3. Dise˜ no neutr´ onico
3.5. An´ alisis sobre el aumento del n´ umero de placas combustibles
El aumento en reactividad producido por el reflector inferior se encuentra reducido significativamente debido a la necesidad de implementar un huelgo de 3 cm entre el n´ucleo y este reflector. Esta dimensi´on depende de la fabricaci´on de la placa combusti- ble, de la ubicaci´on de grilla inferior y de la disponibilidad de un adecuado paso para el refrigerante. Se recomienda analizar si un huelgo de menores dimensiones es tambi´en satisfactorio.
3.5.
An´alisis sobre el aumento del n´umero de placas
combustibles
Observando la figura3.1puede observarse que para lograr una distribuci´on cil´ındrica de las placas combustibles, se utilizaron tres arreglos diferentes:
Una ´unica fila de cuatro placas combustibles. A este conjunto de placas combus- tibles se lo denomina primer cuerpo.
Dos filas de nueve placas combustibles cada una. A este conjunto se lo denomina segundo cuerpo.
Por ´ultimo, hay una regi´on central que consiste en tres filas de placas combusti- bles. A este conjunto se lo llama tercer cuerpo.
En la figura 3.7 se se˜nalan los cuerpos 1, 2 y 3.
Se realizar´a una an´alisis sobre el aumento de las placas combustibles para poder determinar cu´antas placas y en qu´e cuerpo del n´ucleo conviene agregarlas, para poder aumentar la reactividad.
Dado que el agregado de las placas combustibles implica tambi´en un aumento del volumen del n´ucleo, se espera que esta modificaci´on disminuya la magnitud del flujo neutr´onico en las facilidades de irradiaci´on. Por lo tanto, el an´alisis del peso en reacti- vidad que posea cada placa de combustible agregada, debe acompa˜narse con el an´alisis correspondiente a la merma en la magnitud del flujo neutr´onico.
Tomando entonces el n´ucleo que posee un espesor de reflector de Berilio de 27.3 cm (considerando los huelgos entre las piezas de Berilio), y una longitud activa de 48 cm, se analizan las modificaciones producidas debido al agregado de placas combustibles.
3.5.1.
An´alisis sobre el agregado de placas combustibles en el
primer cuerpo del n´ucleo
El primer an´alisis que se realiza corresponde al agregado de placas combustibles en el primer n´ucleo del reactor.
22 Dise˜no neutr´onico
Puesto que se desea mantener la simetr´ıa geom´etrica del n´ucleo del reactor, se decide analizar el agregado de un n´umero par de placas combustibles.
En la tabla 3.3 se muestra la reactividad aportada por el agregado de 2, 4, 6 y 8 placas en el primer cuerpo del n´ucleo del reactor.
Tabla 3.3: Reactividad a˜nadida en funci´on de la cantidad de placas agregadas en el primer cuerpo del n´ucleo.
Placas com- bustibles a˜nadidas
Reactividad a˜nadida(pcm) Reactividad a˜nadida por pla- ca(pcm/placa)
2 220 110
4 440 110
6 650 108
8 860 108
Como puede observarse, la reactividad aportada por las placas combustibles en el primer cuerpo del n´ucleo no es significativa respecto a la cantidad total de reactividad que se desea aportar al n´ucleo.
Puesto que se descarta esta opci´on, no resulta importante realizar el an´alisis de la influencia del agregado de las placas combustibles sobre el flujo neutr´onico en la zona de irradiaci´on.
3.5.2.
An´alisis sobre el agregado de placas combustibles en el
segundo cuerpo del n´ucleo
Del mismo modo que en el an´alisis del agregado de placas en el primer cuerpo del n´ucleo, se agregar´a una cantidad par de placas combustibles de modo de conservar la simetr´ıa del n´ucleo del reactor.
Se analiza el agregado de 4, 8 o 12 placas combustibles. En la tabla3.4 se observan los resultados obtenidos:
Tabla 3.4: Reactividad a˜nadida en funci´on de la cantidad de placas agregadas en el segundo cuerpo del n´ucleo.
