ES2311041T3 - Elemento combustible para un reactor de agua a presion. - Google Patents

Abstract

Elemento combustible para un reactor de agua a presión con barras combustibles (9) y conductos de barras absorbentes (12) fijados lateralmente mediante distanciadores (10) en células (13) y una pieza de cabeza y de pie (6, 7) que se encuentra fijado dentro de un recipiente a presión del reactor en una placa de reticulado del núcleo superior e inferior (4, 5), caracterizado por el hecho de que presenta por lo menos un distanciador (10) de una primera parte (15) radialmente exterior respecto al eje longitudinal medio del elemento combustible y una segunda parte (16) radialmente interior e incluida totalmente en la primera, donde la segunda parte (16) es de zircaloy y la primera parte (15) es de un material metálico que, contrariamente al zircaloy de la segunda parte (16), presenta un crecimiento provocado por la irradiación neutrónica en sentido radial inferior y un coeficiente de dilatación térmica superior.

Description

Elemento combustible para un reactor de agua a presión.

El invento hace referencia a un elemento combustible para un reactor de agua a presión. Para la fijación lateral del haz de barras combustibles de un elemento combustible se colocan varios distanciadores a lo largo de las barras combustibles. El elemento combustible posee en la parte inferior un pie, sobre el cual se apoyan las barras combustibles. En la parte superior, el elemento combustible posee una cabeza. Cuando los elementos combustibles se montan en el recipiente de alta presión de un reactor, se disponen entre una placa de reticulado del núcleo inferior y otra superior, y de dichas placas sobresalen unas espigas posicionadoras que encajan en los orificios del pie y la cabeza. La placa de reticulado del núcleo, así como las piezas del pie y la cabeza se componen usualmente de acero austenítico. Para los distanciadores suelen utilizarse principalmente dos materiales, a saber, también acero austenítico y zircaloy, una aleación con circonio como elemento principal, además de estaño, hierro, cromo y opcionalmente níquel. El acero austenítico posee una absorción de neutrones relativamente alta, por lo que normalmente se utilizan distanciadores de zircaloy. Ahora bien, ambos materiales presentan dilataciones térmicas diferentes. El coeficiente de dilatación térmica del zircaloy es de unos 5x10^{-6} mm/mm ºC, mientras que los aceros austeníticos poseen un coeficiente de dilatación de aproximadamente 18x10^{-6} mm/mm ºC. De este modo, durante el funcionamiento, los distanciadores se dilatan horizontalmente o radialmente menos que la placa de reticulado del núcleo, de modo que entre cada elemento combustible individual, el espacio de separación existente durante el calentamiento hasta la temperatura de servicio se ensancha. La desventaja radica principalmente en que el grado de libertad para una flexión lateral, quizás provocada por una relación de compresión desigual, ensanche los elementos combustibles. Esto no sólo puede producir una deformación de un solo elemento combustible, sino de todos los elementos combustibles de un radio, es decir, de todos los elementos combustibles dispuestos en una línea entre la pared interior del recinto del núcleo, de modo que en la zona central del elemento combustible, al añadir los espacios de separación ensanchados, pueden producirse desviaciones de 10-20 mm respecto a la posición prevista. Con los elementos combustibles deformados de este modo se obstaculiza la inclinación de las barras absorbentes en el conducto y, dado el caso, se retrasa una parada de urgencia del reactor. Además, se produce un cambio en las relaciones de moderación iniciales, lo cual conlleva modificaciones de potencia indeseadas.

