Mantenimiento avanzado y alargamiento de ciclo de vida en Nucleares y SMR’s

Javier Borda Elejabarrieta, David López Maganto 2 de noviembre de 2023

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18 min. de lectura

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

David López Maganto
Ing. Ind., Director de I+D
Sisteplant

1. ABSTRACT

Un alargamiento consistente y fiable del ciclo de vida de una instalación sofisticada y compleja, como son las CN y SMR, requiere de un Mantenimiento especial que nazca de las entrañas en la que ese ciclo de vida (LCC o BTC, bath-tube-curve) se genera. Y requiere de una visión holística de sistemas (y no sólo de equipos) críticos, y de un conocimiento de las leyes físicas que, adaptadas al caso, originan el deterioro.

Esta ponencia intentará clarificar cómo lograr esto a través del apoyo de la aplicación de I.A. cn Regresión Simbólica, y de un Mantenimiento tácticamente robotizado. Llamamos a esto (ILCC)pm.

Para los más curiosos existen unos anexos y desarrollos matemáticos donde se ve el fondo de algunos temas que aquí tratamos

2. INTRODUCCIÓN

La Energía Nuclear (EN) es básica en el mundo. Su eficiencia en kW/huella es la máxima posible hoy; es estable y regular (la energía estratégica “de fondo”), y haciendo bien la Operación y Mantenimiento (O&M), es extremadamente fiable. Detrás de los cuatro accidentes relevantes en el mundo desde que nacieron en los 50 (por orden de gravedad Chernóbil, Fukushima, 3 Mile-Island y Vandellós I) hay causas que nada tienen que ver con la naturaleza intrínseca de la generación de la energía atómica si no, por orden de influencia en su gravedad, ERRORES de DISEÑO, ERRORES de O&M, ERRORES HUMANOS y ERRORES de EMPLAZAMIENTO.

Su exagerada “mala fama” se debe exclusivamente a estigmas de intereses ideológicos tecnológicamente ignorantes.

No obstante, el futuro va a blindar más la intrínseca seguridad de nuestras instalaciones, con un conjunto de medidas estratégicas y tecnológicas:

• Reactores de IV generación PWR con sistemas pasivos.
• Redundancia “hot-standby” en sistemas críticos.
• Compacidad de Minireactores prefabricados estándar y modulares (SMR), con una vasija que integre el circuito primario, y una huella mínima en el entorno e instalación rápida
• O & M asistidos por Machine-Learning (A.I.) apoyada en modelos físicos (Symbolic Regression, SR) con el hombre como protagonista central.
• Inertización y enterramiento profundo organizado de residuos.
• Clústeres de energía de áreas rurales, con los SMR de cabecera, y fuentes como biometano, eólica y solar como garantía de suministro de electricidad al reactor en casos extremos con un buffer de baterías.
• Optimización de generación conjunta distribuida de todas ellas, y como by-products H₂-green y fertilizantes, ambos producidos de forma eficiente.

Permítanos, aunque hoy no tenemos tiempo, dejarles para su lectura las 6 ventajas que vemos para la extensión de vida y proliferación de más CN’s y de clusters con SMR’s de cabecera, la cadena de valor que originan, y la jerarquía energética que lideran con una recomendación concreta para la proliferación nuclear futura en España.

Seis razones por las que la energía nuclear es necesaria y ventajosa en España

1. Porque con fuentes climáticas (eólica, hidráulica, solar) dependemos de un clima cada vez más inestable, y los precios oscilan en función de la producción. Ningún país puede funcionar de manera estable, independiente, y a largo plazo sin la generación de fondo que la energía nuclear proporciona.
2. Porque es libre de emisiones de carbono, fiable, continua y segura. Es la fuente de fondo que se necesita para que generación y precio sean estables y den seguridad a negocios y familias.
3. Porque con la IV generación de reactores y las nuevas MICRO modulares SRMs, la seguridad es prácticamente total, y la gestión de residuos se optimiza radicalmente.
4. Porque con los MICRO reactores los plazos de puesta en marcha y la inversión son una veinteava parte que con las centrales tradicionales, y su “huella” en el entorno es mínima.
5. Porque pueden construirse “clusters” colaborativos de energía en áreas rurales junto a las renovables climáticas y sobre todo el Biogás, logrando una gran eficiencia combinada y enriquecer la España más despoblada con empleo de alto nivel.
6. Porque tenemos tecnología y experiencia y una industria puntera mundial de fabricación de combustible nuclear, y la posibilidad de explotar una cercana mina de uranio, con lo que estamos en el camino de la total independencia energética. Nos faltaría sólo crear una planta para el enriquecimiento necesario del combustible.

