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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

Aceleración del Suelo en una Central Nuclear

Pablo Peña García

Miguel Balcázar*

Elizabeth Vega Rangel Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares

Carretera México–Toluca s/n, Ocoyoacac. C.P. 52750 [email protected]

[email protected]

[email protected]

Resumen

Se delinea una metodología que adopta las recomendaciones de organismos

internacionales para la determinación de la aceleración del suelo en una central

nucleoeléctrica. La sistemática aquí presentada, hace énfasis en el tipo de estudios

geológicos, geofísicos y geotécnicos en las diferentes áreas de influencia, que culminan

en las evaluaciones del Sismo Base de Diseño y el sismo Base de Operación. La

metodología indica que en las zonas regionales donde se ubica el sitio de la central

nuclear, se identifican las estructuras geológicas, fallas y se documentan las historias

sísmicas de la región. En la zona de detalle se utilizan herramientas geofísicas que

permiten generar efectos en el subsuelo para determinar las velocidades de

propagación y los espectros de las ondas símicas inducidas. El análisis mecánico de los

núcleos de perforación permite estimar los esfuerzos que generará un sismo postulado.

Estudios muestran que la gran magnitud del sismo de Fukushima, no afectó la

integridad de las centrales nucleares debido al asentamiento rocoso en que se

encuentran.

1. INTRODUCCIÓN

El 11 de marzo del 2011 el desplazamiento de la placa del Pacífico situada a unos cuantos

kilómetros, al este de las costas de Japón, generó un sismo de 9 grados en la escala de Richter que

impactó a las 14:46 hr. a las centrales nucleares de Fukusima Daiichi. La magnitud de ese sismo

liberó una energía diez veces mayor que el que impactó a la ciudad de México en 1985; sin

embargo la integridad de los edificios de los reactores, así como sus sistemas de apagado

funcionaron satisfactoriamente. Una hora después un Tsunami, generado por este sismo, provocó

oleaje de 14 metros de altura que inundó los generadores diésel, encargados de suministrar el

agua para remover el calor remanente del combustible del reactor, produciéndose la pérdida del

refrigerante (LOCA, por sus siglas en inglés).

mailto:[email protected]







El gran incremento de temperatura favoreció la reacción química entre el agua y el encamisado

de zircaloy de la barras de combustible, generándose hidrógeno, que en esos días de marzo 12, 14

y 15, produjeron las explosiones químicas en las unidades 1, 3 y 2 respectivamente.

La aceleración base de diseño para las seis centrales de Fukushima en las dos direcciones N-S y

E-W se muestran en las columnas dos y tres de la Tabla I [1]; para este sismo de 9 grados Richter,

las aceleraciones observadas (columnas cuatro y cinco) en la dirección E-W de las unidades 2, 3

y 5 fueron mayores en 1.25, 1.15 y 1.21 veces respectivamente, quedando los otros seis valores

observados por debajo de los calculados. El buen desempeño de las estructuras de los

emplazamientos se debe a que los reactores están cimentados sobre un macizo rocoso que

proporciona la estabilidad requerida a las edificaciones de los emplazamientos.

Tabla I. Aceleraciones base diseño y observada de las centrales de Fukushima.

Unidad

Máxima aceleración para el Movimiento

del Suelo Base de Diseño (Gal)

Máxima aceleración observada

(Gal)

N-S E-W N-S E-W

1 487 489 460 447

2 441 438 348 550

3 449 441 322 507

4 447 445 281 319

5 452 452 311 548

6 445 448 298 444

Este evento en Fukushima originó una serie de estudios y consideraciones relacionados con la

sismicidad en una central nuclear [6, 8, 9, 10, 12, 23]. El objetivo de este trabajo es delinear la

sistemática para la evaluación de dos parámetros resultantes de la actividad sísmica del sitio. El

Sismo Base de Diseño (Safe shutdown Earthqueake) y el Sismo Base de Operación (Operating

Basis Earthqueake).