El grado de libertad de deformación para un elemento combustible, además de la diferencia de dilatación térmica entre los distanciadores y las placas de reticulación del núcleo, también aumenta debido a dos efectos más. Para poder cargar y descargar de una forma segura el reactor, entre los elementos combustibles se precisa una distancia de carga de aprox. 1 mm, es decir, que la longitud de la arista o del ancho de llave del distanciador sea inferior a la medida de separación de la placa de reticulado del núcleo aproximadamente en esa cifra. Otro efecto de aumento de la distancia es el debido a la cualidad que posee el zircaloy de aumentar bajo irradiación neutrónica. El crecimiento puede ser también radialmente exterior, de modo que el distanciador, tras una irradiación neutrónica prolongada, presente un ancho de llave mayor al de su estado inicial. Tras un tiempo de servicio más prolongado, el aumento de la distancia de separación relativo a la diferencia de coeficientes de dilatación térmica se compensa parcialmente en el estado de servicio. En estado de descarga refrigerada del reactor, un distanciador ensanchado radialmente reduciría la distancia de carga y dificultaría la extracción de los elementos combustibles que deben sustituirse. Para evitar eso, desde el principio los distanciadores se dotarán de una reducción del ancho de llave según su aumento. La reducción de ancho de llave del distanciador de un elemento combustible fresco también genera en la fase de servicio inicial, en la cual aún no se ha producido un crecimiento perceptible del distanciador, un aumento de los espacios de separación existentes entre los elementos combustibles.

Para solucionar el problema expuesto, hasta ahora se ha seguido la vía de emplear una estructura de elementos combustibles lo más rígida posible a la flexión. Concretamente, se ha aumentado el espesor de pared del conducto de las barras absorbentes y la conexión entre los conductos y los distanciadores.

El objetivo del invento es proponer un elemento combustible con un distanciador que contrarreste el aumento de las distancias de separación existentes entre los elementos combustibles instalados en un recipiente de alta presión de un reactor, sin que para ello sean necesarias medidas de endurecimiento de la estructura de elementos combustibles.

Este objetivo se soluciona mediante un elemento combustible con las características expuestas en la reivindicación 1. Así pues, se compone de por lo menos un distanciador situado preferentemente en una zona central del elemento combustible y que consta de una primera parte, radialmente exterior respecto al eje longitudinal medio del elemento combustible, y de una segunda parte, radialmente interior, de modo que la segunda parte es de zircaloy y la primera de un material metálico que, contrariamente al zircaloy, presenta un crecimiento generado por la irradiación neutrónica en dirección radial interior y un coeficiente de dilatación térmica superior. En comparación con un distanciador convencional, compuesto totalmente de zircaloy, en el acondicionamiento propuesto, la primera parte exterior del distanciador se dilata más durante el calentamiento hasta la temperatura de servicio, de modo que la diferencia de dilatación térmica entre el distanciador y la placa de reticulado del núcleo se reduce en comparación con el modo de construcción convencional. Esta reducción será más pronunciada cuanto más se acerque el coeficiente de dilatación térmica del material de la primera parte al coeficiente de dilatación térmica del material de la placa de reticulado del núcleo. Si desde el principio se prevé un determinado juego entre la primera y la segunda parte, éste se forma debido a una mayor dilatación térmica de la parte exterior. Es posible un aumento radial de la parte interior generado por la irradiación neutrónica sin que se produzca una dilatación radial de la parte exterior. De este modo, el aumento de la parte interior no repercute en el ancho de llave del distanciador. Por consiguiente, ya no es necesaria una reducción de la anchura de llave del distanciador que ensanche los espacios de separación existentes entre los elementos combustibles que compense el aumento mediante un elemento combustible fresco. El espacio de separación inicial entre los elementos combustibles puede limitarse de este modo a la distancia de carga. Así, el único aumento de la distancia se debe a la diferencia de dilatación entre la placa de reticulado del núcleo y la parte exterior del distanciador. Sin embargo, si su parte exterior se compone del mismo material que la placa de reticulado del núcleo, es decir, preferentemente de acero austenítico, se produce un aumento reducido del espacio de separación debido al calentamiento. De este modo, los espacios de separación entre los elementos combustibles también se limitan fundamentalmente a la distancia de carga en la temperatura de servicio.

En una variante de ejecución preferente, la primera y la segunda parte son dos partes separadas, que no están fijas entre sí. Para garantizar una fijación de la parte exterior a los conductos de las barras absorbentes situados radialmente en el exterior, en su parte interior se encuentran dispuestas unas células individuales previstas para este fin. De este modo, la segunda parte está fijada a los conductos de las barras absorbentes situados más adentro. No es necesario unir ambas partes.

