Responsable: JUAN JOSE ORTIZ SERVIN
Estudiar el comportamiento de un núcleo BWR y cuantificar la importancia de las reglas más comúnmente usadas en la optimización de los problemas de diseño que se presentan en las diferentes etapas de la Administración de Combustible.
La Administración de Combustible consta de 4 procesos de diseño y optimización: diseño de celdas de combustible, diseño de ensambles de combustible, diseño de la recarga de combustible y el diseño de los patrones de barras de control. En cada una de ellas, se debe realizar un proceso de optimización de una o varias variables sujetas a un conjunto de restricciones. Las restricciones pueden estar relacionadas con la seguridad o reglas de diseño que se han utilizado tradicionalmente para:
En el grupo de Administración de Combustible del Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares (ININ), se han desarrollado diversos sistemas de optimización aplicables a los 4 procesos mencionados anteriormente. Durante los trabajos de desarrollo de los sistemas, se ha observado que se puede evitar el uso de algunas de las reglas de diseño tradicionales sin menoscabo de las restricciones de seguridad y con la mejora de las variables que se pretenden optimizar. Por ejemplo, en el diseño de patrones de carga de combustible, la estrategia de carga basada en el control del núcleo por celdas, pide que no se coloque combustible fresco en las celdas de control que controlan al núcleo. Sin embargo, nuestros sistemas de optimización han diseñado patrones de carga de combustible donde se coloca combustible fresco en canales no permitidos por esta regla, obteniendo buenos resultados en los diseños.
El Diseño de la Celda de Combustible consiste en que dado un arreglo cuadrado de nxn barras de combustible, hay que encontrar la combinación de enriquecimientos de uranio y concentraciones de gadolinia, que pueden distribuirse en el arreglo o celda; de modo que las diferencias entre el factor de multiplicación infinito de neutrones y una curva de reactividad objetivo a lo largo de la vida de la celda, sean mínimas, que se alcance el enriquecimiento requerido y que se cumplan las siguientes restricciones: que el Factor de Pico de Potencia Local no exceda de un valor máximo, que la gadolina no se coloque en las barras que se encuentran en la periferia de la celda y que las barras de las esquinas del arreglo cuadrado contengan los enriquecimientos más bajos.
El Diseño de los Ensambles de Combustibles consiste en colocar celdas de combustible en un arreglo vertical dividido en 25 partes iguales, de modo que las diferencias entre un perfil axial de potencia objetivo y el del ensamble sean mínimas, que se tenga el enriquecimiento promedio requerido y que se cumplan las siguientes restricciones: que se cumplan los límites de térmicos y que la posición inferior y las dos superiores deben contener celdas de uranio natural para reducir el escape de neutrones del núcleo.
En el Diseño de Patrones de Carga de Combustible, se busca la distribución de ensambles combustibles en los canales del núcleo, de modo que se maximice la extracción de energía (de acuerdo a alguna estrategia de operación) y que se cumplan las siguientes restricciones: que se cumplan los límites térmicos, que el margen de apagado en frío sea mayor a un valor mínimo, que el exceso de reactividad en caliente esté dentro de un intervalo de valores, los combustibles más quemados se colocan en la periferia para reducir la fluencia en la vasija y no se deben colocar combustibles frescos en torno a las barras de control de la secuencia de control para evitar picos de reactividad al final del ciclo.
En el Diseño de Patrones de Barras de Control es necesario encontrar la configuración de posiciones de barras de control a lo largo del ciclo, de modo que las diferencias entre el perfil axial de potencia del núcleo y uno predeterminado, sean mínimas y que se cumplan las siguientes restricciones: Que se cumplan los límites térmicos a lo largo del ciclo, que el reactor sea crítico durante el ciclo y que las posiciones intermedias axiales de las barras de control no pueden ser utilizadas.
En este proyecto se estudian estos problemas, analizando la importancia de incluir, excluir o modificar alguna de las reglas en cada etapa del problema global.
Los resultados de la primera etapa se aplican en las fases sucesivas de este proyecto. El análisis de estas reglas permitirá desarrollar estrategias propias que podrían ser utilizadas en actividades de licenciamiento de recargas para la Central Nuclear de Laguna Verde. El nuevo sistema de optimización abre dos posibilidades para la construcción de sistemas más robustos, que cumplan con el objetivo de la optimización global. La primera línea va en el sentido de aplicar el mismo esquema de soluciones parciales usando otras técnicas para la exploración del espacio de soluciones, como pueden ser las redes neuronales, las colonias de hormigas o la búsqueda tabú. La segunda línea va en el sentido de construir un sistema que ejecute en paralelo, cada uno de los sistemas de optimización para los 4 problemas de la Administración de Combustible, y que eventualmente comparta información de los resultados que van encontrando cada uno de los hilos de ejecución.
Metas alcanzadas en la Primera Etapa
Se hizo el análisis de la regla de asignar el menor enriquecimiento de uranio en la esquina de la celda de combustible. Se concluyó que efectivamente, el menor enriquecimiento de uranio debe colocarse en la esquina de la celda para garantizar el cumplimiento de límites térmicos durante la operación del reactor. Sin embargo, fue posible encontrar algunos casos donde se cumplen los criterios de seguridad durante operación, usando una celda que no cumpla con la regla.
Se hizo el análisis de la regla de no asignar gadolinia en las barras de la periferia de la celda de combustible. Se pudo apreciar que sí es posible asignar como máximo una barra que contenga gadolinia sobre la periferia sin barra de control y poder controlar los criterios de seguridad durante operación del reactor, sin descuidar los requerimientos de energía.
Se analizaron otras opciones de acomodo de barras con gadolinia en la celda. Se concluyó que es deseable que en la diagonal de la celda se coloque gadolinia siempre y cuando no exista más en dicha zona, que en el resto de la celda.
Una actividad desarrollada, que no se tenía contemplada, fue la primera versión de un sistema de optimización para encontrar la mejor combinación de celdas de combustible, recargas de combustible y patrones de barras de control. La mejor combinación se mide en términos de una función objetivo.
Publicaciones
El trabajo Fuel Lattice Design with Path Relinking in BWRs, cuyos autores son Alejandro Castillo, Juan José Ortiz-Servin, Raúl Perusquía, Yerania Campos Silvestre, se envió a la revista Progress in Nuclear Energy.
Trabajos en Congresos Nacionales
Juan José Ortiz, José Alejandro Castillo, José Luis Montes, José Luis Hernández Análisis de Reglas Heurísticas en el Diseño de Celdas de Combustible usando Búsqueda Greedy. XX Congreso Anual de la SNM, Puerto Vallarta, Jalisco, México, del 5 al 8 de julio 2009.
Jaime Esquivel Estrada, Juan José Ortiz Servin. Optimización de Recargas de Combustible para un BWR usando el Sistema de Colonia de Hormigas. XX Congreso Anual de la SNM Puerto Vallarta, Jalisco, México, del 5 al 8 de julio 2009.
José Alejandro Castillo Méndez, Juan José Ortíz Servin, Martín Torres Valderrama, Raúl Perusquía del Cueto. Optimización de Celdas de Combustible para BWR Empleando Path Relinking y Estrategias Flexibles de Solución. XX Congreso Anual de la SNM Puerto Vallarta, Jalisco, México, del 5 al 8 de julio 2009.
Estudiantes
El estudiante de doctorado José Luis Montes Tadeo continúa realizando su tesis.
El estudiante de licenciatura Jaime Esquivel Estrada inició su tesis.
Universidad de Granada en España, el Instituto Politécnico Nacional y la Universidad Nacional Autónoma de Mexico.
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