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XXVI Congreso Anual de la Sociedad Nuclear Mexicana

XIV Congreso Nacional de la Sociedad Mexicana de Seguridad Radiológica

Puerto Vallarta, Jalisco, México, del 5 al 8 de Julio de 2015

1/13 Memorias Puerto Vallarta 2015 en CDROM

Simulación del Seguimiento Operacional de un Reactor BWR con Simulate-3

Javier Omar Jiménez Flores, Cecilia Martín del Campo Márquez,

Luis Fuentes Márquez y Juan Luis François Lacouture

Universidad Nacional Autónoma de México, Facultad de Ingeniería

Departamento de Sistemas Energéticos

Av. Universidad 3000, C.U. 04510 México, D.F.

[email protected]; [email protected];

[email protected]; [email protected]

Resumen

Este trabajo fue desarrollado con la finalidad de describir la metodología para calcular el

quemado del combustible de reactores nucleoeléctricos a lo largo del tiempo que dure su

ciclo de operación y para cada recarga de combustible. Es decir, simular y dar seguimiento

a los principales parámetros de operación de manera secuencial a lo largo de sus ciclos de

operación. Para este caso en particular, se realizó el seguimiento operacional de cinco ciclos

consecutivos de un reactor utilizando la información reportada por su computadora de

procesos. La simulación se realizó con el software Simulate-3 y sus resultados fueron

comparados con los de la computadora de proceso. El objetivo es obtener el quemado de

combustible, ciclo tras ciclo para obtener las condiciones del estado del reactor necesarias

para los análisis de recargas de combustible, estudios de estabilidad y análisis de

transitorios, así como la elaboración de una metodología propia que permita manejar y

solventar casos similares para los futuros ciclos de combustible de la central y explorar las

distintas opciones que ofrece el simulador.

1. INTRODUCCIÓN

El seguimiento operacional o core-follow, consiste en, como su nombre lo indica, hacer un

seguimiento cronológico detallado del comportamiento de cada ciclo de operación de una unidad

generadora, en este caso un reactor Boiling Water Reactor (BWR), enfocándose en aquellos

parámetros de importancia que son influenciados por las distintas condiciones operacionales del

reactor a lo largo del periodo de tiempo que dure el ciclo (o los ciclos) a considerar1. Uno de los

objetivos principales del seguimiento es conocer cómo varía el estado del quemado de todas las

celdas de combustible, contenidas en las secciones axiales de los ensambles de combustible, que

están presentes en las recargas de los diferentes ciclos de operación del reactor. Para ello, es

necesario simular las condiciones de cada ciclo en un software simulador con la finalidad de

obtener los resultados del comportamiento de parámetros, que podamos interpretar de manera

concisa para dar pie a un análisis posterior de los ciclos subsecuentes. En este caso se utilizó

Simulate-3 (S3).

mailto:[email protected]




Javier Omar Jiménez Flores et al, Simulación del Seguimiento Operacional de un Reactor BWR con Simulate-3


2. METODOLOGÍA

A continuación se describen las distintas etapas de la metodología aplicada a la simulación del

seguimiento operacional de varios ciclos de operación.

2.1 Recolección de Datos.

La metodología inicia con la recopilación de los parámetros operacionales de los archivos de la

computadora de procesos (3D-Monicore) de la planta, correspondientes a los ciclos de operación n, n+1, n+2, n+3 y n+4, donde n es un ciclo para el cual ya se tiene el estado de quemado de los combustibles

que permanecen en el núcleo. En este caso se trata de un ciclo que está situado a la mitad de la vida útil de

la planta. Para cada ciclo se tienen más de 10 000 archivos (P1), los cuales son necesarios para

realizar la simulación del seguimiento. Los parámetros corresponden al registro de las condiciones

operacionales que se hace cada determinado tiempo (aproximadamente cada 60 minutos) en la

planta y/o antes si existiera algún cambio significativo en éstas que afecte de manera considerable

la operación del reactor. Además, también se utilizaron archivos de entrada para los cálculos de