En una segunda forma de ejecución preferente, la segunda parte está formada por puentes fijados oblicuamente entre sí, de modo que varios de estos puentes se componen de dos puentes parciales, separados entre sí en dirección axial, los cuales también dejan entre sí un espacio libre que se extiende a lo largo de toda la longitud del puente. En estos espacios se encuentra un puente de dilatación del material de la primera parte, fijado por sus extremos al interior de la primera parte. Mediante este acondicionamiento, la primera parte se encuentra fijada mecánicamente a la segunda parte. Los puentes de dilatación están dimensionados de tal modo que es posible un movimiento relativo entre ellos y los puentes parciales. Durante el calentamiento hasta la temperatura de servicio, los puentes de dilatación y la primera parte que va unida a ellos se dilatan, de modo que el aumento de la distancia entre los elementos combustibles provocado por la dilatación térmica de la placa de reticulado del núcleo se compensa por lo menos parcialmente. Para emplear el material menos absorbente de neutrones posible, especialmente acero austenítico para la primera parte, se prevé preferentemente que la primera parte sea sólo un marco formado por puentes marginales. Este marco está unido a ellos a través de los puentes de dilatación entrelazados en la placa de la segunda parte. Sin embargo, para aumentar más la estabilidad mecánica del distanciador, una parte de los puentes y los puentes parciales con su zona final queda asegurada contra el volcado lateral de la primera parte gracias a una unión de arrastre de forma activa en el sentido longitudinal de cada puente marginal. Este tipo de unión entre los puentes o los puentes parciales y el marco permite un movimiento relativo entre los puentes o los puentes parciales y el marco en el sentido longitudinal del puente. Así el marco puede dilatarse sin impedimentos durante el calentamiento hasta alcanzar la temperatura de servicio.

A continuación, se describe el invento con mayor detalle mediante los ejemplos de ejecución representados en los dibujos adjuntos. Se muestra lo siguiente:

La figura 1 muestra una sección longitudinal esquemática de un recipiente de alta presión de un reactor;

La figura 2 muestra un elemento combustible de un reactor de agua a presión;

La figura 3 muestra las dos partes de un primer ejemplo de ejecución de un distanciador en un esquema en perspectiva;

La figura 4 muestra una representación esquemática en perspectiva del distanciador montado y conforme a la figura 3;

La figura 5 muestra las dos partes de otro ejemplo de ejecución de un distanciador en un esquema en perspectiva;

La figura 6 muestra el distanciador montado conforme a la figura 5;

La figura 7 muestra una variante del distanciador conforme a la figura 6;

La figura 8 muestra una sección del distanciador conforme a la figura 6;

La figura 9 muestra una sección en el plano horizontal de un distanciador con las barras y los conductos de las barras dispuestos en él, y

La figura 10 muestra una ilustración que aclara las características del espacio de separación en los elementos combustibles convencionales y en los de conformidad con el invento.

Tal como se deduce a partir de la figura 1, los elementos combustibles 1 de un reactor de agua a presión están dispuestos dentro del recinto del núcleo 3 situado en el recipiente de alta presión del reactor 2, entre una placa de reticulado del núcleo superior y una inferior 4, 5. En la parte superior del elemento combustible hay una cabeza 6 y en la parte inferior un pie 7, cuyos frontales presentan cuatro agujeros 8 en las esquinas (figura 2). En dos agujeros 8 diagonalmente opuestos sobresalen de las placas de reticulado del núcleo 4, 5 unas espigas de centrar prominentes (no representadas). Las barras combustibles 9 de un elemento combustible 1 o un haz de barras combustibles están fijadas lateralmente mediante el distanciador 10. El elemento combustible abarca también varios conductos de barras absorbentes 12. El distanciador, así como todo el contorno exterior del elemento combustible, poseen básicamente una sección cuadrada y presentan varias células 13, por ejemplo, de 18 x 18, como en la figura 2, o de 9 x 9, como en la figura 3, atravesadas por las barras combustibles 9 o los conductos de las barras absorbentes 12. De las paredes de las células sobresalen hacia el interior botones 14 y resortes 21 (figura 9) para la fijación de las barras combustibles.

