Desarrollo de Elementos Combustibles - LAS-ANS

Simposio LAS/ANS 2007 / 2007 LAS/ANS Symposium
XVIII Congreso Anual de la SNM / XVIII SNM Annual Meeting
XXV Reunión Anual de la SMSR / XXV SMSR Annual Meeting
Copatrocinado por la AMEE / Co-sponsored by AMEE
Cancún, Quintana Roo, MÉXICO, del 1 al 5 de Julio 2007 / Cancun, Quintana Roo, MEXICO, July 1-5, 2007
Desarrollo de Elementos Combustibles
Avanzados para Centrales HWR
Brasnarof D.O, Marino A.C y Florido P.C
Centro Atómico Bariloche CNEA
Instituto Balseiro, Universidad Nacional de Cuyo
Av Bustillo Km 9,5 (R8402AGP) Bariloche Argentina
brasnaro@cab.cnea.gov.ar; marino@cab.cnea.gov.ar
Muñoz C., Bianchi D. y Giorgis M.
Comisión Nacional de Energía Atómica
Av del Libertador 8250 (1428) Buenos Aires
cmunoz@cnea.gov.ar.
Resumen
El Proyecto CARA (Combustible Avanzado para Reactores Argentinos) consiste en el
desarrollo tecnológico nacional de un EC (elemento combustible) único para nuestros
reactores nucleares de potencia de agua pesada (Atucha I, Embalse y Atucha II). El EC
CARA tiene por objetivo mejorar el desempeño en dichos reactores manteniendo o
mejorando las condiciones operativas y de seguridad de los mismos. El diseño permite
extender el quemado con buenos márgenes termohidráulicos empleando 52 barras
combustibles de igual diámetro, y alcanzar valores negativos para el coeficiente de vacío
mediante el empleo de uranio levemente enriquecido y venenos quemables. El manojo
combustible se puede emplear directamente en la central de canales horizontales. Un
sistema adicional de ensamble posibilita su uso en reactores PHWR de canales verticales.
Se prevé que el empleo de uranio levemente enriquecido (ULE) en el EC CARA, para
todos los reactores, provocará una importante reducción en el volumen de combustibles
gastados a ser tratados, pudiéndose reducir estos entre un 17 a 27 % en Atucha I con
respecto al actual ULE de 0.85%, una reducción entre el 38 al 46% para Embalse, y para
Atucha II del 45 al 53%. La factibilidad mecánica para Atucha I y Embalse, junto con la
compatibilidad hidráulica han sido verificadas. Varios prototipos CARA están siendo
fabricados con un nuevo diseño de grillas y proceso de soldadura a las barras. En este
trabajo se presenta el estado actual de desarrollo del EC CARA.
1. INTRODUCCIÓN
Argentina tiene dos reactores de agua presurizada (PHWR) en operación (Atucha I y Embalse)
desde 1974 y 1984 respectivamente, y otro en fase de construcción (Atucha II). Todos ellos están
refrigerados con agua pesada y con uranio natural o ULE como combustible, y presentan diseños
muy distintos. Embalse es un reactor CANDU 6 [1] estándar, con canales refrigerantes
horizontales. Por otro lado Atucha I y II tienen un diseño Siemens de canales refrigerantes
verticales dentro del recipiente de presión.
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El EC de la central nuclear Embalse (CNE) tiene una longitud aproximada de 0,5 metros, y el
canal de 6 metros se llena con doce de estos elementos. Atucha I y II por otro lado tiene un único
EC de un poco más de 5 metros de longitud activa, soportado mecánicamente de su parte superior
[2]. Los combustibles de Atucha I originalmente diseñados para Uranio natural tenían un
quemado de extracción menor a 7000 MWd/tonUO2 y, luego del programa de incremento de
enriquecimiento, el combustible actual de Atucha I ha elevado el quemado de extracción hasta
aproximadamente 11500 MWd/tonUO2, empleando un enriquecimiento de 0,85 % de U 235 . Esto
ha mejorado la economía de la central en lo referente al costo de combustible y además ha
permitido la reducción del número de elementos combustibles gastados, con el consiguiente
ahorro en la ocupación de la pileta de decaimiento. Por otra parte, el diseño del EC Atucha II, que
emplea Uranio natural, alcanza un quemado de extracción de 7500 MWd/tonUO2.
