ES2330968T3 - Elemento de combustion para un reactor nuclear de agua a presion. - Google Patents

Elemento de combustion para un reactor nuclear de agua a presion. Download PDF

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Abstract

Elemento de combustible (2) para un reactor nuclear de agua a presión, en el que múltiples barras de combustible (6) que se extienden en dirección longitudinal (4) son guiadas por una serie de separadores (8-I, 8-II) distanciados axialmente entre sí, en el que el elemento de combustible (2) comprende una zona inferior (I) y una zona superior (II) que se une a la primera, y en el que en cada caso está dispuesta una serie de separadores (8-I, 8-II) en la zona inferior (I) y en la zona superior (II), caracterizado por que los separadores (8-II) de la zona superior (II) tienen una menor resistencia al flujo en dirección transversal (16, 18) perpendicular a la dirección longitudinal (4) que los separadores (8-I) de la zona inferior.

Description

Elemento de combustión para un reactor nuclear de agua a presión.
La invención se refiere a un elemento de combustible para un reactor de agua a presión.
Se conoce, por múltiples resultados de inspecciones, que los elementos de combustible de un reactor nuclear de agua a presión se deforman en el transcurso de su utilización. Son causas de ello, por ejemplo, la anisotropía de las dilataciones térmicas o un crecimiento en longitud de los tubos envolventes de las barras de combustible o de los tubos de guiado de las barras de control, inducido por radiación radioactiva. Estas deformaciones por curvatura pueden conducir, en casos desfavorables, a dificultades de desplazamiento de los tubos de guiado de las barras de control o a problemas en el cambio de los elementos de combustible. A causa de curvatura sistemática en determinadas posiciones del núcleo, se pueden presentar, además, en determinados lugares del núcleo, que en muchos casos son lugares desconocidos, juegos incrementados o disminuidos entre los elementos de combustible individuales o entre dichos elementos de combustible que se encuentran en el borde del núcleo y la envolvente del núcleo que influyen en la relación combustible-moderador.
Una deformación de este tipo observada en la práctica será presentada en el diagrama de la figura 7. En este diagrama, la magnitud de la curvatura (d) en mm, con respecto a la altura (h) del elemento combustible en metros, medida desde la placa inferior de soporte, tal como se produce, por ejemplo, en un elemento de combustible radiado 18X18. Se deduce de la figura que se trata, en este caso, esencialmente de una deformación en forma arqueada de (C) (modalidad básica), que hasta una magnitud determinada se solapa con deformaciones de modalidad más elevada, principalmente de la modalidad más alta superior en forma de deformación de (S). Para reducir la magnitud de estas deformaciones, se ha investigado en el estado de la técnica el constituir los elementos de combustible mecánicamente más estables y reducir los esfuerzos de retención.
De manera alternativa a lo indicado, se ha dado a conocer en el documento WO 2005/059924 A2 influir sobre los esfuerzos que actúan sobre los elementos de combustible, mediante la utilización de refuerzos de borde dispuestos de diferentes formas constructivamente, de manera determinada, para posibilitar, de esta manera, a pesar de las deformaciones que se producen, una disposición optimizada del núcleo.
La invención se propone el objetivo de dar a conocer un elemento de combustible que en funcionamiento presenta deformaciones más reducidas.
El objetivo indicado se consigue, de acuerdo con la invención, con un elemento combustible que presenta las características de la reivindicación 1.
La invención se basa en la comprobación de que el agua de refrigeración que circula longitudinalmente, es decir, en dirección axial de los elementos de combustión, a causa de las sustanciales deformaciones en forma de (C) del elemento combustible, que se han explicado en la introducción, genera componentes transversales de corriente. Estas componentes de corriente transversal que discurren perpendicularmente a la vertical son, en la zona inferior del elemento de combustión, es decir, en la zona en la que la dimensión de la deformación considerada en la dirección del agua de refrigeración en circulación, es decir, en la que aumenta la desviación con respecto a una línea vertical ideal, dirigidas en dirección opuesta a las componentes de corriente transversal que se establecen en base a la desviación decreciente, ajustadas en la zona superior del máximo de la desviación.