2. INFLUENCIA SÍSMICA EN UNA CENTRAL NUCLEAR

Para establecer el sitio donde se localiza la instalación de una central nuclear, es requisito realizar

una serie de estudios que califican el sitio; entre los estudios se tienen los geológicos y geofísicos,

que resultan en los requisitos de estabilidad, de las estructurales y componentes de la planta [2].

El objetivo principal de los estudios sísmicos es proporcionar el conocimiento del ambiente

geofísico general regional y local.





Se deben identificar y definir todos aquellos rasgos geológicos que puedan relacionarse con el

riesgo sísmico u otros riesgos de deformación permanente de la superficie del suelo (naturales o

antropogénico) que puedan ocurrir cerca del sitio; para ello se definen las cuatro zonas de

influencia, mostradas en la Figura 1 y el tipo de estudios que se realizan en cada zona.

2.1. Estudio Regional (320 km Alrededor del sitio)

Se describe el ambiente de la tectónica regional, la estructura geológica, la fisiografía regional y

geomorfología, mediante un análisis de las referencias bibliográficas disponibles dentro de los

lineamientos de la Guía Reguladora NRC, 2007, 1.208 [3], [4, 5] (Fig. 1.).

Se determinan las características geofísicas para la evaluación regional de los geo-riesgos, como:

deslizamientos de suelo, fenómenos de pérdida de masas, desplazamiento a lo largo de falla, de

colapso o subsidencia de falla [5].

Figura 1. Definición de las zonas de estudio geofísico.

2.2. Estudio de la Vecindad del Sitio (40 km Alrededor del sitio) [3, 4, 5]

Se describen las características tectónicas, así como los fenómenos de actividad potencial no

tectónica (carsticidad, domos de sal, licuefacción de suelos, deslizamientos, escarpes y volcanes).

La información obtenida por la geología regional y local del sitio se integra en un Sistema de

Información Geográfica (GIS) [6]





2.3. Estudio a Semidetalle (8 km Alrededor del sitio) [3, 4, 5]

Se identifican y caracterizan:

Las zonas sísmicas potenciales, con la finalidad de poder definir a mayor detalle la historia

neotectónica (fallas).

Las condiciones de inestabilidad geológica del área del estudio

El potencial de desplazamiento de una falla cercana al sitio.

2.4. Estudio de Detalle (1 km Alrededor del sitio) [3, 4, 5]

Se evalúan y caracterizan:

Las condiciones geológicas y las fuentes potenciales de deformación de la superficie del

terreno.

Los posibles riesgos geológicos mediante la exploración geofísica

La aceleración del suelo

3. ESTUDIOS DE LA ACELERACION DEL SUELO EN UNA CENTRAL NUCLEAR

Para obtener el diseño sísmico de las instalaciones de la central nuclear, [7] se deben obtener la

aceleración del suelo que define el Sismo Base de Diseño SSE; para ello se realizan estudios

sismo tectónicos del sitio consistentes caracterizar la dinámica del suelo y definir el diseño

sísmico de la instalación. El Sismo Base de Operación OBE es resultante del SSE. En la Figura 2 se

resume en una metodología las investigaciones de las propiedades geotécnicas que determinan los

espectros de respuesta de la aceleración máxima del suelo en el sitio.

El Sismo Base de Diseño o Sismo de Apagado Seguro (Safe Shutdown Earthquake - SSE), es el

movimiento del suelo que produce la aceleración máxima potencial debido al sismo que se

considera puede ocurrir en el sitio de la instalación, determinándose por especificaciones técnicas

el apagado inmediato del reactor. Esta aceleración base de diseño, es la que se considera para el

diseño de las estructuras e instalaciones. Es decir, es la severidad del movimiento vibratorio del

suelo, donde las estructuras, sistemas y componentes se diseñen de tal manera que permanezcan

en condiciones de re iniciar funciones en caso de que ocurriera esta aceleración. [3, 8].

