Procedimiento de implementación de una configuración de conjuntos combustible de un núcleo inicial.

Un procedimiento de implementación de un núcleo inicial económico (214) que todavía no ha experimentado ninguna combustión nuclear para un reactor nuclear de agua ligera,

comprendiendo dicho procedimiento:

la provisión de una pluralidad de conjuntos combustible (208, 206, 204) que tienen enriquecimientos medios diferentes de uranio 235, incluyendo al menos lotes de combustible altamente enriquecidos (208), lotes de combustible enriquecidos en menor grado (204), y los menos enriquecidos lotes de combustible (206), la disposición de dicha pluralidad de conjuntos combustible (208, 206, 204), en una configuración de núcleo inicial estructurada para imitar al menos en términos de distribución de reactividad espacial, un núcleo de recarga de ciclo de equilibrio conocido que incluye lotes de conjuntos combustible de alimentación, conjuntos combustible quemados una vez y conjuntos combustible quemados dos veces, en el que los conjuntos combustible de alimentación presentan el enriquecimiento medio más elevado, incluyendo dicha etapa de disposición la toma de datos obtenidos a lo largo de los años de control de los ciclos de equilibro de diversos reactores y aplicándolos para imitar la distribución de reactividad de dicho núcleo de recarga del ciclo de equilibro del núcleo inicial con el fin de imitar el ciclo de equilibro deseado utilizando lotes de combustible altamente enriquecido (208) que tengan aproximadamente el mismo tamaño y enriquecimiento que los conjuntos de combustible de alimentación de dicho núcleo de recarga del ciclo de equilibro, y aproximando la reactividad de los lotes de combustible quemados una vez y de los lotes de combustible quemados dos veces del núcleo de recarga del ciclo de equilibrio mediante el uso de los lotes de combustible (204, 206) que presentan enriquecimientos medios iniciales en base a una reactividad no nula, de inicio del ciclo de combustión nuclear y de enriquecimiento inicial del combustible quemado una vez y dos veces del núcleo de recarga del ciclo de equilibro, y

la provisión de un diseño de rejilla avanzado (300) para al menos algunos de los conjuntos combustible altamente enriquecidos (208) adyacentes a los conjuntos combustible de enriquecimiento bajo (206) del núcleo inicial, empleando una zonificación radial del conjunto combustible para reducir el enriquecimiento de las varillas de combustible (203) en los bordes del conjunto combustible (208), disponiendo las varillas de combustible de enriquecimiento más bajo (302) en las esquinas de la rejilla (300) y las varillas de enriquecimiento más bajo siguientes (304) a lo largo de los lados o bordes de la rejilla (300).

Procedimiento de implementación de una configuración de conjuntos combustible de un núcleo inicial Antecedentes de la invención Campo de la invención La presente invención se refiere, en general, a conjuntos combustible para un reactor nuclear y, más concretamente, a un procedimiento avanzado de gestión del combustible por medio de una disposición de conjuntos combustible nucleares dentro del núcleo inicial de un reactor de agua ligera.

Información de antecedentes Los modernos reactores comerciales de energía nuclear son abastecidos de combustible con uranio con un contenido en U-235 ligeramente enriquecido. El núcleo del reactor está formado por numerosos conjuntos combustible alargados, rectangulares, dispuestos dentro de una vasija cilíndrica. Los conjuntos combustible están dispuestos de acuerdo con un patrón de carga concebido para satisfacer determinadas exigencias técnicas, como la distribución de potencia, incluyendo los límites de los picos de potencia dentro del núcleo. Otras consideraciones incluyen la potenciación al máximo del ciclo de combustible, o el tiempo requerido entre los reabastecimientos de combustible. La configuración de la carga inicial, el plan de sustitución y la disposición del combustible durante la vida del reactor son consideradas como gestión del combustible en el núcleo, y es una consideración del diseño del reactor nuclear importante. El uso del combustible U-235 ligeramente enriquecido necesita que las porciones del núcleo sean periódicamente retiradas y sustituidas por combustible nuevo o fresco. Así, es habitual combinar nuevos conjuntos combustible procedentes de ciclos de combustible anteriores. Unas existencias típicas de conjuntos combustible incluyen cerca de un tercio de nuevos conjuntos combustible, generalmente designados como conjuntos combustible, aproximadamente un tercio de conjuntos combustible quemados una vez y aproximadamente un tercio de conjuntos combustible quemados dos veces.

Por consiguiente, el patrón de carga de combustible para el primer núcleo de un reactor nuclear, por ejemplo un reactor de agua ligera, generalmente utiliza tres zonas de enriquecimiento en base al enriquecimiento medio de U235 de los conjuntos combustible con una zona determinada, presentando cada zona unas proporcionales genéricamente iguales. La Figura 1 representa una representación esquemática de dicho patrón de carga conocido de la técnica anterior 2 que utiliza tres lotes de combustible de tamaño genéricamente igual 4, 6, 8. Un lote es un grupo de conjuntos combustible que están típicamente situados en el interior y, a continuación, que son permanentemente retirados del núcleo 14 de forma conjunta. Nótese que el patrón mostrado en la Figura 1 ilustra solo un octavo del núcleo de reactor 14 y adopta una simetría del núcleo. Las zonas incluyen dos zonas de enriquecimiento bajo 4, 6 las cuales, según se muestra, están generalmente cargadas en una forma de tablero de ajedrez hacia el interior del reactor 10, y una zona de enriquecimiento elevada 8 que está cargada fundamentalmente en la periferia del reactor 12.

