ES2646189T3 - Sistemas y procedimientos de reducción de fluencia en reactor nuclear - Google Patents
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Abstract
Un núcleo (35) para un reactor nuclear, en el que el núcleo comprende: una pluralidad de conjuntos (110) de combustible nuclear; y un conjunto (112, 114, 120) de combustible nuclear de fluencia controlada situado en un perímetro más exterior del núcleo (35); en el que el conjunto de combustible nuclear de fluencia controlada incluye una pluralidad de estructuras de control de fluencia situadas en uno o más bordes exteriores del conjunto de combustible nuclear de fluencia controlada; la pluralidad de estructuras de fluencia controlada incluye la totalidad de, un canal de apantallamiento, una cortina de placa, y una pluralidad de barras de apantallamiento, para reducir de ese modo el flujo de neutrones del núcleo (35) en una dirección más allá del conjunto de combustible nuclear de fluencia controlada; y en el que la pluralidad de conjuntos de combustible nuclear carece de estas estructuras de control de fluencia.
Description
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DESCRIPCION
Sistemas y procedimientos de reduccion de fluencia en reactor nuclear Antecedentes
Como se muestra en la Figura 1, un puesto de energfa nuclear incluye convencionalmente un recipiente 10 de presion del reactor con diversas configuraciones de elementos internos de combustible y reactor para la produccion de energfa nuclear. Por ejemplo, el recipiente 10 puede incluir una cubierta 30 del nucleo que rodea un nucleo 35 de combustible nuclear que aloja estructuras de combustible, tales como conjuntos 40 de combustible. Una gma 45 superior y un soporte 70 de combustible pueden soportar cada conjunto 40 de combustible. Una region 25 de tubo descendente anular se puede formar entre la cubierta 30 del nucleo y el recipiente 10, a traves de la que el refrigerante fluido y moderador fluyen en el pleno 55 inferior del nucleo. Por ejemplo, en los tipos de reactores US LightWater, el fluido puede ser agua purificada, mientras que en reactores del tipo de uranio natural, el fluido puede ser agua purificada pesada. En los reactores refrigerados por gas, el refrigerante fluido puede ser un gas, tal como helio, con moderacion proporcionada por otras estructuras. El fluido se puede hacer fluir hacia arriba desde el pleno 55 inferior del nucleo a traves del nucleo 35. Despues de calentarse en el nucleo 35, el fluido energetico puede entrar en el pleno 60 superior del nucleo debajo del cabezal 65 de apantallamiento.
Una o mas unidades 81 de accionamiento de barras de control se pueden situar por debajo del recipiente 10 y conectarse a las laminas 80 de las barras 80 de control (Figura 2) que se extienden entre los conjuntos 40 de combustible dentro del nucleo 35. El recipiente 10 se puede sellary abrir a traves del cabezal 95 superior en la brida 90. Con acceso a los componentes internos del reactor, algunos de los conjuntos 40 de haz de combustible se sustituyen y/o transportan dentro del nucleo 35, y el mantenimiento/instalacion en otras estructuras internas y estructuras externas, incluyendo la cubierta 30 y el recipiente 10 de presion del reactor en sf se puede realizar dentro y fuera del reactor 10.
La Figura 2 es una ilustracion de una porcion del nucleo 35 de combustible de la Figura 1, que muestra varios conjuntos 40 de combustible situados sobre una barra 80 de control. Durante la operacion, la unidad 81 de accionamiento de la barra de control maniobra la lamina 80 de la barra de control a una posicion axial deseada entre los conjuntos 40 de combustible para obtener una densidad de potencia deseada. La lamina 80 de la barra de control tiene normalmente una seccion transversal en cruz o cruciforme; sin embargo, barras y otras formas son elementos de control conocidos que se pueden utilizar en reactores nucleares. La lamina 80 de la barra de control incluye un material que absorbe neutrones de un espectro deseado, tales como boro, cadmio, etc., para reducir la fluencia de neutrones entre los conjuntos 40 y por lo tanto controlar la reaccion nuclear en cadena. En la Figura 2, los conjuntos 40 de haces de combustible rodean la lamina 80 de la barra de control, que se situa en una interseccion central rodeada por los cuatro conjuntos 40 de haces de combustible para maximizar la exposicion a, y por tanto controlar, los conjuntos 40 de combustible, conjuntamente.