Cadena de Valor Nuclear

Recomendaciones de conversión de NPP’s en España que afectarían a los reactores activos y recientemente cerrados

3.   (ILCC)PM: EL CENTRO DEL MANTENIMIENTO CIENTÍFICO EN LAS CYBER INSTALACIONES

Empiezo por la conclusión de este punto: lo mejor nos parece un MRO pequeño y continuo con visión de sistemas integrado, y de su status en la BTC, acompasado a un predictivo que enlace con las leyes físicas aplicables y particulares. Y para esto, 2 ayudas:

• Promind – AI y RS (regresión simbólica sobre Machine Learning estadístico)
• R-BOT (Mantenimiento robotizado para un MRO táctico frecuente y rol de “Pepito grillo”)

Se trata de aprender en profundidad el comportamiento al desgaste de la curva de bañera de un sistema crítico integral (p.e., el circuito primario con todos sus equipos), así blindar la predicción del fallo, PORQUE NO NOS OLVIDAMOS DE TRATAR EXPLÍCITAMENTE LAS INTERACCIONES de FIABILIDAD ENTRE ESOS EQUIPOS

Vemos ahora varios aspectos de esto:

a/. Diferencia del mantenimiento en plantas tradicionales y cibernéticas

b/. Modelizar la predicción del fallo

En esto es la clave el Conocimiento explícito de la LCC. Un zoom en la curva de bañera nuclear: p.e., el circuito primario de un PWR.

(Reactor + vasija y presurizador + bombas y piping + intercambiador de calor)

[*] Que el momento de máxima probabilidad de fallo se da alrededor del 70% del MTBF se obtiene fácilmente a partir de la distribución de Weibull del equipo con K aproximadamente igual a 2 (convergiendo a la distribución Normal)

Debe conocerse esto con el auxilio de la SR, para:

• Aplicar MRO’s dirigidos al problema de fondo de manera periódica frecuente.
• Fiarlo todo a la redundancia es un error; tienen sus fallos infantiles y su aleatoriedad. Como mínimo ponerlas, on-line de forma periódica EL TIEMPO NECESARIO para analizarlas.

c/. El “abrazo de la muerte” [la delicada frontera de la “chapuza”]

d/. Hacia el Mantenimiento cyber

e/. ¿Qué bases necesito?

Tienen que cumplir dos condiciones; que permitan un aprendizaje práctico sistemático, y que permitan una información relevante filtrada en tiempo real, tanto predictiva como de status actual. Básicamente:

• Mecanismos para aprender del correctivo y sistematizar ese conocimiento enriqueciendo los modelos de ML-SR
• Capacidad técnica de interpretar el predictivo y esos modelos
• CBM en tiempo real por consonancia con una Cyber que es ágil por definición.
• Robotizar parte del Mantenimiento, pero más para ayudar en el filtrado e interacción de la información en tiempo real, y para ayudar en tareas repetitivas o peligrosas del MRO táctico frecuente.
• GMAO avanzado con SDCA y gestión de la BTC-LCC.
• Inicar algo de machine Learning y Regresión Simbólica.
• Equipo humano con buen nivel tecnológico, ganas de aprender y curiosidad por el fondo de las cosas.

No es: “si hago esto se arregla y listo”
Sí es: “si hago esto, no vuelve a fallar en mucho tiempo porque ocurrió esto"

• Convertir la sala de control en un Aula-Lab en medio de la planta para un funcionamiento sincronizado y convergente entre Mantenimiento y Operación.

f/. Conclusión

• La entropía S=MTTR/MTBF representa una tendencia predictiva infalible del envejecimiento W.
• Mayor W implica mayor complejidad de reparación (MTTR ↑) y mayor deterioro de las interacciones originales entre las partes (MTBF↓).
• Se produce el “abrazo de la muerte” del equipo.
• Cyber implica Ciencia; Ciencia implica curiosidad; Ciencia y Curiosidad necesitan bases sólidas organizativas y de TIC’s.

Con ello, la aspiración es llegar a la fase 4ª de la figura en la evolución del Mantenimiento.

Lo estaré haciendo bien si soy capaz de responder a porqué el MTBF y MTTR han evolucionado de esta forma concreta, la probabilidad y fecha de la próxima avería significativa, el Mantenimiento adecuado de un MRO, y cómo éste alteraría la tendencia al deterioro.

4. EL PAPEL DEL MANTENIMIENTO ROBOTIZADO

La robótica inteligente avanzada en mantenimiento se está convirtiendo poco a poco en una realidad. Pero lejos de reemplazar a los humanos, colabora interactivamente con ellos para beneficio mutuo.

Confianza mutua:
Integración y filtrado de información relevante en tiempo real para interactuar con los técnicos y operar brindando confiabilidad reforzada al equipo.

Aprendizaje mutuo:
Mutuo rol maestro-alumno, estableciendo conocimientos tecnológicos y logísticos.

