ELEMENTO COMBUSTIBLE PARA REACTORES NUCLEARES DE AGUA A PRESION, Y METODO DE CARGA DE ELEMENTOS COMBUSTIBLES EN UN NUCLEO DE UN REACTOR NUCLEAR.

La invención se refiere a un elemento combustible para reactoresnucleares de agua a presión,

que comprende una pluralidad de barras de combustible nuclear que cada una comprende una pluralidad de pastillas con combustible nuclear. El elemento incluye tanto pastillas con óxido de gadolinio de alta concentración (superior oigual al 6% en peso) como pastillas con óxido de gadolinio de media concentración (superior al 2% en peso e inferior o igual al 4%en peso). La invención también se refiere a un método para cargar el núcleo de un reactor nuclear

Tipo: Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: W06000374ES.

Solicitante: ENUSA INDUSTRIAS AVANZADAS, S.A..

Nacionalidad solicitante: España.

Provincia: MADRID.

Inventor/es: MILDRUM, CLAUDE MICHEL, SERRANO RODRIGUEZ,JOSE,FRANCISCO.

Fecha de Publicación: .

Fecha Concesión Europea: 26 de Agosto de 2009.

Clasificación Internacional de Patentes:

  • G21C3/326 FISICA.G21 FISICA NUCLEAR; TECNICA NUCLEAR.G21C REACTORES NUCLEARES (reactores de fusión, reactores híbridos fisión-fusión G21B; explosivos nucleares G21J). › G21C 3/00 Elementos combustibles para reactor o sus conjuntos; Empleo de sustancias especificadas para utilización como elementos combustibles para reactores. › que comprenden elementos combustibles de diferentes composiciones; que comprenden, además de elementos combustibles, otros elementos en forma de aguja, barra o tubo, p. ej. barras de control, barras de soporte de rejillas, barras fértiles, barras de veneno o barras ficticias.
  • G21C3/328 G21C 3/00 […] › Disposición relativa de los elementos en el haz.
  • G21C7/04 G21C […] › G21C 7/00 Control de la reacción nuclear. › de venenos combustibles (venenos combustibles en barras de combustible G21C 3/326).

Clasificación PCT:

  • G21C3/326 G21C 3/00 […] › que comprenden elementos combustibles de diferentes composiciones; que comprenden, además de elementos combustibles, otros elementos en forma de aguja, barra o tubo, p. ej. barras de control, barras de soporte de rejillas, barras fértiles, barras de veneno o barras ficticias.
ELEMENTO COMBUSTIBLE PARA REACTORES NUCLEARES DE AGUA A PRESION, Y METODO DE CARGA DE ELEMENTOS COMBUSTIBLES EN UN NUCLEO DE UN REACTOR NUCLEAR.

Fragmento de la descripción:

Elemento combustible para reactores nucleares de agua a presión, y método de carga de elementos combustibles en un núcleo de un reactor nuclear.

Campo técnico de la invención

La invención se engloba en el campo de la energía nuclear y, más concretamente, en el campo de los elementos combustibles utilizados en los reactores de agua a presión (PWR: "Pressurised Water Reactor").

Antecedentes de la invención

Existen diferentes tipos de reactores nucleares, por ejemplo, los reactores de agua en ebullición (BWR: "Boiling Water Reactor"), los reactores de agua a presión (PWR), etc. En los dos tipos de reactores mencionados, se utilizan elementos combustibles que comprenden una pluralidad de barras de combustible nuclear, organizadas en forma de matriz, en filas y columnas. Estas barras incluyen pastillas ("pellets") de combustible, por ejemplo, de uranio (U), en forma de óxido de uranio (UO2), normalmente enriquecido en U-235.

Un ejemplo de un elemento combustible de este tipo, y de barras de combustible y sus correspondientes pastillas de combustible, se describe en la solicitud de patente europea publ. no. EP-A-0369305. Otros ejemplos de elementos y barras de combustible, para reactores de agua a presión o para reactores de agua en ebullición, se describen en las patentes o solicitudes de patente publ. no. US-A-4587090, US-A-4649020, US-A-4728487, US-A-4378329, US-A-4629599, GB-A-1280366, EP-A-0799484 y EP-A-0155865.