En una realización especialmente simple y ventajosa de la invención, en un separador, cuyo borde está constituido mediante puentes de borde, las resistencias al flujo transversal distintas del separador de la zona superior y de la zona inferior son conducidas de manera tal, que los puentes de borde del separador de la zona superior considerados en dirección transversal recubren una superficie más reducida que los puentes de borde del separador de la zona inferior. Esto conduce a una resistencia al flujo transversal significativamente más reducida de los separadores de la zona superior.
De modo adicional, en otra disposición favorable de la invención, se prevé que en un separador que está constituido de múltiples puentes internos que se cruzan, también los puentes internos del soporte separador de la zona superior considerado en dirección transversal, recubren una superficie más reducida que los puentes internos del soporte separador de la zona inferior. Mediante esta medida técnica, se aumenta adicionalmente la "transparencia" del soporte separador de la zona superior con respecto a la "transparencia" del soporte separador de la zona inferior.
El menor recubrimiento superficial puede tener como resultado, básicamente, que la altura del puente de borde o bien del puente interno del soporte separador de la zona superior, es más pequeña que la altura del puente de borde o bien del puente interno del soporte separador de la zona inferior.
De forma alternativa o adicional a lo indicado, los puentes de borde y en caso determinado también los puentes internos del soporte separador de la zona superior presentan aberturas que son mayores que las aberturas existentes en un caso determinado en los puentes de borde y puentes internos del soporte separador de la zona inferior. Básicamente, se puede pensar también en una forma de realización en la que exclusivamente los puentes de borde y en caso determinado también los puentes internos de la zona superior, presenten aberturas.
Para una explicación adicional de la presente invención, se hará referencia a los dibujos en los que:
La figura 1 muestra un elemento de combustible curvado, según una representación de principio, esquemática,
Las figuras 2 y 3 muestran, de manera correspondiente, un separador de las zona inferior o bien superior, en una representación parcial esquemática en perspectiva,
La figura 4 muestra un separador de la zona superior en una representación esquemática,
Las figuras 5 y 6 muestran, de manera correspondiente, un separador de la zona inferior o bien de la zona superior, de manera correspondiente, según una representación simplificada, en perspectiva,
La figura 7 muestra un diagrama en el que se ha representado la deformación por curvatura (d) con respecto a la altura (h) del elemento de combustible.
De acuerdo con la figura 1, un elemento de combustible (2) de un reactor nuclear de agua a presión, en el que una serie de barras de combustible (6) quedan dispuestas extendiéndose en dirección axial o longitudinal (4) en una serie de separadores (8-I, 8-II) distanciados axialmente entre sí, presenta una deformación en funcionamiento que tiene una estructura de una curvatura en forma de C que comprende una parte elástica y una parte que aumenta progresivamente con el tiempo de utilización que tiene deformación plástica. Puesto que el elemento de combustible (2) no está envuelto en una caja, el agua de refrigeración (K) que circula a lo largo del elemento de combustible (2), entre elementos de combustible adyacentes hacia arriba entre separadores adyacentes (8-I, 8-II), circulan en dicho elemento de combustible (2) y posibilitan un intercambio transversal horizontal de agua de refrigeración, que en sí mismo es
deseable.
Con la forma de una C (simétrica) de un elemento de combustible curvado (2) se producen en base a su forma curvada corrientes transversales sistemáticas (Q) que en la zona inferior (I) son de sentido contrario a las corrientes transversales (Q) que se generan en la parte superior (II). Mientras que las corrientes transversales que se generan en la zona inferior (I) efectúan una fuerza sobre el elemento de combustible (2) que tienen como efecto que la magnitud de la curvatura en dicha zona inferior (I) se reduce, las corrientes transversales dirigidas en sentido contrario en la zona superior (II) producen un aumento de la curvatura, de manera que en la práctica, la forma explicada inicialmente en base a la figura 7, produce una superposición de la curvatura en forma de arco en C con una curvatura en forma de S.
Estas corrientes transversales que se producen en la parte superior (II) del elemento de combustible (2) conducen, además, a un comportamiento inestable, puesto que su magnitud y, por lo tanto, las fuerzas generadas por las mismas sobre el elemento de combustible (2) aumentan de manera correspondiente al aumentar la curvatura.
