diseño y construcción del simulador universitario de nuceloeléctrica pbmr presenta: ing. julio...
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Diseño y Construcción del Simulador Diseño y Construcción del Simulador Universitario de Nuceloeléctrica PBMRUniversitario de Nuceloeléctrica PBMR
Presenta:Presenta:
Ing. Julio Valle HernándezIng. Julio Valle Hernández
La Energía NuclearLa Energía Nuclear
Reactores NuclearesReactores Nucleares
Evolución de la Energía NuclearEvolución de la Energía Nuclear
Características de las Nuevas Plantas NuclearesCaracterísticas de las Nuevas Plantas Nucleares
SustentabilidadSustentabilidad Viabilidad económicaViabilidad económica Seguridad y confiabilidadSeguridad y confiabilidad ResistenteResistente a la proliferacióna la proliferación
La Planta NúcleoLa Planta NúcleoEléctrica PBMREléctrica PBMR
Reactor Modular de Cama de Esferas Reactor Modular de Cama de Esferas (Pebble Bed Modular Reactor – PBMR(Pebble Bed Modular Reactor – PBMR))
El PBMR es un nuevo tipo de reactor de alta El PBMR es un nuevo tipo de reactor de alta temperatura enfriado con helio, el cual genera temperatura enfriado con helio, el cual genera
energía utilizando el calor de una reacción energía utilizando el calor de una reacción nuclear en cadena para impulsar una turbina nuclear en cadena para impulsar una turbina generadora de electricidad aplicando un ciclo generadora de electricidad aplicando un ciclo
termodinámico Brayton.termodinámico Brayton.
Planta PBMRPlanta PBMR
Principales diferencias con los reactores Principales diferencias con los reactores convencionalesconvencionales
El almacenamiento del combustible, uranio El almacenamiento del combustible, uranio enriquecido.enriquecido.
En lugar de las barras de uranio tradicionales, el reactor En lugar de las barras de uranio tradicionales, el reactor PBMR está lleno de esferas de grafito, cada una de los PBMR está lleno de esferas de grafito, cada una de los cuales contiene miles de partículas de dióxido de uranio.cuales contiene miles de partículas de dióxido de uranio.
La transmisión de calor del núcleo a la unidad de La transmisión de calor del núcleo a la unidad de potencia.potencia.
Para impulsar las turbinas, en lugar del tradicional vapor, Para impulsar las turbinas, en lugar del tradicional vapor, el sistema del PBMR utiliza helio supercalentado.el sistema del PBMR utiliza helio supercalentado.
Características PrincipalesCaracterísticas Principales
• Reducido tamaño y relativa simplicidad lo hacen Reducido tamaño y relativa simplicidad lo hacen versátil y flexible.versátil y flexible.
El diseño del PBMR se adapta a las cambiantes demandas locales. El diseño del PBMR se adapta a las cambiantes demandas locales. Una vez que se construye la planta central, el sistema permite la Una vez que se construye la planta central, el sistema permite la construcción secuencial de módulos de generación para satisfacer construcción secuencial de módulos de generación para satisfacer los crecientes requerimientos de energía.los crecientes requerimientos de energía.
• El sistema de almacenamiento de combustible es El sistema de almacenamiento de combustible es de máxima seguridadde máxima seguridad..
El Diseño del PBMR está enfocado en obtener una planta de El Diseño del PBMR está enfocado en obtener una planta de generación en la que no exista ningún proceso físico que pudiera generación en la que no exista ningún proceso físico que pudiera causar la liberación de radiación más allá de los límites del edificio causar la liberación de radiación más allá de los límites del edificio de contención, en caso de alguna contingencia.de contención, en caso de alguna contingencia.
Módulo PBMRMódulo PBMR
El Simulador PBMREl Simulador PBMR
Objetivo del SimuladorObjetivo del Simulador
Conocer el funcionamiento de la Planta núcleo-eléctrica Conocer el funcionamiento de la Planta núcleo-eléctrica PBMR a partir de sus parámetros de diseño.PBMR a partir de sus parámetros de diseño.
Describir la dinámica de los procesos de generación de Describir la dinámica de los procesos de generación de energía térmica, mecánica y eléctrica que se desarrollan energía térmica, mecánica y eléctrica que se desarrollan en el reactor y en la unidad de potencia. en el reactor y en la unidad de potencia.
