Procedimiento para el funcionamiento de un reactor nuclear de agua ligera (1) durante un ciclo de carburante de funcionamiento que incluye un ciclo cardinal y un número de ciclos sucesivos de las barras de control,

en el que el reactor (1) comprende una pluralidad de unidades de combustible alargadas (4) que incluyen cada una una pluralidad de varillas de combustible (6) que contienen un combustible nuclear en forma de un material fisionable;

en el que por lo menos algunas de dichas unidades de combustible (4) comprenden una adición dependiente de las barras de control de un absorbedor consumible,

en el que el reactor (1) comprende una pluralidad de barras de control (5),

en el que están dispuestas dichas unidades de combustible (4) paralelas entre sí y forman una pluralidad de celdas, que incluyen cada una por lo menos dos de dichas unidades de combustible (4) y una posición de barra de control, en el que dichas celdas forman el núcleo (3) del reactor (1),

en el que son introducibles dichas barras de control (5) en una posición respectiva de dichas posiciones de barras de control,

en el que sustancialmente todas las barras de control (5) están introducidas en el núcleo antes de la puesta en marcha del reactor y la iniciación de un ciclo de carburante de funcionamiento, en el que el procedimiento comprende las etapas que consisten en:

hacer funcionar el reactor (1) durante el ciclo cardinal con una primera configuración de las barras de control, con un primer grupo de barras de control (5) introducido por lo menos parcialmente y las barras de control (5) restantes extraídas, y

hacer funcionar el reactor (1) durante los ciclos de las barras de control subsiguientes con una configuración de las barras de control respectiva que incluye cada una un grupo diferente de barras de control (5) introducido por lo menos parcialmente, caracterizado porque el ciclo cardinal es más largo que cada uno de los ciclos de las barras de control subsiguientes

Procedimiento para el funcionamiento de un reactor nuclear.

Antecedentes de la invención y técnica anterior

La presente invención se refiere en general al funcionamiento y el control de reactores nucleares de agua ligera. Más precisamente, la invención se refiere al funcionamiento y el control de reactores nucleares de agua ligera del tipo de agua en ebullición.

De manera especial, la presente invención se refiere a un procedimiento para el funcionamiento de un reactor nuclear de agua ligera durante un ciclo de funcionamiento que incluye un ciclo cardinal y una serie de ciclos sucesivos de las barras de control. Un ciclo de funcionamiento es el periodo de tiempo durante el cual el reactor está funcionando con el mismo núcleo, o sea, sin sustitución o reubicación del combustible.

Un reactor nuclear de agua ligera del tipo de agua en ebullición incluye una pluralidad de unidades de combustible alargadas, que contienen material fisionable, y una serie de barras de control. Las unidades de combustible pueden estar diseñadas como conjuntos de combustible alargados que incluyen una serie de varillas de combustible cada una provista de una vaina tubular que encierra una pila de combustible fisionable. En un reactor de agua en ebullición existe un gran número de estos conjuntos de combustible, del orden de 400 a 800, y aproximadamente una cuarta parte de este número de barras de control, o sea, del orden de 100 a 200.

Las unidades de combustible están dispuestas paralelas entre sí y agrupadas en una pluralidad de celdas que pueden contener cada una cuatro unidades de combustible. Estas celdas forman conjuntamente el núcleo del reactor. Sustancialmente cada una de dichas celdas en el núcleo incluye una posición de barra de control. En cada una de estas posiciones de barra de control, una de las barras de control puede ser introducida total o parcialmente. Las barras de control contienen material absorbedor de neutrones, tal como boro o hafnio, y se utilizan en un reactor de agua en ebullición para controlar e interrumpir la reacción nuclear en el combustible. Cuando todas las barras de control están introducidas, el reactor está apagado, o sea, se absorberán más neutrones que los que se liberan en el proceso de fisión y la reacción nuclear decae.

Las unidades de combustible, comprendidas en el núcleo durante un ciclo de funcionamiento, son diferentes en cuanto a la cantidad de material fisionable. Esta diferencia depende, en primer lugar, del hecho de que las unidades de combustible están en funcionamiento diferentes periodos de tiempo. Un primer tipo de unidades de combustible puede ser las nuevas que así incluyen una cantidad relativamente grande de material fisionable. Un segundo tipo de unidades de combustible puede haber experimentado cierto grado de agotamiento alcanzado durante uno o más ciclos de funcionamiento anteriores en un reactor. Este segundo tipo de unidades de combustible incluye por tanto una cantidad relativamente menor de material fisionable. Las unidades de combustible pueden estar diseñadas también, ya desde el principio, con una cantidad y distribución diferentes del material fisionable.

Durante un ciclo de funcionamiento, los tipos diferentes de unidades de combustible están dispuestos de manera tal que quedan distribuidos y mezclados en el núcleo. Las unidades de combustible que contienen el combustible nuevo se ubican preferentemente en la proximidad del centro del núcleo mientras que las unidades de combustible provistas del mayor grado de agotamiento, o sea, la cantidad más pequeña de material fisionable, están ubicadas preferentemente en la proximidad de la periferia del núcleo. Con ello se reduce la fuga de neutrones del núcleo y esta situación es económicamente ventajosa, pero también da como resultado un mayor efecto y cargas térmicas más elevadas sobre el combustible ubicado en la zona central.

