Combustible nuclear y esquemas de recarga. Profesores César Queral y Antonio Expósito Departamento de Sistemas Energéticos ETSI Minas.

Transcripción

1 y esquemas de recarga Profesores César Queral y Antonio Expósito Departamento de Sistemas Energéticos ETSI Minas. UPM

2 Combustible utilizado en España PWR. 1. C.N. José Cabrera (69 EC): 14x14 LO-LOPAR y HIPAR (en fase de desmantelamiento) 2. C.N. ALMARAZ 1 y 2, C.N. ASCO 1 y 2 y C.N. Vandellos II (157 EC): 17x17 MAEF (Modified Advanced European Fuel) con gadolinio y zirlo (anteriormente las vainas eran de zircaloy-4 o Zr-4 mejorado). Presión de las varillas 22.4 bar. Los elementos de las últimas recargas incluyen rejillas IFM 3. C.N. Trillo (177 EC): 16x16 FOCUS de AREVA (antes Siemens). Vaina DUPLEX ELS 0.8 (Zircaloy con una capa externa de 150 µm de zircaloy con Sn). Existen otros diseños de elementos PWR que podrían utilizarse en las plantas PWR españolas: HTP-X5 (High Thermal Performance) de Framatome-ANP (antes Siemens) con vaina de Zry4 o Duplex y rejillas de Zry4 o HPA-4, AFA 3G de Framatome-ANP (antes Fragema) con vaina M5 (en 1999 se cargaron 4 elementos de demostración en CNA) y ALLIANCE de Framatome-ANP (evolución del AFA 3G de Fragema) con vaina y rejillas de M5. BWR 1. C.N. Garoña (400 EC): GE-14. Zircaloy-2 tipo barrier (capa interna muy fina de circonio para mejorar la respuesta al PCI). 2. C.N. Cofrentes (624 EC): GE-14, SVEA-96+ y SVEA-96 Optima2. Zircaloy-2 tipo barrier. Desde 2005 (ciclo 16): ATRIUM 10XP (10x10) con vaina de Zircaloy-2 de Framatome ANP (antes Siemens). 1

3 Elementos PWR # # + * ) '( % & $ /,, $ + - $ -. "! Figura 1: Tipos de elementos PWR utilizados en España Las rejillas IFM mejoran el mezclado y por tanto dan mas margen, sin embargo... Si tenemos elementos con IFM y sin IFM pasa menos caudal por los que tienen IFM (penalización del 1% en el cálculo del MDNBR). 2

4 Combustible nuclear Ce sar Queral Salazar, ETSI Minas. UPM Elementos PWR Figura 2: Tipos de elementos PWR utilizados en Espan a y fabricados por ENUSA 3

5 Elementos PWR Figura 3: Tipos de elementos PWR fabricados por FRAMATOME ANP 4

6 Rejilla de un elemento combustible 5

7 Elementos PWR con rejillas IFM 6

8 Evolución de los elementos combustibles en PWR MWd/tU s 90 s 00 s combustible estandar (zircaloy 4 + inconel) rejillas vainas zircaloy zirlo + venenos integrados + rejillas mezcladoras esqueletos zirlo + rejillas protectoras geometría robusta tubos guía y rejillas más robustas nuevas aleaciones + alto quemado 7

9 Elementos combustibles en BWR GE-12, GE-14 SVEA-96 8

10 Elementos combustibles en BWR. Diseño SVEA-96 Optima2 PLR positions selected for Superior SDM improvement CPR optimization 1/3 part-length rods 2/3 part-length rods full-length rods 9

11 Elementos combustibles en BWR. Diseño ATRIUM ULTRAFLOW spacer Fabricante: FRAMATOME ANP (antes SIEMENS) 10

12 Elementos combustibles en BWR 11

13 Comparación de la distribución de varillas en distintos elementos combustibles BWR Al tener más varillas por elemento disminuye la potencia lineal, pero... los elementos con más varillas pueden ser más inestables, por ello.. se incluyen varillas cortas y se plantea utilizar nuevas metodologías del análisis estabilidad (DSS-CD extensión de la opción III). 12

14 Evolución de los elementos combustibles en BWR 8X8 GE8 2WR 9X9 10X10 GE9 Enriquecimiento variable 2WR 7 rejillas 1WR GE10 Barras de longitud parcial GE11 2WR Optimización GE13 2WR Optimización GE12 GE14 2WR 2WR 8 rejillas 13