La longitud del ciclo de recarga de combustible para los núcleos 14 ensamblados de acuerdo con la disposición precedente se ajusta modificando los enriquecimientos de todas las zonas 4, 6 8 de una manera sustancialmente igual. Sin embargo esto provoca la desventaja de una utilización del combustible relativamente deficiente debido fundamentalmente a las fugas elevadas neutrónicas provocadas por la zona de elevado enriquecimiento 8 que está dispuesta en la periferia del reactor 12. Así mismo, el uso de tres regiones genéricamente de igual tamaño en las zonas 4, 6, 8 es inconsistente con las prácticas de gestión de combustible actuales de la industria con respecto a los ciclos de recarga, en las que la fracción de reabastecimiento de combustible varía en función de la longitud del ciclo deseada. Un ciclo es el tiempo durante el cual la disposición del combustible normalmente fijo dentro del núcleo del reactor no es modificado, empezando habitualmente con la sustitución de un lote de alimentación, o de un lote de combustible fresco, dentro del núcleo y finalizando con la retirada de los conjuntos combustible quemados en alto grado. El número de quemados que un conjunto combustible ha experimentado es el número de ciclos que ha habido en el núcleo del reactor. Un ciclo típico podría oscilar entre 10 y 18 meses de duración. A modo de ejemplo, los ciclos de 18 meses de acuerdo con la técnica anterior referida requieren que aproximadamente un 40% del núcleo sea sustituido en cada ciclo, comprendiendo típicamente la sustitución una mezcla de conjuntos combustible que presentan enriquecimientos tanto altos como bajos. Por tanto, se debe apreciar que el uso de lotes de igual tamaño provoca la descarga de regiones o zonas de enriquecimiento bajo con quemaduras muy bajas, al tiempo que requieren una inversión financiera considerable. Por consiguiente, dicha práctica no es eficiente y resulta escasamente económica. Los grandes ahorros en los costes globales de combustible se consiguen reduciendo al mínimo el enriquecimiento inicial requerido para conseguir un esquema de gestión de combustible equilibrado.

Además de la falta de eficiencia de los procedimientos de la técnica anterior para establecer los núcleos iniciales está el hecho de que dichos procedimientos se realizan sobre una base ad hoc, llevada a cabo sobre una base de un sistema de tanteo que se basa en años de experiencia en la técnica. No hay un enfoque sistemático para desarrollar el primer núcleo. En cuanto tales, los núcleos iniciales creados por dichos procedimientos deben ser creados de forma conservadora con una construcción con un margen de error, lo que provoca que el núcleo lleve más tiempo del necesario para alcanzar el equilibro, incrementado con ello los costes.

Los documentos US4324615, US2004196946, US3432389 y US6504889 divulgan procedimientos de la técnica anterior de realización de núcleos inicialmente zonificados utilizando lotes de conjuntos combustible de diferente enriquecimiento.

Es deseable, por tanto, evitar las consecuencias desfavorables de los costes de los ciclos de combustible asociadas con esquemas de gestión conocidos del núcleo inicial del combustible nuclear. Existe la necesidad, por tanto, de un procedimiento avanzado de realización de núcleos iniciales de reactores nucleares.

Por consiguiente, hay campo para la mejora en la técnica de la gestión del combustible dentro del núcleo para reactores nucleares incluyendo la disposición de conjuntos combustible de núcleo inicial y en procedimientos de realización de los mismos.

Sumario de la invención Estas y otras necesidades se satisfacen en la presente invención, la cual se refiere a un procedimiento de carga de un núcleo inicial para un reactor nuclear de forma que sustancialmente imite el núcleo de recarga de un ciclo equilibrado altamente económico y eficiente de un reactor nuclear.

En un aspecto de la divulgación, correspondiente a la invención, según se definen la reivindicación 1, se proporciona un procedimiento para la realización de un núcleo inicial económico para un reactor.

El procedimiento incluye la provisión de unos haces de la pluralidad de conjuntos combustible, en el que los haces incluyen al menos unos lotes de combustible altamente enriquecidos, unos lotes de combustible enriquecidos en menor medida y unos lotes de combustible enriquecidos en la menor medida. El núcleo de recarga del ciclo de equilibro incluye unos lotes de conjuntos combustible de alimentación, unos conjuntos de combustible quemados una vez y unos conjuntos combustible quemados una vez, en los que los conjuntos combustible de alimentación presentan el enriquecimiento de uranio 235 medio más elevado, los conjuntos combustible quemados una vez presentan un combustible menos enriquecido y los conjuntos combustible quemados dos veces presentan el combustible menos enriquecido, y en el que los lotes de combustible altamente enriquecido del núcleo inicial tienen aproximadamente el mismo tamaño y enriquecimiento que el lote de combustible de alimentación del núcleo de recarga del ciclo de equilibrio.