Ambos tipos de combustibles poseen un arreglo compacto de 37 barras, pero con diferente tipo
de diseño de vaina. Atucha I y II tienen un diseño autoportante mientras que las vainas de
Embalse son colapsables en condiciones de operación y presión interna.
El EC CARA [3,4,5] está siendo desarrollado por la Comisión Nacional de Energía Atómica
(CNEA) dentro del Programa Ciclo de Combustible. Se trata de un nuevo combustible para ser
empleado en reactores de agua pesada de canales horizontales (Embalse) y verticales (Atucha),
para mejorar sus desempeños. Dichas mejoras se basan en un claro objetivo económico con dos
aristas. Por un lado un menor costo de combustible y mejoras desde el punto de vista de la
seguridad, y por otro una reducción del número de elementos combustible gastados por su
implicancia en los costos de fin de ciclo. Esto se alcanza a partir del empleo de ULE con
quemados entre 14000 a 20000 MWd/tonU, y la compatiblilidad con el concepto de
almacenamiento intermedio actualmente implementado en Embalse. Además del mejoramiento
desde el punto de vista económico, el EC CARA también se orienta hacia la mejora de los
márgenes de operación termo - hidráulicos y de comportamiento termo-mecánicos
2. DESCRIPCIÓN TÉCNICA
El diseño del combustible CARA ha sido concebido para mantener las mismas condiciones
operacionales de ambos reactores. Estas son el caudal refrigerante, la caída de presión en el canal,
y la compatibilidad mecánica con la máquina de recambio tanto de los reactores de canales
horizontales como verticales. Además, el diseño mejora el comportamiento con mayores
márgenes termo hidráulicos y de seguridad empleando barras combustibles de un diámetro único,
a diferencia de otros desarrollos que combinan barras combustibles de diferentes diámetros (11) ,
alcanzando coeficientes reactividad por vacío negativos empleando barras combustibles con ULE
y otras con venenos quemables.
El elemento combustible CARA tiene 52 barras combustibles (colapsables en condiciones de
operación) cercanas al metro de longitud (ver Figura 1) ubicadas en un arreglo compacto
cilíndrico, sujetas por tres separadores elásticos autoportantes (ver Figuras 2 y 3) y soldadas en
ambos extremos a dos grillas de baja obstrucción hidráulica (ver Figura 4). Las dimensiones y
geometría se pueden observar en la Tabla I.
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Figura 1. Prototipo de elemento combustible
CARA.
Figura 3. Vista frontal del separador
elástico CARA.
Figura 2. 3 er prototipo separador elástico
CARA.
Figura 4. Grilla CARA.
Tabla I. Geometría y dimensiones del E.C. CARA
Geometría del elemento combustible Cluster
Número de barras combustibles 52
Número de separadores elásticos 3
Longitud total ~1000 mm
Diámetro del elemento combustible ~103 mm
Diámetro externo vaina < 11 mm
Espesor vaina ~0.35 mm
Diámetro de la pastilla ~10 mm
Longitud de la pastilla ~12 mm
El separador elástico autoportante está formado por cuatro flejes circulares concéntricos con
travesaños radiales que los conectan, teniendo apoyos fijos y elásticos que fijan las barras en
posición y sujetan al manojo. Desde el punto de vista mecánico los separadores elásticos
mantienen las barras en su posición y reduce el pandeo del combustible, lo cual permite su
inserción en canales verticales. En los reactores de canales horizontales, el elemento combustible
es simplemente soportado sobre el tubo de presión, por patines deslizantes ubicados en la cara
externa del separador elástico, en lugar del diseño de patines deslizantes soldados a las barras
combustibles externas del combustible Embalse.
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Los canales combustibles en Atucha I son verticales y los elementos combustibles están
sostenidos de la tapa superior del recipiente de presión. Para el uso del EC CARA en Atucha, es
necesario unir 5 EECC CARA mediante el empleo de un sistema adicional de ensamble exterior,
debiendo ser el extremo superior compatible con la máquina de recambio. Por dicho extremo se
realiza la carga y posibilitaría, de estimarse económicamente conveniente, la reubicación axial en
pileta de los elementos combustibles durante el recambio para mejorar el quemado.