15 Evolución de las recargas en C.N. Cofrentes Desde el ciclo 3 comenzaron a incluirse los GE-7 (8x8). Desde el ciclo 7 los GE-10 (8x8). Desde el ciclo 8 los GE-11 (9x9), recargas completas en los ciclos 8, 9, 10 y 11. Evolución del combustible cargado en C.N. Cofrentes en los últimos ciclos, Ciclo 11 Ciclo 12 Ciclo 13 Ciclo 14 Ciclo 15 GE-11 (9x9) GE-12 (10x10) GE-14 (10x10) 72 SVEA-96+ (10X10) SVEA-96 Optima2 (10X10) 136 Las características nucleares de los elementos frescos de los últimos ciclos son: enriquecimientos medios de elemento: alrededor del 4.0% (variable según tipo de elemento, entre 3.97% y 4.07%), Gd 2 O 3 : variable según tipo de elemento, de 13 a 16 varillas con Gadolinio y enriquecimientos máximos del 7.5%. Esta previsto utilizar también ATRIUM 10XP (10x10) en C.N. Cofrentes a partir de 2005 (ciclo 16). 14

16 Tipos de vaina. Reactores BWR. 15

17 Materiales de las vainas Material Reactor Sn (%) Nb (%) Fe (%) Cr (%) Ni (%) O (%) Zry-2 BWR 1.2/ / / / /0.14 Zry-4 PWR 1.2/ / / /0.14 Zirlo PWR Duplex PWR-KWU <0.8 - <0.6 <0.2 - <0.15 M5 PWR Materiales de vaina más utilizados 16

18 Venenos consumibles Se utilizan para, Compensar el exceso de reactividad inicial en el reactor (EFECTO GLOBAL). Permite utilizar menos barras de control y alargar el ciclo (EFECTO GLOBAL). Permite utilizar menos ácido bórico y hacer negativo el coeficiente de temperatura del moderador (EFECTO GLOBAL). Se pueden colocar en las zonas donde se prevea un valor relativo alto del flujo, consiguiendo el aplanamiento del flujo (EFECTO LOCAL). 17

19 Venenos consumibles Figura 4: Impacto de los venenos consumibles en el exceso de reactividad 18

20 Venenos consumibles Figura 5: Concentración del boro a lo largo del ciclo con/sin venenos consumibles 19

21 Venenos consumibles Existen dos tipos de venenos consumibles, 1. Discretos 2. Integrales Discretos: Se utilizan en los PWR. Son haces de varillas similares a las barras de control, los utilizados hoy en día se denominan WABA (Wet Annular Burnable Absorber) (los utilizados anteriormente se denominaban PYREX que eran parecidos a los WABA pero utilizaban borosilicato). Estos venenos solo se pueden colocar en elementos en los que no se insertan barras de control. Dentro del elemento solo pueden ir en las posiciones de las varillas de control. En la actualidad se utilizan en algunas plantas PWR aunque su uso es cada vez más limitado. 20

22 Venenos consumibles discretos (a) Esquema de un WABA (b) Configuraciones de WABA Figura 6: Esquema y configuraciones de los venenos consumibles discretos 21

23 Venenos consumibles integrales 1. Existen de varios tipos, mezclados con el combustible como el Gd 2 O 3, y el Er 2 O 3 o 2. mediante una delgada capa que recubra las pastillas de combustible como el IFBA (Integral Fuel Burnable Absorber) que consiste en ZrB 2. Estos venenos se pueden colocar en cualquier elemento combustible fresco lo que permite contar con mas opciones a la hora de calcular las configuraciones de recarga. Dentro del elemento se pueden colocar en cualquier varilla. Además en el caso de los BWR se pueden utilizar varillas con distintas distribuciones axiales de Gd 2 O 3 dentro del combustible. En España se utiliza gadolinio, Gd 2 O 3 en todos los BWR y en la mayoría de los PWR. En algunos casos de PWR se utiliza una técnica mixta, de forma que en unos elementos se incluye veneno consumible integral y en otros veneno consumible discreto. Este tipo de técnica se ha utilizado en CNA y CNV-II, disminuyendo gradualmente el uso de venenos discretos. La causa de que se utilicen venenos integrales en la mayoría de los PWR españoles es que para los ciclos de 18 meses, que son los habituales en España, se utilizan enriquecimientos de hasta el 4,5 % y es difícil conseguir una configuración de recarga de bajas fugas (L 3 P o L 4 P) solo con venenos discretos. 22

24 Venenos consumibles integrales (a) Ejemplos de configuraciones en un PWR (b) Distribuciones de Gd 2 O 3 en varillas de elementos combustibles frescos (BWR) Figura 7: Esquema y configuraciones de venenos consumibles integrales 23