La Figura 3 es una ilustracion de un conjunto 40 de combustible de la tecnica relacionada, tal como los conjuntos 40 mostrado en las Figuras 2 y 3. Como se muestra en la Figura 3, el conjunto 40 de combustible incluye multiples barras 14 de combustible cargadas con material fisionable para la generacion de energfa. Las barras 14 de combustible se disponen en una rejilla uniforme lateralmente y se extienden en la direccion axial continuamente a lo largo del montaje 40. Las barras 14 de combustible se asientan en una placa 16 de anclaje inferior y se extienden hacia arriba en una placa 17 de anclaje superior en los extremos del conjunto 40 de combustible. Las barras 14 de combustible se delimitan por un canal 12 que forma un exterior del conjunto 40, manteniendo el flujo de fluido dentro del conjunto 40 a lo largo de la longitud axial del conjunto 40. El conjunto 40 de combustible convencional incluye tambien uno o mas separadores 18 de combustible en varias posiciones axiales para alinear y separar las barras 14 de combustible.
Sumario
El alcance de la presente invencion se define por la materia objeto de la reivindicacion 1. Disposiciones ejemplares incluyen nucleos de combustible nuclear y estructuras circundantes, los conjuntos de combustible para su uso en los mismos, y estructuras de control de fluencia para su uso en los mismos. Los nucleos ejemplares incluyen conjuntos de combustible nuclear en combinacion con un conjunto o conjuntos de combustible que tienen una estructura o estructuras de control de fluencia. Los conjuntos y estructuras limitantes de fluencia se pueden colocar fuera de o alrededor de los otros conjuntos de combustible nuclear en el nucleo para reducir el flujo de neutrones mas alla de los conjuntos de combustible nuclear de fluencia controlada. La estructura de control de fluencia puede por sf misma colocarse en un borde exterior del nucleo para que exista un control de fluencia solamente mas alla de los conjuntos de combustible nuclear y conjuntos limitantes de fluencia. Las estructuras de control de fluencia limitan el flujo de neutrones en posiciones particulares mediante el uso de material, dimensionamiento y colocacion apropiadas en los conjuntos de combustible. En los procedimientos ejemplares, los ingenieros de nucleo pueden seleccionar y/o instalar conjuntos de combustible limitantes de fluencia con caractensticas limitantes de flujo en nucleos que tienen perfiles neutronicos esperados para beneficiarse de dicha limitacion de flujo.
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Breve descripcion de los dibujos
La presente invencion sera mas evidentes mediante la descripcion, en detalle, de los dibujos adjuntos, en los que los elementos similares se representan con numeros de referencia similares, que se proporcionan a modo de ilustracion solamente y, por lo tanto, no limitan los terminos que ellos representan.
La Figura 1 es una ilustracion de un recipiente de energfa nuclear de la tecnica relacionada y de sus
componentes internos.
La Figura 2 es una ilustracion de un grupo controlado de conjuntos de combustible de la tecnica relacionada
durante su uso con una lamina de barra de control.
La Figura 3 es una ilustracion de un conjunto de combustible de la tecnica relacionada.
La Figura 4 es una ilustracion de un nucleo nuclear.
La Figura 5 es una ilustracion de un conjunto de combustible de acuerdo con la presente invencion.
Descripcion detallada
Este es un documento de patente, y amplias reglas generales de construccion deben aplicarse cuando se lee y comprende el mismo. Todo lo descrito y mostrado en la presente memoria es un ejemplo de la materia comprendida dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas. Cualquier detalle estructural y funcional espedfico descrito en la presente memoria es meramente con fines de describir como hacer y utilizar las realizaciones o procedimientos ejemplares. Varias realizaciones diferentes no divulgadas espedficamente en la presente memoria caen dentro del alcance de las reivindicaciones; como tal, las reivindicaciones se pueden realizar de muchas formas alternativas y no se deben interpretarse como limitadas solamente a las realizaciones ejemplares aqrn establecidas.
Se entendera que, aunque los terminos primero, segundo, etc. pueden utilizarse en la presente memoria para describir diversos elementos, estos elementos no debenan estar limitados por estos terminos. Estos terminos solo se utilizan para distinguir un elemento de otro. Por ejemplo, un primer elemento podna denominarse un segundo elemento, y, de manera similar, un segundo elemento podna denominarse un primer elemento, sin apartarse del alcance de las realizaciones ejemplares. Tal como se utiliza aqrn, el termino "y/o" incluye cualquiera y todas las combinaciones de uno o mas de los elementos enumerados asociados.