Ser un precursor en el desarrollo de aplicaciones Ser un precursor en el desarrollo de aplicaciones enfocadas a la docencia y el entrenamiento inicial de enfocadas a la docencia y el entrenamiento inicial de estudiantes hacia esta nueva tecnología.estudiantes hacia esta nueva tecnología.
Metodología Metodología
Modelado MatemáticoModelado Matemático.. A partir del comportamiento A partir del comportamiento físico y dinámico de cada uno de los dispositivo que físico y dinámico de cada uno de los dispositivo que conforman la central PBMR, así como de sus conforman la central PBMR, así como de sus características propias, se aplican las principales leyes características propias, se aplican las principales leyes físicas y principios de ingeniería para obtener modelos físicas y principios de ingeniería para obtener modelos matemáticos que representen su comportamiento.matemáticos que representen su comportamiento.
Programación de los modelos matemáticosProgramación de los modelos matemáticos.. Una Una vez que se tiene la formulación matemática de los vez que se tiene la formulación matemática de los distintos componentes del sistema, se procede a su distintos componentes del sistema, se procede a su representación en Matlab para verificar si el modelado representación en Matlab para verificar si el modelado dinámico de las diferentes ecuaciones es el esperado.dinámico de las diferentes ecuaciones es el esperado.
ModularizaciónModularización.. Los modelos simulados de los Los modelos simulados de los componentes se conectan en módulos para verificar componentes se conectan en módulos para verificar que el comportamiento del módulo integrado es el que el comportamiento del módulo integrado es el esperado o si fuera necesario ajustarlo. esperado o si fuera necesario ajustarlo.
Acople de módulos de simulaciónAcople de módulos de simulación.. Los distintos Los distintos módulos se conectan entre sí como un sistema y se módulos se conectan entre sí como un sistema y se verifica que su funcionalidad sea la correcta.verifica que su funcionalidad sea la correcta.
Diseño de InterfacesDiseño de Interfaces.. Las Interfases Gráficas de Las Interfases Gráficas de Usuario se diseñarán de manera que la interacción Usuario se diseñarán de manera que la interacción con las variables físicas medibles y/o controlables sea con las variables físicas medibles y/o controlables sea sencilla e intuitiva. sencilla e intuitiva.
Desarrollo del SimuladorDesarrollo del Simulador
El Sistema Central de PotenciaEl Sistema Central de Potencia Unidad del Reactor.Unidad del Reactor. Es donde la energía térmica es Es donde la energía térmica es
generada por una reacción generada por una reacción nuclear. nuclear.
Unidad de Conversión de Unidad de Conversión de Potencia.Potencia.
Es donde la energía térmica es Es donde la energía térmica es convertida en trabajo mecánico y convertida en trabajo mecánico y después en energía eléctrica por después en energía eléctrica por medio de un ciclo termodinámico medio de un ciclo termodinámico y un turbogenerador.y un turbogenerador.
Unidad del ReactorUnidad del Reactor
Unidad del ReactorUnidad del Reactor
La unidad del Reactor La unidad del Reactor consisteconsiste de una vasija de presión de una vasija de presión vertical de acero.vertical de acero.
El reflector de grafito encierra El reflector de grafito encierra al núcleo, que es la región del al núcleo, que es la región del reactor donde tiene lugar la reactor donde tiene lugar la reacción nuclear.reacción nuclear.
El helio fluye a través de la El helio fluye a través de la
cama de esferas de cama de esferas de combustible, removiendo el combustible, removiendo el calor generado por la reacción calor generado por la reacción nuclear.nuclear.
Módulos del SimuladorMódulos del Simulador
Unidad del ReactorUnidad del Reactor
Núcleo(Cinética
del Reactor)
Transferencia de Calor
Remoción
de Calor
Unidad de Conversión de Potencia
Cinética del reactorCinética del reactor Ecuaciones de cinética Ecuaciones de cinética
puntual con fuente de puntual con fuente de neutrones Sneutrones Soo
Siendo r la reactividad en dólares, Siendo r la reactividad en dólares, n la población de neutrones, Ci la n la población de neutrones, Ci la concentración de precursores de concentración de precursores de neutrones retardados del grupo i neutrones retardados del grupo i los cuales están caracterizados los cuales están caracterizados por la constante de decaimiento λi por la constante de decaimiento λi y la fracción βi. Λ es el tiempo y la fracción βi. Λ es el tiempo generacional de los neutrones. generacional de los neutrones.