25 Tipos de esquemas de recarga Esquemas out-in. En este tipo de esquemas el combustible fresco se coloca en la corona exterior y los elementos combustibles con distintos grados de quemado se introducen en la zona interior. Sus características son Ciclos de 12 meses elementos frescos (157 en total) 3.25% de enriquecimiento Figura 8: Esquema de recarga tipo out-in en el primer ciclo de un reactor PWR-W. 24

26 Tipos de esquemas de recarga Esquemas de bajas fugas. En este tipo de esquemas el combustible mas quemado (2-3 ciclos) se coloca en la corona exterior, el combustible fresco se coloca a continuación y los elementos combustibles con quemados intermedios (1-2 ciclos) se introducen en la zona interior. Se distinguen dos tipos dependiendo del grado de agresividad del esquema, 1. Bajas fugas. Low Leakage Loading Pattern, L 3 P. 3.60% de enriquecimiento Se recarga del orden de un tercio. 52 elementos frescos (157 en total) Ciclos de 15 meses. 2. Muy bajas fugas. Low Low Leakage Loading Pattern, L 4 P. 4.1% de enriquecimiento 60/64 elementos frescos (157 en total) Ciclos de 18 meses. 25

27 Tipos de esquemas de recarga Figura 9: Esquemas de recarga de bajas fugas. 26

28 Estrategias de recarga en los reactores españoles. PWR En España los PWR operaban antes de 1986 en ciclos de 12 meses y fracciones de recarga del 30% con enriquecimientos de recarga de 3.15% %. Los esquemas de recarga eran del tipo out-in con quemados medios por región de MWd/tU y se utilizaban venenos consumibles del tipo WABA. En 1986 comenzó la transición a ciclos de 18 meses con enriquecimientos de 4.15% % en el combustible fresco y fracciones de recarga del orden del 40%. Los esquemas que se utilizan hoy en día son de bajas fugas (L3P - L4P) con quemados medios por región de MWd/tU y venenos integrales de oxido de Gd (Algunas centrales han utilizado técnicas mixtas de discretos e integrales. En C.N. de Zorita se utilizan solo WABA). Estos esquemas son mejores desde la perspectiva de la economía neutrónica (bajas fugas, ciclos largos) aunque ofrecen márgenes de operación inferiores a los anteriores. Esto ha provocado el cambio de, El ĺımite de F H que ha pasado de 1.55 a El ĺımite de F Q que ha pasado de 2.3 a 2.4 El ĺımite del coeficiente de realimentación por temperatura del moderador (MTC), debido a la necesidad de utilizar concentraciones de Boro mas altas en el BOC. C.N. Trillo tiene ciclos de 12 meses con recargas de 44/177 25% con el 3.95% de enriquecimiento. Tiene licenciado el uso de oxido de Gd pero no se utilizan actualmente. 27

29 Estrategias de recarga en los reactores españoles. PWR (a) WABA (b) Gd 2 O 3 Figura 10: Esquemas de recarga L 3 P con venenos consumibles discretos e integrales. PWR-W. 28

30 Estrategias de recarga en los reactores españoles. BWR Los BWRs pasaron de ciclos de 12 meses y 1/3 de fracción de recarga a 18 meses (C.N. Cofrentes) y 24 meses (C.N. Garoña) con 1/3 de fracción de recarga. Los esquemas de recarga en Cofrentes utilizan la técnica de celdas de control (CCC, Control Cell Core) con bajas fugas, en el caso de Garoña se utilizan estrategias convencionales. El esquema de recarga tipo CCC se caracteriza porque las barras de control que se utilizan están rodeadas por elementos de bajo enriquecimiento, lo cual permite conseguir: Los factores de pico son más bajos Simplifica la operación Aumenta los márgenes térmicos Actualmente C.N. Cofrentes esta en un periodo de transición para pasar a ciclos de 24 meses (ciclo 15: 20 meses, ciclo 16: 22 meses, ciclo 17: 24 meses) con las siguientes características: enriquecimientos del 4% y 40% de combustible fresco recargado. Se vuelve a estrategias convencionales (no son CCC) ya que no es factible mantenerlas para estos porcentajes de recarga. Por otra parte los elementos combustibles han ido pasando de 8x8 a 9x9 y 10x10 con la consiguiente disminución del PLHGR (máxima densidad lineal de potencia) que permite aumentar el quemado. Los quemados a la descarga son del orden de MWd/tU (C.N. Cofrentes). 29

31 Estrategias de recarga en los reactores españoles. BWR (a) Posiciones de CCC (b) Ejemplo: recarga en C.N. Cofrentes Figura 11: Esquema de recarga de bajas fugas y CCC en un BWR. 30