Diseño y Construcción del Simulador Universitario de Nuceloeléctrica PBMR

1. Diseño y Construcción del Simulador Universitario de Nuceloeléctrica PBMR Presenta: Ing. Julio Valle Hernández

2. La Energía Nuclear Reactores Nucleares

4. Evolución de la Energía Nuclear • Características de las Nuevas Plantas Nucleares • Sustentabilidad • Viabilidad económica • Seguridad y confiabilidad • Resistentea la proliferación

5. La Planta NúcleoEléctrica PBMR

6. Reactor Modular de Cama de Esferas (Pebble Bed Modular Reactor – PBMR) El PBMR es un nuevo tipo de reactor de alta temperatura enfriado con helio, el cual genera energía utilizando el calor de una reacción nuclear en cadena para impulsar una turbina generadora de electricidad aplicando un ciclo termodinámico Brayton.

7. Planta PBMR

8. Principales diferencias con los reactores convencionales • El almacenamiento del combustible, uranio enriquecido. En lugar de las barras de uranio tradicionales, el reactor PBMR está lleno de esferas de grafito, cada una de los cuales contiene miles de partículas de dióxido de uranio. • La transmisión de calor del núcleo a la unidad de potencia. Para impulsar las turbinas, en lugar del tradicional vapor, el sistema del PBMR utiliza helio supercalentado.

9. Características Principales • Reducido tamaño y relativa simplicidad lo hacen versátil y flexible. El diseño del PBMR se adapta a las cambiantes demandas locales. Una vez que se construye la planta central, el sistema permite la construcción secuencial de módulos de generación para satisfacer los crecientes requerimientos de energía. • El sistema de almacenamiento de combustible es de máxima seguridad. El Diseño del PBMR está enfocado en obtener una planta de generación en la que no exista ningún proceso físico que pudiera causar la liberación de radiación más allá de los límites del edificio de contención, en caso de alguna contingencia.

10. Módulo PBMR

11. El Simulador PBMR

12. Objetivo del Simulador • Conocer el funcionamiento de la Planta núcleo-eléctrica PBMR a partir de sus parámetros de diseño. • Describir la dinámica de los procesos de generación de energía térmica, mecánica y eléctrica que se desarrollan en el reactor y en la unidad de potencia. • Ser un precursor en el desarrollo de aplicaciones enfocadas a la docencia y el entrenamiento inicial de estudiantes hacia esta nueva tecnología.

13. Metodología • Modelado Matemático. A partir del comportamiento físico y dinámico de cada uno de los dispositivo que conforman la central PBMR, así como de sus características propias, se aplican las principales leyes físicas y principios de ingeniería para obtener modelos matemáticos que representen su comportamiento. • Programación de los modelos matemáticos. Una vez que se tiene la formulación matemática de los distintos componentes del sistema, se procede a su representación en Matlab para verificar si el modelado dinámico de las diferentes ecuaciones es el esperado.

14. Modularización. Los modelos simulados de los componentes se conectan en módulos para verificar que el comportamiento del módulo integrado es el esperado o si fuera necesario ajustarlo. Acople de módulos de simulación. Los distintos módulos se conectan entre sí como un sistema y se verifica que su funcionalidad sea la correcta. Diseño de Interfaces. Las Interfases Gráficas de Usuario se diseñarán de manera que la interacción con las variables físicas medibles y/o controlables sea sencilla e intuitiva.

15. Desarrollo del Simulador

16. El Sistema Central de Potencia • Unidad del Reactor. Es donde la energía térmica es generada por una reacción nuclear. • Unidad de Conversión de Potencia. Es donde la energía térmica es convertida en trabajo mecánico y después en energía eléctrica por medio de un ciclo termodinámico y un turbogenerador.

17. Unidad del Reactor

18. Unidad del Reactor • La unidad del Reactor consiste de una vasija de presión vertical de acero. • El reflector de grafito encierra al núcleo, que es la región del reactor donde tiene lugar la reacción nuclear. • El helio fluye a través de la cama de esferas de combustible, removiendo el calor generado por la reacción nuclear.

19. Núcleo (Cinética del Reactor) Transferencia de Calor Remoción de Calor Unidad de Conversión de Potencia Módulos del Simulador Unidad del Reactor

22. Ecuaciones de cinética puntual con fuente de neutrones So Siendo r la reactividad en dólares, n la población de neutrones, Ci la concentración de precursores de neutrones retardados del grupo i los cuales están caracterizados por la constante de decaimiento λi y la fracción βi. Λ es el tiempo generacional de los neutrones. Solución de las ecuaciones: Donde: Cinética del reactor

23. Diámetro kernel 0.5 mm Número de kernels 15 000 Diámetro esfera 6.0 cm Número de esferas 346 000 Vida media de la esfera 2.5 años Factor de quemado 80 MWd/T Potencia Térmica Enriquecimiento 8 % Cantidad de Uranio por esfera 9.6 g Potencia por esfera: Potencia Térmica Total: Combustible PBMR

