Responsable: JOSE ALEJANDRO CASTILLO MENDEZ

Objetivos:

Verificar si existe un comportamiento de tipo normal entre el número de pines y su enriquecimiento al diseñar una celda de combustible nuclear y adicionalmente definir una relación entre el número de barras de gadolinia, así como su porcentaje y el desempeño de una celda de combustible.

Antecedentes:

La Administración de Combustible dentro del núcleo para reactores nucleares de agua en ebullición, consta de 4 etapas: diseño de celdas, diseño de ensambles de combustible, diseño de recargas y diseño de patrones de barras de control. En cada una de estas etapas es posible optimizar varios parámetros (multi-objetos) sujetos a una serie de restricciones, las cuales están relacionadas con la seguridad y el aprovechamiento adecuado del combustible del reactor durante un ciclo de operación.

Tradicionalmente, la optimización muti-objetivos se resuelve mediante reglas y estrategas establecidas a través de muchos años por ingenieros expertos en la administración del combustible. Para el diseño de celdas de combustible se ha trabajado con redes neuronales  y path relinking. Ambos sistemas minimizan el factor de pico de potencia radial al inicio de la vida de la celda mientras el valor de kinf se mantiene en torno a un intervalo de reactividad. Los parámetros mencionados se calculan mediante la ejecución del código de celdas CASMO4.

En el diseño axial de combustible se han empleado redes neuronales que utilizan celdas para construir ensambles de combustible cuyo perfil axial de potencia objetivo se ajuste a un perfil propuesto. El ensamble es simulado en tres dimensiones (3D) mediante una recarga de combustible y se emplea el principio Haling para estimar el final del ciclo. Por ejemplo, para el diseño de celdas de combustible, se identificó la necesidad de colocar gadolinia (componente para reactores formado por Gd₂O₃)  en la diagonal de la celda, ya que esta nueva regla heurística, garantiza que se puede disminuir el factor de pico de potencia de la celda. De igual manera se observó un comportamiento particular con respecto a los enriquecimientos empleados, con una mayor frecuencia de aparición de aquellos pines con enriquecimiento medio, y en menor grado, aquellos con poco o con mayor enriquecimiento. Adicionalmente los estudios revelaron que es posible diseñar celdas con un buen desempeño considerando el factor de pico de potencia local y el factor de multiplicación infinita de neutrones, aún cuando se usaran pines con mayor enriquecimiento en alguna de las esquinas.

Beneficios:

• Aumentar la experiencia que se tiene sobre el diseño de recargas de combustible nuclear, de tal manera que se cumplan las restricciones de diseño y al mismo tiempo se maximice su desempeño.
• Establecer y evaluar nuevas reglas de diseño para celdas de combustible nuclear.

Logros Obtenidos:

Se adquirió la capacidad de diseñar una celda de combustible nuclear, considerando la elección de las pastillas de uranio enriquecido, la colocación de las barras con gadolinia y el enriquecimiento que deben llevar las barras en aquellas posiciones que tienen barras desvanecidas.  (Cabe destacar que una conclusión importante de la investigación realizada, es que los resultados indican la necesidad de considerar la simetría de un cuarto con respecto a las diagonales de la celda, en el diseño de la misma).

Publicaciones en Revista

Juan-Luis François, Juan José Ortiz-Servin, Cecilia Martín-del-Campo, Alejandro Castillo, Jaime Esquivel-Estrada, “Comparison of metaheuristic optimization techniques for BWR fuel reloads pattern design”, aceptado para su publicación a la revista: Annals of Nuclear Energy, vol. 51, p.189-195 .

Juan José Ortiz-Servin, David A. Pelta, “A Neural Network to Predict Reactor Core Behaviors”, (enviado para su publicación a la revista Nuclear Engineering and Design).

Aplicaciones:

Los logros del proyecto se pueden ver reflejados en los servicios el departamento brinda a la Central Núcleo-eléctrica de Laguna Verde, para aplicaciones definidas como:

• Optimización del quemado de combustible nuclear.
• Reducción del riesgo de formación de picos térmicos en núcleos de combustible.
• Cálculos de configuraciones de núcleos para reactores nucleares tipo BWR o PWR

Vinculación:

• Facultad de Ingeniería y del IIMAS de la UNAM, Dr. Juan Luis Francois Lacouture, Dra. Cecilia Martin del Campo Márquez, Dr. Luis Bernardo Morales Mendoza.
• Universidad de Granada de España Dr. David Alejandro Pelta.