El conjunto de elementos combustibles cargados en el interior de la vasija constituye el núcleo del reactor. El núcleo de los reactores de agua a presión y de agua en ebullición está refrigerado por agua, que, a su vez, actúa como moderador de los neutrones, para extraer la energía que se produce por la fisión del material fisionable (básicamente del U-235). A medida que desaparece el material fisionable, la reactividad del sistema disminuye por lo que para que el reactor siga funcionando es necesario cargar periódicamente nuevos elementos combustibles. El nuevo núcleo, tras la recarga de combustible fresco, tiene que tener un exceso de reactividad para poder operar durante un periodo de tiempo suficientemente largo (un año o más) entre recargas.

Para controlar el exceso de reactividad al principio del ciclo suelen emplearse venenos consumibles. Los venenos consumibles son sustancias absorbentes de neutrones (es decir, tienen una sección eficaz de absorción elevada) que al capturar un neutrón se transforman en una sustancia inerte. Atendiendo a la forma en que se incorporan al combustible, los venenos absorbentes se dividen en: (1) integrados, cuando el material absorbente va incorporado en las pastillas combustibles, y (2) discretos, cuando el material absorbente se introduce en el núcleo formando parte de un dispositivo (normalmente un haz de barritas absorbentes) que se acopla al elemento combustible utilizando los alojamientos previstos para las barras de control.

La presente invención se refiere a los elementos combustibles para reactores de agua a presión.

El uso de venenos consumibles, inicialmente limitado a los primeros núcleos en los reactores de agua a presión (en los que todo el combustible que se carga es combustible fresco), se ha generalizado en los núcleos de recarga (en los que sólo una parte del núcleo se carga con combustible fresco) como consecuencia del alargamiento de los ciclos y de la necesidad de mejorar el control de la distribución de potencia en los núcleos de recarga.

En ciclos cortos es posible compensar el exceso de reactividad a principio del ciclo (BOC) exclusivamente con el boro disuelto en el refrigerante. La concentración de boro en el refrigerante es máxima al principio del ciclo, cuando el exceso de reactividad es mayor, y va disminuyendo con el quemado a medida que la reactividad del núcleo baja como resultado del quemado del combustible y la aparición de productos de fisión con secciones eficaces de absorción de neutrones elevadas (venenos neutrónicos).

Para ciclos más largos el exceso de reactividad a BOC es mayor y para compensarlo se necesitarían concentraciones de boro excesivamente altas, no admisibles por su impacto adverso sobre el combustible y la operación de la central. Entre los efectos adversos asociados a las concentraciones altas de boro se pueden citar:

- Un coeficiente de temperatura del moderador más positivo.

- Disminución de la eficacia de los sistemas de seguridad de la planta.

- Aumento de la severidad de alguno de los accidentes considerados en el Estudio Final de Seguridad, como por ejemplo los de dilución de boro.

- Aumento de la concentración de litio (Li) que contribuye a acelerar la corrosión del combustible y/o de otros materiales del primario.

Para conseguir ciclos más largos, que mejoran la economía del ciclo, ha sido necesario aumentar el número de elementos frescos que se cargan tras la parada del ciclo anterior, así como su enriquecimiento en material físil (normalmente U-235). Además, la distribución de los elementos en el núcleo ha evolucionado desde los primeros esquemas de recarga de tipo "out-in" (en los que el combustible fresco se cargaba mayoritariamente en la parte exterior del núcleo) a los actuales de bajas fugas (en los que el combustible más quemado se carga en la periferia para disminuir las fugas neutrónicas).

Con la introducción de los esquemas de bajas fugas, la distribución de potencia tiende a ser menos homogénea provocando la aparición de picos locales que no pueden controlarse sólo con la adición de un veneno homogéneamente distribuido entre los elementos combustibles, como es el caso del boro disuelto en el refrigerante. Por lo tanto, es necesario incorporar elementos de veneno que afecten de forma diferente y selectiva a diferentes zonas del núcleo del reactor y/o de los elementos combustibles.