recambio de combustible al inicio de ciclo (archivos shuffling) y para simular la gestión del ciclo

de operación con parámetros de flujo de alimentación y patrones de barra de control (archivos cmr)

para cada uno de los diferentes ciclos. Se recibió el archivo de reinicio (archivo .res) con el estado

final del seguimiento operacional del ciclo n-1, así como los archivos de recarga de combustible

de cada inicio de ciclo y un conjunto de archivos con los parámetros operacionales reportados en

la computadora de procesos. Estos archivos contienen la información indispensable para preparar

los archivos de entrada para el proceso de simulación del seguimiento operacional. En la tabla I se

muestran los archivos utilizados.

Tabla I. Detalle de archivos usados en el seguimiento

C n C n+1 C n+2 C n+3 C n+4

Número de archivos la computado

ra de procesos

12 493 10 962 10 528 10 181 10 422

Shuffling shuffhotcn.inp shuffhotcn+1.inp shuffhotcn+2.inp shuffhotcn+3.inp shuffhotn+4.inp

CMR cmrcnhot.inp cmrcn+1hot.inp cmrcc+2hot.inp cmrcc+3hot.inp cmrcc+4hot.inp

Reinicio n-1.core-follow.res

En los archivos de la computadora de procesos se encuentran contenidos los principales parámetros

del reactor, como son: Potencia, Flujo, Presión, Subenfriamiento, Quemado, Límites térmicos,

Patrón de barras de control, entre otros.

Los archivos correspondientes al shuffling contienen los patrones de recarga con el combustible

nuevo (con sus respectivas especificaciones) que será insertado y reacomodado junto con el

combustible remanente en el núcleo, todo esto para cada ciclo de operación. Es necesario contar

con un archivo de reinicio para cada ciclo, el cual contiene el historial completo de quemado del





combustible previo a iniciar uno nuevo. En este caso, como ya se mencionó, se usó el archivo de

reinicio correspondiente al core-follow del ciclo n-1.

2.2. Manejo, Organización y Uso de los Archivos P1

Debido a que inicialmente los archivos provenientes de la computadora de procesos, contenidos en

carpetas y subcarpetas correspondientes a cada ciclo no se encontraban ordenados

consecutivamente de acuerdo al tiempo, y a que en ocasiones se tenían archivos en blanco que

fueron descartados, se implementaron, para el manejo de los datos contenidos en cada archivo,

dos programas que fueron desarrollados en la Facultad de Ingeniería de la UNAM (Tabla II), con

los cuales fue posible generar el archivo base de entrada para el seguimiento operacional de cada

ciclo, así como la extracción de la información de interés de cada P1 (Tabla III).

Tabla II. Descripción de programas desarrollados por FI-UNAM

CF.py Extrae.py

Funciones Extrae de los P1 los parámetros necesarios (Potencia, Flujo, Presión, Subenfriamiento, Quemado, Patrón de barras de control) para la simulación S3

Ordena dichos parámetros de forma cronológica en función del quemado, de tal manera que garanticemos el correcto seguimiento del ciclo.

Hace las conversiones de unidades para proporcionarlas a S3 en la forma que éste lo requiere.

Genera el archivo de texto que será la base para el archivo de entrada para S3 (Figura 2)2.

Extrae todos los parámetros contenidos en los archivos de la computadora de procesos ordenándolos cronológicamente en función del quemado.

Crea una tabla con todos los parámetros contenidos en los archivos de la computadora de procesos y genera un archivo que la contenga (Tabla III).