Las barras de control pueden dividirse en varios grupos, por ejemplo, barras de apagado, que simplemente se introducen en el núcleo cuando el reactor está apagado, y barras de control controladoras utilizadas para controlar el efecto del reactor. Antes de ponerse en marcha el reactor e iniciar un ciclo de funcionamiento, sustancialmente todas las barras de control se hallan introducidas en el núcleo. Cuando empieza el ciclo de funcionamiento, se extrae del núcleo una mayor parte de las barras de control, por ejemplo aproximadamente un 90%. Durante el funcionamiento normal del reactor, aproximadamente una décima parte de las barras de control se halla así introducida total o parcialmente en el núcleo. El objetivo principal de las barras de control controladoras que se hallan introducidas durante el funcionamiento del reactor es absorber el exceso de reactividad del núcleo. El exceso de reactividad está incorporado en el núcleo para ser consumido sucesivamente durante el ciclo de funcionamiento, cuya duración puede variar significativamente de menos de 12 meses hasta más de 24 meses. Un ciclo de funcionamiento largo requiere también un exceso de reactividad correspondientemente mayor. La manera de lograr este exceso de reactividad es hacer que la mayor parte del combustible sea nueva y por ello contenga una concentración más elevada de material fisionable.

Una función secundaria de las barras de control controladoras consiste en controlar la distribución de efecto en el núcleo, en parte de manera que no se superen localmente los límites térmicos y en parte de manera que se distribuya el agotamiento del material fisionable para que no surjan efectos localmente elevados cuando se tienen que extraer las barras de control al final del ciclo de funcionamiento cuando el exceso de reactividad disminuye. Es una exigencia entonces que meramente la distribución del material fisionable pueda controlar la distribución de efecto. En esta función de control las barras de control actúan conjuntamente con la distribución inicial del material fisionable y absorbedores consumibles, ver a continuación, que se cooptimiza con cálculos antes de empezar cada nuevo ciclo de funcionamiento.

Las barras de control no son suficientes de por sí solas para absorber todo el exceso de reactividad, especialmente no durante ciclos de funcionamiento de una duración superior a los 12 meses. Por lo tanto, se proporcionan como suplementos absorbedores consumibles, por ejemplo Gd₂O₃, que se incluyen de forma fija en el combustible nuevo. Un tal absorbedor consumible está dimensionado para ser consumido durante el primer ciclo de funcionamiento. Los absorbedores consumibles suplementan también el control de la distribución de efecto del núcleo.

Las barras de control pueden estar divididas también en grupos diferentes en función de las celdas con las cuales estén destinadas a actuar conjuntamente. Las barras de control pueden incluir entonces primeras barras de control, que actúan conjuntamente con celdas provistas con una o varias del primer tipo de unidades de combustible que tiene combustible relativamente nuevo, y segundas barras de control, que actúan conjuntamente con celdas provistas del segundo tipo de unidades de combustible que tienen combustible parcialmente agotado. La concentración desigual de material fisionable en el núcleo, que depende del hecho de que el núcleo incluye combustible con diferentes grados de agotamiento, crea problemas cuando se ha de determinar cuales barras de control se han de introducir durante distintas fases del ciclo de funcionamiento. Las unidades de combustible que están situadas más próximas a una barra de control introducida, no se agotarán en la misma medida que las unidades de combustible que están situadas a una distancia de esta barra de control. El número relativamente bajo de barras de control en el núcleo mientras funciona conduce así sucesivamente a una desigualdad creciente en la concentración de material fisionable en el núcleo. Adicionalmente, se obtiene un aumento de efecto relativamente importante en las unidades de combustible situadas más próximas de la posición real de la barra de control inmediatamente después de la extracción de la barra de control del núcleo. Este aumento de efecto puede conducir a los llamados defectos PCI (interacción pastilla/vaina).

La PCI, o sea, la interacción mecánica entre la pastilla y la vaina, que mediante la corrosión por esfuerzo desde productos de fisión conduce a una grieta en la vaina desde el interior, es ahora un mecanismo de defecto muy investigado que se describe en la literatura especializada. Para que surja un defecto, se han de producir simultáneamente varias condiciones:

