La mayoría de los PWR utilizan el combustible de uranio , que se encuentra en forma de dióxido de uranio . El dióxido de uranio es un sólido semiconductor negro con una conductividad térmica muy baja . Por otro lado, el dióxido de uranio tiene un punto de fusión muy alto y un comportamiento bien conocido . El UO2 se prensa en gránulos , estos gránulos se sinterizan luego en el cilindro sólido (con una altura y un diámetro de aproximadamente 1 centímetro, siendo la altura mayor que el diámetro). Las dimensiones de los pellets de combustible y otros componentes del conjunto de combustible se controlan con precisión para garantizar la coherencia en las características del combustible. Estos perdigones luego se cargan y encapsulan dentro de una barra de combustible (un tubo de revestimiento metálico), que está hecha de aleaciones de circonio debido a su sección transversal de muy baja absorción (a diferencia del acero inoxidable). La superficie del tubo, que cubre los pellets, se llama revestimiento de combustible . Las barras de combustible son el elemento base de un conjunto de combustible. Las barras de combustible tienen como finalidad contener los productos de fisión, asegurar el soporte mecánico de los pellets y permitir la evacuación del calor al fluido refrigerante del calor generado por las reacciones nucleares. La barra de combustible típica tiene una longitud de unos 4 m, con un diámetro de alrededor de 1 cm. Un núcleo nuclear de 1100 MWe (3300 MWth) puede contener 157 conjuntos combustibles compuestos por más de 45000 barras de combustible y unos 15 millones de pastillas de combustible .
Pellets de combustible avanzados
Según el informe de la NEA, los diseños de combustible cubiertos por el Grupo de trabajo sobre diseños avanzados de combustible constan de tres conceptos diferentes:
- Combustible de UO2 mejorado . Con respecto al combustible UO2 mejorado, este diseño en particular se dividió en dos subconceptos, como el UO2 dopado con óxido y el UO2 de alta conductividad térmica (diseñado mediante la adición de dopante metálico o cerámico).
- Combustible de alta densidad .
- Combustible encapsulado (pellets de compuesto TRISO-SiC).
Referencia especial: Agencia de Energía Nuclear, Informe de vanguardia sobre combustible tolerante a accidentes en reactores de agua ligera. NEA No 7317, OCDE, 2018.
Combustible de alta densidad
La mayoría de los materiales metálicos sugeridos para su uso como revestimiento para reducir la oxidación del vapor presentan penalizaciones de reactividad bastante grandes en comparación con los revestimientos tradicionales basados en Zr. Estas penalizaciones pueden compensarse mediante un aumento del enriquecimiento de 235U y / o una disminución de la duración del ciclo. Para compensar esto sin las concesiones anteriores, se debe aumentar la densidad fisionable en el pellet. La densidad fisionable se puede incrementar de varias formas. Una forma posible es aumentar la densidad del material y otra es aumentar la proporción de metal a no metal en los combustibles compuestos metálicos.
Hay varios diseños propuestos de combustible de alta densidad, pero debe tenerse en cuenta que todos los combustibles de alta densidad están lejos de estar listos para ser utilizados como combustibles en reactores comerciales de agua ligera. Los conceptos incluyen:
- Combustibles de nitruro
- Combustibles de siliciuro
- Combustibles de carburo
- Combustibles metálicos
Combustible de siliciuro de uranio
El siliciuro de uranio es un compuesto inorgánico de uranio. Es uno de los posibles diseños de pellets de combustible tolerantes a accidentes propuestos. Las ventajas son un mayor porcentaje de uranio y una mayor conductividad térmica. Con una densidad de siliciuro de uranio de 12,2 g/cm3 (frente a), el siliciuro de uranio (U3Si2) ofrece un impulso a la economía del combustible. El dióxido de uranio tiene una densidad de 10,97 g/cm3 . Además, hay un excedente de su composición estequiométrica. En definitiva, hay un 17% más de densidad de uranio que la del dióxido de uranio. Un reemplazo directo de UO2 con U3Si2debería permitir que un reactor genere más energía a partir de un conjunto de barras de combustible y también proporcionar más «tiempo de respuesta» en el caso de accidentes graves. Su conductividad térmica (~ 8,5 W/mK a 300 K) es significativamente mayor que la del dióxido de uranio a temperaturas de funcionamiento y aumenta en función de la temperatura (la conductividad térmica del dióxido de uranio disminuye en función de la temperatura). Esta conductividad térmica compensa su punto de fusión más bajo, de modo que se mejoran los márgenes de seguridad y funcionamiento del combustible.