La aceleración base de diseño tiene baja probabilidad de ocurrir durante la vida de

funcionamiento de la planta (10-5

/año) [9]. Esta aceleración se relaciona con los requisitos

máximos de seguridad es decir todos aquellos implementos que garanticen la seguridad de la

planta [10].





Para la determinación de la aceleración base de diseño se toman en consideración: la geología,

sismología regional y local y las características específicas del subsuelo [10, 11, 12, 13]. SSE es

la base de diseño sísmico en una central nuclear, el cual tiene un margen de seguridad al valor

calculado [9]. El SSE también se abrevia como nivel 2 (SL-2) según la IAEA en las guías de

seguridad [7, 14, 15], como S2.

Figura 2. Esquema de la metodología seguida para la determinación de la aceleración del

suelo en una central nuclear.

El Sismo base de operación (Operating Basis Earthquake - OBE), es el movimiento del suelo

cuya aceleración es menor a la obtenida en el SE (generalmente 1/2 de SSE) y tiene una

ocurrencia probable mayor. Es la mayor aceleración la que razonablemente se espera ocurra a lo

largo de la vida operativa de la planta y se asocia con los requisitos de seguridad exigible para

mantener la instalación completa en funcionamiento. La aceleración del suelo que produce el

OBE es la resistida por todos los dispositivos en funcionamiento sin riesgo a la seguridad de la

planta. [9, 10, 11, 12, 13]





3.1. Ensayos Geofísicos

El NUREG/CR-5738 [16], describen los procedimientos para la perforación y excavación

exploratoria, la guía reguladora 1.132 de la NRC [5] describe las técnicas de muestreo de roca,

muestras de diferente tipo de suelo, así como el transporte y almacenaje de muestras. Para las

pruebas geofísicas Cross Hole se realizarán 4 barrenos de 6” de diámetro a 100 m de

profundidad.

Cross Hole, este ensayo utiliza dos o más sondeos para medir la velocidad con la que las

ondas sísmicas inducidas recorren la distancia entre éstos.

Down Hole y Up Hole, este ensayo es similar al empleado para el Cross Hole pero sólo

utiliza un sondeo y sitúa el receptor en la superficie del suelo (Up-Hole) o en el interior del

sondeo (Down-Hole). El ensayo Down-Hole genera ondas sísmicas de corte con mayor

facilidad que el ensayo Up- Hole y por lo tanto su uso es más frecuente.

3.2 Mecánica de Rocas

Los objetivos principales en un estudio de mecánica de rocas (Fig. 3.) son:

Realizar estudios que definan las propiedades de la roca en el sitio.

Realizar análisis de laboratorio que determinen las propiedades ingenieriles de las unidades

geológicas que se identifiquen en la zona de trabajo a las profundidades de exploración de

acuerdo a los lineamientos del SSAR 2.5.4; [6].

Se obtienen muestras de las unidades de roca de los primeros 100 m de profundidad para

determinar e identificar su deformabilidad, de acuerdo a la Guía Reguladora NRC, 2003, 1.132

[6]. Estas investigaciones de campo están orientadas a proporcionar una base para evaluar la

seguridad del sitio con respecto a la cimentación y los movimientos bajo las condiciones de carga

tanto estáticas como dinámicas.

Los riesgos potenciales de movimientos superficiales relacionados con la mecánica de rocas

consideran dos distancias en el área del sitio (8 km a la redonda) y en la ubicación del sitio (1 km

a la redonda) [3], como se ilustra en la Figura 3. Se evalúan también riesgos potenciales de falla

superficial en el área de sitio y en la ubicación del sitio, de acuerdo a Guía Reguladora [17].