1. Procedimiento para el funcionamiento de un reactor nuclear de agua ligera (1) durante un ciclo de carburante de funcionamiento que incluye un ciclo cardinal y un número de ciclos sucesivos de las barras de control,

en el que el reactor (1) comprende una pluralidad de unidades de combustible alargadas (4) que incluyen cada una una pluralidad de varillas de combustible (6) que contienen un combustible nuclear en forma de un material fisiona- ble;

en el que por lo menos algunas de dichas unidades de combustible (4) comprenden una adición dependiente de las barras de control de un absorbedor consumible,

en el que el reactor (1) comprende una pluralidad de barras de control (5),

en el que están dispuestas dichas unidades de combustible (4) paralelas entre sí y forman una pluralidad de celdas, que incluyen cada una por lo menos dos de dichas unidades de combustible (4) y una posición de barra de control, en el que dichas celdas forman el núcleo (3) del reactor (1),

en el que son introducibles dichas barras de control (5) en una posición respectiva de dichas posiciones de barras de control,

en el que sustancialmente todas las barras de control (5) están introducidas en el núcleo antes de la puesta en marcha del reactor y la iniciación de un ciclo de carburante de funcionamiento, en el que el procedimiento comprende las etapas que consisten en:

hacer funcionar el reactor (1) durante el ciclo cardinal con una primera configuración de las barras de control, con un primer grupo de barras de control (5) introducido por lo menos parcialmente y las barras de control (5) restantes extraídas, y

hacer funcionar el reactor (1) durante los ciclos de las barras de control subsiguientes con una configuración de las barras de control respectiva que incluye cada una un grupo diferente de barras de control (5) introducido por lo menos parcialmente, caracterizado porque el ciclo cardinal es más largo que cada uno de los ciclos de las barras de control subsiguientes.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que los ciclos de barras de control subsiguientes incluyen asimismo:

hacer funcionar el reactor (1) durante un primero de los ciclos de las barras de control subsiguientes con una segunda configuración de las barras de control, con el primer grupo de barras de control (5) extraído y un segundo grupo de barras de control (5) por lo menos parcialmente introducido, y

hacer funcionar el reactor (1) durante un segundo de los ciclos de barras de control subsiguientes con una tercera configuración de las barras de control, con el segundo grupo de barras de control (5) extraído y un tercer grupo de barras de control (5) por lo menos parcialmente introducido.

3. Procedimiento según la reivindicación 2, en el que los ciclos de barras de control subsiguientes incluyen asimismo:

hacer funcionar el reactor (1) durante un tercero de los ciclos de las barras de control subsiguientes con una cuarta configuración de las barras de control, con el tercer grupo de barras de control (5) extraído y un cuarto grupo de barras de control (5) por lo menos parcialmente introducido.

4. Procedimiento según la reivindicación 3, en el que los ciclos de barras de control subsiguientes incluyen asimismo:

hacer funcionar el reactor (1) durante un cuarto de los ciclos de las barras de control subsiguientes con una quinta configuración de las barras de control, con el cuarto grupo de barras de control (5) extraído y un quinto grupo de barras de control (5) por lo menos parcialmente introducido,

5. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el combustible incluye el uranio-235 y el uranio-238,

en el que la cantidad de uranio-235 con relación a la cantidad de uranio-238 se define como el grado de enriquecimiento del combustible y en el que por lo menos las unidades de combustible (4), que son contiguas a las barras de control (5) en el primer grupo, presentan una modificación dependiente de las barras de control del grado de enriquecimiento.

6. Procedimiento según la reivindicación 5, en el que la modificación dependiente de las barras de control del grado de enriquecimiento es tal que las varillas de combustible (6), que están situadas en la proximidad de las barras de control (5) en el primer grupo, presentan un grado reducido de enriquecimiento.

7. Procedimiento según la reivindicación 6, en el que el núcleo (3) presenta un grado medio de enriquecimiento calculado sobre todas las unidades de combustible (4).

8. Procedimiento según la reivindicación 7, en el que dicho grado reducido de enriquecimiento es de por lo menos un 0,5% de U-235 en la proximidad inmediata de la barra de control (5).

9. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 7 y 8, en el que dicho grado modificado de enriquecimiento de las unidades de combustible (4), que son contiguas a las barras de control (5) en el primer grupo, es tal que el grado de enriquecimiento aumenta con una distancia de aumento desde la proximidad de un centro de la barra de control (5) desde dicho grado reducido de enriquecimiento de las varillas de combustible (6) situadas más próximas a la barra de control (5) al grado medio de enriquecimiento.

10. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que por lo menos las unidades de combustible (4), que son contiguas a las barras de control (5) en el primer grupo, presentan dicha adición dependiente de las barras de control de absorbedor consumible que presenta una capacidad de absorber neutrones térmicos.

11. Procedimiento según la reivindicación 10, en el que dicha adición de absorbedor consumible es tal que el absorbedor consumible en cada una de las unidades de combustible (4) situadas inmediatamente al lado de una barra de control (5) en el primer grupo está distribuido en algunas de las varillas de combustible (6').

12. Procedimiento según la reivindicación 11, en el que dicha adición de absorbedor consumible es tal que el absorbedor consumible en cada una de las unidades de combustible (4) que está situada inmediatamente al lado de una barra de control (5) en el primer grupo está distribuido sobre de 2 a 6 de las varillas de combustible (6').

13. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 11 y 12, en el que las varillas de combustible (6') sobre las cuales está distribuida la adición dependiente de las barras de control del absorbedor consumible están situadas inmediatamente al lado de una barra de control (5) en el primer grupo.

14. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el ciclo de combustible de funcionamiento es de por lo menos 15 meses.

15. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el ciclo de combustible de funcionamiento es de por lo menos 18 meses.

16. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el ciclo de combustible de funcionamiento es de por lo menos 24 meses.