Herramientas de Inteligencia Artificial para la gestión de combustible irradiado

Tras su paso por el reactor, los elementos combustibles sufren cambios significativos en su composición debido al efecto de las reacciones nucleares inducidas por el flujo neutrónico del reactor. En definitiva, debido a las fisiones y a los procesos de activación, las pastillas de óxido de uranio que se introducen en el reactor terminan conteniendo un amplio espectro de isótopos entre los que podemos encontrar prácticamente la totalidad de elementos de la tabla periódica en distintas formas de agregación. En términos absolutos, solo una parte minoritaria del uranio se convierte, pero ello le confiere propiedades completamente diferentes al elemento combustible, entre las que se puede encontrar la emisión de calor residual o de radiación neutrónica y gamma que condicionan su gestión. Un parámetro principal en la gestión del combustible irradiado es el quemado, que expresa la cantidad de energía que se ha obtenido por unidad de uranio inicial. Es por tanto necesario conocer el quemado de cada elemento combustible de cara a su gestión, lo cual se suele hacer por medios que utilizan en distinto grado simulaciones teóricas y/o métodos experimentales.

Dentro de la familia de equipos SICOM, desarrollados con Tecnatom, ENUSA cuenta con el equipo SICOM-NG-FA, que permite medir el quemado de un elemento combustible basándose en medidas de su emisión neutrónica y gamma. ENUSA ha desarrollado nuevas correlaciones para obtener el quemado a partir de la fuente neutrónica y la actividad del ¹³⁷Cs. Estas correlaciones, así como la metodología de calibración, han sido incorporadas en el software Supervisor que procesa las señales de los detectores del equipo y calcula los perfiles axiales y el quemado medio del combustible inspeccionado.

Las nuevas correlaciones se han ajustado empleando un conjunto de datos generados mediante cálculos con SCALE 6.2, empleando una población aleatoria de historias de irradiación. Estas simulaciones se realizaron asumiendo una serie de simplificaciones, cuyo impacto en la emisión gamma y neutrónica del combustible se ha evaluado mediante cálculos de sensibilidad específicos. En el caso de la fuente neutrónica, se ha observado que existe una fuerte dependencia no lineal a la presencia de venenos consumibles: gadolinio y dispositivos WABA.

Para obtener una buena estimación del quemado con la correlación que no contempla explícitamente la presencia de venenos neutrónicos, se necesita un modelo capaz de predecir online el efecto de los venenos sobre la fuente neutrónica. En la física del problema influyen multitud de parámetros con dependencias no lineales, lo que requiere la generación de un modelo complejo utilizando herramientas de aprendizaje supervisado. Concretamente se han utilizado procesos gaussianos que han mostrado un comportamiento robusto, y poca sensibilidad al tamaño de la base de datos disponible.

En el caso de las barras de gadolinio, el efecto en la fuente neutrónica depende del número de barras, la concentración del veneno y el quemado del elemento, siendo máximo el efecto global entre 15 000 y 20 000 MWd/MTU, y prácticamente nulo para altos quemados. Con respecto a la presencia de WABA, la emisión neutrónica se ve afectada principalmente en el rango de quemados bajos disminuyendo este efecto cuando aumenta el quemado medio del elemento. También hay una dependencia relevante con el enriquecimiento inicial de ²³⁵U y con del número de WABA, así como del diseño del elemento, por lo que el sesgo calculado incorpora un término dependiente del cociente entre el número de barras del WABA y la masa de uranio del elemento.

Aunque no figuran como autores de este artículo, es necesario destacar la contribución de Miriam Vázquez Antolín y Carlos Casado Sánchez en el desarrollo de este trabajo cuando formaban parte de la plantilla de ENUSA.