En la Figura 5 se observa un diseño del sistema de ensamble compuesto por flejes. Para mantener
los combustibles juntos, en el extremo inferior se encuentra un tope de baja impedancia
hidráulica (Figura 6). En el extremo superior se emplea un dispositivo de acople con un resorte en
un extremo que mantiene a los combustibles sujetos, mientras que en otro extremo de este
dispositivo, hay un cuerpo de acople similar al de Atucha. Ello asegura su adaptabilidad con el
diseño de Atucha I (ver Figura 7). El sistema de ensamble posee 16 planos de soporte a lo largo
de su longitud, cada uno de ellos con dos patines fijos y uno elástico para su apoyo con el canal.
Figura 5. Cuerpo del sistema de ensamble
CARA.
Figura 6. Parte inferior del sistema de
ensamble CARA.
Figura 7. Sistema de ensamble CARA completo para Atucha I.
El nivel de enriquecimiento queda limitado por diferentes efectos: de economía; de seguridad
debida a la correcta refrigeración; mantenimiento de márgenes térmicos, coeficientes de vacío, y
de durabilidad de sus componentes, por cuanto la barra combustible debe mantener su integridad
mecánica durante los tiempos de permanencia dentro del reactor (flujos neutrónicos, condiciones
de operación y rampas de potencia) y, en su etapa final, como combustible gastado.
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3. COMPARACIÓN CON OTROS ELEMENTOS COMBUSTIBLES
Para asegurar la compatibilidad con los combustibles de centrales de canales horizontales y
verticales, se ha comparado el EC CARA tomando como base el segundo diseño de separadores y
el sistema de ensamble para Atucha con los elementos combustibles de Atucha I, Atucha II y
Embalse. La Tabla 2 muestra dicha compatibilidad donde, la menor longitud activa para el caso
del EC CARA en Atucha, se compensa con una mayor densidad longitudinal de UO2 frente al EC
Atucha.
Tabla 2: Comparación de elementos combustibles
Embalse CARA Embalse Atucha I Atucha II CARA Atucha
Masa Zry/UO2 ~0.10 ~0.10 ~0.18 ~0.15 ~0.15
Masa UO2/Longitud [kg/m] ~43 ~43 ~33 ~40 ~43
Diámetro EC [mm] ~103 ~103 ~108 ~108 ~108
Peso [kg] ~47 ~47 ~210 ~250 ~250
Al realizar la comparación de masas por componente con respecto al EC Embalse, se observa
que, al duplicar la longitud de la barra combustible para el EC CARA, se eliminan un par de
grillas y se reduce el número de tapones cerca del 50%, lo cual es aprovechado por los
separadores que tienen una mayor cantidad de Zircaloy con respecto al diseño de Embalse.
Uno de los objetivos del EC CARA es alcanzar quemados extendidos entre 14000 a 20000
MWd/tonU, esto dependerá del nivel de enriquecimiento. El mayor tiempo dentro del reactor
permite reducir el número de elementos consumidos por año de plena potencia. En la Tabla 3 se
observan la cantidad de EC CARA necesarios para la operación de los diferentes reactores a
plena potencia con un factor de carga del 100%. Entre paréntesis se presenta el consumo
porcentual equivalente con respecto al número de EC consumido para la operación de Atucha I
con ULE a 0.85%, Embalse con U natural y Atucha II con U natural. Para el caso de Atucha, 5
EC CARA equivalen a un EC Atucha, y para el caso de Embalse 2 EC de dicha central equivalen
a un EC CARA.
Tabla 3: Consumo de EC CARA por año de operación
a plena potencia con 100% de factor de carga
Central Quemado 14000
MWd/TonU
Atucha I 865 (73%)
Embalse 1528 (54%)
Atucha II 1542 (47%)
Total 3935
El empleo del EC CARA con ULE en todos los reactores provocaría una importante reducción en
el volumen de combustibles gastados pudiéndose reducir estos entre un 16 a 27 % en Atucha I
con respecto al actual ULE de 0.85, una reducción entre el 38 al 46% para Embalse, y para
Atucha II entre el 45 al 53%.
Por otra parte el coeficiente de reactividad por vacío característico de los reactores de agua
pesada y uranio natural, se reduce por debajo de un quinto del valor actual llegando a valores
negativos para enriquecimientos comprendidos entre 1.4 a 2.0 %, empleando además disprosio
como veneno quemable.