Se realiza una caracterización geo mecánica de campo en la ubicación del sitio (1 km a la

redonda) para evaluar la calidad de la roca como material de desplante de las estructuras que

conforman al reactor. De acuerdo a los lineamientos del NRC [4, 18]. Se evalúan riesgos potenciales de deslizamiento de laderas y erosión en el área de sitio (8 km a la

redonda) que puedan afectar el funcionamiento y la seguridad [2] determinándose:

Compresión triaxial en núcleos de roca





Compresión simple en núcleos de roca, determinación del módulo de deformabilidad en

diámetro NQ

Determinación del peso volumétrico en muestras de roca

Figura 3. Profundidades de perforación para realizar las labores de mecánica de

rocas en el sitio.

Determinación del contenido de agua en muestras de roca

Determinación del intemperismo acelerado en núcleos y fragmentos de roca.

Determinación del módulo de deformabilidad

Medición de velocidades de ondas sísmicas Primaria y Secundaria en núcleos de roca

3.3 Mecánica de Suelo

Se realizan pozos a cielo abierto para sondeos de penetración estándar, pruebas in situ y pruebas

de permeabilidad en suelos. Los objetivos de estos estudios (Fig. 4) son:

Determinar las condiciones estratigráficas del sitio, caracterizando los materiales.





Obtener un modelo geotécnico del sitio explorado (interpretando, e integrando los

resultados de trabajo de campo y pruebas de laboratorio).

Dar recomendaciones geotécnicas (a nivel de caracterización geo mecánica de los suelos).

Se realizan sondeos (3) a 10 m de profundidad, que se utilizan para pruebas de permeabilidad tipo

picómetro, presiómetro Menard y Lefranc.

Se realizan sondeos (2) a 20 m de profundidad, que se utilizan para definir el potencial de

licuefacción y para pruebas de mecánica de suelos con pruebas de penetración estándar (STP)

[19].

Las pruebas de laboratorio y análisis para determinar las propiedades del suelo y roca se

describen en [5. 6, 20]. En estas guías se definen la muestra relacionada con la sismicidad, fallas

y movimientos vibratorios del suelo

Figura 4. Profundidades de perforación exploratoria para realizar labores de

mecánica de suelos en la zona de estudio

Los pozos a cielo abierto (PCA) se realizan a 3 m de profundidad, dependiendo de la capacidad

del equipo de excavación, condición del material encontrado, nivel freático. Se recuperaran

muestras representativas: cúbicas, inalteradas y muestras integrales para su análisis en el

laboratorio.





Los sondeos de penetración estándar (SPT) se realizan (2) en continuo con el penetrómetro a 20

m de profundidad. Este estudio geotécnico se llevara de acuerdo a normativa ASTM [18].

Las pruebas picómetro y presiómetro se realizaran in situ a 10 m de profundidad.

De las pruebas con picómetro (FMT) se obtienen parámetros de resistencia de los materiales. El

método consiste en someter al subsuelo a un estado de esfuerzos en corte directo, utilizando una

sonda que se introduce dentro de un barreno previamente perforado. Los ensayos de presiómetro

Menard (PMT) consisten en introducir una sonda cilíndrica en el medio y expandirla para

presionar al suelo horizontalmente y obtener las características geotécnicas del suelo referidas a

su deformabilidad y resistencia.

3.4 Pruebas de Permeabilidad en Campo

Se realizan pruebas de permeabilidad tipo Lefranc bajo norma [21]. Estas se utiliza para medir el

coeficiente de permeabilidad en suelos permeables o semipermeables, de tipo granular, situado

por debajo del nivel freático y en rocas muy fracturadas. El ensayo se efectúa en el interior del

sondeo, rellenándolo de agua y midiendo el caudal necesario para mantener el nivel constante o

bien medir la velocidad de descenso del nivel del agua.

Se realiza el ensayo Lugeon en el interior de sondeos, para calcular semi cuantitativamente la

permeabilidad de los macizos rocosos, en cualquier tipo de litología y estado de fracturación.

Consiste en introducir agua a presión constante en el sondeo, midiendo las admisiones. Los

resultados de esta prueba se presentan en función de la profundidad en unidades Lugeon.

Se realizan pruebas de permeabilidad tipo Goodman, este método calcula el caudal infiltrado por

unidad de longitud.