Se entendera que cuando un elemento se denomina como estando "conectado", "acoplado", "acoplado", "unido" o "fijado" a otro elemento, puede estar conectado o acoplado al otro elemento o pueden haber elementos intermedios presentes. Por el contrario, cuando un elemento se denomina como "estando directamente conectado" o "directamente acoplado" a otro elemento, no hay elementos intermedios presentes. Otros terminos utilizados para describir la relacion entre los elementos se deben interpretar de una manera similar (por ejemplo, "entre" frente a "directamente entre", "adyacente" frente a "directamente adyacente a", etc.). De manera similar, una expresion tal como "conectado/a en comunicacion con" incluye todas las variaciones de rutas de intercambio de informacion entre dos dispositivos, incluyendo dispositivos intermedios, redes, etc., conectados inalambricamente o no.
Como se utiliza en la presente memoria, las formas singulares "un", "una" y "el" pretenden incluir tanto las formas singular como plural, a menos que el lenguaje lo indique explfcitamente de otra manera con palabras como "solamente", "individualmente", y/o "uno". Se entendera ademas que los terminos "comprende", "comprendiendo", "incluye" y/o "incluyendo", cuando se utilizan aqrn, especifican la presencia de caractensticas, etapas, operaciones, elementos, ideas, y/o componentes, pero no excluyen en sf la presencia o adicion de una o mas de otras caractensticas, etapas, operaciones, elementos, componentes, ideas, y/o grupos de los mismos.
Tambien se debe observar que las estructuras y operaciones descritas a continuacion pueden ocurrirfuera del orden descrito y/o indicado en las Figuras. Por ejemplo, dos operaciones y/o figuras que se muestran en sucesion pueden de hecho ejecutarse simultaneamente o, a veces pueden ejecutarse en el orden inverso, dependiendo de la funcionalidad/actos involucrados. Del mismo modo, las operaciones individuales dentro de los procedimientos ejemplares descritos a continuacion pueden ejecutarse de forma repetitiva, individual o secuencialmente, para proporcionar un bucle u otra serie de operaciones aparte de las operaciones individuales que se describen a continuacion. Se debe suponer que cualquier realizacion que presenta las caractensticas y funcionalidad descritas a continuacion, en cualquier combinacion viable, cae dentro del alcance de las realizaciones ejemplares.
El inventor ha reconocido los problemas derivados de las operaciones de potencia nuclear donde el flujo de neutrones con el tiempo, o la fluencia, causa la fragilizacion y/o fallo de un componente (por ejemplo, vease tambien el documento JPH06201876 o WO9600966). Este problema puede tener consecuencias particulares sobre los componentes nucleares especialmente sensibles al flujo, o grandes, no sustituibles, tal como una cubierta 30 del nucleo (Figura 1) o recipiente 10 del reactor a presion (Figura 1). El inventor ha descubierto ademas que la instalacion de una estructura de reflector/absorbedor separada dentro de un reactor o el uso de nucleos mas pequenos con penmetros de agua crea problemas adicionales. Una estructura de reflector/absorbedor separada requiere su propia instalacion y mantenimiento separado y puede no encajar entre un nucleo y una cubierta, sin interferir con la hidrodinamica. Nucleos mas pequenos generan menos energfa y pueden tener perfiles de flujo
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radiales mas mtidos, que pueden acercarse o superar los margenes de seguridad para las relaciones de potencia de los conjuntos de combustible. La siguiente divulgacion supera unicamente estos y otros problemas reconocidos por el inventor en las operaciones del reactor nuclear. La presente invencion es el control de fluencia basado en combustible nuclear. Las realizaciones ejemplares que se describen a continuacion ilustran solo un subconjunto de la variedad de configuraciones diferentes que se pueden utilizar como y/o en conexion con la presente invencion.
