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Diseño y Construcción del Simulador Universitario de Nuceloeléctrica PBMR. Presenta: Ing. Julio Valle Hernández. La Energía Nuclear. Reactores Nucleares. Evolución de la Energía Nuclear. Características de las Nuevas Plantas Nucleares Sustentabilidad Viabilidad económica

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Presentation Transcript
dise o y construcci n del simulador universitario de nuceloel ctrica pbmr

Diseño y Construcción del Simulador Universitario de Nuceloeléctrica PBMR

Presenta:

Ing. Julio Valle Hernández

la energ a nuclear

La Energía Nuclear

Reactores Nucleares

evoluci n de la energ a nuclear
Evolución de la Energía Nuclear
  • Características de las Nuevas Plantas Nucleares
  • Sustentabilidad
  • Viabilidad económica
  • Seguridad y confiabilidad
  • Resistentea la proliferación
reactor modular de cama de esferas pebble bed modular reactor pbmr
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.

principales diferencias con los reactores convencionales
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.

caracter sticas principales
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.

objetivo del simulador
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.
metodolog a
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.
slide14
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.

el sistema central de potencia
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.

unidad del reactor1
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.
m dulos del simulador

Núcleo

(Cinética del Reactor)

Transferencia de Calor

Remoción

de Calor

Unidad de Conversión de Potencia

Módulos del Simulador

Unidad del Reactor

cin tica 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 λi y la fracción βi. Λ es el tiempo generacional de los neutrones.

Solución de las ecuaciones:

Donde:

Cinética del reactor
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:

Combustible PBMR
conducci n 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:

Conducción de Calor en las Esferas
conducci n de calor en las esferas1
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
remoci n 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:

Remoción del calor de las Esferas
diagrama de la unidad de conversi n de potencia del pbmr
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).

propiedades termodin micas
Propiedades Termodinámicas
  • Exergía (B): es el trabajo máximo disponible que podría realizar un sistema referido a un ambiente estable si fuese completamente reversible (ideal).
balance de energ a
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
resultados del an lisis
Resultados del Análisis
  • Eficiencia I:
  • Eficiencia II (exergética):
modelado matem tico
Turbina

Ecuación diferencial:

Constante de Tiempo:

Función de Transferencia:

Compresor

Ecuación diferencial:

Potencia demandada:

Función de Transferencia:

Modelado Matemático
modelado matem tico1
Turbo-Generador

Ecuación diferencial:

Constante de Tiempo:

Función de Transferencia:

Potencia requerida:

Potencia en la flecha:

Potencia eléctrica:

Modelado Matemático
modelado matem tico2
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
modelado matem tico3
Los enfriadores

El Pre-enfriador

Flujo de calor del pre-enfriador:

Coeficiente de transferencia de calor:

Enfriador intermedio

Modelado Matemático
implementaci n en software libre del simulador universitario

Implementación en Software Libre del Simulador Universitario

Simulador Universitario PWR

objetivos del simulador
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.

plataforma de simulaci n1
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.

caracter sticas de scilab
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.

ventajas del software libre
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.

m dulos a simular
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.

conclusiones
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.
fin de la presentaci n

Fin de la Presentación

Fin de la presentación

Gracias

Gracias