El uso de venenos consumibles que pueden ubicarse de forma selectiva en el reactor, junto con el boro disuelto en el refrigerante (que, como se ha indicado, se distribuye de forma homogénea), permite compensar el exceso de reactividad a principio de vida y conseguir una distribución de potencia homogénea en los ciclos largos. Entre los venenos consumibles, los venenos integrados tienen dos ventajas principales:

(1) No generan residuos; y

(2) Su posición en el núcleo no está limitada a las posiciones sin barras de control. (Todos los elementos combustibles para reactores de agua a presión suelen, en adición a las barras de combustible, comprender posiciones destinadas a recibir barras de control que sirven para moderar la combustión y para pararla en casos de emergencia. Sin embargo, en los núcleos de los reactores de agua a presión, dichas barras sólo están presentes en correspondencia con una parte de los elementos, por lo que, en los demás elementos, las posiciones que dichas barras ocuparían en la matriz de barras están libres y pueden ser utilizadas para alojar barras de veneno discreto).

Como contrapartida, el elemento resultante tras la absorción neutrónica no es completamente inerte, lo que da lugar a una pequeña penalización remanente durante toda la vida útil del combustible.

El óxido de gadolinio (Gd2O3) sinterizado junto con el UO2 en las pastillas de combustible es el veneno consumible integrado más utilizado en los reactores de agua en ebullición y se emplea cada vez más en los reactores de agua a presión (aunque, debido a las diferencias conceptuales entre el funcionamiento de estos dos tipos de reactores, la forma de utilizar el óxido de gadolinio en los reactores de agua a presión difiere de la forma de utilizarlo en los reactores de agua en ebullición). Algunos de los documentos mencionados más arriba describen ejemplos del uso de óxido de gadolinio en diferentes tipos de reactores.

En las aplicaciones actuales para ciclos largos de entre 18 y 24 meses en reactores de agua a presión, se suelen utilizar mezclas de óxido de gadolinio de alta y de baja concentración, como único veneno consumible o combinado con otros venenos. En estos diseños, el óxido de gadolinio de alta concentración (típicamente, entre el 6% y el 10% en peso) tiene como función principal controlar la distribución de potencia y los factores de pico de potencia a lo largo de todo el ciclo, mientras que el óxido de gadolinio de baja concentración (entre el 0,5% y el 2% en peso) se utiliza para reducir la concentración de boro soluble durante la primera parte del ciclo, para evitar los efectos adversos...

 


Reivindicaciones:

1. Elemento combustible para reactores nucleares de agua a presión, que comprende una pluralidad de barras de combustible nuclear que cada una comprende una pluralidad de pastillas con combustible nuclear, comprendiendo al menos algunas de dichas pastillas, en al menos algunas de dichas barras de combustible nuclear, óxido de gadolinio de alta concentración, siendo dicha alta concentración una concentración de óxido de gadolinio superior o igual al 6% en peso con respecto al peso de la pastilla;

caracterizado porque al menos algunas de dichas pastillas, en al menos algunas de dichas barras, comprenden óxido de gadolinio de media concentración, siendo dicha media concentración una concentración de óxido de gadolinio superior al 2% en peso e inferior o igual al 4% en peso, con respecto al peso de la pastilla.

2. Elemento combustible según la reivindicación 1, caracterizado porque el elemento combustible comprende un número total T de barras de combustible nuclear, comprendiendo un número A de dichas barras de combustible nuclear pastillas de gadolinio de alta concentración y comprendiendo un número B de dichas barras de combustible nuclear pastillas de gadolinio de media concentración,

2=A=el 12% de T,

2=B=el 15% de T.

3. Elemento combustible según la reivindicación 2, caracterizado porque

2=A=el 8% de T,

2=B=el 10% de T.

4. Elemento combustible según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque

en las barras de combustible nuclear que no comprenden pastillas que comprenden óxido de gadolinio, las pastillas presentan un primer grado de enriquecimiento de U-235,

y porque

en las barras de combustible nuclear que comprenden pastillas que comprenden óxido de gadolinio, - las pastillas que comprenden óxido de gadolinio de media concentración comprenden adicionalmente combustible nuclear con un segundo grado de enriquecimiento de U-235 sustancialmente idéntico al primer grado de enriquecimiento de U-235, y

- las pastillas que comprenden óxido de gadolinio de alta concentración comprenden adicionalmente combustible nuclear con un tercer grado de enriquecimiento de U-235 sustancialmente inferior al primer grado de enriquecimiento de U-235.