La Figura 4 es un mapa de cuadrante de un nucleo de reactor de la realizacion ejemplar que tiene estructuras de control de fluencia del conjunto de combustible perifericas. En la Figura 4, cada cuadrado representa una ubicacion del conjunto de combustible dentro de un cuarto del nucleo. Los nucleos de reactor pueden ser simetricos alrededor de al menos dos ejes perpendiculares, de manera que un mapa cuadrante como la Figura 4 puede transmitir una conformacion de todo el nucleo. Si bien la Figura 4 ilustra un cuadrante 17x17 encontrado en algunos disenos de Reactor de Agua en Ebullicion, otros tamanos de nucleo y formas son utilizables con disposiciones ejemplares. Como se muestra en la Figura 4, las ubicaciones pueden estar cargadas (lmea continua) y vadas (lmea discontinua) para crear un nucleo y penmetro mas alla del que una cubierta y/o recipiente del reactor (por ejemplo, la cubierta 30 y/o recipiente 10 de la Figura 1) pueden unir el nucleo. Las ubicaciones del conjunto ocupadas pueden alojar haces de combustible de mayor (de lmeas en diagonal o cruzadas) o menor (mostrados sin relleno) reactividad durante cualquier ciclo de combustible. La reactividad variable se puede lograr a traves de la variacion de diferentes enriquecimientos de combustible iniciales, el uso de conjuntos de combustible de diferentes exposiciones, el ajuste de los venenos de fision, etc. Por ejemplo, el anillo de conjuntos de menor enriquecimiento alrededor de un penmetro exterior que se muestra en la Figura 4 pueden ser conjuntos de menor enriquecimiento que utilizan uranio natural o conjuntos quemados una vez, y los haces de mayor enriquecimiento en una porcion interior del nucleo pueden utilizar uranio enriquecido o haces mas nuevos. Otros patrones de reactividad, incluyendo nucleos con reactividad uniforme, se pueden utilizar como nucleos ejemplares.
Los elementos de control, tales las laminas 80 de las barras de control (Figura 2), se situan a lo largo de un interior del nucleo. Un subconjunto de tales elementos de control se puede utilizar durante la operacion para control de potencia en el nucleo, y los conjuntos adyacentes para controlar elementos movidos regularmente para ajustar la reactividad se muestran como haces controlados en la Figura 4, indicandose en los cuadrados mas pesados que contienen cuatro ubicaciones de conjunto. Por ejemplo, como se muestra en la Figura 2, los conjuntos 10 situado alrededor de una barra 80 de control se pueden representar como conjuntos controlados en la Figura 4. Aunque no se muestran en la Figura 4, otros elementos de control y grupos de conjuntos controlados se pueden utilizar con realizaciones ejemplares, incluyendo elementos de control y conjuntos controlados mas cerca de una periferia del nucleo. Como tal, se entiende que la forma, tamano, patron de montaje, patron del elemento de control, y niveles de reactividad del conjunto de un nucleo de realizacion ejemplar pueden variar a traves de disenos conocidos y futuros, basandose en los requisitos de generacion de potencia, margenes de seguridad, tipo de reactor, etc. Como se muestra en la Figura 4, las estructuras de control de fluencia del conjunto de combustible se utilizan en conjuntos de combustible alrededor de un penmetro mas exterior del nucleo de combustible ejemplar. Las estructuras de control de fluencia se muestran con un contorno mas grueso en la Figura 4. Estas estructuras de control de fluencia no generan flujo pero tienen un efecto de absorcion y/o reflexion sustancial en el flujo de neutrones para los espectros encontrados en una periferia de un conjunto de combustible. Por ejemplo, las estructuras de control de fluencia pueden incluir materiales que tienen secciones transversales de absorcion de un barn o mas para los neutrones termicos y rapidos. De este modo, las estructuras de control de fluencia limitan el flujo de neutrones y por tanto la fluencia a lo largo del tiempo - mas alla del nucleo.
Como se muestra en la Figura 4, las estructuras de control de fluencia del conjunto de combustible se pueden utilizar en uno o mas bordes exteriores de los conjuntos de combustible perifericos de tal manera que el control de fluencia puede ser continuo y exclusivamente en la periferia del nucleo, creando un lfmite de flujo en un penmetro exterior entero del nucleo. Esto puede reducir la fluencia para una cubierta del nucleo, recipiente de presion del reactor, y/u otros componentes internos del reactor que rodean el nucleo.