24. Conducción en la matriz de combustible Distribución de Temperaturas Temperatura promedio en la esfera de combustible: Ecuación de conducción de calor: Para la esfera: Ecuación a simular: Conducción de Calor en las Esferas

25. Conducción en la cubierta de grafito Distribución de Temperaturas Temperatura promedio en la cubierta de la esfera: Ecuación de conducción de calor en la cubierta: Ecuación a simular: Conducción de Calor en las Esferas

26. Para realizar el modelo matemático de la remoción de calor de las esferas por el Helio se considero lo siguiente: La Temperatura de estancamiento en la pared de la esfera. La velocidad del Helio El efecto de la caída de presión en la vasija del reactor, sobre la temperatura. El cálculo del coeficiente convectivo en la transferencia de calor. Coeficiente convectivo: Para la esfera de combustible: Y la transferencia de calor de las esferas al Helio está dada por: Remoción del calor de las Esferas

27. Unidad de Conversión de Potencia

28. Diagrama de la Unidad de Conversión de Potencia del PBMR La Unidad de Conversión de Potencia basa su funcionamiento en el ciclo termodinámico Brayton (turbina de gas).

29. Ciclo Brayton Recuperativo en el PBMR

30. Análisis Termodinámico de la Planta

31. Propiedades Termodinámicas • Exergía (B): es el trabajo máximo disponible que podría realizar un sistema referido a un ambiente estable si fuese completamente reversible (ideal).

32. Conservación de la Energía ∑ Energías de entrada = ∑ Energías de salida 1) En el Reactor: 2) En las Turbinas (AP): Potencia en la Flecha: Calor disipado en la Turbina: 3) En el Generador: 4) En el Recuperador: 5) En los enfriadores (PE): 6) En los compresores (BP): Balance de Energía

33. Resultados del Análisis • Eficiencia I: • Eficiencia II (exergética):

34. Turbina Ecuación diferencial: Constante de Tiempo: Función de Transferencia: Compresor Ecuación diferencial: Potencia demandada: Función de Transferencia: Modelado Matemático

35. Turbo-Generador Ecuación diferencial: Constante de Tiempo: Función de Transferencia: Potencia requerida: Potencia en la flecha: Potencia eléctrica: Modelado Matemático

36. El Recuperador Circuito Primario Flujo de calor en el circuito primario: Coeficiente de transferencia de calor: Calor transferido: Circuito Secundario Calor absorbido por el circuito secundario: Modelado Matemático

37. Los enfriadores El Pre-enfriador Flujo de calor del pre-enfriador: Coeficiente de transferencia de calor: Enfriador intermedio Modelado Matemático

38. Construcción del simulador en Simulink-Matlab

40. Implementación en Software Libre del Simulador Universitario Simulador Universitario PWR

41. Objetivos del Simulador Conocer el funcionamiento de una planta nucleoeléctrica con reactor PWR a partir de sus parámetros de diseño. Describir la dinámica de los procesos de generación, transferencia y transformación de energía que se desarrollan en la planta. Ser un precursor en el diseño y desarrollo de aplicaciones, que utilicen software libre, enfocadas a la docencia y el entrenamiento inicial de estudiantes de ingeniería nuclear.

42. Plataforma de Simulación Software Libre

43. Plataforma de Simulación La plataforma para el desarrollo y las pruebas de los modelos del simulador; es SciCos que es parte del software libre SciLab, el cual nos permite representar gráfica y numéricamente los sistemas dinámicos de la planta.

44. Características de Scilab Interprete sofisticado y lenguaje de programación con sintaxis tipo MATLAB. Librería de Funciones; con cientos de funciones matemáticas desarrolladas. Librerías con rutinas en Fortran y en C. Gráficos 2D, 3D y con animación.

45. Ventajas del Software Libre Libertad para distribuirlo por cualquier medio para su utilización. Libertad al ejecutar el programa para cualquier propósito docente. Libertad para estudiar el programa, adaptarlo y mejorarlo. Posibilidad de acoplarlo con otros programas que utilicen Fortran o C.

46. Nucleoeléctrica PWR

47. Módulos a Simular Cinética del Reactor (Puntual). Transferencia de Calor en el Combustible. Dinámica del Refrigerante en el Circuito Primario. Presurizador. Línea de Vapor y Turbina.

48. Conclusiones • En términos generales el funcionamiento del simulador fue satisfactorio ya que la respuesta que se obtiene en condiciones nominales (a plena carga) corresponde a cuantitativamente a los que se debe tener en una planta real, mientras que la respuesta a otras condiciones de la planta cualitativamente también son correctas. • El análisis termodinámico que se le hizo a la planta PBMR y sobre el cual se basa el desarrollo de gran parte de los modelos matemáticos del simulador resultó más que aceptable; coincidiendo prácticamente con los datos de diseño teóricos. • Los nuevos avances tecnológicos y las mejoras que aún se le están haciendo a la planta, dejan la posibilidad de realizar futuros trabajos relacionados con la misma.

49. Fin de la Presentación Fin de la presentación Gracias Gracias