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Combustible nuclear y esquemas de recarga Profesores C´ esar Queral y Antonio Exp´ osito Departamento de Sistemas Energ ´ eticos ETSI Minas. UPM

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Combustible nuclear y esquemas de recarga

Profesores Cesar Queral y Antonio Exposito

Departamento de Sistemas Energeticos

ETSI Minas. UPM

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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

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� # � � #� $ % & ' ( ) * +� , � � ,- $ . - $ + � /0 1 20 1 20 1 2Figura 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 guía

y 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

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� � � � � � � �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 elementos

combustibles 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 ultimos ciclos,

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 del

7.5%.

Esta previsto utilizar 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 apla-

namiento 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 ele-

mentos combustibles frescos (BWR)

Figura 7: Esquema y configuraciones de venenos consumibles integrales

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Tipos de esquemas de recarga

Esquemas out-in.

En este tipo de esquemas el combustible fresco se coloca en la corona exterior y los elementos com-

bustibles con distintos grados de quemado se introducen en la zona interior.

Sus caracterısticas son

• Ciclos de 12 meses.

• 40-50 elementos frescos (157 en total)

• 3.25% de enriquecimiento

Figura 8: Esquema de recarga tipo out-in en el primer ciclo de un reactor PWR-W.

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Tipos de esquemas de recarga

Esquemas de bajas fugas.

En este tipo de esquemas el combustible mas quemado (2-3 ciclos) se coloca en la corona exterior, el

combustible fresco se coloca a continuacion y los elementos combustibles con quemados intermedios

(1-2 ciclos) se introducen en la zona interior.

Se distinguen dos tipos dependiendo del grado de agresividad del esquema,

1. Bajas fugas. Low Leakage Loading Pattern, L3P .

• 3.60% de enriquecimiento

• Se recarga del orden de un tercio. 52 elementos frescos (157 en total)

• Ciclos de 15 meses.

2. Muy bajas fugas. Low Low Leakage Loading Pattern, L4P .

• 4.1% de enriquecimiento

• 60/64 elementos frescos (157 en total)

• Ciclos de 18 meses.

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Tipos de esquemas de recarga

Figura 9: Esquemas de recarga de bajas fugas.

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Estrategias de recarga en los reactores espanoles. PWR

En Espana los PWR operaban antes de 1986 en ciclos de 12 meses y fracciones de recarga del 30%

con enriquecimientos de recarga de 3.15% - 3.25%. Los esquemas de recarga eran del tipo out-in con

quemados medios por region de 33.000 MWd/tU y se utilizaban venenos consumibles del tipo WABA.

En 1986 comenzo la transicion a ciclos de 18 meses con enriquecimientos de 4.15% - 4.25% en el

combustible fresco y fracciones de recarga del orden del 40%. Los esquemas que se utilizan hoy en

dıa son de bajas fugas (L3P - L4P) con quemados medios por region de 45.000 MWd/tU y venenos

integrales de oxido de Gd (Algunas centrales han utilizado tecnicas mixtas de discretos e integrales.

En C.N. de Zorita se utilizan solo WABA).

Estos esquemas son mejores desde la perspectiva de la economıa neutronica (bajas fugas, ciclos largos)

aunque ofrecen margenes de operacion inferiores a los anteriores. Esto ha provocado el cambio de,

• El lımite de F∆H que ha pasado de 1.55 a 1.62.

• El lımite de FQ que ha pasado de 2.3 a 2.4

• El lımite del coeficiente de realimentacion por temperatura del moderador (MTC), debido a la

necesidad de utilizar concentraciones de Boro mas altas en el BOC.

C.N. Trillo tiene ciclos de 12 meses con recargas de 44/177 ≈ 25% con el 3.95% de enriquecimiento.

Tiene licenciado el uso de oxido de Gd pero no se utilizan actualmente.

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Estrategias de recarga en los reactores espanoles. PWR

(a) WABA (b) Gd2O3

Figura 10: Esquemas de recarga L3P con venenos consumibles discretos e integrales. PWR-W.

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Estrategias de recarga en los reactores espanoles. BWR

Los BWRs pasaron de ciclos de 12 meses y 1/3 de fraccion de recarga a 18 meses (C.N. Cofrentes) y

24 meses (C.N. Garona) con 1/3 de fraccion de recarga.

Los esquemas de recarga en Cofrentes utilizan la tecnica de celdas de control (CCC, Control Cell Core)

con bajas fugas, en el caso de Garona se utilizan estrategias convencionales.

El esquema de recarga tipo CCC se caracteriza porque las barras de control que se utilizan estan

rodeadas por elementos de bajo enriquecimiento, lo cual permite conseguir:

• Los factores de pico son mas bajos

• Simplifica la operacion

• Aumenta los margenes termicos

Actualmente C.N. Cofrentes esta en un periodo de transicion para pasar a ciclos de 24 meses (ciclo 15:

20 meses, ciclo 16: 22 meses, ciclo 17: 24 meses) con las siguientes caracterısticas: enriquecimientos

del 4% y 40% de combustible fresco recargado. Se vuelve a estrategias convencionales (no son CCC)

ya que no es factible mantenerlas para estos porcentajes de recarga.

Por otra parte los elementos combustibles han ido pasando de 8x8 a 9x9 y 10x10 con la consiguiente

disminucion del PLHGR (maxima densidad lineal de potencia) que permite aumentar el quemado.

Los quemados a la descarga son del orden de 40.000 - 45.000 MWd/tU (C.N. Cofrentes).

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Estrategias de recarga en los reactores espanoles. BWR

(a) Posiciones de CCC (b) Ejemplo: recarga en C.N. Cofrentes

Figura 11: Esquema de recarga de bajas fugas y CCC en un BWR.

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