Placas com- bustibles a˜nadidas
Reactividad a˜nadida (pcm) Reacividad a˜nadida por placa (pcm/placa)
4 950 238
8 1812 227
12 2700 225
Por lo visto en la tabla 3.4, con el agregado de 8 placas combustibles en el segundo cuerpo del n´ucleo se consigue elevar la reactividad en exceso en una cantidad equivalente
3.5 An´alisis sobre el aumento del n´umero de placas combustibles 23
al 60 % respecto del total de reactividad que se necesita agregar, lo cual se considera suficiente para esta opci´on.
Se realiza un estudio para saber c´omo influye el agregado de placas combustibles en el flujo neutr´onico, cuyos resultados se presentan en la tabla 3.5. Para esta tabla, se denomina al flujo t´ermico en la zona de irradiaci´on ubicada en el centro del n´ucleo como φZIN.
Tabla 3.5:Magnitud del flujo neutr´onico t´ermico en la zona de irradiaci´on central, como funci´on de la cantidad de placas combustibles agregadas.
Placas agregadas φZIN (cmn2seg)
0 1.51* 1012
4 1.44* 1012
8 1.39* 1012
12 1.25* 1012
Por lo tanto, la opci´on de agregar 8 placas combustibles implica una decremento en la magnitud del flujo t´ermico menor al 10 %, por lo que se considera una opci´on satisfactoria.
3.5.3.
An´alisis sobre el agregado de placas combustibles en el
tercer cuerpo del n´ucleo
En este caso, se eval´uan las opciones de agregado de 6 y 12 placas combustibles. En la siguiente tabla se presenta la reactividad a˜nadida por las placas combustibles.
Tabla 3.6: Reactividad a˜nadida en funci´on de la cantidad de placas agregadas en el tercer cuerpo del n´ucleo.
Placas com- bustibles a˜nadidas
Reactividad a˜nadida(pcm) Reactividad a˜nadida por placa (pcm/placa)
6 1370 228
12 2705 225
Como se puede observar de la tabla3.6 , el inconveniente de realizar un aumento en la cantidad de las placas combustibles en el tercer cuerpo del n´ucleo es la poca cantidad de opciones existentes.
La opci´on correspondiente al agregado de 6 placas combustibles resulta atractiva, puesto que la reactividad a˜nadida es cercana al 45 % de la reactividad total que se necesita a˜nadir, y permite de este modo realizar un an´alisis sobre la longitud activa del n´ucleo para elevar el exceso de reactividad hasta la cantidad necesitada.
Por otro lado, a pesar de que el agregado de 12 placas combustibles implicar´ıa una adici´on de reactividad cercana a la totalidad que se necesita, el uso del aumento de
24 Dise˜no neutr´onico
la longitud activa es una soluci´on m´as econ´omica puesto que la cantidad de Uranio que se utilizar´ıa ser´ıa menor. M´as adelante se analizar´an los efectos relacionados a la modificaci´on de la longitud activa del n´ucleo del reactor.
En la tabla 3.7 se presenta la magnitud del flujo t´ermico obtenido en la zona de irradiaci´on ZIN (zona de irradiaci´on ubicada en el centro del n´ucleo), correspondiente al agregado de 6 y de 12 placas combustibles.
Tabla 3.7:Magnitud del flujo neutr´onico t´ermico en la zona de irradiaci´on central, como funci´on de la cantidad de placas combustibles agregadas.
Placas agregadas φZIN (cmn2seg)
6 1.42* 1012
12 1.34* 1012
Como puede observarse en la tabla 3.7, el agregado de 6 placas en el tercer cuerpo del n´ucleo implica que la magnitud del flujo t´ermico en la zona ZIN disminuya en un 6 %.
3.5.4.
Agregado de placas combustibles: Opciones m´as viables
Luego de hacer analizado las distintas opciones para correspondientes al agregado de placas combustibles, se destacan las dos m´as atractivas:
Agregar 8 placas combustibles en el segundo cuerpo del n´ucleo (opci´on A). Agregar 6 placas combustibles en el tercer cuerpo del n´ucleo. (opci´on B).
