Responsable: JUAN JOSE ORTIZ SERVIN

Objetivos:

Estudiar el comportamiento de un reactor de agua en ebullición 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 Nuclear.

Antecedentes:

La Administración de Combustible Nuclear consta de 4 procesos de diseño y optimización: diseño radial de combustible, diseño axial del combustible, diseño de recargas de combustible y diseño de patrones de barras de control. En cada una de ellas es viable 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:

• aumentar la seguridad
• mejorar la economía del ciclo
• simplificar el proceso de diseño

Algunos ejemplos del uso de estas reglas son: para el diseño de patrones de barras de control, las barras de control no se colocan en las posiciones intermedias o se siguen esquemas de operación basados en la estrategia de núcleo controlado por celdas (CCC); en el diseño del patrón de carga, se utiliza la estrategia de carga basada en CCC; por citar algunos casos.

En el grupo de Administración de Combustible del Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares (ININ), hemos desarrollado diversos sistemas de optimización aplicables a los cuatro 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 CCC, 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.

Durante el año 2009 se realizó el estudio de las reglas heurísticas (reglas propuestas con base a la experiencia de un ingeniero nuclear) que se usan en el diseño de celdas de combustible. En el planteamiento original del proyecto se contempló el estudio de: NO colocar gadolinia en la periferia de la celda y colocar el enriquecimiento más bajo en las esquinas de la celda. En el desarrollo del proyecto se incluyeron otros estudios: análisis del desempeño de celdas cuando se coloca gadolinia en la diagonal de la celda y análisis del desempeño de la celda al colocar gadolinia en la segunda y tercera hileras de barritas de combustible cercanas a la barra de control.

Los sistemas que se han desarrollado fueron diseñados para cumplir con las reglas tradicionales en cada uno de los problemas de optimización de la Administración de Combustible. A continuación se presenta una breve descripción de los tres problemas que aún no han sido abordados, resaltando las restricciones de seguridad y las reglas aplicables a cada uno de ellos.

Características del Diseño de Ensambles de Combustible

El problema consiste en colocar celdas de combustible en un arreglo vertical que se divide en 25 partes iguales, llamadas nodos, 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:

• Seguridad: Que se cumplan los límites térmicos
• Reglas: El nodo inferior y los dos superiores deben contener celdas de uranio natural para reducir el escape de neutrones del núcleo.

Características del Diseño de Patrones de Carga de Combustible

En este caso se busca la distribución de ensambles combustibles en los canales del núcleo (arreglo horizontal) de modo que se maximice la extracción de energía y que se cumplan las siguientes restricciones:

• Seguridad: Que se cumplan diversos criterios de seguridad
• Reglas: Los combustibles más quemados se colocan en la periferia para reducir la fluencia de neutrones en la vasija y no se deben colocar combustibles frescos en torno a las barras de control que se usan durante la operación del reactor para evitar picos de potencia cuando se extraen estas barras.

Características del Diseño de Patrones de Barras de Control

Es necesario encontrar la configuración de posiciones de barras de control (es decir las alturas de inserción en el núcleo de las 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:

• Seguridad: Que se cumplan diversos parámetros de seguridad del núcleo a lo largo del ciclo.
• Reglas: Si la carga se hizo mediante la estrategia CCC, las barras de control asociadas a las celdas de control son las únicas que se utilizan para el control del reactor y las alturas intermedias de inserción en el núcleo no pueden ser utilizadas porque tienden a deformar el perfil axial de potencia.

En este proyecto se estudiaron estos problemas, analizando la importancia de incluir, excluir o modificar alguna de las reglas en cada etapa del problema.

Beneficios:

Los estudios realizados permiten comprender de mejor manera el comportamiento del reactor bajo distinto escenarios de operación. Lo anterior permitirá al ININ estar en mejores condiciones de proponer esquemas de operación para los reactores de la Central Nuclear de Laguna Verde.