Solución de las ecuaciones:Solución de las ecuaciones:
Donde:Donde:
iiii
iii
cndt
dc
Scnr
dt
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0
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kj jk
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S
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sB
Combustible PBMRCombustible PBMR
Diámetro kernel 0.5 mmDiámetro kernel 0.5 mm Número de kernels 15 000Número de kernels 15 000 Diámetro esfera 6.0 cmDiámetro esfera 6.0 cm Número de esferas 346 000Número de esferas 346 000 Vida media de la esfera 2.5 añosVida media de la esfera 2.5 años Factor de quemado 80 MWd/TFactor de quemado 80 MWd/T
Potencia Térmica Potencia Térmica
Enriquecimiento 8 %Enriquecimiento 8 %
Cantidad de Uranio por esfera 9.6 gCantidad de Uranio por esfera 9.6 g
Potencia por esfera:Potencia por esfera:
Potencia Térmica Total:Potencia Térmica Total:
Wd
gKWdgEESFERA 760
1000
)/80)(6.9(
TT MWWP 6.263)760)(000,346(
Conducción de Calor en las EsferasConducción de Calor en las Esferas Conducción en la matriz de Conducción en la matriz de
combustiblecombustible
Distribución de TemperaturasDistribución de Temperaturas
Temperatura promedio en la Temperatura promedio en la esfera de combustible:esfera de combustible:
Ecuación de conducción de Ecuación de conducción de calor:calor:
Para la esfera:Para la esfera:
Ecuación a simular:Ecuación a simular:2
2)( r
R
ToTpTorT
TpToRT5
3
5
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Tk
q
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k
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gf
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)(5
)(5
)(
3'''2
Conducción de Calor en las EsferasConducción de Calor en las Esferas Conducción en la cubierta de Conducción en la cubierta de
grafitografito
Distribución de TemperaturasDistribución de Temperaturas
Temperatura promedio en la Temperatura promedio en la cubierta de la esfera:cubierta de la esfera:
Ecuación de conducción de Ecuación de conducción de calor en la cubierta:calor en la cubierta:
Ecuación a simular:Ecuación a simular:
rTwTp
RwR
RwRTwTp
RwR
RwTprTc
1)()()(
TwRwRRRw
RRwRwRRRwRw
TpRwRRRw
RRwRwRRRwRRwTc
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)(5.1)(
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)(5.1)()(
33
2233
33
2233
)())((
333
TwTpRwRRRw
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Tcd
k
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TRwRRwhRk
RwRRwhTp
RwRRwhRk
RkTc
RRwRwRRw
Rw
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Tcd
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Cg
C
Cg
g
g
p
)(
)(
)(
*)(5.1)(
32233
Remoción del calor de las EsferasRemoción del calor de las EsferasPara realizar el modelo Para realizar el modelo matemático de la remoción de matemático de la remoción de calor de las esferas por el Helio calor de las esferas por el Helio se considero lo siguiente:se considero lo siguiente:
La Temperatura de La Temperatura de estancamiento en la pared de estancamiento en la pared de la esfera.la esfera.
La velocidad del HelioLa velocidad del Helio
El efecto de la caída de El efecto de la caída de presión en la vasija del presión en la vasija del reactor, sobre la temperatura.reactor, sobre la temperatura.
El cálculo del coeficiente El cálculo del coeficiente convectivo en la transferencia convectivo en la transferencia de calor.de calor.
Coeficiente convectivo:Coeficiente convectivo:
Para la esfera de combustible:Para la esfera de combustible:
Y la transferencia de calor de Y la transferencia de calor de las esferas al Helio está dada las esferas al Helio está dada por:por:
CmWL
NukhC º/ 2
CmWThC º/00407.000745.0 225.0
)()( 21 hhmTTwmAhdt
dT
k
cC
g
p
Unidad de Conversión Unidad de Conversión de Potenciade Potencia
Diagrama de la Unidad de Conversión de Diagrama de la Unidad de Conversión de Potencia del PBMRPotencia del PBMR
La Unidad de Conversión de Potencia basa su funcionamiento La Unidad de Conversión de Potencia basa su funcionamiento en el ciclo termodinámico Brayton (turbina de gas).en el ciclo termodinámico Brayton (turbina de gas).