La opci´on A presenta la ventaja de que la reactividad a˜nadida es mayor, mientras que la opci´on B presenta la ventaja de que la disminuci´on en la magnitud del flujo t´ermico en la zona ZIN es de tan solo el 6 %, mientras que esta cantidad es del 10 % para la opci´on A.
Se elige la opci´on A, puesto que la magnitud del flujo t´ermico asociada se considera suficiente.
Dado que la opci´on elegida implica un aumento de la reactividad en exceso en una cantidad cercana a los 1800 pcm, se necesitan agregar otros 1200 pcm.
En las tablas 3.4 y 3.6 se pueden observar la cantidad de reactividad a˜nadida por cada placa combustible asociada a la opci´on A y a la opci´on B. Esta cantidad es pr´acticamente la misma para ambas opciones.
Este resultado nos lleva a pensar que ante una modificaci´on en la cantidad del material f´ısil en el segundo cuerpo del n´ucleo, la consecuencia en el comportamiento global del reactor es muy similar respecto a que si la misma modificaci´on se hubiera realizado en el tercer cuerpo del n´ucleo del reactor.
3.5 An´alisis sobre el aumento del n´umero de placas combustibles 25
Para comprender el motivo de lo mencionado, es importante conocer la importancia que tienen para el proceso de fisi´on los neutrones de una energ´ıa determinada, situados en una posici´on r(x,y,z) determinada.
Si definimos la funci´on importancia Φ+(r, E) como el n´umero medio de descendien- tes de un neutr´on de energ´ıa E puesto en un punto r (x,y,z) del reactor, entonces esta funci´on nos indicar´ıa d´onde es m´as conveniente introducir material f´ısil en el reactor para aprovecharlo lo m´as eficientemente posible.
El c´odigo CITVAP permite el c´alculo de esta funci´on importancia en funci´on de la posici´on y de la energ´ıa de la perturbaci´on a˜nadida.
En la figura 3.7 se muestra la densidad de potencia en funci´on de la posici´on, correspondiente a un cuarto del n´ucleo del reactor. De esta manera es posible ubicar al n´ucleo en un sistema de coordenadas que luego se utilizar´a para el c´alculo de la funci´on importancia en funci´on de la posici´on en el n´ucleo del reactor.
Figura 3.7:Densidad de potencia en funci´on de la posici´on en el reactor. Se representa s´olo un cuarto del n´ucleo por simetr´ıa. La unidad de la densidad de potencia es cmW3. Tambi´en se se˜nalan
los cuerpos 1, 2 y 3.
Como puede observarse, el segundo cuerpo del n´ucleo se encuentra entre los valores de 41 cm y 47.5 cm de la coordenada Y, mientras que el tercer cuerpo del n´ucleo se encuentra entre los valores de 47.5 cm y 51.5 cm de la misma coordenada.
Teniendo presente el sistema de coordenadas presentado en la figura3.7, en la figura
3.8 se muestra la funci´on importancia para energ´ıas t´ermicas en la mitad de la zona activa del n´ucleo.
Como puede observarse en la figura3.8, la funci´on importancia neutr´onica presenta sus valores m´aximos en la zona donde se ubica el n´ucleo, puesto que al introducir un neutr´on en alguna posici´on del reactor, la m´axima probabilidad de que el mismo
26 Dise˜no neutr´onico
Figura 3.8: Importancia neutr´onica normalizada en funci´on de la posici´on en el reactor. Se representa s´olo un cuarto del n´ucleo por simetr´ıa.
produzca una fisi´on ocurre cuando el mismo es ubicado en las zonas pr´oximas a los combustibles.
Por otro lado, a medida que las coordenadas espaciales toman valores de posiciones m´as alejadas al n´ucleo, aumenta la probabilidad de que el neutr´on se fugue, dismi- nuyendo la probabilidad de que produzca una fisi´on, y por lo tanto se produce una disminuci´on en el valor de la funci´on importancia.
En la misma figura se puede observar que la funci´on importancia es aproximada- mente de la misma magnitud en el segundo cuerpo que en el tercer cuerpo del n´ucleo, lo cual explica la raz´on por la cual la reactividad a˜nadida al adicionar una placa com- bustible en el segundo o en el tercer cuerpo es muy similar.