Logros Obtenidos:

En este proyecto se estudiaron diversas reglas heurísticas para el diseño de ensambles de combustible y recargas de combustible. En particular, para el diseño de ensambles de combustible, se estudiaron las reglas de colocar celdas de uranio natural en la base del mismo (1 nodo) y en su parte superior (2 nodos). Además se hicieron estudios para observar el comportamiento del ensamble al variar las longitudes axiales de las zonas de enriquecimiento. En cuanto a la recarga de combustible, se estudiaron las reglas sobre colocar los ensambles de combustible más quemados en la periferia del núcleo. También se analizaron estrategias de carga de combustible como la basada en Celdas de Control (CCC), colocación  de ensambles frescos en posiciones centrales del núcleo de modo que no estén cara a cara sino en diagonal (esquema tablero de ajedrez), y sin ninguna restricción.

Las principales conclusiones que se obtuvieron para diseño de ensambles de combustible se listan a continuación:

1.        Es posible eliminar uno de los nodos de uranio natural de la parte superior del ensamble. Para ensambles de este tipo se pudieron diseñar recargas de combustible y patrones de barras de control que cumplieran con los requerimientos de energía y seguridad. Incluso algunos de los ensambles encontrados, tienen menores enriquecimientos de uranio con respecto al ensamble de referencia.

2.        También fue posible obtener ensambles de combustible sin el nodo de uranio natural en la parte baja del mismo, de modo que se pudieran diseñar patrones de barras de control para alcanzar la longitud del ciclo deseada y garantizar la seguridad del núcleo.

Las principales conclusiones que se obtuvieron para el diseño de recargas de combustible se listan a continuación:

1.        Como se esperaba, la recarga que cumple con el esquema de baja fuga, también cumple con ayudar a maximizar la longitud del ciclo. Los algoritmos evitan colocar ensamble fresco en la periferia. Incluso si las recargas iniciales contienen ensambles frescos en la periferia, estos son retirados de esas posiciones a lo largo del proceso de optimización.

2.        La estrategia de carga CCC no garantiza obtener las longitudes del ciclo más grande. Las mejores longitudes del ciclo se obtuvieron con las recargas tipo tablero de ajedrez. Incluso fue posible diseñar los patrones de barras de control de estas recargas de combustible, de modo que se logre la energía requerida y se garantice la seguridad del núcleo.

Publicaciones

1.      Juan José Ortiz-Servin, Jose Alejandro Castillo, David Alejandro Pelta. GreeNN: A hybrid method for the coupled optimization of the axial and radial design of BWR fuel assemblies. Progress in Nuclear Energy. 52 (2010) 249–256.

2.      Jaime Esquivel-Estrada, Juan José Ortiz-Servin, José Alejandro Castillo, Raúl Perusquía. Azcaxalli: A system based on Ant Colony Optimization algorithms, applied to fuel reloads design in a Boiling Water Reactor. Annals of Nuclear Energy 38 (2011) 103–111.

3.      José Luis Montes, Juan-Luis François, Juan José Ortiz, Cecilia Martín-del-Campo, Raúl Perusquía.Fuel lattice design in a boiling water reactor using an ant-colony-based system. Annals of Nuclear Energy. (2011). 1327-1338.

4.      Alejandro Castillo, Juan José Ortiz-Servin, Raúl Perusquía, Yerania Campos Silvestre. Fuel lattice design with Path Relinking in BWR’s. Progress in Nuclear Energy 53 (2011) 368-374.

Se graduó a un estudiante de licenciatura y uno de doctorado concluyó su trabajo y está listo para defender su tesis:

Jose Luis Montes Tadeo estudiante de Doctorado en Ciencias Nucleares por la Universidad Autónoma del Estado de Mexico.

Jaime Esquivel Estrada estudiante de Licenciatura de Ingeniería en Computación por la Universidad Autónoma del Estado de Mexico

Vinculación:

Universidad de Granada, España

Universidad Nacional Autónoma de Mexico

Instituto Politécnico Nacional