3.5. Simulación de las Aceleraciones para el Cálculo de las Aceleraciones

El Organismo Internacional de Energía Atómica (IAEA) [15] recomienda que el desplazamiento

del suelo debe determinarse usando las aceleraciones máximas del suelo, calculadas para los

sismos máximos identificados en cada provincia sismo-tectónica y para cada una de las

estructuras sismo-génicas potenciales, mediante el conocimiento amplio de la geología,

estratigrafía del sitio y parámetros de ingeniería.

Se delinean los estudios basados en las recomendaciones del IAEA [14] que incluyen:

Características geológicas; se identifican las estructuras y formaciones geológicas, la

estratigrafía y la litología del sitio.

Características tectónicas; se analizan los catálogos de grandes sismos para caracterizar

las provincias sismo tectónicas basado en la identificación de los efectos de los sismos





históricos regionales y así estimar el máximo potencial sísmico de las estructuras sismo-génicas

del sitio.

Característica sísmica regional (320 km alrededor del sitio); se recopila información sobre

sismos históricos regionales, distancia del sitio a las fallas geológicas activas, correlación de las

provincias sismo-tectónicas con grandes sismos, tanto en magnitudes como intensidades.

Característica sísmica local; medición sísmica para determinar la variación de la

velocidad del suelo en el tiempo, determinación de espectros de respuesta (máxima aceleración

que produce en cada frecuencia de vibración), ingeniería sísmica del suelo (velocidad de la

onda, densidad contenido de agua, porosidad, permeabilidad, resistencia). Se genera un listado

de fallas activas que incluyan los deslizamientos posibles.

Riesgo sísmico; el cálculo de las aceleraciones del suelo se realiza mediante los valores

máximos de sismicidad, existen al menos seis métodos que aparecen en la literatura común

(Campbell, Joyner y Boore, Idriss, Bufaliza, Esteva y Villaverde) [22]. Se realiza el cálculo del

OBE y el SSE y se modifican éstos en acuerdo a las condiciones locales del subsuelo,

relacionadas con la amplificación sísmica ante la ocurrencia de un evento y se estima su periodo

de recurrencia.

3.6. Central Laguna Verde.

Los parámetros de diseño sísmicos para la CLV, fueron inicialmente desarrollados a partir de una

evaluación conservadora del potencial de sismos en México. Se basaron en el Capítulo 2.5 inciso

2.5.4.2 del CFE-FSAR, 1979 [22], que hace referencia a estudios sobre las propiedades

mecánicas del suelo (velocidad de onda compresional, velocidad de onda de corte, valores de

Poisson, módulo de rigidez y de elasticidad, etc.). Por medio de la perforación exploratoria se

estimaron algunas de las propiedades mecánicas de los materiales (valores de porcentaje de

recuperación, designación de la calidad de la roca, porosidad, índice de alteración, unidad de peso

seco, resistencia a la compresión, resistencia a la tracción, módulo de elasticidad, etc.). Los

procedimientos utilizados para determinar las propiedades anteriores son recomendados por la

American Society for Testing Materials (ASTM).

Posteriormente la CFE realizó estudios geológicos, geofísicos y sismológicos, para obtener una

evaluación del potencial de sismos inducidos por el movimiento del suelo en el sitio, resultando

una similitud con los parámetros de diseño originales, no surgiendo la necesidad de cambiar el

criterio de diseño original. La aceleración de suelo, original y actual, es de 0.26 g.

El reporte [12], menciona que en la zona de la PNLV, se tienen 6 Acelerómetros triaxiales tipo

FBA-3, estos censan en tres direcciones: vertical-longitudinal-transversal. Así mismo se

menciona que se tienen 5 estaciones de micro sismicidad en el sitio de la planta.

No se han registrado la presencia de tsunamis en la CLV [23]; la ausencia de placas tectónicas en

el Golfo de México, hace imposible la presencia de grandes tsunamis.