Las estructuras de control de fluencia se pueden extender axialmente completamente a traves del nucleo o a elevaciones seleccionadas. Del mismo modo, las estructuras de control de fluencia del conjunto de combustible se pueden utilizar de forma selectiva con menos de todas las superficies del conjunto de combustible perifericas para crear posiciones perifericas discontinuas que protegen solo determinadas ubicaciones. Por ejemplo, solo los conjuntos de esquina, tales como el conjunto en la posicion 12-2 de la Figura 4, que tiene dos superficies expuestas pueden utilizar estructuras de control de fluencia del conjunto de combustible, mientras que los conjuntos con una menor exposicion carecen de tales estructuras, o as estructuras de control de fluencia del conjunto de combustible se pueden utilizar solamente en ubicaciones con impacto de fluencia significativo en componentes vulnerables. Las estructuras de control de fluencia se pueden utilizar ademas en posiciones internas dentro de la periferia para simplificar la fabricacion del conjunto, conformacion de flujo, y/o proteccion de los componentes internos en el nucleo, por ejemplo. Las estructuras de control de fluencia del conjunto de combustible pueden ser componentes de los conjuntos de combustible o de otro modo unirse directamente a los conjuntos de combustible de las realizaciones ejemplares. De esta manera, el control de fluencia se puede situar basado en el posicionamiento del conjunto de combustible. Como se muestra en la Figura 4, al colocar y orientar selectivamente los conjuntos de combustible con una o dos caras de las estructuras de control de fluencia con un posicionamiento axial comun, un penmetro continuo de control de fluencia se puede formar sobre un penmetro exterior del nucleo a traves de toda la elevacion del nucleo o en secciones axiales espedficas. Mediante la instalacion de estructuras de control de fluencia en los conjuntos de combustible individuales, se pueden crear, modificar y/o eliminar posiciones de control de fluencia mediante el movimiento o reorientacion apropiada de los conjuntos de combustible, sin la necesidad de una instalacion adicional en o cerca de un nucleo del reactor.
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Las estructuras de control de fluencia del conjunto de combustible ejemplares pueden tener una variedad de formas y caractensticas. Por ejemplo, las estructuras de control de fluencia se pueden situar en una variedad de ubicaciones sobre las estructuras basicas y los conjuntos de combustible para proporcionar una proteccion en las posiciones deseadas. Del mismo modo, las estructuras de control de fluencia se pueden fabricar de una variedad de materiales limitantes de flujo para proporcionar una cantidad deseada de apantallamiento donde se colocan. Multiples estructuras de control de fluencia se pueden utilizar juntas en cualquier combinacion y en cualquier posicion basandose en las caractensticas neutronicas en el nucleo y en la limitacion de fluencia deseada.
La Figura 5 es una ilustracion de una estructura de control de fluencia durante su uso con un conjunto 110 de combustible de acuerdo con la presente invencion. El conjunto 110 de combustible se puede configurar de manera muy similar a, y se utiliza de forma intercambiable con, los conjuntos de combustible convencionales, tales como el conjunto 10 de combustible de las figuras. 1-3. El uso de la estructura o estructuras de control de fluencia en los conjuntos de acuerdo con la presente invencion no reduce o destruye necesariamente la compatibilidad con una variedad de diferentes tipos de reactores. Por ejemplo, como se muestra en la Figura 5, el conjunto 110 de combustible se puede utilizar en una posicion adyacente a una lamina 80 de control y alojar elementos convencionales como barras 14 de combustible, tanto completas ("T") como de longitud parcial ("P"), y barras 19 de agua, tal como, y en lugar de, un conjunto de combustible BWR convencional. El conjunto 110 de combustible incluye una cortina 120 de placa como una estructura de control de fluencia. La cortina 120 de placa puede estar en un interior o exterior del canal 112, fijada mediante soldadura, atornillado, formada como una pieza integral con el canal 112, y/o con cualquier otro mecanismo de union. Por ejemplo, dos cortinas 120 de placa se pueden colocar ya sea en el exterior o en el interior de las caras mas exteriores de canal 112 expuestas a un recipiente de apantallamiento del nucleo o recipiente de presion del reactor, si el conjunto 110 de combustible es un conjunto de esquina tal como la posicion 6-6 de la Figura 4. La cortina 120 de placa se puede extender completa o sustancialmente sobre una cara interior o exterior del conjunto 110, o la placa 110 de cortina puede cubrir solo una porcion lateral o axial de una cara de canal en el conjunto 110. La colocacion y el tamano de la cortina 120 de placa se pueden seleccionar basandose en sus propiedades de reduccion de flujo y posicion dentro de un nucleo. Por ejemplo, un flujo de neutrones en una posicion particular del nucleo puede proyectarse para ser especialmente alta, excepto en las posiciones axiales inferiores, y la cortina 120 de placa se puede extender solamente alrededor de canal 112 para cubrir las porciones axiales superiores.
