Post on 04-Oct-2018
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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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
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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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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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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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