Procedimiento para determinar la disposición de carga del núcleo de un reactor nuclear.

Un procedimiento implementado por ordenador para el diseño de una disposición de carga del núcleo para cargar haces de combustible de reactor nuclear en un núcleo de reactor nuclear para optimizar una cantidad de energía,

denominada energía de ciclo, que el núcleo del reactor genera antes de que el núcleo necesite ser refrescado, requiriéndose la disposición de carga del núcleo para satisfacer restricciones de diseño predeterminadas relativas a la interacción entre haces de combustible, comprendiendo dicho procedimiento las etapas de: asignar (102) a cada haz un valor relativo de reactividad según la reactividad del haz con respecto a la reactividad de los otros haces; asignar (104) a cada emplazamiento del núcleo un valor de reactividad relativo al emplazamiento del núcleo según un nivel de reactividad aceptable en ese emplazamiento del núcleo relativo al nivel de reactividad aceptable en los otros emplazamientos del núcleo;

asignar (106) valores a cada restricción predeterminada; crear (108) reglas para cada emplazamiento del núcleo del reactor para especificar una dirección en la que cambiar el valor de reactividad relativo al emplazamiento del núcleo para maximizar la energía de ciclo o para satisfacer una restricción predeterminada, o ambos;

estimular inicialmente (112) una carga del núcleo en la que cada haz es cargado en el emplazamiento del núcleo que tiene un valor de reactividad relativo al emplazamiento del núcleo igual al valor de reactividad relativo al haz de ese haz;

e identificar (200) una disposición óptima de carga del núcleo con base en la disposición inicial de carga del núcleo, comprendiendo la identificación (200) de la disposición óptima de carga del núcleo las etapas de:

(i) para un primer emplazamiento del núcleo,

(1) determinar (202) si la disposición de carga del núcleo satisface las restricciones de diseño en el emplazamiento del núcleo; y

(2) si no se satisface al menos una restricción de diseño en el emplazamiento del núcleo, buscar entonces las reglas para determinar una dirección en la que debería cambiarse el valor de reactividad relativo del emplazamiento del núcleo para satisfacer la restricción (204);

(3) buscar las reglas para determinar una dirección en la que debería cambiarse el valor de reactividad relativo al emplazamiento del núcleo para mejorar la energía de ciclo (206) si todas las restricciones de diseño son satisfechas en el emplazamiento del núcleo;

(4) seleccionar al azar un cambio en el valor de reactividad relativo al emplazamiento del núcleo para el emplazamiento del núcleo si no hay ninguna regla para cambiar el valor de reactividad relativo al emplazamiento del núcleo; y

(5) determinar los valores de restricción y la energía de ciclo para la disposición de carga del núcleo que resulte de cambiar el valor de reactividad relativo del emplazamiento del núcleo según la dirección determinada por la regla o las reglas o el cambio seleccionado al azar y la reordenación de los haces de combustible, de tal modo que el valor de reactividad relativo al haz coincida con el valor de reactividad relativo al emplazamiento del núcleo, y (ii) repetir las etapas (1) - (5) anteriores para cada emplazamiento del núcleo, usando para ello la disposición cambiada de carga del núcleo si el cambio da como resultado una disposición mejorada de carga del núcleo.

Procedimiento para determinar la disposición de carga del núcleo de un reactor nuclear La presente invención versa, en general, acerca de reactores nucleares y, más en particular, acerca de la identificación de disposiciones óptimas de carga de haces de combustible en el núcleo de un reactor nuclear.

Un núcleo de reactor nuclear tiene muchos haces individuales de combustible, por ejemplo varios cientos, que tienen diferentes características. Preferentemente, tales haces están dispuestos dentro del núcleo del reactor para que la interacción entre los haces de combustible satisfaga todas las restricciones reguladoras y de diseño del reactor, incluyendo restricciones gubernativas y especificadas por el cliente. Además de satisfacer las restricciones de diseño, dado que la disposición de carga del núcleo determina la energía de ciclo, es decir, la cantidad de energía que el núcleo del reactor genera antes de que el núcleo necesite ser refrescado con nuevos elementos de combustible, la disposición de carga del núcleo, preferentemente, optimiza la energía de ciclo del núcleo.

Para optimizar la energía de ciclo del núcleo, los haces de mayor reactividad son colocados generalmente en un emplazamiento interior del núcleo. Sin embargo, para satisfacer algunas restricciones de diseño, los haces de mayor reactividad son colocados generalmente en un emplazamiento externo del núcleo. Por lo tanto, identificar la disposición preferente de carga del núcleo es una optimización con un reto de restricciones.

El número posible de disposiciones o configuraciones de los haces en el núcleo del reactor puede superar cien factorial. De estas muchas configuraciones diferentes posibles, solo un pequeño porcentaje de tales configuraciones satisface todas las restricciones de diseño aplicables. Además, solo un porcentaje pequeño de las configuraciones que satisfacen todas las restricciones de diseño aplicables es económico.

Tradicionalmente, las determinaciones de la disposición de carga del núcleo se realizan por prueba y error. Específicamente, y con base en la experiencia pasada de los ingenieros, se identifica una disposición de carga del núcleo. La disposición identificada de carga del núcleo es simulada entonces en un ordenador. Si no se satisface una restricción particular de diseño por la disposición identificada, la disposición es modificada y se ejecuta otra simulación de ordenador. Típicamente, se requieren semanas-hombre antes de que se identifique una disposición apropiada de carga del núcleo usando el procedimiento descrito en lo que antecede.