5. Elemento combustible según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicha media concentración de óxido de gadolinio es una concentración de óxido de gadolinio superior al 2,5% en peso e inferior al 3,5% en peso, con respecto al peso de la pastilla.

6. Elemento combustible según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en al menos algunas de las barras de combustible nuclear que comprenden pastillas que comprenden óxido de gadolinio de media concentración, todas las pastillas comprenden óxido de gadolinio de media concentración.

7. Elemento combustible según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en al menos algunas de las barras de combustible nuclear que comprenden pastillas que comprenden óxido de gadolinio de media concentración, sólo una parte de las pastillas comprenden óxido de gadolinio de media concentración.

8. Elemento combustible según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en al menos algunas de las barras de combustible nuclear que comprenden pastillas que comprenden óxido de gadolinio de alta concentración, todas las pastillas comprenden óxido de gadolinio de alta concentración.

9. Elemento combustible según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en al menos algunas de las barras de combustible nuclear que comprenden pastillas que comprenden óxido de gadolinio de alta concentración, sólo una parte de las pastillas comprenden óxido de gadolinio de alta concentración.

10. Elemento combustible según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque una pluralidad de las barras de combustible nuclear incluyen pastillas que comprenden óxido de gadolinio de baja concentración, siendo dicha baja concentración una concentración superior o igual al 0,5% en peso e inferior o igual a 2% en peso.

11. Elemento combustible según la reivindicación 10, caracterizado porque el elemento combustible comprende un número total T de barras de combustible nuclear, comprendiendo un número C de dichas barras de combustible nuclear pastillas de gadolinio de baja concentración, 2=C=el 15% de T.

12. Elemento combustible según la reivindicación 11, caracterizado porque 2=C=el 10% de T.

13. Elemento combustible según cualquiera de las reivindicaciones 10-12, caracterizado porque en las barras de combustible nuclear que no comprenden pastillas que comprenden óxido de gadolinio, las pastillas presentan un primer grado de enriquecimiento de U-235, comprendiendo las pastillas que comprenden óxido de gadolinio de baja concentración adicionalmente combustible nuclear con un cuarto grado de enriquecimiento de U-235 sustancialmente idéntico al primer grado de enriquecimiento de U-235.

14. Elemento combustible según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las barras de combustible nuclear que comprenden pastillas que comprenden óxido de gadolinio no están en filas exteriores del elemento combustible.

15. Elemento combustible según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el elemento combustible comprende una pluralidad de posiciones de barras de control externas, para permitir la introducción en el elemento de tales barras de control externas, estando las barras de combustible nuclear que comprenden pastillas de óxido de gadolinio situadas en posiciones adyacentes a dichas posiciones de barras de control externas.

16. Elemento combustible según la reivindicación 15, caracterizado porque las barras de combustible nuclear que comprenden pastillas con óxido de gadolinio están situadas en posiciones diagonalmente adyacentes con respecto a las posiciones de barras de control.

17. Elemento combustible según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende un bastidor que define una matriz de posiciones, comprendiendo dichas posiciones posiciones en las que están alojadas barras de combustible nuclear y posiciones para recibir barras de control externas, comprendiendo dicha matriz de posiciones NxN posiciones, N=14.

18. Elemento combustible según la reivindicación 17, N=17.

19. Elemento combustible según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las barras de combustible nuclear que comprenden pastillas con óxido de gadolinio están distribuidas con simetría de revolución de orden cuatro en el elemento combustible.

20. Elemento combustible según cualquiera de las reivindicaciones 1-18, caracterizado porque las barras de combustible nuclear que comprenden pastillas con óxido de gadolinio no están distribuidas simétricamente en el elemento combustible.

21. Método de carga de elementos combustibles en un núcleo de un reactor nuclear, comprendiendo el paso de situar una pluralidad de elementos combustibles en dicho núcleo, caracterizado porque al menos algunos de dichos elementos son elementos combustibles de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores.

22. Método según la reivindicación 21, caracterizado porque al menos algunos de dichos elementos son elementos combustibles según la reivindicación 20, con una distribución no simétrica dentro del elemento de las barras que comprenden pastillas con óxido de gadolinio, realizándose la carga del núcleo del reactor nuclear de manera que en dicho núcleo, las barras que comprenden pastillas de óxido de gadolinio tengan una distribución simétrica.


 

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