Gestión integrada predictiva de la curva de bañera para minireactores nucleares

Javier Borda Elejabarrieta 20 de septiembre de 2022

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Javier Borda Elejabarrieta
Prof. Dr. Ing., Presidente de Sisteplant

Lo nuclear vuelve. Cualquier sistema energético necesita fuentes de “punta” (renovables, dependientes del clima), y de “fondo” independientes de aquel, y que no dejen huella de Carbono, el impacto más urgente de remover en la naturaleza. Y con suficiente potencia de generación y experiencia tecnológica optimizada sólo tenemos las nucleares (NPP’s -Nuclear Power Plant-).

La UE lo ha visto claro, calificando a la energía nuclear de Fisión como “verde transitoria” hasta que llegue a ser industrial la Fusión de H2 (faltan 25 años), que solo genera radioactividad en los elementos del reactor, y tiene residuos cero. Además, con un alto rendimiento termodinámico de Carnot; η=(Tc−Tf)/Tc (temperaturas caliente y fría), ya que la temperatura del plasma es de varios millones de grados y, a pesar del salto térmico, el rendimiento η tiende a 1.

Yendo a la actual Fisión nuclear, muy mejorada en los últimos años, hoy podemos decir que tiene una eficiencia (ese η de Carnot) y fiabilidad extremadamente altas, y que con un proceso bien concebido de tratamiento y almacenado de residuos, es perfectamente sostenible.

Figura 1. Minireactor

Lo nuclear tiene deliberada e ignorante mala prensa basada en la magnificación de tres accidentes; dos de ellos causados por errores humanos, saltándose procedimientos de mantenimiento y operación [Chernóbil, URRS y 3 Miles Island en Pnn-USA], y el tercero por un mal emplazamiento en zona propensa a tsunamis [Fukushima, JP].

Hay con ellas una paradoja; la de alta fiabilidad, pero con evento catastrófico en caso de un accidente grave que culmine con la fusión del núcleo. Esto ya nos indica que NO HAY OTRO REMEDIO QUE SER PREDICTIVO A LARGO PLAZO EN MANTENIMIENTO, lo que pasa por tener una gestión muy sofisticada de la CURVA DE BAÑERA (Bath-tube curve o Life Cycle curve) de los equipos críticos y de la NPP como conjunto.
Pero es precisamente la sofisticación y seguridad built-in de los equipos y sistemas de una NPP lo que hace que sus plazos de diseño, construcción, pruebas y puesta en marcha sean muy altos (a veces hasta 10 años), con muchas iteraciones hacia atrás, y por tanto, con una rentabilidad penosa difícil de compensar en su vida útil (unos 20-30 años).

Entonces, nacen los MINIREACTORES MODULARES (SMR’s, Small Nuclear Modular Reactors), con una potencia reducida (entre 1/10 y 1/20 de la de una NPP convencional), y lo más importante, con la capacidad de ser prefabricados modularmente en una planta productiva.

Las implicaciones de esto son obvias:

• Gran fiabilidad de un producto “estandarizado”
• Puesta en marcha rápida
• Inversión reducida
• Impacto catastrófico aún más acotado y mucho menor por su tamaño (el riesgo y efectos de accidente crecen aproximadamente con el cuadrado de la potencia de la NPP)
• Semienterradas, con poco impacto ambiental y, además, tanto la minicentral como sus residuos
• enterrables “in situ” con seguridad al final de su vida útil.
• Distribución geográfica mejor adaptada al consumo y menos pérdidas en la red eléctrica

A pesar de todo ello, si queremos mantener aún más altos los estándares de eficiencia operativa y de seguridad, debemos aplicar los mismos procedimientos de Operación y Mantenimiento que hemos usado normalmente en las NPPs existentes, incluso yendo un paso más allá con la gestión permanente predictiva a largo plazo de la salud del SMR: la anticipación es la clave para que sean rentables y nunca pase nada.

1. LOS RETOS DEL MANTENIMIENTO NUCLEAR

Unas inseparables eficiencia y fiabilidad, siendo además la primera un síntoma de avance de cómo irá la segunda. Esto, pocas veces comprendido en el Mantenimiento de instalaciones y equipos convencionales, es la clave de todo. Tan importantes son, que la IAAE las inspecciona de forma continuada, especialmente en lo que concierne al EOL (end of life) y su posible prolongación más allá de la PDL (projected design life). Pues bien, la gestión predictiva integrada de la curva de bañera, que llamaré en adelante ILCCpm, es la herramienta que permite relacionar ambas (eficiencia y fiabilidad) de forma anticipativa.