La presente invención parte de la base de que la magnitud de las fuerzas que se generan en la zona superior (II) y, por lo tanto, la tendencia a la inestabilidad y a provocar una deformación plástica se pueden disminuir cuando se toman medidas para que el separador (8-II), dispuesto en la zona superior (II), oponga a las corrientes transversales (Q) una resistencia al flujo más reducida que el separador (8-I) de la zona inferior (I). En otras palabras: en los soportes separadores inferiores (8-I), una resistencia más elevada contra corrientes transversales es ventajosa, puesto que las fuerzas generadas por estas corrientes transversales reducen la curvatura, mientras que en la zona superior (II) las fuerzas transversales ejercidas sobre el soporte separador (8-II) deben ser lo más reducidas posibles para minimizar, de manera sustancial, su influencia sobre la magnitud de la curvatura.
En la figura 1 se ha mostrado una situación en la que el límite entre la zona inferior (I) y la zona superior (II) no discurre exactamente en la parte media del elemento de combustible (2), de manera que en el ejemplo de realización con nueve soportes separadores (8-I, 8-II), los cinco soportes separadores de la parte más baja de la zona inferior (I) y los otros cuatro restantes soportes separadores (8-II) de la zona superior (II) se deben coordinar. El límite entre la zona inferior (I) y la zona superior (II) es distinta de un elemento de combustible a otro, de manera específica con la instalación, y debe encontrarse aproximadamente en la zona en la que se encuentra el máximo de la curvatura.
De acuerdo con la figura 2, un separador (8-I) de la zona inferior (I) está constituido mediante múltiples tabiques internos (10) que se cruzan. El borde del soporte separador (8-I) está constituido por elementos de tabique (12). Mediante los tabiques (10) y los tabiques de borde (12) que se cruzan entre sí, se constituyen celdas cuadradas (14) en forma de rejilla, a través de las que son guiadas las barras de combustible (6). En la representación simplificada de la figura, no se han mostrado los salientes o botones y elementos elásticos de los tabiques internos y de los tabiques de borde (10) y (12) para la disposición de los elementos de combustibles, así como en caso necesario aletas conductoras o amortiguadoras o canales de circulación dispuestos axialmente en soportes separadores de doble pared, a efectos de mejor visibilidad.
Se desprende de la figura que los tabiques de borde (12) y los tabiques internos (10) del soporte separador (8-I) de la zona inferior son cerrados, es decir, no presentan ninguna abertura pasante y, de esta manera, según las direcciones transversales (16, 18) cubren una importante superficie y presentan una elevada resistencia al flujo, de manera que el agua de refrigeración que circula verticalmente, en el caso de una inclinación o disposición oblicua como consecuencia de la curvatura del elemento de combustible, de un tabique de borde, con respecto al agua de refrigeración circulante, genera una elevada fuerza transversal que intenta compensar dicha curvatura.
Por el contrario, según la figura 3, se prevé en un separador (8-II) de la zona superior, tanto en los tabiques internos (10) como también en los tabiques de borde (12), que por lo demás presenta la misma altura disponer aberturas (20) que tienen como consecuencia una resistencia al flujo en dirección transversal con respecto al soporte separador (8-I) (figura 2) y que posibilitan la corriente transversal del agua de refrigeración también en el soporte separador (8-II), de manera que las fuerzas transversales ejercidas por el agua de refrigeración sobre el soporte separador (8-II)
se disminuyen de manera correspondiente.
De manera alternativa a la forma de realización mostrada en la figura 3, se puede escoger también un grado de recubrimiento más reducido de un separador (8-II) de la zona superior, de acuerdo con la figura 4, de manera que se disminuye la altura (h-II) de los tabiques internos y tabiques de borde (10) y (12). Esta altura más reducida (h-II) se ha mostrado en la figura en base al separador mostrado en trazos (8-I) de la zona inferior con una altura mayor (h-I).
En la forma de realización según las figuras 5 y 6, tanto los separadores (8-I) de la zona inferior, como también los separadores (8-II) de la zona superior contienen aberturas (20-I) o (20-II) en los tabiques de borde (12), de manera que en este caso, las superficies de las aberturas (20-II) del soporte separador (8-II) de la zona superior son mayores que las superficies de las aberturas (20-I) del soporte separador (8-I) de la zona inferior. De manera adicional a las formas de realización mostradas en las figuras 5 y 6, los tabiques interiores (10) pueden quedar dotados también de aberturas, de manera que también, en este caso, las aberturas previstas en los tabiques interiores del soporte separador de la zona inferior son más pequeñas que las aberturas de los tabiques interiores del soporte separador (8-II) de la zona superior.