Ciclo Brayton Recuperativo en el Ciclo Brayton Recuperativo en el PBMRPBMR
Análisis Termodinámico Análisis Termodinámico de la Plantade la Planta
Propiedades TermodinámicasPropiedades Termodinámicas
Exergía (B):Exergía (B): es el trabajo máximo disponible que podría realizar un es el trabajo máximo disponible que podría realizar un sistema referido a un ambiente estable si fuese completamente reversible sistema referido a un ambiente estable si fuese completamente reversible (ideal). (ideal).
)()( aaa SSThhB
Balance de Energía Balance de Energía
Conservación de la EnergíaConservación de la Energía
∑ ∑ Energías de entrada = ∑ Energías de salidaEnergías de entrada = ∑ Energías de salida
1) En el Reactor:1) En el Reactor:
2) En las Turbinas (AP):2) En las Turbinas (AP):
Potencia en la Flecha:Potencia en la Flecha:
Calor disipado en la Turbina:Calor disipado en la Turbina:
3) En el Generador:3) En el Generador:
4) En el Recuperador:4) En el Recuperador:
5) En los enfriadores (PE):5) En los enfriadores (PE):
6) En los compresores (BP):6) En los compresores (BP):
GenQmhmh 110
sAPWmhmh 21
APAPsAP WWQ
APsTAP WW
flechTGElect WW
ICQmhmhmhmh 10594
PREQmhmh 65
BPBP QmhWmh 76
Resultados del AnálisisResultados del Análisis
Eficiencia I:Eficiencia I:
Eficiencia II (exergética):Eficiencia II (exergética):
%98.4310038.264
3.116100 x
KW
KWx
Q
W
Sum
netoI
%25.64100018.181
3.116100 x
KW
KWx
B
W
Q
netoI
Modelado MatemáticoModelado Matemático
TurbinaTurbina
Ecuación diferencial:Ecuación diferencial:
Constante de Tiempo:Constante de Tiempo:
Función de Transferencia:Función de Transferencia:
CompresorCompresor
Ecuación diferencial:Ecuación diferencial:
Potencia demandada:Potencia demandada:
Función de Transferencia:Función de Transferencia:
mT
W
T
hh
dt
dh Tap
212
másicoFlujo
disponibleHeliodecantidadT
1857.17
1
)(
)()(
ssX
sYsH
mT
W
T
hh
dt
dh Cap
989
TapCapCap WWPm
W
;
1857.17
1
)(
)()(
ssX
sYsH
Modelado MatemáticoModelado Matemático
Turbo-GeneradorTurbo-Generador
Ecuación diferencial:Ecuación diferencial:
Constante de Tiempo:Constante de Tiempo:
Función de Transferencia:Función de Transferencia:
Potencia requerida:Potencia requerida:
Potencia en la flecha:Potencia en la flecha:
Potencia eléctrica:Potencia eléctrica:
másicoFlujo
disponibleHeliodecantidadT
1857.17
1
)(
)()(
ssX
sYsH
mT
W
T
hh
dt
dhTG
434
).(*)( 43 CC
PPmW TG
TGTGflecha WW
flechagWWe
Modelado MatemáticoModelado Matemático El RecuperadorEl Recuperador
Circuito PrimarioCircuito Primario
Flujo de calor en el circuito primario:Flujo de calor en el circuito primario:
Coeficiente de transferencia de calor:Coeficiente de transferencia de calor:
Calor transferido:Calor transferido:
Circuito SecundarioCircuito Secundario
Calor absorbido por el circuito Calor absorbido por el circuito secundario:secundario:
mT
Q
T
hh
dt
dh prim
545
mHQprim
)( lim4 TTCpH
)( 54 TTmCpQtrans
mT
Q
T
hh
dt
dhabs
10910
transQabs QQ
Modelado MatemáticoModelado Matemático Los enfriadoresLos enfriadores
El Pre-enfriadorEl Pre-enfriador
Flujo de calor del pre-enfriador:Flujo de calor del pre-enfriador:
Coeficiente de transferencia de calor:Coeficiente de transferencia de calor:
Enfriador intermedioEnfriador intermedio
mT
Q
T
hh
dt
dh pre
656
1mHQpre
)( 51 ambTTCpH
mT
Q
T
hh
dt
dheni
878
2mHQeni
)( 72 ambTTCpH
Construcción del simulador Construcción del simulador en en
SimulinkSimulink--MatlabMatlab
Implementación en Software Implementación en Software LibreLibre
del Simulador Universitario del Simulador Universitario
Simulador Universitario PWRSimulador Universitario PWR
Objetivos del SimuladorObjetivos del Simulador
Conocer el funcionamiento de una planta Conocer el funcionamiento de una planta nucleoeléctrica con reactor PWR a partir de sus nucleoeléctrica con reactor PWR a partir de sus parámetros de diseño.parámetros de diseño.