Tecnológicamente hablando, el envejecimiento está en el alma del deterioro de cualquier NPP, por la agresividad radiactiva y fatiga a la que se ven sometidos sus componentes. Por ello, y dentro de la ILCCpm es obligatorio conocer los mecanismos de desgaste y fatiga y las ecuaciones físicas que están detrás:

• Deterioros de propiedades físico-mecánicas por radiación en las zonas más expuestas (vasija del reactor y todo su edificio de contención con los equipos contenidos).
• Corrosión química.
• Stress mecánico por vibraciones.
• Flujos turbulentos y golpe de ariete y oil-whirl en cojinetes de bombas
• Stress térmico y rotura frágil

Debemos notar que, precisamente ese requerimiento de la ILCCpm y la IAAE de saber la física detrás del deterioro, implica un personal muy particular en su operación:

• Ávido de aprender
• Con alto IQ
• Capaz de trabajar con controles sofisticados e I.A. (Machine Learning)
• O sea, muy pocos, muy buenos.

Y, además, unas prácticas tan exigentes sobre la ILCCpm requieren unos indicadores más estrictos e integrados de Operación y Mantenimiento (en adelante O&M), comprensibles por todos, y relacionados de verdad con el deterioro y su prevención.
Yo propongo estos dos: Entropía S (Fiabilidad) y Eficiencia Tecnológica (Operación) medida por un OEEt mucho más imbricado en la situación de los equipos que los OEE tradicionales que la industria maneja y, además, derivables ambos de la distribución de Weibull que es parte intrínseca de la curva de bañera.

Las defino de esta forma:

Figura 2.

Las siguientes figuras son importantes. La primera de ellas (Fig.3) representa cómo es la evolución de un SMR y su fin de vida, y cómo debemos gestionar la curva de bañera con ILCCpm. Lo he aplicado a un PWR, reactor de agua presurizada que, en igualdad de otros factores de diseño, es el más eficiente energéticamente hablando (de Carnot alto) y fiable. En la segunda (Fig. 4) se ve la distribución actual de vida de las NPPs grandes tradicionales, y debajo la evolución de la Tasa de fallo (λ=1/MTBF) en función de su edad de funcionamiento.

Figura 3. Evolución de un SMR

Figura 4. Distribución de vida

2. BUCENANDO EN LA ILCCpm

La gestión predictiva de la “curva de bañera” debe construirse desde las primeras fases del diseño del SMR o de la NPP, como parte de él y así permitiendo más fáciles ensayos, tests, inspección o sustitución de los elementos críticos y más sujetos a envejecimiento. Y, por supuesto, la definición de dónde y cómo deben operar los sistemas y componentes redundantes (p.e. bombas de refrigeración de emergencia), así como la forma en que deben proporcionar su información tecnológica esencial en la operación.

Particularmente, un mal concebido acceso para hacer tests puede conducir a su defectuosa realización o su dilatación temporal por economía, poniendo en riesgo una mayor aceleración del proceso de deterioro.

Bien, ya vemos la importancia que por todos lados tiene para la ILCCpm el conocimiento de los mecanismos de envejecimiento que, por lo tanto, debe ser exhaustivo e incluir:

• Las ecuaciones diferenciales físicas implicadas en ellos y sus parámetros ajustados por tests
• Contraste de esas ecuaciones por un software de AIML (Artificial Intelligence Assited Machine Learning) de Sisteplant.
• Estudio por RCM y árboles de fallos del riesgo de colapso catastrófico, basándonos en Weibull y la curva de bañera predictiva de ILCCpm
• Medidas para la corrección anticipada y reset al menos a las condiciones estándar de operación, y para su superación (MRO)
• Degradación de los estándares de operación (el OEEt “despiezado” en sus componentes) y su explícita relación con los escenarios definidos anteriormente.

El conocimiento de las causas-raíz es esencial. Nuestro sistema tiene un módulo SDCA, síntoma-defecto-causa-acción que, basado en estadística y su modulación por la posición estimada en la curva de bañera y los parámetros de Weibull). Muchas veces es algo difícil en gran parte por la carencia o diferencia de una comunicación bien estructurada ad-hoc entre diseño-fabricación-construcción y puesta en marcha.