Tabla III. Ejemplo de datos extraídos de los archivos de la computadora de procesos

Case ID Fecha Hora Cycle Core Pwr

Core Flow SUBC PR keff

FMND1060518194357 18-MAY-2006 19:43 7.7 38.9 58.2 10.02 67.64 1.0052

FMND1060518211727 18-MAY-2006 21:17 8.38 50 57.8 12.51 68.02 1.0062

FMND1060518222942 18-MAY-2006 22:29 8.95 55.1 57.3 13.71 68.21 1.0066

FMND1060518230327 18-MAY-2006 23:03 9.27 59.4 57.6 14.47 68.45 1.0069

FMND1060519001742 19-MAY-2006 00:17 9.97 59.2 57.2 14.47 68.46 1.0065

FMND1060519011742 19-MAY-2006 01:17 10.53 58.9 57.6 14.3 68.34 1.0067

FMND1060519031912 19-MAY-2006 03:19 11.66 57.9 57.4 14.15 68.36 1.0068

FMLD1060520173157 20-MAY-2006 17:31 32.73 70.3 59.9 15.8 69.14 1.0063

FMLD1060520174012 20-MAY-2006 17:40 32.82 69.7 60.1 15.64 69.1 1.0063

FMLD1060520180057 20-MAY-2006 18:00 33.05 69.6 59.8 15.72 69.26 1.0065

Tabla III (cont.1). Ejemplo de datos extraídos de los archivos de la computadora de

procesos

Case ID AV VF MCPR MFLCPR MFLPD MAPRAT FEEDWTR FLOW

FMND1060518194357 0.354 3.085 1.362 0.681 0.681 1360.05

FMND1060518211727 0.372 2.56 1.237 0.739 0.739 1783.14

FMND1060518222942 0.382 2.355 1.193 0.765 0.765 1980.99

FMND1060518230327 0.389 2.147 1.155 0.788 0.788 2154.18

FMND1060519001742 0.39 2.146 1.157 0.787 0.787 2148.87

FMND1060519011742 0.387 2.158 1.159 0.786 0.786 2138.65

FMND1060519031912 0.382 2.189 1.168 0.78 0.78 2099.65

FMLD1060520173157 0.484 1.868 1.111 0.842 0.842 2596.96

FMLD1060520174012 0.496 1.89 1.114 0.842 0.842 2573.93

FMLD1060520180057 0.496 1.885 1.114 0.841 0.841 2567.8

2.3. Generación de Archivos de Entrada para el Código de Simulate-3

2.3.1 Shuffling

El archivo de reinicio del final del ciclo n-1, antes mencionado, fungió como estado de inicio en el

archivo de entrada para el shuffling del ciclo n (Figura 1). De igual manera, se utiliza una librería

de secciones eficaces macroscópicas, llamada también banco de datos nucleares, con los

parámetros en condiciones en caliente de todas las celdas que se han cargado en la historia

operacional del reactor hasta la recarga del ciclo n incluida, con esto se creó el archivo de entrada

para el ciclo n.

1 La tabla III contiene 15 columnas y es presentada en dos partes repitiendo la primera columna la

cual representa el identificador del paso.





Figura 1. Fracción del archivo de entrada para shuffling del ciclo n

2.3.2 Seguimiento

Una vez que se tiene el archivo base para el archivo de entrada de S3, se debe especificar e incluir

en éste, el archivo de reinicio, el archivo include para el cálculo de límites térmicos y el archivo de

la librería de datos nucleares correspondientes a cada ciclo que se analizará. Como un ejemplo, en

este caso para el ciclo n, se debe introducir y direccionar los archivos a la ruta donde se encuentren

almacenados (Figura 2).

‘RES’ ‘n-1.core-follow.res’ 2000 /

‘LIB’ ‘cnhot.lib’ /



Figura 2. Detalle de archivo de entrada para S3 con los archivos necesarios para su ejecución.

Con el archivo de entrada, finalmente listo con todos los archivos de reinicio y librerías necesarios,

se ejecuta el programa S3.

2.4 Simulación

Se simuló el caso para la recarga (shuffling) del ciclo n y como salida del simulador S3 se generan

cuatro archivos de salida:

* shuffhotcn.out * shuffhotcn.sum * shuffhotcn.res * shuffhotcn.cms

El archivo shuffhotcn.res es el que se empleará en la siguiente etapa. Teniendo el archivo de

reinicio proveniente de la simulación de shuffling del ciclo n y tomando como base la información

contenida en los archivos de la computadora de procesos se realizó la simulación del seguimiento

operacional o Core Follow para el ciclo n usando S3. De forma análoga, se procedió con los ciclos

subsecuentes hasta terminar con el ciclo de operación n+4.