Además, una vez que se ha identificado una disposición de carga del núcleo que satisface todas las restricciones de diseño usando el enfoque de prueba y error, tal disposición identificada del núcleo puede no proporcionar la energía de ciclo real máxima. Por lo tanto, el procedimiento de prueba y error continúa hasta que los ingenieros creen que la disposición óptima del núcleo ha sido identificada. Sin embargo, en la práctica es posible que una disposición particular del núcleo que no sea necesariamente coherente con la experiencia pasada de los ingenieros pueda ser la disposición óptima real del núcleo. Sin embargo, tal disposición óptima real del núcleo puede no ser identificada necesariamente mediante el procedimiento de prueba y error.

Dado que generalmente se considera que el problema de la disposición del núcleo es único para cada reactor y las características de los haces, ningún algoritmo conocido proporciona una solución viable para identificar disposiciones óptimas del núcleo de un reactor. Además, los sistemas expertos no han sido utilizados de forma generalizada, dado que, típicamente, un conjunto estándar de reglas no es aplicable en una amplia gama de situaciones a las muchas disposiciones únicas y complejas de carga del núcleo, que difieren en todos los reactores.

Las disposiciones de carga del núcleo de la técnica anterior son dadas a conocer por los artículos "Automatic determination of pressurized water reactor core loading patterns that maximise beginning-of-cycle reactivity within power-peaking and burnup constraints", de G. H. Hobson y P. J. Turinsky, Nuclear Technology 74, p. 5-13, que da a conocer un procedimiento de determinación de un patrón de carga del núcleo que maximiza la reactividad del núcleo mientras satisface la maximización de la potencia, el quemado a la descarga y otras restricciones, y "Optimal fuel loading pattern design using an artificial neural network and a fuzzy rule-based system", de H. G. Kim et al., Nuclear Science and Engineering 114, p. 152-163, que da a conocer un procedimiento de determinación de un patrón de carga del núcleo en el cual un factor de maximización de la potencia local es menor que un valor predeterminado durante un ciclo y se maximiza el factor de multiplicación efectivo para extraer el máximo de energía.

Por supuesto, sería deseable reducir el tiempo requerido para identificar una disposición de carga del núcleo que optimice la energía de ciclo y satisfaga todas las restricciones de diseño. También sería deseable proporcionar una metodología aplicable a una amplia gama de reactores para identificar de forma sistemática y fiable disposiciones óptimas de carga del núcleo.

Según un primer aspecto de la invención, según se define en la reivindicación 1, se proporciona un procedimiento implementado por ordenador para el diseño de una disposición de carga del núcleo para cargar haces de combustible de reactor nuclear en un núcleo de reactor nuclear, requiriéndose la disposición de carga del núcleo para satisfacer restricciones de diseño predeterminadas, comprendiendo dicho procedimiento las etapas de: asignar a cada haz un valor relativo de reactividad dentro de un intervalo de carga; asignar a cada emplazamiento del núcleo un valor de reactividad relativo; asignar valores a cada restricción predeterminada; crear reglas para cada

emplazamiento del núcleo del reactor para especificar una dirección en la que mover un haz para maximizar la energía de ciclo o para satisfacer una restricción predeterminada, o ambos; estimular inicialmente una carga del núcleo en la que cada haz es cargado en el emplazamiento del núcleo que tiene un valor de reactividad del emplazamiento del núcleo igual al valor de reactividad relativo al haz; y determinar valores iniciales para la energía de ciclo y restricciones de diseño para la disposición inicial de carga del núcleo.

El procedimiento comprende además la etapa de identificar una disposición óptima de carga del núcleo con base en la disposición inicial de carga del núcleo.

La identificación de la disposición óptima del núcleo comprende las etapas de: (i) seleccionar un emplazamiento del núcleo; (ii) determinar si la disposición inicial de carga del núcleo satisface las restricciones de diseño en el emplazamiento seleccionado del núcleo; (iii) si no se satisface al menos una restricción de diseño en el emplazamiento seleccionado del núcleo, buscar entonces las reglas para determinar una dirección en la que debería cambiarse el valor de reactividad del emplazamiento seleccionado del núcleo para satisfacer la restricción; (iv) si todas las restricciones de diseño son satisfechas en el emplazamiento seleccionado del núcleo, buscar entonces las reglas para determinar una dirección en la que debería cambiarse el valor de reactividad del emplazamiento del núcleo para mejorar la energía de ciclo; (v) si no hay ninguna regla para cambiar el valor de reactividad del primer emplazamiento del núcleo, seleccionar entonces al azar un cambio en el nivel de reactividad para al emplazamiento seleccionado del núcleo; y (vi) determinar nuevos valores de restricción y la energía de ciclo para la disposición de carga del núcleo que resulte de cambiar el valor de reactividad del emplazamiento seleccionado del núcleo.

Se selecciona cada emplazamiento del núcleo y las etapas (ii) - (vi) pueden ser realizadas para cada emplazamiento seleccionado tal del núcleo. Cada emplazamiento del núcleo puede ser analizado usando un modo de operación de profundidad, permitiendo el modo de profundidad que, una vez que se ha efectuado un cambio que dé como resultado una disposición mejorada en la carga del núcleo, entonces cualquier cambio subsiguiente de tal disposición alternativa se realiza al llevar a cabo las etapas (ii) - (vi) . De manera alternativa, cada emplazamiento del núcleo puede ser analizado usando un modo de operación en anchura, permitiendo el modo en anchura que cada disposición... [Seguir leyendo]