4. CONCLUSIONES

La metodología aquí presentada hace énfasis que la determinación de la aceleración máxima del

suelo es un parámetro básico para el cálculo de la estabilidad de la estructura de cualquier

instalación nuclear. Esta metodología constituye una sistemática para la aplicación de la

normativa existente y permite la posibilidad, dentro de esta metodología, de adaptar, si los

requerimientos lo especifican, las posibles recomendaciones de organismos como el IAEA, entre

otros. Se definen las zonas de influencia sísmica y los tipos de estudios geofísicos documentales

y de medición. Se esquematiza las investigaciones de las propiedades geotécnicas que incluyen

evaluaciones in situ y pruebas de materiales de núcleos de perforación que permiten modelar y

asegurar desempeño adecuado del desplante de la edificación en función de la evaluación del

subsuelo, que es deseable sea del tipo rocoso para garantiza una estabilidad ante movimientos

sísmicos. Finalmente se comenta que las instalaciones nucleares de Japón se encuentran en una

región de alta sismicidad, sin embargo la aceleración del terreno, ante uno de los sismos más

grandes a nivel mundial, no produjo daño alguno en las estructuras de la edificación debido a las

características del suelo rocoso donde se asientan los reactores

GLOSARIO

Carsticidad. Forma de relieve originada por meteorización química de determinadas rocas

compuestas por minerales solubles en agua, como caliza, dolomita, yeso, etc.

Escala de intensidad de Mercalli. La magnitud no se relaciona con la energía liberada en el

epicentro, se relaciona con la aceleración del terreno y sus efectos sobre las edificaciones que

produce el sismo en el sitio de observación.

Licuefacción. Se produce en terrenos blandos saturados de agua. El suelo se comporta y fluye

como líquido porque las vibraciones sísmicas aplican fuerzas al fluido que satura los huecos entre

los granos de arena, causando la salida de agua y fango a la superficie durante la sacudida. Esto

compacta los granos de arena y provoca asentamientos del terreno o deslizamiento produciéndose

una pérdida de resistencia en los estratos afectados. La licuefacción ocurre particularmente

cuando el nivel freático es somero.

Sismo. Evento físico causado por la liberación repentina de energía debido a una dislocación o

desplazamiento en la corteza terrestre; parte de la energía radiada en todas direcciones en forma

de ondas elásticas u ondas sísmicas. Este fenómeno es conocido como sismo tectónico, para

diferenciarlo del sismo volcánico o aquel producido por fallas geológicas.

Tsunamis. Es un vocablo japonés con el que se designa a las olas marinas que azotan las costas

minutos u horas después del sismo. Son de especial importancia cuando los epicentros se

localizan mar adentro cercano a las instalaciones.





Mecánica de suelos. Es la aplicación de las leyes de la física a los problemas que involucran las

cargas impuestas a la capa superficial de la corteza terrestre. En consecuencia, la estabilidad de

las edificaciones estará determinada por el desempeño del material de asiento situado dentro de

las profundidades de influencia de los esfuerzos que se generan.

Mecánica de rocas. Es la ciencia teórica y aplicada al comportamiento mecánico de rocas y de

macizos rocosos. La mecánica de rocas forma parte de la geomecánica, disciplina relativa a las

respuestas mecánicas de todos los materiales geológicos, incluidos los suelos.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen a Gonzalo Mendoza Guerrero y a Manuel García Barajas por la

recopilación de parte de las referencias; a Jorge Viais Juárez por sus útiles sugerencias.

REFERENCIAS

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13. SENER, “Informe de Evaluación de Resistencia de la Central Nucleoeléctrica de Laguna

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http://www.jaee.gr.jp/event/seminar2012/eqsympo/pdf/papers/62.pdf%5D





14. Safety guide NS-G- 3.3, “Evaluation of seismic hazards for nuclear power plants”, IAEA,

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15. Safety guide NS-G-1.6, “Seismic Design and Qualification for Nuclear Power Plants”, IAEA,

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