Archivo de

reinicio

Archivo

include

límites

térmicos

Librería de

datos

nucleares

‘RES’ ‘shuffhotcn.res’ 2000 /

‘INC.FIL’ ‘/home/papiit2/CF/INC/tlm.inc’ /

‘LIB’ ‘/home/papiit2/LIB/cn.lib’ /





3. RESULTADOS DE SEGUIMIENTO

Dentro de los parámetros de interés, se encuentra el factor de multiplicación efectivo (keff) vs

quemado, así como el límite térmico MLPD, el cual es la relación entre la Razón de Generación

de Calor Lineal (LHGR) máxima y la (LHGR) límite. Con los resultados obtenidos con S3, se

procedió a hacer una comparación entre dichos factores obtenidos con S3 y con los que se

reportan en los archivos de la computadora de procesos (CP) de la central a través de gráficos,

los cuales se muestran a continuación para los distintos ciclos.

Figura 3. Gráfico comparativo de keff vs quemado entre S3 y CP para el ciclo n.

Keff vs Quemado Cn

CP



Figura 4. Comparación MFLPD para el ciclo n, CP vs S3

Figura 5. Gráfico comparativo de keff vs quemado entre S3 y CP para el ciclo n+1.

Keff vs Quemado Cn+1

MFLPD vs Quemado Cn

CP

CP





Figura 6. Comparación MFLPD para el ciclo n+1.. CP vs S3



MFLPD vs Quemado Cn+1

CP

CP



Figura 8. Comparación MFLPD para el ciclo n+2. CP vs S3




CP

CP





Figura 10. Comparación MFLPD para el ciclo n+3.. CP vs S3




CP

CP



Figura 12. Comparación MFLPD para el ciclo n+4. CP vs S3

4. CONCLUSIONES

A pesar de presentarse una ligera diferencia en los gráficos, entre lo reportado en los archivos de

la computadora de procesos y los resultados obtenidos con S3, se puede apreciar una tendencia

similar entre ellos. La diferencia radica en el método de solución con el que trabaja cada código,

es decir, tanto la computadora de procesos como el software de Simulate-3, evalúan de distinta

manera los datos que están recibiendo, es por ello que no podemos hablar de una simulación

correcta o incorrecta. No obstante, se puede concluir que, en términos generales, Simulate-3 es una

buena alternativa para llevar a cabo la simulación del seguimiento operacional, ya que los

resultados obtenidos pueden fungir como referencia inicial a la hora de realizar otro tipo de estudios

y simulaciones, como en el caso de transitorios y estabilidad, para los cuales es necesario conocer

la distribución de quemado del combustible y determinar adecuadamente las secciones eficaces de

macroscópicas que se usan para los cálculos neutrónicos de esos estudios dinámicos.

Cabe mencionar que las primeras simulaciones para todos los ciclos se hicieron sin tomar en cuenta

el Xe en equilibrio, sin embargo, las gráficas que se muestran en este trabajo se realizaron con

dicha opción activada en S33 y, debido a que prácticamente no se observó algún cambio relevante,

se decidió únicamente incluir estas últimas.


CP





AGRADECIMIENTOS

Agradecimiento muy especial al Ing. Marco Antonio Martínez Quintana por su valiosa aportación

para la elaboración de los programas de cómputo auxiliares para desarrollar este trabajo y al Ing.

Julio Vallejo Quintero por el tiempo compartido en este aprendizaje.

REFERENCIAS

1. G. Robert, Tsoulfanidis Cochran and Nicholas. “The Nuclear Fuel Cycle: Analysis and

Managemen”t. 2ª Edición. 1999. p. 165.

2. Mehdi Asgari “Review of the CMS Model for LAGUNA VERDE NPP Unit 1 Cycles 14 and

15, Final Report ”, Studsvik Scandpower, Inc. , Diciembre 2011.

3. “Simulate-3 Advanced Three-Dimensional Two-GroupReactor Analysis Code” Studsvik

Scandpower, Inc. , Julio 2005

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