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Tema 3. Seccion 3: Combustible nuclear y venenosconsumibles

Profesor Cesar Queral

Departamento de Sistemas Energeticos

ETSI Minas. UPM

Combustible nuclear Cesar Queral Salazar, ETSI Minas. UPM

Combustible utilizado en Espana

PWR.

1. C.N. Jose 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). Presion de las varillas 22.4 bar. Los elementos de las ultimas 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 disenos de elementos PWR que podrıan utilizarse en las plantas PWR espanolas:

• 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 demostracion en CNA) y

• ALLIANCE de Framatome-ANP (evolucion del AFA 3G de Fragema) con vaina y rejillas de M5.

BWR

1. C.N. Garona (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. Des-

de 2005 (ciclo 16): ATRIUM 10XP (10x10) con vaina de Zircaloy-2 de Framatome ANP (antes

Siemens).

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Elementos PWR

17x17 MAEFC.N. José Cabrera

17x17 MAEF+ IFMsC.N. Almaraz 1 y 2, C.N. Asco 1 y 2C.N. Vandellos 2 C.N. Trillo

16x16FOCUS/HTP 14x14LO-LOPARIFMIFMIFM

Figura 1: Tipos de elementos PWR utilizados en Espana

◦ 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 (penalizacion del

1 % en el calculo del MDNBR).

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Elementos PWR

Figura 2: Tipos de elementos PWR utilizados en Espana y fabricados por ENUSA

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Elementos PWR

Figura 3: Tipos de elementos PWR fabricados por FRAMATOME ANP

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Rejilla de un elemento combustible

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Elementos PWR con rejillas IFM

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Evolucion de los elementos combustibles en PWR

tubos guíay rejillas más robustas

60.000

50.000

40.000

30.000

rejillas

venenos

rejillas

esqueletos

rejillas protectoras

zirlovainas zirlozircaloy

integrados

mezcladoras

geometría robusta

nuevas aleaciones

alto quemado

00’s80’s 90’s

+

++

+

combustible estandar(zircaloy 4 + inconel)

MWd/tU

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Elementos combustibles en BWR

GE-12, GE-14 SVEA-96

8


Elementos combustibles en BWR. Diseno SVEA-96 Optima2

67891012345 A B C D E F G H I J

PLR positions selected for❖ Superior SDM improvement❖ CPR optimization

1/3 part-length rods

2/3 part-length rods

full-length rods

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Elementos combustibles en BWR. Diseno ATRIUM

Fabricante: FRAMATOME ANP (antes SIEMENS)

ULTRAFLOWspacer

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Elementos combustibles en BWR

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Comparacion de la distribucion de varillas en distintos elementoscombustibles BWR

Al tener mas varillas por elemento disminuye la potencia lineal, pero...

los elementos con mas varillas pueden ser mas inestables, por ello..

se incluyen varillas cortas y se plantea utilizar nuevas metodologıas del analisis estabilidad (DSS-CD

extension de la opcion III).

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Evolucion de los elementos combustibles en BWR

7 rejillas

8 rejillas

9X98X8 10X10

Optimización

1WR

GE10

GE9

GE8

GE13

GE12

GE14

GE11

2WR

2WR

2WR

2WR

2WR

2WR

Barras de

Optimización

Enriquecimientovariable

longitud parcial

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Evolucion 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.

Evolucion del combustible cargado en C.N. Cofrentes en los ciclos 11 a 15,

Ciclo 11 Ciclo 12 Ciclo 13 Ciclo 14 Ciclo 15

GE-11 (9x9) 616 440 248 54 –

GE-12 (10x10) 4 – 64 184 184

GE-14 (10x10) – – – – 72

SVEA-96+ (10X10) 4 184 312 386 232

SVEA-96 Optima2 (10X10) – – – – 136

Las caracterısticas nucleares de los elementos frescos de los ultimos ciclos son: enriquecimientos medios

de elemento: alrededor del 4.0 % (variable segun tipo de elemento, entre 3.97 % y 4.07 %), Gd2O3:

variable segun tipo de elemento, de 13 a 16 varillas con Gadolinio y enriquecimientos maximos en Gd

del 7.5 %.

Posteriormente se incluyo tambien ATRIUM 10XP (10x10) en C.N. Cofrentes a partir de 2005 (ciclo

16).

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Tipos de vaina. Reactores BWR.

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Materiales de las vainas

Material Reactor Sn ( %) Nb ( %) Fe ( %) Cr ( %) Ni ( %) O ( %)

Zry-2 BWR 1.2/1.7 - 0.07/0.2 0.05/0.15 0.03/0.08 0.10/0.14

Zry-4 PWR 1.2/1.7 - 0.18/0.24 0.07/0.13 - 0.10/0.14

Zirlo PWR 1.0 1.0 0.1 - - 0.12

Duplex PWR-KWU <0.8 - <0.6 <0.2 - <0.15

M5 PWR - 1.0 - - - -

Materiales de vaina mas utilizados

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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 acido borico 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).

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Venenos consumibles

Figura 4: Impacto de los venenos consumibles en el exceso de reactividad

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Venenos consumibles

Figura 5: Concentracion del boro a lo largo del ciclo con/sin venenos consumibles

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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 dıa 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 mas limitado.

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Venenos consumibles discretos

(a) Esquema de un WABA (b) Configuraciones de WABA

Figura 6: Esquema y configuraciones de los venenos consumibles discretos

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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. Ademas en el caso de los BWR se pueden

utilizar varillas con distintas distribuciones axiales de Gd2O3 dentro del combustible.

En Espana se utiliza gadolinio, Gd2O3 en todos los BWR y en la mayorıa de los PWR.

En algunos casos de PWR se utiliza una tecnica mixta, de forma que en unos elementos se incluye

veneno consumible integral y en otros veneno consumible discreto. Este tipo de tecnica 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 mayorıa de los PWR espanoles es que para los

ciclos de 18 meses, que son los habituales en Espana, se utilizan enriquecimientos de hasta el 4,5 %

y es difıcil conseguir una configuracion de recarga de bajas fugas (L3P o L4P ) solo con venenos

discretos.

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Venenos consumibles integrales

(a) Ejemplos de configuraciones en un PWR (b) Distribuciones de Gd2O3 en varillas de el-ementos combustibles frescos (BWR)

Figura 7: Esquema y configuraciones de venenos consumibles integrales

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