Memorias CIC Cancún 2007 en CDROM 458 Proceedings IJM Cancún 2007 on CDROM

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Desde el punto de vista económico, el diseño del EC CARA con venenos quemables permite una
reducción (estimada en forma preliminar) entre el 8% al 15% frente a los actuales costos de
frente de ciclo de los combustibles en las centrales argentinas. Este análisis económico se realizó
en forma comparativa con respecto al EC Embalse, dada su gran similitud. En particular se
consideraron los costos de fabricación, costos de uranio en función del enriquecimiento y las
diferencias surgidas por el empleo de separadores elásticos y el sistema de ensamble para Atucha.
4. DESARROLLO DEL PROYECTO CARA
El proyecto se ha dividido en tres fases. La primera de ellas orientada hacia la viabilidad técnica,
diseño e ingeniería de diferentes alternativas y fabricación de prototipos para ensayos hidráulicos.
La segunda, que se encuentra en desarrollo, tiene por objetivo la validación de la viabilidad
técnica basada en experimentos con realimentaciones surgidas de la fabricación y ensayos
llevados a cabo en la primera fase. Por último, la tercera, donde se realizarán los ensayos de
calificación y licenciamiento.
La factibilidad mecánica y la compatibilidad hidráulica, tanto para Atucha I como para Embalse,
han sido verificadas. Varios prototipos de EECC CARA están siendo fabricados con un nuevo
diseño de grillas y soldaduras a las barras.
4.1. Primera Fase
En esta fase se desarrolló la ingeniería conceptual y básica del elemento combustible a partir de
la comprobación experimental. Para ella, se emplearon combustibles con grillas desmontables
para los ensayos hidráulicos de diferentes diseños de separadores (espesores, alturas y formas).
En esta etapa se desarrolló en forma paralela la ingeniería de los elementos combustibles y
diferentes sistemas de acople desarrollados para la introducción de este EC en la CN Atucha I.
4.2. Segunda Fase
En la segunda fase se desarrollaron los ensayos hidráulicos necesarios, tendientes a dar las
respuestas a los planteos realizados y, comprobar el correcto funcionamiento de cada una de las
partes. Se realizaron cinco prototipos de separadores con diferentes alturas, espesores y formas.
Se desarrollaron modelos de pérdida de carga validados experimentalmente para separadores,
grillas y la fricción distribuida. Además se realizaron simulaciones numéricas empleando códigos
comerciales de sub-canales de geometría completa (COBRA HW) para el cálculo de flujo crítico
de calor (CHF), adaptadas especialmente para modelar la geometría cluster, validados con datos
experimentales de ensayos para el CANFLEX®, dentro de los rangos de operación del EC
CARA. Se realizó el diseño de las barras combustibles empleando una secuencia de tres etapas
con el código BACO a partir de la evaluación de casos extremos, estudios paramétricos y
cálculos probabilísticos. Se determinaron las tolerancias de fabricación de vainas y pastillas a
partir de métodos de diseño estadístico, cálculos de barra combustible (BC) en condiciones
Embalse, Atucha I y comparación con irradiaciones disponibles. Se fabricaron el primer y
segundo sistema de ensamble para Atucha y ensambles que incluyen barras combustibles
desmontables para ensayos hidráulicos. Se analizó la compatibilidad con el Sistema de Carga
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Atucha I y Embalse. En forma preliminar, se definieron los ensayos de CHF. Se fabricaron
dispositivos para irradiación en Halden. Se realizaron ensayos hidráulicos en circuito de baja
presión.
Para el armado del elemento combustible actualmente se está desarrollando un nuevo método de
soldadura debido al menor diámetro de barras del EC CARA con respecto al EC Embalse. La
implementación de la soldadura por resistencia en el EC CARA ha presentado restricciones por
las dimensiones que están involucradas. El nuevo método contempla el empleo de grilla de baja
pérdida de carga que permite el posicionamiento, simple inspección de todas las soldaduras y la
automatización del proceso.
Se fabricaron prototipos de elementos combustibles con grillas desmontables para evaluación de
comportamiento hidráulico de grillas y análisis vibratorio. Como paso siguiente se evaluará el
comportamiento hidráulico en el circuito de baja presión del ensamble para Atucha. Se ha
continuado con la caracterización mecánica de los separadores elásticos correspondientes al
segundo prototipo. Está en fase de desarrollo el concepto de separadores con insertos elásticos de
Inconel para su empleo en combustibles ULE. Se incrementó la capacidad de cálculo del Código
BACO con la inclusión de herramientas de elementos finitos para la optimización en detalle de la
geometría de la pastilla combustible. Se ha ampliado la base de datos de irradiación como
resultado del convenio con Halden. Se ha verificado la simulación del comportamiento de Barras
Combustibles con el BACO para distintos reactores de potencia (PWR, BWR, CANDU, WWER)
como resultado de la participación en el CRP-FUMEX II del OIEA [18].