Los distanciadores 10a, 10b y 10c representados en las figuras 3 a 7 presentan dos partes diferenciadas, a saber, una primera parte 15a, 15b y 15c, situada radialmente en el exterior y una parte interior 16a, 16b y 16c incluida en ella. La primera parte es del mismo material que la placa de reticulado del núcleo 4, 5, a saber, de acero austenítico, y la segunda parte es de zircaloy. En todos los distanciadores, las células 13 poseen básicamente una sección cuadrada.

En el distanciador 10a (figuras 3, 4), la primera parte 15a está formada por una sola serie de células que forma un cuadrado. En el exterior se encuentra la parte 15a circunscrita por cuatro puentes marginales 17 y en el interior por cuatro puentes interiores 18. Las paredes de separación entre las células 13 están formadas por puentes 19 que se extienden en ángulo recto hacia dos puentes marginales e interiores 17 y 18 coordinados entre sí. Cada esquina interior de la parte 15a tiene asignada una célula 13', la parte 15a se encuentra fijada mediante dichas células a cuatro conductos de barras absorbentes 12 (en las figuras 3 y 4 se muestra sólo uno). Para ello, los conductos de barras absorbentes 12 constan de zonas ampliadas radialmente 20, que con la célula 13' o los puentes circunscritos forman un ángulo de salida axial efectivo. La segunda parte 16a del distanciador 10a se compone de seis puentes longitudinales 22 y seis puentes transversales 23 fijados oblicuamente entre sí y cuya longitud coincide con la anchura de las células multiplicada por siete. En los bordes de ataque de los puentes 22 y 23 se han fijado puentes marginales 24, que son dos anchuras de célula más cortos que los puentes longitudinales y transversales 22 y 23. De este modo forman un conjunto que llena el interior de la primera parte 15a. Ambas partes 15a y 16a pueden ponerse una dentro de la otra con precisión o mediante un juego reducido.

En el distanciador 10b conforme a las figuras 5 y 6, la parte interior 16b, al igual que en el ejemplo de ejecución conforme a las figuras 3, 4, se compone de puentes 25 de zircaloy fijados oblicuamente entre sí. Los puentes 25 tienen todos la misma longitud, de modo que la parte 16b presenta básicamente una forma de sección cuadrada. Los dos puentes medios y los dos puentes exteriores están formados por dos puentes parciales 25a que dejan un espacio libre 26 entre ellos. En los espacios 26 se coloca un puente de dilatación 27 de acero austenítico y se suelda con la cara frontal hacia la primera parte 15b. La parte primera o exterior 15b es un marco 28 formado por puentes marginales 31 que cuando está montado (figura 6) abarca la segunda parte 16b que se encuentra en el interior. Los puentes 27 pueden ser igual de largos que los puentes 25 o incluso algo más largos que éstos; en este último caso, existirá un cierto juego entre los márgenes frontales del puente 25 y el interior 29 del marco 28. Para aumentar la estabilidad del distanciador 10b, los puentes 27 con su zona final pueden asegurarse contra el volcado lateral de la primera parte 15b mediante la unión de arrastre activa de cada puente marginal 31 del marco 28. Esto puede conseguirse, por ejemplo, aplicando unas lengüetas 32 con la forma del margen frontal de todos o de una parte de los puentes 25, 25a, que se extienden dentro de las ranuras 33 concebidas para este fin en el marco 28. Entre las lengüetas 32 y los márgenes de las ranuras 33 existe un juego mediante el cual el marco 28 puede ensancharse sin problemas en caso de calentamiento. Además, se prevé que en un puente 25 existan dos lengüetas 32a separadas entre sí, o bien una lengüeta 32b que se extienda sobre una zona superior más grande del puente 25, de modo que dichas lengüetas se combinen con las ranuras 33a y 33b previstas para este fin en el marco 28. Otra posibilidad de una unión en arrastre de forma entre la parte 16b y el marco 28 es la que se muestra en la figura 8. En el interior 29 del marco 28 hay saledizos 39 distanciados en sentido longitudinal del puente 30, que en la zona del margen frontal incluyen un puente 25 de una sola pieza con juego entre ellos. Con el juego se garantiza un ensanchamiento del marco 28 sin problemas. En el ejemplo conforme a la figura 8, los resaltes se encuentran situados en la zona del margen superior e inferior del marco 28 y después curvados hacia dentro.

