Combustible nuclear y venenos consumibles
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Tema 3. Sección 3: Combustible nuclear y venenos consumibles Profesor César Queral Departamento de Sistemas Energéticos ETSI Minas. UPM Combustible nuclear César Queral Salazar, ETSI Minas. UPM 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 podrı́an 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 Combustible nuclear César Queral Salazar, ETSI Minas. UPM Elementos PWR IFM IFM IFM 17x17 MAEF 17x17 MAEF + IFMs C.N. Almaraz 1 y 2, C.N. Asco 1 y 2 C.N. Vandellos 2 14x14 LO-LOPAR 16x16 FOCUS/HTP C.N. José Cabrera C.N. Trillo 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 Combustible nuclear César Queral Salazar, ETSI Minas. UPM Elementos PWR Figura 2: Tipos de elementos PWR utilizados en España y fabricados por ENUSA 3 Combustible nuclear César Queral Salazar, ETSI Minas. UPM Elementos PWR Figura 3: Tipos de elementos PWR fabricados por FRAMATOME ANP 4 Combustible nuclear César Queral Salazar, ETSI Minas. UPM Rejilla de un elemento combustible 5 Combustible nuclear César Queral Salazar, ETSI Minas. UPM Elementos PWR con rejillas IFM 6 Combustible nuclear César Queral Salazar, ETSI Minas. UPM Evolución de los elementos combustibles en PWR 80’s 90’s 00’s MWd/tU 60.000 50.000 40.000 30.000 combustible estandar (zircaloy 4 + inconel) rejillas vainas zircaloy zirlo + venenos integrados + rejillas mezcladoras esqueletos geometría zirlo robusta + rejillas protectoras tubos guía y rejillas más robustas nuevas aleaciones + alto quemado 7 Combustible nuclear César Queral Salazar, ETSI Minas. UPM Elementos combustibles en BWR GE-12, GE-14 SVEA-96 8 Combustible nuclear César Queral Salazar, ETSI Minas. UPM 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 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 A B C D E F G H I J 9 Combustible nuclear César Queral Salazar, ETSI Minas. UPM Elementos combustibles en BWR. Diseño ATRIUM ULTRAFLOW spacer Fabricante: FRAMATOME ANP (antes SIEMENS) 10 Combustible nuclear César Queral Salazar, ETSI Minas. UPM Elementos combustibles en BWR 11 Combustible nuclear César Queral Salazar, ETSI Minas. UPM 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 metodologı́as del análisis estabilidad (DSS-CD extensión de la opción III). 12 Combustible nuclear César Queral Salazar, ETSI Minas. UPM Evolución de los elementos combustibles en BWR 8X8 9X9 10X10 2WR GE8 Enriquecimiento variable 7 rejillas 2WR GE9 2WR 1WR GE10 Barras de longitud parcial GE11 2WR GE12 Optimización 8 rejillas Optimización 2WR GE13 2WR GE14 13 Combustible nuclear César Queral Salazar, ETSI Minas. UPM 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 ciclos 11 a 15, GE-11 (9x9) GE-12 (10x10) GE-14 (10x10) SVEA-96+ (10X10) SVEA-96 Optima2 (10X10) Ciclo 11 616 4 – 4 – Ciclo 12 440 – – 184 – Ciclo 13 248 64 – 312 – Ciclo 14 54 184 – 386 – Ciclo 15 – 184 72 232 136 Las caracterı́sticas 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 %), Gd2O3: variable según tipo de elemento, de 13 a 16 varillas con Gadolinio y enriquecimientos máximos en Gd del 7.5 %. Posteriormente se incluyo también ATRIUM 10XP (10x10) en C.N. Cofrentes a partir de 2005 (ciclo 16). 14 Combustible nuclear César Queral Salazar, ETSI Minas. UPM Tipos de vaina. Reactores BWR. 15 Combustible nuclear César Queral Salazar, ETSI Minas. UPM Materiales de las vainas Material Zry-2 Zry-4 Zirlo Duplex M5 Reactor BWR PWR PWR PWR-KWU PWR Sn ( %) 1.2/1.7 1.2/1.7 1.0 <0.8 - Nb ( %) 1.0 1.0 Fe ( %) 0.07/0.2 0.18/0.24 0.1 <0.6 - Cr ( %) 0.05/0.15 0.07/0.13 <0.2 - Ni ( %) 0.03/0.08 - O ( %) 0.10/0.14 0.10/0.14 0.12 <0.15 - Materiales de vaina más utilizados 16 Combustible nuclear César Queral Salazar, ETSI Minas. UPM 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 Combustible nuclear César Queral Salazar, ETSI Minas. UPM Venenos consumibles Figura 4: Impacto de los venenos consumibles en el exceso de reactividad 18 Combustible nuclear César Queral Salazar, ETSI Minas. UPM Venenos consumibles Figura 5: Concentración del boro a lo largo del ciclo con/sin venenos consumibles 19 Combustible nuclear César Queral Salazar, ETSI Minas. UPM 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 dı́a 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 Combustible nuclear César Queral Salazar, ETSI Minas. UPM Venenos consumibles discretos (a) Esquema de un WABA (b) Configuraciones de WABA Figura 6: Esquema y configuraciones de los venenos consumibles discretos 21 Combustible nuclear César Queral Salazar, ETSI Minas. UPM Venenos consumibles integrales 1. Existen de varios tipos, mezclados con el combustible como el Gd2O3, y el Er2O3 o 2. mediante una delgada capa que recubra las pastillas de combustible como el IFBA (Integral Fuel Burnable Absorber) que consiste en ZrB2. 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 Gd2O3 dentro del combustible. En España se utiliza gadolinio, Gd2O3 en todos los BWR y en la mayorı́a 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 mayorı́a 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 difı́cil conseguir una configuración de recarga de bajas fugas (L3P o L4P ) solo con venenos discretos. 22 Combustible nuclear César Queral Salazar, ETSI Minas. UPM Venenos consumibles integrales (a) Ejemplos de configuraciones en un PWR (b) Distribuciones de Gd2 O3 en varillas de elementos combustibles frescos (BWR) Figura 7: Esquema y configuraciones de venenos consumibles integrales 23