Para la finalización de la segunda de fase se realizarán los ensayos estructurales e hidráulicos de
pérdida de carga del conjunto combustible para el canal Atucha, y ensayos hidráulicos de
diferentes diseños de grillas, el desarrollo del método de soldadura de grillas y separadores, el
desarrollo mecánico del separador, teniendo en cuenta ensayos de comportamiento vibratorio,
desgaste, impacto, y realimentaciones de los ensayos de durabilidad en circuito de alta presión.
Además se realizará el análisis con base experimental del CHF (Critical Heat Flux en inglés o
flujo crítico de calor en español) para diferentes configuraciones de barras combustibles en
arreglo compacto.
5.1. Diseño Mecánico
5. BREVE DESCRIPCION DEL DESARROLLO
Basado en la experiencia de las barras combustibles de Embalse, la barra combustible CARA se
diseñó considerándola colapsable en condiciones de operación del reactor. Debido al menor
diámetro del canal combustible de Embalse, el diámetro externo del elemento combustible
CARA se fijó con esta restricción, mientras que la longitud máxima fue fijada tomando en cuenta
la compatibilidad con la máquina de recambio de Embalse.
El combustible CARA tiene barras de menor diámetro que el combustible Embalse. Se ha
diseñado una nueva unión soldada entre las barras y grillas con el propósito de tener una
inspección completa y simple de cada soldadura, utilizando una grilla de baja impedancia
hidráulica, de fácil ubicación y de absorción de tolerancias axiales durante el ensamblado [6],
permitiendo además su automatización. Se está desarrollando un nuevo diseño con tetones en el
tapón de la barra combustible (ver Figura 8) para diferentes procesos de soldadura [7] (GTAW -
Memorias CIC Cancún 2007 en CDROM 460 Proceedings IJM Cancún 2007 on CDROM

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LAW). En las Figuras 9 y 10 se muestran los prototipos de soldadura de la grilla CARA. Entre
las actividades de desarrollo está la selección y ajuste de los parámetros del proceso de soldadura
y el desarrollo de la estación de soldadura para el ensamble combustible [8], actividades llevadas
a cabo por personal de CNEA del Centro Atómico Ezeiza (CAE), Centro Atómico Constituyentes
(CAC) y Centro Atómico Bariloche (CAB). En la figura 11 se observa la estación prototipo de
soldadura para probetas tapón - vaina y para el conjunto combustible respectivamente.Con
respecto a los separadores elásticos se ha realizado la caracterización hidráulica de tres prototipos
de separadores con diferentes espesores, alturas y formas de flejes. Se ha comenzado con la
caracterización mecánica de los separadores elásticos conjuntamente con el desarrollo de
separadores elásticos con insertos para su empleo en combustibles ULE.
Figura 8. Extremo Barra combustible
CARA.
Figura 10. 1 er prototipo de soldadura de
grilla CARA.
Figura 9. Grilla CARA.
Figura 11. Estación de soldadura de
desarrollo.
Como la barra combustible CARA ha sido diseñada para que la vaina colapse contra las pastillas
en condiciones de operación, esto modifica las frecuencias naturales de las barras combustibles
sin colapsar. Se realizaron estudios experimentales para ver la influencia de dicho fenómeno,
empleando vainas de Zircaloy y diferentes pastillas metálicas, para simular el contacto con la
vaina [9], observándose variaciones en las frecuencias de hasta un 30%. Debido a que la
turbulencia es el principal mecanismo de excitación de vibraciones, el diseño final del separador
elástico en cuanto al desgaste (interacción separador - barra), se ha postergado hasta el ensayo de
durabilidad, debido a que estas condiciones no se pueden alcanzar en un circuito de baja presión.
Memorias CIC Cancún 2007 en CDROM 461 Proceedings IJM Cancun 2007 on CDROM

5.2. Comportamiento Hidráulico
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Una fracción importante de la caída de presión del combustible Embalse está concentrada en las
grillas (≈30%) [10]. El EC CARA reduce la impedancia hidráulica eliminado un par de grillas
enfrentadas, y emplea esta ganancia para balancear el incremento de la fricción distribuida al
tener un mayor número de barras. Por otra parte la eliminación de las grillas y los tapones da un
crédito en volumen encapsulado para mantener la masa de uranio del elemento combustible con
una menor sección de barra combustible, y por ende disminuir la fricción distribuida.