La cortina 120 de placa se fabrica de un material y espesor que tiene una caractenstica de reduccion de flujo de neutrones deseada. Por ejemplo, la cortina 120 de placa puede ser de acero inoxidable, con una seccion transversal de absorcion de neutrones mas alta en las energfas del reactor, o de circonio, con una seccion transversal de absorcion de neutrones inferior. Para un efecto aun mas fuerte, la cortina 120 de placa se puede fabricar de manera similar a un brazo de una lamina 80 de control cruciforme y contiene un absorbente de neutrones mas fuerte como hafnio, boro, gadolinio, cadmio, etc. La cortina 120 de placa puede tener cualquier espesor que no interfiera con otras estructuras de nucleo, incluyendo aproximadamente 65-200 mil (milesimas de pulgada). Del mismo modo para determinar la posicion y la cobertura de la cortina 120 de placa, el material y el espesor de la cortina 120 de placa se pueden seleccionar basandose en la neutronica y reduccion de flujo esperados. Por ejemplo, si se utilizan haces de menor enriquecimiento alrededor de una periferia de un nucleo como se muestra en la Figura 4, las cortinas 120 de placa pueden ser mas finas y se puede utilizar un material de absorcion inferior como una aleacion de circonio. En otras situaciones con flujos termicos mas altos y/o rapidos, una cortina 120 de placa de tipo lamina de control se puede utilizar. Como tal, las cortinas 120 de placa de material y espesor apropiado absorberan y/o reflejaran el flujo de neutrones de un penmetro de un nucleo y evitaran o reduciran la fluencia con el tiempo en las estructuras fuera de cortinas 120 de placa, como una cubierta del nucleo o recipiente del reactor, en el conjunto 110. El conjunto 110 de combustible incluye un canal 112 de apantallamiento como una estructura de control de fluencia. El canal 112 de apantallamiento puede ser identico a un canal 12 convencional (Figuras 1-3) en forma y tamano. Por supuesto, en otros disenos de combustible, el canal 112 de apantallamiento puede asumir otras formas, tamanos, alineaciones, y puntos de conexion con el fin de preservar tal compatibilidad a traves de varios otros tipos de combustible y reactores. El canal 112 de apantallamiento se puede fabricar de un material con una seccion transversal de absorcion y/o dispersion mayor o deseada de para flujos de neutrones que se esperan encontrar en una posicion del conjunto 110 de combustible. Por ejemplo, el canal 112 de apantallamiento se puede fabricar de acero inoxidable en lugar de una aleacion de circonio, o el canal 112 de apantallamiento se puede dopar con materiales como boro y hafnio que limitan el flujo de neutrones. El canal 112 de apantallamiento se puede fabricar de una manera compuesta seleccionando solamente lados/bordes que tienen un material de reduccion de flujo de neutrones, el o canal 112 de apantallamiento se puede fabricar de un material uniforme.
El canal 112 de apantallamiento puede tener un efecto menor en la reduccion del flujo de neutrones en el conjunto 110, debido a la delgadez relativa del canal 112 de apantallamiento. Por lo tanto, incluso si se fabrica de un material uniforme por simplicidad de fabricacion, el canal 112 de apantallamiento no tendra un efecto sustancialmente perjudicial en el flujo en el interior de un nucleo, donde se desea flujo. El canal 112 de apantallamiento fabricado con un absorbedor o reflector de neutrones apropiado reducira tambien el flujo de neutrones de un penmetro de un nucleo y evitara o reducira la fluencia con el tiempo a las estructuras fuera del conjunto 110 de combustible, tal como una cubierta del nucleo o recipiente del reactor, cuando se utiliza en conjuntos cerca de tales estructuras. El conjunto 110 de combustible incluye una barra 114 de combustible de apantallamiento como una estructura de control de fluencia. Como se muestra en la Figura 5, las barras 114 de combustible de apantallamiento pueden ocupar una fila y/o columna exterior mas proxima a un borde de un nucleo si el conjunto 110 de combustible se coloca en una esquina o posicion exterior. Una fila exterior entero y columna exterior en el conjunto 110 se pueden
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formar solamente por barras 114 de combustible de apantallamiento, o las barras 114 de combustible de apantallamiento pueden colocarse a intervalos o en otros patrones o posiciones a lo largo de conjunto 110 que limitan el flujo de forma deseada. Las barras 114 de combustible de apantallamiento son compatibles con, y pueden reemplazar, las barras 14 de combustible convencionales, tanto de longitud T completa como de longitud P parcial, barras 114 de apantallamiento que pueden coincidir en diametro, longitud, y/o caractensticas de revestimiento exterior. Por supuesto, en otros disenos, las barras 114 de combustible de apantallamiento pueden asumir otras formas, tamanos, alineaciones, densidades, y puntos de conexion para conservar tal compatibilidad a traves de varios tipos de combustibles y reactores.