Claims (7)

1. Elemento de combustible (2) para un reactor nuclear de agua a presión, en el que múltiples barras de combustible (6) que se extienden en dirección longitudinal (4) son guiadas por una serie de separadores (8-I, 8-II) distanciados axialmente entre sí, en el que el elemento de combustible (2) comprende una zona inferior (I) y una zona superior (II) que se une a la primera, y en el que en cada caso está dispuesta una serie de separadores (8-I, 8-II) en la zona inferior (I) y en la zona superior (II), caracterizado por que los separadores (8-II) de la zona superior (II) tienen una menor resistencia al flujo en dirección transversal (16, 18) perpendicular a la dirección longitudinal (4) que los separadores (8-I) de la zona inferior.
2. Elemento de combustible, según la reivindicación 1, en el que un borde lateral de los separadores (8-I, 8-II) está formado por tabiques de borde (12), de manera que los tabiques de borde (12) de los separadores (8-II) de la zona superior (II), observados en dirección transversal (16, 18), recubren un área más reducida que los tabiques de borde (12) de los separadores (8-I) de la zona inferior (I).
3. Elemento de combustible, según la reivindicación 2, en el que los separadores (8-I, 8-II) están realizados mediante una serie de tabiques internos que se cortan (10), de manera que los tabiques internos (10) de los separadores (8-II) de la zona superior (II), observados en dirección transversal (16, 18), recubren un área más reducida que los tabiques internos (10) de los separadores (8-I) de la zona
inferior (I).
4. Elemento de combustible, según la reivindicación 2 ó 3, en el que solamente los separadores (8-II) de la zona superior (II) tienen tabiques de borde (12) dotados de aberturas (20).
5. Elemento de combustible, según la reivindicación 2 ó 3, en el que la totalidad de los separadores (8-I, 8-II) tienen tabiques de borde (12) que están dotados de aberturas (20), de manera que el área total de las aberturas (20) en los tabiques de borde (12) de los separadores (8-II) de la zona superior (II) es mayor que el área total de las aberturas (20) en los tabiques de borde (12) de los separadores (8-I) de la zona inferior (I).
6. Elemento de combustible, según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, en el que solamente los separadores (8-II) de la zona superior (II) tienen tabiques internos (10) que están dotados de aberturas (20).
7. Elemento de combustible, según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, en el que la totalidad de los separadores (8-I, 8-II) tienen tabiques internos (10) que están dotados de aberturas (20), de manera que el área total de las aberturas (20) en los tabiques internos (10) de los separadores (8-II) de la zona superior (II) es mayor que el área total de las aberturas (20) en los tabiques internos (10) de los separadores (8-I) de la zona inferior (I).
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