Describir la dinámica de los procesos de Describir la dinámica de los procesos de generación, transferencia y transformación de generación, transferencia y transformación de energía que se desarrollan en la planta. energía que se desarrollan en la planta.
Ser un precursor en el diseño y desarrollo de Ser un precursor en el diseño y desarrollo de aplicaciones, que utilicen software libre, enfocadas aplicaciones, que utilicen software libre, enfocadas a la docencia y el entrenamiento inicial de a la docencia y el entrenamiento inicial de estudiantes de ingeniería nuclear.estudiantes de ingeniería nuclear.
Plataforma de Plataforma de SimulaciónSimulación
Software LibreSoftware Libre
Plataforma de SimulaciónPlataforma de Simulación
La plataforma para el desarrollo y las pruebas de La plataforma para el desarrollo y las pruebas de los modelos del simulador; es SciCos que es los modelos del simulador; es SciCos que es parte del software libre SciLab, el cual nos parte del software libre SciLab, el cual nos
permite representar gráfica y numéricamente los permite representar gráfica y numéricamente los sistemas dinámicos de la planta.sistemas dinámicos de la planta.
Características de ScilabCaracterísticas de Scilab
Interprete sofisticado y lenguaje de Interprete sofisticado y lenguaje de programación con sintaxis tipo programación con sintaxis tipo MATLABMATLAB..
Librería de Funciones; con cientos de funciones Librería de Funciones; con cientos de funciones matemáticas desarrolladas.matemáticas desarrolladas.
Librerías con rutinas en Librerías con rutinas en Fortran Fortran y en y en C.C.
Gráficos 2D, 3D y con animación.Gráficos 2D, 3D y con animación.
Ventajas del Software LibreVentajas del Software Libre
Libertad para distribuirlo por cualquier medio Libertad para distribuirlo por cualquier medio para su utilización.para su utilización.
Libertad al ejecutar el programa para cualquier Libertad al ejecutar el programa para cualquier propósito docente.propósito docente.
Libertad para estudiar el programa, adaptarlo y Libertad para estudiar el programa, adaptarlo y mejorarlo.mejorarlo.
Posibilidad de acoplarlo con otros programas Posibilidad de acoplarlo con otros programas que utilicen Fortran o C.que utilicen Fortran o C.
Nucleoeléctrica PWR Nucleoeléctrica PWR
Módulos a Simular Módulos a Simular
Cinética del Reactor (Puntual).Cinética del Reactor (Puntual).
Transferencia de Calor en el Combustible.Transferencia de Calor en el Combustible.
Dinámica del Refrigerante en el Circuito Dinámica del Refrigerante en el Circuito PrimarioPrimario..
Presurizador.Presurizador.
Línea de Vapor y Turbina.Línea de Vapor y Turbina.
ConclusionesConclusiones En términos generales el funcionamiento del simulador fue En términos generales el funcionamiento del simulador fue
satisfactorio ya que la respuesta que se obtiene en satisfactorio ya que la respuesta que se obtiene en condiciones nominales (a plena carga) corresponde a condiciones nominales (a plena carga) corresponde a cuantitativamente a los que se debe tener en una planta real, cuantitativamente a los que se debe tener en una planta real, mientras que la respuesta a otras condiciones de la planta mientras que la respuesta a otras condiciones de la planta cualitativamente también son correctas. cualitativamente también son correctas.
El análisis termodinámico que se le hizo a la planta PBMR y El análisis termodinámico que se le hizo a la planta PBMR y sobre el cual se basa el desarrollo de gran parte de los sobre el cual se basa el desarrollo de gran parte de los modelos matemáticos del simulador resultó más que modelos matemáticos del simulador resultó más que aceptable; coincidiendo prácticamente con los datos de aceptable; coincidiendo prácticamente con los datos de diseño teóricos. diseño teóricos.
Los nuevos avances tecnológicos y las mejoras que aún se Los nuevos avances tecnológicos y las mejoras que aún se le están haciendo a la planta, dejan la posibilidad de realizar le están haciendo a la planta, dejan la posibilidad de realizar futuros trabajos relacionados con la misma.futuros trabajos relacionados con la misma.
Fin de la PresentaciónFin de la Presentación
Gracias Gracias