Al cargar el recipiente de alta presión de un reactor 2 o el recinto del núcleo 3 con elementos combustibles 1, para garantizar la seguridad de la carga y de la posterior descarga, se precisa entre los elementos combustibles la denominada distancia de carga 34 (figura 10) de aproximadamente 1 mm. Esa distancia se reduciría al emplear distanciadores convencionales de zircaloy, pues este material aumenta mediante la irradiación neutrónica. Este crecimiento se efectúa en función de la fabricación en sentido longitudinal al puente del distanciador, es decir, que éste se ensancha. Por consiguiente, cuando tras un servicio prolongado debe reemplazarse un elemento combustible, la distancia de carga 34 disminuye hasta un total correspondiente al aumento del material del distanciador. El aumento del material se tendrá en cuenta entonces convencionalmente desde el principio mediante un ancho de llave (o longitud de arista) del distanciador 10, 10' reducido adecuadamente. Así pues, en el momento de la carga, entre dos distanciadores 10, 10' convencionales y colindantes habrá una distancia 35 compuesta de la distancia de carga 34 exigida y una distancia de compensación 36 considerando el crecimiento de material. En la figura 10, que no reproduce a escala las relaciones de los espacios de separación, se indica la distancia correspondiente del distanciador 10' al distanciador 10 mediante la línea discontinua 40. La línea discontinua 41 muestra la posición del distanciador 10' para un estado en el que el espacio de separación está limitado por la distancia de carga 34. Durante el servicio predominan las temperaturas en un margen de 250ºC. En caso de calentamiento hasta la temperatura de servicio, las placas de reticulado del núcleo 4, 5 que sostienen los elementos combustibles 1 y el recinto del núcleo se dilatan. Debido a las diferentes dilataciones térmicas entre las placas de reticulado del núcleo 4 y 5 y los distanciadores convencionales (los aceros austeníticos poseen un coeficiente de dilatación de aproximadamente 18*10^{-6} mm/mm ºC; el zircaloy, en cambio, sólo de aproximadamente 5*10^{-6} mm/mm ºC) la distancia 35 existente en el estado de carga aumenta de nuevo, a saber, hasta una distancia de dilatación 37. De este modo, la denominada distancia de servicio 38 existente a altas temperaturas es considerablemente superior a la distancia de carga 34. Si ahora toda la disposición de elementos combustibles, o bien una hilera o un radio extendido linealmente entre las paredes del recinto del núcleo 3 se carga por un lado, quizás debido a las diferencias de presión en el agua refrigerante con una velocidad de refrigeración muy elevada, puede que los elementos combustibles independientes se deformen debido a la distancia 38 existente entre ellos, relativamente ancha, de modo que podrían formarse espacios de separación de 10-20 mm debido a la acumulación. Lo desventajoso de este caso es que en las zonas correspondientes aumenta la cantidad de agua que rodea una barra combustible, con lo cual aumenta la moderación y, a consecuencia de ello, la potencia. Este aumento de potencia, sin embargo, no se tiene en cuenta en el diseño de las barras combustibles, de modo que existe el peligro de exceder la potencia de transición de ebullición en las zonas mencionadas. También es desventajoso que debido a las grandes deformaciones, se obstaculice la inclinación de las barras absorbentes en el conducto y, con ello, se retrase una parada de urgencia del reactor. En los elementos combustibles provistos de los distanciadores descritos, una deformación de este tipo sólo se da en dimensiones reducidas. Dado que la parte radialmente exterior del distanciador 10 está fabricada con el acero austenítico de las placas de reticulado del núcleo 4 y 5, en caso de calentamiento, se ensancha horizontalmente en la misma medida que las placas de reticulado del núcleo 4 y 5. Por lo tanto, la distancia de dilatación 37, al contrario que con el modo de construcción convencional, se reduce con distanciadores compuestos totalmente de zircaloy. La desventaja es que los aceros austeníticos presentan una absorción neutrónica superior que el zircaloy, por lo que empeoran el balance de neutrones, lo cual puede atenuarse haciendo que los distanciadores en cuestión sólo se apliquen en la zona media de los elementos combustibles. Aquí puede bastar un solo distanciador de este tipo.