Las barras 114 de combustible de apantallamiento reducen el flujo de neutrones de las energfas esperadas a traves de la absorcion y/o dispersion en su ubicacion dentro del conjunto 110 de combustible. Las barras 114 de combustible de apantallamiento pueden asumir una variedad de configuraciones basadas en la cantidad y el tipo de efecto de reduccion de flujo deseado. Por ejemplo, las barras 114 de combustible de apantallamiento pueden ser un tubo revestido con circonio vacfo, es decir, una barra de combustible sin pastillas de combustible, o un tubo revestido de acero inoxidable u otro metal vado. O la barra 114 de combustible de apantallamiento puede ser una aleacion solida de circonio, acero inoxidable, u otra barra de metal sin ningun interior hueco o con granulos de relleno del material elegido insertados en su interior. Estos ejemplos eliminan los elementos de combustible y/o el uso de materiales de mayor absorcion y/o mas gruesos que tienen un efecto modesto sobre flujo de neutrones, con materiales que tienen secciones transversales mas grandes con mayor reduccion de flujo y fluencia en el tiempo.
Aun mas, las barras 114 de combustible de apantallamiento pueden incluir incluso materiales de seccion transversal mas grandes, incluyendo venenos de fision y otros reductores de flujo como el boro, gadolinio, cadmio, hafnio, etc., para una mayor reduccion de flujo. Las barras 114 de combustible de apantallamiento pueden incluir tambien dianas de irradiacion como el cobalto-59 o iridio que producen isotopos deseados a medida que absorben flujo. Por ejemplo, las barras 114 de combustible de apantallamiento pueden ser barras segmentadas como se divulga en las Solicitudes de Patente de Estados Unidos en co-propiedad 2007/0133731 de Fawcett et al., 2009/0122946 de Fawcett et al., 2009/0135983 de Russell, II et al., 2009/0135988 de Russell, II et al., 2009/0135990 de Fung Poon et al., y/o 2013/0077725 de Bloomquist et al. En el ejemplo de una barra de combustible segmentada para las barras 114 de combustible de apantallamiento, la variacion axial en la absorcion y/o reflexion de flujo puede lograrse llenando diferentes segmentos axiales con diferentes materiales que tienen secciones transversales deseadas para un nivel axial particular. Las barras 114 de combustible de apantallamiento pueden por tanto reducir el flujo que se escapa mas alla de conjunto 110 de combustible, mientras producen isotopos deseados para su cultivo y/o tener un efecto de veneno consumible donde la reduccion de flujo puede variar a traves de un unico ciclo de combustible.
Aunque conjunto 110 de combustible de la Figura 5 se ilustra con las estructuras de control de fluencia como barras 114 de combustible de apantallamiento, el canal 112 de apantallamiento, y/o la cortina 120 de placa, se entiende que otras y cualquiera de las estructuras de control de fluencia se pueden utilizar con los conjuntos de combustible. Ademas, las estructuras de control de fluencia se pueden utilizar solas, en multiplos, o en cualquier combinacion, dependiendo de las necesidades de apantallamiento en una ubicacion del nucleo donde se pueden colocar conjuntos de combustible.
Por ejemplo, en el ejemplo del nucleo de la Figura 4 con un anillo exterior de conjuntos de combustible de menor reactividad para permitir un perfil de potencia radial mas plano, mientras se reduce de flujo de neutrones en los bordes del nucleo, un conjunto en la posicion 5-9 (columna-fila) puede tener solo una unica cara expuesta fuera del nucleo y estar rodeado por conjuntos de baja potencia. Un conjunto de combustible en la posicion 5-9 de este tipo puede utilizar solamente una unica cortina 120 de placa en la cara expuesta fabricada de acero inoxidable de solo 60 milesimas de pulgada de espesor o utilizar solamente un canal 112 de apantallamiento dopado con un absorbedor de neutrones y reducir satisfactoriamente fluencia en las estructuras de reactores adyacentes a la posicion 5-9. Estas estructuras de control de fluencia ejemplares pueden ser relativamente simples de implementar a partir de un punto de vista de fabricacion y punto de vista operativo.
O, por ejemplo, un conjunto de combustible se puede colocar en una posicion de nucleo adyacente a un componente sensible al flujo, tal como una cubierta del nucleo del reactor que ha estado en uso durante decadas y esta cerca de las limitaciones de fluencia maximas de su tiempo de vida. En un conjunto de combustible de este tipo, multiples estructuras de control de fluencia con alta capacidad de reduccion de flujo se pueden utilizar juntas. Por ejemplo, en un conjunto de combustible de esquina, toda una fila y columna mas exteriores de las barras de combustible pueden ser barras 114 de combustible de apantallamiento fabricadas de acero inoxidable solido. En combinacion, una cortina 120 de placa de tipo brazo de lamina de control que tiene muy alta absorcion de neutrones se puede instalar en las caras exteriores del conjunto mas proximo a la cubierta. Esta combinacion de estructura de control de fluencia ejemplar puede tener una capacidad de detencion de flujo muy alta y apantalla el componente sensible al flujo sin la instalacion de estructuras internas del reactor separadas.