Aunque esto es muy mejorado en las SMR por su fabricación estandarizada, es imprescindible establecer por parte de los ingenieros de Operaciones y Mantenimiento [O&M] el hilo de intereses para la buena marcha de la Central, y hacerlo en la parte inicial de su construcción, y su ajuste en los 5-10 primeros años de funcionamiento. Otro tema vital del ILCCpm imprescindible es que en las NPPs, el Mantenimiento de bajo nivel debe ser impregnado de tecnología y fondo científico, con indicaciones explícitas para que contribuya a una conservación predictiva y sustitución optimizada de los componentes no críticos. La razón de esto es que fallos reiterados en estos últimos acaban influyendo en el deterioro acelerado de los principales.

La siguiente figura (Fig. 5) explica cuál debe ser según nuestra metodología, el ciclo integrado de ILCCpm aplicado a una instalación crítica como como NPP o SMR.

Figura 5. Integración de sistemas para el Mantenimiento óptimo de un SMR

Definitivamente, la formación tecnológica y científica de los ingenieros de O&M aplicada en cada evento de Mantenimiento (predictivo, preventivo o correctivo) es imprescindible en la ILCCpm. Hay que aprovechar cada intervención de Mantenimiento que tenga contenido para analizar con profundidad física qué ha ocurrido y cómo puede evitarse o aliviarse en el futuro. Hay un momento para ello: la aplicación rutinaria de los Ciclos de Mejora Radical y Continua de nuestra Metodología explicada en la Fig. 6

Figura 6. Ciclos de Mejora Radical y Mejora Continua

3. ALGUNAS NOTAS MATEMÁTICAS

Todo el fondo de la ILCCpm debe basarse en Weibull, que como sabemos mide la fiabilidad

Como esto es una función de distribución, derivando dos veces respecto al tiempo e igualando a cero, obtenemos el momento de máxima probabilidad de fallo.
Con

y como en la MAX, parte central de la curva de bañera K ≃ 2, tenemos que

O sea, que el tiempo medio entre fallos dividido entre 1,4 aprox., da el instante alrededor de el que se produce el máximo riesgo de fallo.
No deja de ser sorprendente, porque la intuición nos dice que sería el propio MTBF, un valor estadístico medio de la historia o datos a priori del fabricante del equipo.
En una instalación crítica como una NPP/SMR esto es muy importante, porque permite diseñar una cobertura realista del riesgo.

La sustitución óptima de elementos no críticos es otro tema importante en un reactor nuclear. Siendo la probabilidad acumulada de fallo F(t) = 1 – R(t), Cf es el coste del fallo (normalmente muy alto) y Cs el coste de la sustitución (también alto, pero no tanto), el coste total de la política aplicable sería , y haciendo obtenemos el mínimo con la ecuación

,

y gráficamente se obtienen los dos valores extremos de la Fig. 7; el menor que debe utilizarse para componentes relacionados con sistemas críticos (incluso redundantes) y el mayor para los demás.

Figura 7. Sustitución óptima de elementos

Finalmente, en una NPP/SMR la pirámide típica de sistemas es la que aparece en la Fig. 8

Figura 8. ABC de los sistemas implicados en una Central NPP o SMR

4. PUNTOS DE ENVEJECIMIENTO Y DETERIORO MÁS HABITUALES EN UNA CENTRAL NUCLEAR Y MINIREACTOR

Deben clasificarse en 2 grupos: de baja-media implicación en seguridad, y de alta implicación.

a) En baja-media influencia se seguridad

• Deformación por radiación en la vasija del reactor y de la calandria (intercambiador de calor del circuito primario de refrigeración). Esto supone:
  - Si ha aparecido ya fragilidad en componentes de la vasija, pérdidas de refrigerante muy radiactivo. Los ENDs (ensayos no destructivos) regulares del estado de stress y ductilidad de la vasija son esenciales.
  - Si la deformación de la vasija ha progresado porque no se ha reforzado adecuadamente con su progresión, pueden aparecer grietas de importancia en sus soportes de equipos críticos y tuberías, lo que supone de nuevo pérdidas del refrigerante del primario y posibilidad de rotura catastrófica de componentes.

• Reducción de pared de las tuberías de alimentación, corrosión, stress y grietas
• Corrosión de las tuberías del generador de vapor, y pérdidas de líquido no radiactivas.
• Fallos de aislamiento y cortocircuitos en los cables de PVC, oxidación de células y conductores en las baterías de emergencia. Es imprescindible aquí montar sistemas redundantes para tener seguridad de disponibilidad total en caso de que se interrumpa la corriente eléctrica en cualquier sistema esencial para el funcionamiento en régimen suficientemente refrigerado del reactor, o para emergencias.

