtenidos pueden fungir como referencia inicial a la hora de realizar otro tipo de estudios y simulaciones, como en el caso de transitorios y estabilidad, para los cuales es necesario conocer la distribución de quemado del combustible y determinar adecuadamente las secciones eficaces de macroscópicas que se usan para los cálculos neutrónicos de esos estudios dinámicos. Cabe mencionar que las primeras simulaciones para todos los ciclos se hicieron sin tomar en cuenta el Xe en equilibrio, sin embargo, las gráficas que se muestran en este trabajo se realizaron con dicha opción activada en S3 3 y, debido a que prácticamente no se observó algún cambio relevante, se decidió únicamente incluir estas últimas. 12/13 Memorias Puerto Vallarta 2015 en CDROM

13 AGRADECIMIENTOS Agradecimiento muy especial al Ing. Marco Antonio Martínez Quintana por su valiosa aportación para la elaboración de los programas de cómputo auxiliares para desarrollar este trabajo y al Ing. Julio Vallejo Quintero por el tiempo compartido en este aprendizaje. REFERENCIAS 1. G. Robert, Tsoulfanidis Cochran and Nicholas. The Nuclear Fuel Cycle: Analysis and Managemen t. 2ª Edición p Mehdi Asgari Review of the CMS Model for LAGUNA VERDE NPP Unit 1 Cycles 14 and 15, Final Report, Studsvik Scandpower, Inc., Diciembre Simulate-3 Advanced Three-Dimensional Two-GroupReactor Analysis Code Studsvik Scandpower, Inc., Julio /13 Memorias Puerto Vallarta 2015 en CDROM