La segunda parte interior 16a, b del distanciador sigue presentando un crecimiento de material. Sin embargo, esto sólo repercute en el elemento combustible actual. La parte interior 16a, b crece hacia dentro, en sentido radial u horizontal, en la distancia existente entre ésta y la parte exterior 15a, b, por lo menos en el estado de servicio. Si semejante distancia no se prevé desde el principio, lo que sucede es que la parte exterior 15a, b compuesta de acero austenítico se dilata como la parte interior 16a, b. Así, el espacio total de separación existente en estado de servicio se limita a la distancia de carga 34. De este modo, una deformación de un elemento combustible o de toda una hilera de elementos combustibles sólo es posible en dimensiones reducidas, como en el modo de construcción tradicional.

Lista de referencias

1

Elemento combustible

2

Recipiente de alta presión del reactor

3

Recinto del núcleo

4

Placa superior de reticulado del núcleo

5

Placa inferior de reticulado del núcleo

6

Cabeza

7

Pie

8

Agujero

9

Barra combustible

10

Distanciador

12

Conducto de las barras absorbentes

13

Célula

14

Botón

15

Primera parte

16

Segunda parte

17

Puente marginal

18

Puente interior

19

Puente

20

Zona

21

Resorte

22

Puente

23

Puente

24

Puente marginal

25

Puente

25a

Puente parcial

26

Espacio

27

Puente de dilatación

28

Marco

29

Interior

30

Sentido longitudinal

31

Puente marginal

32

Lengüeta

33

Ranura

34

Distancia de carga

35

Distancia

36

Distancia de compensación

37

Distancia de dilatación

38

Distancia de servicio

39

Saledizo

40

Línea discontinua

41

Línea discontinua

Claims (8)

1. Elemento combustible para un reactor de agua a presión con barras combustibles (9) y conductos de barras absorbentes (12) fijados lateralmente mediante distanciadores (10) en células (13) y una pieza de cabeza y de pie (6, 7) que se encuentra fijado dentro de un recipiente a presión del reactor en una placa de reticulado del núcleo superior e inferior (4, 5), caracterizado por el hecho de que presenta por lo menos un distanciador (10) de una primera parte (15) radialmente exterior respecto al eje longitudinal medio del elemento combustible y una segunda parte (16) radialmente interior e incluida totalmente en la primera, donde la segunda parte (16) es de zircaloy y la primera parte (15) es de un material metálico que, contrariamente al zircaloy de la segunda parte (16), presenta un crecimiento provocado por la irradiación neutrónica en sentido radial inferior y un coeficiente de dilatación térmica superior.

2. Elemento combustible conforme a la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que la primera parte (15) está compuesta por el mismo material que la placa de reticulado del núcleo (4, 5).

3. Elemento combustible conforme a la reivindicación 1 o 2, caracterizado por el hecho de que la primera parte (15) se compone de acero austenítico.

4. Elemento combustible conforme a una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por el hecho de que por lo menos un distanciador (10) se encuentra dispuesto en la zona media del elemento combustible.

5. Elemento combustible conforme a una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por el hecho de que la primera y la segunda parte constituyen partes separadas, de modo que en el interior de la primera parte (15a) hay dispuestas células (13') individuales, cada una de ellas fijada axialmente a un conducto de barras absorbentes situado radialmente hacia fuera.

6. Elemento combustible conforme a una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por el hecho de que la segunda parte (16b) está formada por puentes (25) fijados oblicuamente entre sí, de modo que varios de dichos puentes se componen de dos puentes parciales (25a), los cuales dejan entre ellos libre un espacio (26) que se extiende a lo largo de toda la longitud del puente, donde se encuentra un puente de dilatación (27) compuesto del material de la primera parte (15b), el cual se encuentra fijado por sus extremos al interior (29) de la primera parte (15b).

7. Elemento combustible conforme a la reivindicación 6, caracterizado por el hecho de que la primera parte (15b) es un marco (28) formado por puentes marginales.

8. Elemento combustible conforme a la reivindicación 7, caracterizado por el hecho de que por lo menos una parte de los puentes (25) y los puentes parciales (25a) con su zona final queda asegurada contra el volcado lateral de la primera parte (15c) mediante una unión de arrastre de forma activa de cada puente marginal.