El procedimiento incluye además la etapa de aproximar la reactividad de los lotes de combustible quemados una vez y de los lotes de combustible quemados dos veces del núcleo de recarga del ciclo de equilibrio en el ciclo inicial mediante el empleo de lotes de combustible dentro del núcleo inicial que presentan enriquecimientos medios iniciales basados en la reactividad no nula, comenzando la quemadura del ciclo y el enriquecimiento inicial del combustible quemado una vez y dos veces del núcleo del ciclo de recarga de equilibrio.

Uno o más... [Seguir leyendo]

1. Un procedimiento de implementación de un núcleo inicial económico (214) que todavía no ha experimentado ninguna combustión nuclear para un reactor nuclear de agua ligera, comprendiendo dicho procedimiento:

la provisión de una pluralidad de conjuntos combustible (208, 206, 204) que tienen enriquecimientos medios diferentes de uranio 235, incluyendo al menos lotes de combustible altamente enriquecidos (208) , lotes de combustible enriquecidos en menor grado (204) , y los menos enriquecidos lotes de combustible (206) , la disposición de dicha pluralidad de conjuntos combustible (208, 206, 204) , en una configuración de núcleo inicial estructurada para imitar al menos en términos de distribución de reactividad espacial, un núcleo de recarga de ciclo de equilibrio conocido que incluye lotes de conjuntos combustible de alimentación, conjuntos combustible quemados una vez y conjuntos combustible quemados dos veces, en el que los conjuntos combustible de alimentación presentan el enriquecimiento medio más elevado, incluyendo dicha etapa de disposición la toma de datos obtenidos a lo largo de los años de control de los ciclos de equilibro de diversos reactores y aplicándolos para imitar la distribución de reactividad de dicho núcleo de recarga del ciclo de equilibro del núcleo inicial con el fin de imitar el ciclo de equilibro deseado utilizando lotes de combustible altamente enriquecido (208) que tengan aproximadamente el mismo tamaño y enriquecimiento que los conjuntos de combustible de alimentación de dicho núcleo de recarga del ciclo de equilibro, y aproximando la reactividad de los lotes de combustible quemados una vez y de los lotes de combustible quemados dos veces del núcleo de recarga del ciclo de equilibrio mediante el uso de los lotes de combustible (204, 206) que presentan enriquecimientos medios iniciales en base a una reactividad no nula, de inicio del ciclo de combustión nuclear y de enriquecimiento inicial del combustible quemado una vez y dos veces del núcleo de recarga del ciclo de equilibro, y la provisión de un diseño de rejilla avanzado (300) para al menos algunos de los conjuntos combustible altamente enriquecidos (208) adyacentes a los conjuntos combustible de enriquecimiento bajo (206) del núcleo inicial, empleando una zonificación radial del conjunto combustible para reducir el enriquecimiento de las varillas de combustible (203) en los bordes del conjunto combustible (208) , disponiendo las varillas de combustible de enriquecimiento más bajo (302) en las esquinas de la rejilla (300) y las varillas de enriquecimiento más bajo siguientes (304) a lo largo de los lados o bordes de la rejilla (300) .

2. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que dicho núcleo inicial incluye un interior (110) y una periferia (112) , y en el que los conjuntos combustible menos enriquecidos están fundamentalmente dispuestos sobre la periferia del núcleo (112) .

3. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que el enriquecimiento medio resultante dentro de dicho núcleo inicial oscila desde por debajo de aproximadamente un 1% en peso del uranio 235 hasta aproximadamente un 5% en peso de uranio 235.

4. El procedimiento de la reivindicación 1 que incluye la provisión de un diseño de rejilla avanzado (300) para al menos algunos de los conjuntos combustible de dicho núcleo inicial, en el que dicho diseño de rejilla está estructurado para compensar un gran pico de flujo de neutrones térmicos que deriva de dichos lotes de combustible altamente enriquecidos dentro de dicha configuración de núcleo inicial que está dispuesta en posición adyacente a lotes de combustible menos enriquecidos dentro de dicha configuración de núcleo inicial, y en el que dicho diseño de rejilla avanzado incluye un patrón genéricamente cuadrado de filas adyacentes de varillas de combustible; en el que dichas varillas de combustible incluyen al menos seis tipos de varillas de combustible diferentes (302, 304, 306, 308, 310, 312) que oscilan en cuanto a enriquecimiento medio desde el menos enriquecido al más enriquecido; y en el que dicha rejilla avanzada dispone las varillas de combustible menos enriquecidas en las esquinas de dicho patrón genéricamente cuadrado, las varillas de combustible siguientes menos enriquecidas (302) en las filas más hacia fuera de dicho patrón genéricamente cuadrado y las varillas de combustible más enriquecidas (310, 312) hacia el centro de dicho patrón genéricamente cuadrado.