En el reactor Embalse, la columna de combustibles puede ser cargada en forma aleatoria con
diferente orientación azimutal relativa. La impedancia hidráulica entre grillas enfrentadas
presenta una dependencia con el ángulo de desalineación [11]. Se desarrolló un modelo para la
pérdida de carga hidráulica en función del grado de desalineación [12], el cual ha sido verificado
con datos propios y publicados [11]. La geometría particular del EC CARA ha sido evaluada con
ensayos experimentales con dos prototipos en un circuito de baja presión empleando un canal
horizontal tipo Embalse. Para el comportamiento hidráulico del separador se emplearon dos
prototipos con grillas desmontables (ver Figura 12). Los ensayos hidráulicos se realizaron entre el
70% y el 130% del caudal nominal de Embalse en condiciones de baja presión y temperatura. Se
ensayaron varios modelos, encontrándose un diseño que es compatible hidráulicamente en ambos
reactores. Usando los modelos de pérdida de carga, se predijo extrapolando la pérdida de carga
hidráulica para el canal Embalse bajo condiciones normales de operación. Empleando los valores
de aceptación publicados para canal monotérmico [13], el EC CARA presenta resultados de
pérdida de carga compatibles con el EC Embalse. Nuevos diseños de grilla para los diferentes
procesos de soldadura están siendo ensayados hidráulicamente en el canal de ensayos del CAB.
La caracterización hidráulica del ensamble CARA para Atucha (ver Figuras 13 y 14) está en
progreso. Cálculos preliminares, empleando los modelos desarrollados y corroborados en forma
experimental en el circuito de baja presión, muestran que la compatibilidad puede alcanzarse.
Figura 12. Prototipo cara con grillas
desmontables.
Figura 13. EC CARA Atucha.
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5.3. Comportamiento de Flujo Critico
Figura 14. Vista inferior del EC CARA Atucha.
Uno de los principales aspectos dentro de los elementos combustibles es el comportamiento
termohidráulico. Una manera de predecir ese aspecto del comportamiento en el EC CARA es
mediante el empleo del código COBRA-IV [14]. Los márgenes de flujo crítico fueron calculados
y validados [15] con datos experimentales de potencias de “dry-out” del EC CANFLEX®,
llevados a cabo en el Laboratorio Stern [11] y modelados en geometría completa con el COBRA.
La potencia predicha de “dry-out” se encontró dentro de una banda del 10% para un rango muy
amplio de condiciones de entrada (18% más margen que el CANDU). Empleando esta
herramienta el CARA fue analizado mostrando un comportamiento comparable al CANFLEX®,
pero con un único diámetro de barra.
5.4. Comportamiento de Barra Combustible
El diseño de la barra combustible CARA se analizó con el código BACO, empleando análisis de
casos extremos, cálculos paramétricos y estadísticos [16], para conocer la correcta incidencia de
los parámetros del combustible y sus tolerancias de fabricación. La base de diseño de la barra
combustible ha sido presentada previamente [5], donde historias de potencia hipotéticas pero
realistas fueron definidas para la simulación con el código BACO [17], considerando las
condiciones de irradiación de un elemento combustible en condiciones exigentes y reales.
Para ello se ha teniendo en cuenta la adaptación de la potencia lineal (por ejemplo al 72% del
valor original) del combustible CARA obteniendo un quemado de extracción de 14000
MWd/tonUO2, con lo cual se reducen para Embalse de 600 W/cm a 450 y Atucha I de 550 W/cm
a 400. Los cálculos del código BACO muestran una reducción de la temperatura, menor
liberación de gases de fisión, sin reestructuración y hueco central en la pastilla combustible,
descenso de la temperatura central en 500°C a máxima potencia, tanto para Embalse como para
Atucha I. Además, la expansión lineal del CARA en Embalse se reduce al 25% del valor del
combustible normal.
