Proyecto iniciado en diciembre de 2021, realizado por la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) en colaboración con la Universitat Politècnica de València (UPV) y subvencionado por el Consejo de Seguridad Nuclear.

Combustibles con vainas ATF (FeCrAl y Zry con recubrimiento de Cr)

Texto: César Queral Salazar | Universidad Politécnica de Madrid | Departamento de Energía y Combustibles – Escuela Técnica Superior Ingenieros de Minas

El Proyecto «Aumento de márgenes de seguridad en centrales LWR mediante combustible tolerante a accidentes (ATF)» pretende desarrollar una metodología que permita cuantificar la variación de los márgenes de seguridad en distintos tipos de reactores nucleares (PWR-W y BWR) ante un hipotético cambio del actual combustible convencional a combustible tolerante a accidentes (ATF). Para ello, se propuso realizar distintos tipos de análisis enfocados a diferentes objetivos:

• Cuantificación de incremento de márgenes de tiempo para actuaciones del operador en secuencias dominantes del análisis probabilista de seguridad (APS).
• Cuantificación del incremento de los márgenes de seguridad en análisis deterministas de centrales PWR y BWR, secuencias de LBLOCA.
• Cuantificación del incremento de los márgenes de tiempo en secuencias de accidente severo en centrales PWR y BWR.
• Análisis del impacto del uso de los combustibles ATF en operación flexible con reactores PWR.
• La organización de seminarios y cursos relacionados con el análisis de márgenes de seguridad y el combustible ATF.

Para ello se plantearon un conjunto de actividades y, de las realizadas hasta este momento, cabe destacar las siguientes: Primero se realizó un extenso análisis bibliográfico sobre los combustibles ATF desde el punto de vista de la modelización, del comportamiento en secuencias accidentales y de su impacto en la reducción del riesgo. Posteriormente, se realizó la selección de las secuencias más importantes desde el punto de vista del riesgo de los PWR diseño Westinghouse para analizar el impacto de distintos combustibles ATF, siendo las secuencias seleccionadas: TLFW, SBO, SBLOCA, MBLOCA, LBLOCA.

En paralelo a la actividad anterior, se realizó el modelado de vainas con recubrimiento de Cr y de vainas tipo FeCrAl en el código termo-hidráulico TRACE. Una vez se dispuso de modelos de PWR con distintos tipos de vaina se inició el análisis de secuencias en reactores PWR con combustible convencional y ATF mediante el código TRACE: TLFW con estrategia de aporte y purga (feed and bleed); SBLOCA con fallo del sistema HPSI; SBO; LBLOCA aplicando metodología BEPU y realizando el análisis de sensibilidad para obtener los parámetros más importantes en esta secuencia. Esta actividad se complementó con la simulación del test IFA 650.10 con vaina de Zry y con vaina tipo FeCrAl con el código TRACE en la que también se aplicó la metodología BEPU y se realizó el análisis de sensibilidad para obtener los parámetros más importantes para diversos materiales de vainas ATF.

A su vez, el grupo investigador de la UPV, realizó el análisis de secuencias de LBLOCA en reactores BWR con el código TRACE, realizándose una comparativa entre combustibles con vainas de Zircaloy y vainas ATF (FeCrAl) y aplicando metodología BEPU y con los correspondientes análisis de sensibilidad, en concreto aplicando metodologías Wilks y PCE (Polynomial Chaos Expansion).

Por otra parte, y dentro del contexto de las secuencias de accidente severo, el grupo de la UPM ha realizado dos tareas: La simulación y análisis del experimento QUENCH-19 con vaina tipo FeCrAl y el análisis de secuencias de SBO con accidente severo en PWR y BWR con el código MELCOR. Finalmente, dentro del conjunto de tareas relacionadas con la cuantificación de la reducción del riesgo al incorporar vainas ATF, se decidió utilizar los incrementos de tiempos disponibles para las actuaciones del grupo de operación de la sala de control obtenidos en el análisis de secuencias accidentales en reactores PWR mediante los códigos TRACE y MELCOR, junto con la información encontrada en la literatura técnica, a un modelo de APS de nivel 1 realizado en RiskSpectrum. Este análisis permitió obtener reducciones de la frecuencia de daño al núcleo de hasta el 30% en algunas secuencias y del 5%-10% en promedio de los distintos materiales de vaina ATF (Zry con recubrimiento de Cr y FeCrAl). Estos resultados, similares en orden de magnitud a otros encontrados en la literatura, indican la conveniencia de seguir investigado en otros materiales de combustible y vaina para reducir más el riesgo en condiciones accidentales, como son el combustible TRISO, las pastillas de combustible de alta densidad y materiales de vaina como SiC o aleaciones con Mo con recubrimientos externos.

Además de las tareas relacionadas al impacto del ATF en el análisis del riesgo y los márgenes de seguridad, se realizó otra actividad relacionada con el impacto del combustible ATF en la operación flexible de una planta PWR. Dicha actividad ha consistido a la simulación de un núcleo de reactor PWR con distintas vainas ATF en condiciones de operación flexible mediante el sistema SEANAP (ETSI Industriales de la UPM).

Junto a estas tareas de carácter técnico, se han realizado diversas actividades de formación y divulgación. Por una parte, se organizó un curso online (26 horas) sobre ATF, termomecánica del combustible y códigos de modelado del comportamiento del combustible en el que han participado como ponentes personal del CIEMAT, ENSO, IDOM, KIT y UPM. Por otra parte, para divulgar las actividades realizadas, se han realizado un conjunto de quince artículos, ponencias, workshops, presentaciones y seminarios relacionados con la temática del combustible ATF.

Por otro lado, fuera del alcance de este proyecto, el grupo de la UPM ha participado en colaboración con la empresa NFoque Advisory Services S.L. (NFQ) en el proyecto coordinado IAEA CRP “Testing and Simulation for Advanced Technology and Accident Tolerant Fuels (ATFTS)”, 2020-2024, en el que el grupo UPM-NFQ ha realizado diversos análisis de ATF con los códigos TRACE, TRANSURANUS y MELCOR. Finalmente, y gracias a la experiencia previa en ATF y el reactor modular diseño NuScale (proyecto H2020 McSafer), se ha iniciado la participación en el proyecto INERI “Modeling of Small Modular Reactors with Accident Tolerant Fuels”, recientemente aprobado en 2024 por el DOE y la UE, y en el que colaboran BNL, INL, NFQ y la UPM. De manera complementaria, el grupo de la UPM participa en las reuniones de los grupos de ATF y SMRs del CEIDEN en los que se aúnan, e intercambian ideas, sobre las actividades realizadas por las entidades españolas en estos dos campos.

Cabe finalmente mencionar que el presente proyecto finaliza en diciembre de 2025 y todavía se están realizando diversas actividades relacionadas con el combustible ATF y su impacto en la reducción del riesgo, el aumento de los márgenes de seguridad y la operación flexible.