Dise

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Diseño y Construcción del Simulador Universitario
de Nuceloeléctrica PBMR

• Presenta
• Ing. Julio Valle Hernández

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La Energía Nuclear

• Reactores Nucleares

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(No Transcript)
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Evolución de la Energía Nuclear

• Características de las Nuevas Plantas Nucleares
• Sustentabilidad
• Viabilidad económica
• Seguridad y confiabilidad
• Resistente a la proliferación

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La Planta NúcleoEléctrica PBMR
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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.

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Planta PBMR
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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.

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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.

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Módulo PBMR
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El Simulador PBMR
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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.

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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.

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• 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.

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Desarrollo del Simulador
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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.

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Unidad del Reactor
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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.

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Módulos del Simulador

• Unidad del Reactor

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(No Transcript)
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(No Transcript)
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Cinética del reactor

• 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 ?i y la fracción ßi. ? es el
  tiempo generacional de los neutrones.

• Solución de las ecuaciones
• Donde

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Combustible PBMR

• 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

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Conducción de Calor en las Esferas

• 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

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Conducción de Calor en las Esferas

• 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

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Remoción del calor de las Esferas

• 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

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Unidad de Conversión de Potencia
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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).

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Ciclo Brayton Recuperativo en el PBMR
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Análisis Termodinámico de la Planta
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Propiedades Termodinámicas

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

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Balance de Energía

• 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)

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Resultados del Análisis

• Eficiencia I
• Eficiencia II (exergética)

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Modelado Matemático

• Turbina
• Ecuación diferencial
• Constante de Tiempo
• Función de Transferencia

• Compresor
• Ecuación diferencial
• Potencia demandada
• Función de Transferencia

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Modelado Matemático

• Turbo-Generador
• Ecuación diferencial
• Constante de Tiempo
• Función de Transferencia

• Potencia requerida
• Potencia en la flecha
• Potencia eléctrica

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Modelado Matemático

• 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

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Modelado Matemático

• Los enfriadores
• El Pre-enfriador
• Flujo de calor del pre-enfriador

• Coeficiente de transferencia de calor
• Enfriador intermedio

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Construcción del simulador en Simulink-Matlab
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(No Transcript)
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Implementación en Software Libre del Simulador
Universitario

• Simulador Universitario PWR

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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.

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Plataforma de Simulación

• Software Libre

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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.

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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.

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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.

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Nucleoeléctrica PWR
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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.

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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.

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Fin de la Presentación
Fin de la presentación
Gracias

• Gracias