Westinghouse, el Laboratorio Nacional de Idaho (INL) y el Laboratorio Nacional de Los Alamos comenzaron a desarrollar y fabricar siliciuro de uranio y sus combustibles compuestos a través del programa Combustible tolerante a accidentes del DOE. El rendimiento térmico mejorado del U3Si2en comparación con el combustible UO2 permite la implementación de un revestimiento más avanzado, como un compuesto SiC-SiC, que además de los beneficios operativos y de seguridad esperados, también ofrece una economía de neutrones superior y un mayor ahorro de costos en el ciclo del combustible en relación con los revestimientos basados en Zr.
Combustible encapsulado: pellets de compuesto TRISO-SiC
TRISO , TRI-estructural ISO-tropic, es un tipo de micropartícula de combustible, que consiste en granos que contienen material fisionable que están recubiertos con múltiples capas de carbono poroso o denso y carburo de silicio. Históricamente, las partículas TRISO se han utilizado en elementos combustibles que consisten en guijarros esféricos o bloques prismáticos hexagonales con grafito utilizado como matriz y revestimiento para el elemento combustible. Cada partícula actúa como su propio sistema de contención gracias a sus capas de triple revestimiento. Esto les permite retener los productos de fisión en todas las condiciones del reactor. Las partículas TRISO pueden soportar temperaturas extremas que están mucho más allá del umbral de los combustibles nucleares actuales. Pellets de material compuesto TRISO-SiCconstan de partículas de combustible TRISO incrustadas en una matriz de SiC. El uso de SiC como matriz en lugar de grafito mejora la tolerancia a la radiación de la matriz de combustible al mismo tiempo que mejora la retención de FP. El combustible compuesto TRISO-SiC generalmente se denomina combustible microencapsulado completamente cerámico (FCM).
Según el informe de la NEA, el combustible TRISO-SiC se concibe como un concepto prometedor a medio plazo para reemplazar los pellets de combustible UO2 actuales. Tiene características de seguridad potencialmente superiores en comparación con otras formas de combustible como resultado de sus múltiples barreras a la dispersión de FP, alta estabilidad mecánica y buena conductividad térmica. Una baja densidad de carga de material fisionable es el problema principal de este concepto. Para aumentar la carga fisionable, la combinación de enriquecimiento de uranio hasta el límite superior práctico de LEU (~ 19,7% de 235-U), aumenta la fracción de volumen de grano a partícula y la fracción de empaque TRISO, y aumenta el diámetro del pasador de combustible fue propuesto.
El carburo de silicio es un compuesto cristalino de silicio y carbono extremadamente duro y producido sintéticamente. Su fórmula química es SiC. El carburo de silicio tiene una dureza Mohs de 9, que se aproxima a la del diamante. Su alta conductividad térmica, junto con su resistencia a altas temperaturas, baja expansión térmica y resistencia a la reacción química, hace que el carburo de silicio sea valioso en la fabricación de aplicaciones de alta temperatura y otros refractarios. En la industria nuclear, se ha investigado el material compuesto de carburo de silicio para su uso como sustituto del revestimiento de aleación de circonio en reactores de agua ligera. Las cerámicas a base de carburo de silicio (SiC) y sus compuestos tienen propiedades superiores a altas temperaturas (HT), excelente resistencia a la irradiación, baja activación inherente y otras propiedades físicas / químicas superiores.
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