MUY IMPORTANTE:
Hacer inspecciones visuales y de test no invasivos continua y frecuentemente, y ante anomalías, aplicarles los ciclos comentados en la Fig. 6

b) En los de alta-crítica influencia en seguridad

• Holguras en los mecanismos de las barras de control del núcleo, lo que puede suponer una moderación de la fisión inadecuada en un momento crítico (por ejemplo en la parada del reactor, o antes del eventual fallo de gran parte de su refrigeración). Su cinemática debe ser monitorizada continuamente por sensores de posición y vibración. De igual manera debe ocurrir con los mecanismos de suelta de barras por gravedad (supresión de mecanismos si son duales, o comprobación de accionamiento y libertad de caída si son específicos) para parar con garantías el reactor en caso de un terremoto o similar.
  
• Comprobar que en la vasija del reactor y en las estructuras de contención que la acogen los ciclos térmicos no hayan acumulado stress, fragilidad y grietas, lo que supondría fugas de material radiactivo al suelo y ambiente. De nuevo, los NDT’s son imprescindibles, así como la inspección robotizada inteligente continua de la totalidad de sus superficies y orificios. Nuestro software para interacción y filtro inteligente de robots de Mantenimiento ayuda a tener una resolución rápida y precisa de los momentos que pueden ser complicados
  
• Deformación y fragilidad por radiación química, y stress térmico de la estructura-montaje del propio reactor; sus células de pellets de uranio. El problema es grave si el agrietamiento produce una masa infra-crítica de combustible y la correspondiente fusión del núcleo (la masa crítica que provocaría una explosión nuclear es extremadamente improbable que se configure, pero la fusión total o parcial del núcleo puede acercar esta terrible posibilidad).

MUY IMPORTANTE entonces:
El Mantenimiento predictivo-preventivo (sustitución) gestionado por la ILCCpm con los datos clave de entropía S y OEE tecnológico (1-S), OBLIGA a que CADA INTERVENCIÓN MÁS QUE RESTITUYA las condiciones óptimas ideales y GENERE UN AVANCE para la seguridad. Es decir:

Intervención crítica = Proyecto MRO

La verdad es que un sin par Estado del Arte de Mantenimiento debe aplicarse (y así se hace) a la generación de energía nuclear. Cada tuerca o tornillo se toma en serio y se gestiona con anticipación. No puede ser de otra forma porque la complejidad de sus sistemas, las condiciones de stress en el trabajo, y las posibles consecuencias catastróficas de un fallo grave, así lo obligan.

Por lo tanto, ese Estado del Arte se debe lograr así:

• Gestión de la curva da bañera con los principios aquí presentados de las ILCCpm.
  
• La predicción sistemática on-line y la continua inspección visual y con equipos de vibración, radiación, NDTs etc. de todos los componentes y sistemas, llevando siempre a su sustitución temprana.
  El Mantenimiento permanente de la inteligente exigencia de la IAAE de tener simultáneas seguridad y eficiencia son sus máximas y a la vez (entropía y OEE tecnológico) como indicadores clave de ILCCpm.

• Muy pocas personas y muy buenas para interpretar sistemas inteligentes y ecuaciones físicas intrincadas, así como para gobernar robots interactivos para el mantenimiento predictivo regular y frecuente de zonas poco accesibles o peligrosas.
  
• Un sistema integrado de mejoras radical y continua (MR/MC) que se aplica para profundizar en cada intervención. Y en relación con esto,
  
• Una política exigente de “more tan restore initial conditions”, consiguiendo así crecer en eficiencia año a año, y no decaer en un bajo ROI que condicionaría, en manos desaprensivas, a reducir gastos de conservación y gestión y a un peligro muy serio en una instalación cuyo falle catastróficos es de consecuencias imprevisibles.

COMO CONCLUSIÓN

Los SMRs adecuadamente distribuidos favorecen, por su mayor sencillez y fiabilidad por prefabricación, la aplicación de estos principios de la ILCCpm, así como un plazo de instalación más reducido y un ROI considerablemente mayor. Son necesarios como “energía de fondo”, libre de variación meteorológica, pero compatible con las renovables, sustituyendo fuentes generadoras de huella de carbono (combustibles fósiles), y haciendo a España menos dependiente del exterior y con una energía considerablemente más estable y barata.
Todo esto hasta que llegue la Fusión Nuclear (unos 25 años).