El aspecto característico del diseño del combustible CARA es su peculiaridad en cuanto a su
colapsabilidad debido a la presión de llenado y el espesor de la vaina. Una vaina de un EC
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CANDU se encuentra lubricada internamente con grafito (o Canlub®) con el fin de reducir el
PCI y el PCMI. En el CARA la reducción del diámetro de la BC y el empleo de un mayor
número de barras por canal combustible, produce una disminución de la potencia lineal que, a su
vez, implica una reducción de la temperatura de pastilla y de las deformaciones y tensiones. Esto
determina que en el CARA no sea necesario dicho recubrimiento. Este punto debe ser verificado
experimentalmente y es la base central de la propuesta de irradiación en Halden [21].
El código BACO participa del CRP FUMEX II “Fuel Modelling at Extended Burnup”
coordinado por el Organismo Internacional de Energía Atómica [18]. La participación en éste
proyecto tiene como finalidad fortalecer el desarrollo de herramientas de evaluación de
performance de barras combustibles (Código BACO) a ser utilizado por los proyectos CARA,
CAREM y Atucha.
Para el diseño de la barra combustible existe un compromiso de maximizar la cantidad de uranio
y minimizar el perfil de temperaturas teniendo en cuenta el comportamiento termomecánico, la
economía y la seguridad en la operación del combustible nuclear durante y después de su
irradiación. Para optimizar la geometría de la pastilla, se ha desarrollado el modelado de
deformaciones 3D de pastillas a partir de la interacción del código BACO con herramientas 3D
de elementos finitos [19]. Esto permite el estudio de la deformación termoelástica de la pastilla
(análisis 3D del estado tensión-deformación de una pastilla bajo irradiación) y el análisis de los
efectos de las fisuras entre otros. En las Figuras 15, 16 y 17 se observan algunos resultados de
esta nueva versión del BACO para el estudio de efectos tridimensionales.
Figura 15. Perfil de una pastilla combustible
calculada con BACO + 3D.
Figura 16. Ejemplos de mallas utilizadas
para el cálculo 3D.
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Figura 17. Resultados del cálculo de tensiones y deformaciones de una pastilla fisurada, y
una con “dishing”.
6. CONCLUSIONES
Se ha presentado el estado actual de desarrollo del elemento combustible CARA, incluyéndose
los criterios de diseño y la estrategia para lograrlo. La solución mecánica propuesta por el CARA
es innovativa con respecto al combustible Embalse, permitiendo el uso de ULE para alcanzar
quemados extendidos en los PHWR con buen comportamiento termohidráulico y,
particularmente, empleando barras de diámetro único.
Diferentes prototipos del elemento combustible CARA han sido ensayados en el circuito de baja
presión. Al emplear los modelos validados experimentalmente, se muestra que el CARA
mantiene la similitud hidráulica en la CN Embalse. El sistema de ensamble externo posibilita su
empleo en reactores de canales verticales comprobándose, además, su compatibilidad mecánica.
Por otra parte se ha verificado mediante el cálculo con modelos el buen comportamiento
termohidráulico y termomecánico del CARA. Se ha empleado el código BACO para fijar los
parámetros de diseño y tolerancia de las barras combustibles. Todos los componentes del CARA
han sido diseñados y construidos para una primera realimentación general de diseño a partir de
ensayos en circuitos de baja presión.
Los presentes resultados nos permiten decir en forma preliminar que el EC CARA puede
satisfacer el desafío argentino: un único elemento combustible para dos tipos diferentes de
centrales nucleares argentinas.
Es necesario finalizar la fase de validación de la viabilidad técnica en particular referente al
separador, datos de flujo crítico de calor e irradiación de BBCC, que permita completar el desafío
planteado de desarrollo nacional de EECC. En particular el desarrollo de separadores puede tener
aplicación para el caso de combustibles PHWR tipo cluster con quemados extendidos como ser
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Atucha II, como así también el avance en las tareas de cálculo y modelado del comportamiento
para el análisis de diseño de BBCC bajo irradiación.
REFERENCIAS
1. Clayton F.T., Compiled by STATION DATA MANUAL Central Nuclear Embalse, Córdoba.
L6K 1B2.
2. Fuel Review 2004. Nuclear Engineering International, September 2003, p 33.
3. Florido P.C, Cirimello R.O., Bergallo J.E., Marino A.C., Delmastro D.F., Brasnarof D.O.,
González J.H., “CARA, new concept of advanced fuel element for HWR”, IAEA Technical
Committee Meeting on “Fuel Cycle Options for Light Water Reactors and Heavy Waters
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