Por supuesto, cualquier numero de otras combinaciones de estructuras de control de fluencia se pueden utilizar en los conjuntos de combustible, basandose en las necesidades limitantes de fluencia en cualquier posicion radial o axial en el interior del reactor y problemas de operacion tales como la simplicidad de fabricacion, los costes de combustible, tipo de reactor, conformacion del nucleo y respuesta neutronica, necesidades de produccion de isotopos, y dimensiones de nucleo y combustible. Un ingeniero del reactor puede pronosticar las necesidades basicas y la respuesta de flujo para un ciclo particular y puede elegir y situar los conjuntos de combustible en consecuencia para su uso en futuras operaciones. Por lo tanto en las realizaciones y procedimientos descritos de
este modo se apreciara por un experto en la materia que las realizaciones se pueden variar y sustituirse a traves de la experimentacion de rutina siempre que esten comprendidas todav^a dentro del alcance de las siguientes reivindicaciones. Por ejemplo, una variedad de diferentes disenos de reactores y nucleos son compatibles con las realizaciones simplemente a traves del dimensionamiento adecuado de las realizaciones - y estan comprendidas 5 dentro del alcance de las reivindicaciones. Tales variaciones no han de considerarse como alejadas del alcance de estas reivindicaciones.
Claims (8)
- 5101520253035REIVINDICACIONES1. Un nucleo (35) para un reactor nuclear, en el que el nucleo comprende:una pluralidad de conjuntos (110) de combustible nuclear; yun conjunto (112, 114, 120) de combustible nuclear de fluencia controlada situado en un penmetro mas exterior del nucleo (35); en el queel conjunto de combustible nuclear de fluencia controlada incluye una pluralidad de estructuras de control de fluencia situadas en uno o mas bordes exteriores del conjunto de combustible nuclear de fluencia controlada; la pluralidad de estructuras de fluencia controlada incluye la totalidad de, un canal de apantallamiento, una cortina de placa, y una pluralidad de barras de apantallamiento, para reducir de ese modo el flujo de neutrones del nucleo (35) en una direccion mas alla del conjunto de combustible nuclear de fluencia controlada; y en el que la pluralidad de conjuntos de combustible nuclear carece de estas estructuras de control de fluencia.
- 2. El nucleo (35) de la reivindicacion 1, en el que el nucleo es cilmdrico, y en el que la direccion es una direccion radial en el cilindro.
- 3. El nucleo (35) de la reivindicacion 2, en el que el conjunto (112, 114, 120) de combustible nuclear de fluencia nuclear controlada esta situado en un maximo radial del cilindro de manera que ocupa un penmetro mas exterior del nucleo.
- 4. El nucleo (35) de cualquiera de las reivindicaciones 2 o 3, que comprende ademas:una cubierta del nucleo que rodea los conjuntos de combustible nuclear y el conjunto (112, 114, 120) nuclear de fluencia controlada, en el que el penmetro mas exterior del nucleo (35) esta dirigido hacia la cubierta del nucleo sin el conjunto de combustible nuclear intermedio.
- 5. El nucleo (35) de cualquier reivindicacion anterior, en el que la pluralidad de estructuras (112, 114, 120) de control de fluencia comprende un material que tiene una seccion transversal de absorcion de neutrones termicos de al menos 2 barns.
- 6. El nucleo (35) de la reivindicacion 5, en el que el material es una aleacion que contiene boro, hierro, hafnio, cadmio, gadolinio, o combinaciones de cualquiera de los mismos.
- 7. El nucleo (35) de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que,el canal (112) de apantallamiento es un canal de combustible nuclear que rodea las barras de combustible en el conjunto de combustible nuclear de fluencia controlada,la cortina (120) de placa esta unida a una cara de un canal del conjunto de combustible nuclear de fluencia controlada, yla barra (114) de apantallamiento define una cavidad interna, sellada que carece de combustible nuclear.
- 8. El nucleo de la reivindicacion 7, en el que la barra (114) de apantallamiento es un miembro del grupo que incluye una barra segmentada que aloja una diana de irradiacion no combustible, una barra vacfa, y una barra solida que no tiene cavidad interna.
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