Resultados globales:
Evitar tiempos muertos en dos aspectos:
a) Para inspección bajo radiación sin tener que esperar a un reabastecimiento de combustible programado de la planta o MRO, y
b) Por el efecto que tiene sobre el tiempo de operación en planta un equipo de ingenieros de mantenimiento y robots

La aplicación de robótica en el mantenimiento de centrales nucleares se ha centrado históricamente en tareas de rescate en accidentes y en el manejo del combustible quemado en procesos de recarga y/o desmantelamiento. Raras veces se han empleado en la operación y mantenimiento ordinarios de las centrales.

Actualmente,  la  autonomía,  flexibilidad,  movilidad,  capacidad  colaborativa  y  cognitiva  que  se está desplegando en los robots permite a éstos operar en un rango amplio de actividades, tales como inspecciones en áreas con alta radiación o condiciones ambientales agresivas para las personas, toma de datos y recopilación de información donde antes no era posible con otros medios, o incluso automatización de tareas rutinarias para reducir costes de mantenimiento.

Por otra parte, la implantación de la robótica no es algo tan simple como sustituir a humanos por robots para la realización de ciertas tareas, sino que cada vez cobra más importancia la cooperación humano–robot, propiciada por la integración en éste de otras soluciones tecnológicas. El robot como tal no hace la diferencia… ésta se hace cuando el robot contribuye además a extender las capacidades humanas (ver donde no vemos, oír donde no oímos…) y se combina, por ejemplo, con sensores de movimiento, visión artificial, reconocimiento de lenguaje natural o imagen y se integra en la organización mediante software avanzado.

a/. Tipos de robots móviles y autónomos

En el entorno complejo de una central nuclear, los robots adecuados para la realización de actividades de mantenimiento e inspección deberán cumplir las siguientes características:

• Capacidad de desplazamiento multidireccional (a diferencia de los robots convencionales)
• Robustez por diseño (para sobrevivir a la radiación y a altas temperaturas)
• Grados de libertad de movimientos (similar a los de los humanos, para acometer operaciones complejas)
• Capacidad de interpretación del entorno y de interactuación con éste (mediante visión artificial)
• Autocontrol de su desempeño (por ejemplo, control de batería)
• Autonomía de decisión, pero limitada y controlada por las personas (por ejemplo, para la emisión de una alarma en caso de detección de anomalía, o para abortar una misión en caso de incapacidad para culminarla)

Las anteriores características se cumplen en mayor o menor medida en los robots cuadrúpedos, las plataformas con ruedas, los drones, los micro-robots y los robots humanoides, si bien el estado de madurez de cada uno de ellos es muy distinto (las plataformas están muy maduras técnicamente y tecnológicamente hablando, pero son menos flexibles que los cuadrúpedos, que por otra parte son menos robustos y tienen menor autonomía de batería).

En términos generales, podemos decir que un robot móvil y autónomo está compuesto por los siguientes elementos:

• Base móvil
  • Ruedas, orugas de diferentes tamaños.
  • Patas, imanes, rotores (para crear sustentación), etc.
    
• Brazo manipulador y/u operador integrado en la base móvil
  • Acceso y alcance a zonas a inspeccionar.
  • Actuación para realizar las primeras funciones de mantenimiento mediante un end-effector (garra o útil diseñado para un rango de operaciones concretas)
    
• Sensores y equipamiento portable
  • Instalador sobre una base móvil o sobre un brazo robótico con varios grados de libertad (desde simples bloques giratorios hasta brazos robóticos completos); para aumentar la destreza cinemática
    
• Unidades de comunicación
  • Teleoperación o transmisión de señales de sensores.
  • Unidad de control remoto: para supervisar y documentar la ejecución de tareas del robot para planificar, operar directamente o controlar remotamente el robot

Por razones relacionadas con la seguridad y con la idiosincrasia propia de una central nuclear, la flota de robots a emplear en ésta debe ser una combinación de unidades servo-guiadas remotas de propósito especial y robots versátiles, móviles y autónomos, de propósito general (los descritos anteriormente), como rovers, cuadrúpedos y drones

b/. Operaciones susceptibles de realizarse mediante robots en una central nuclear

En general, en la industria los robots móviles autónomos pueden utilizarse para un rango amplio de aplicaciones, a saber:

• Inspección
  • Rutas de inspecciones de mantenimiento
  • Mantenimiento autónomo: limpieza, inspecciones visuales, lubricación...
  • Inspecciones de calidad
• Mantenimiento
  • Operaciones repetitivas de carácter preventivo
  • Recogida de muestras para pruebas de laboratorio
• Seguridad
  • Verificación de accesos a puertas de emergencia, extintores, BIES, etc.
  • Operación en áreas contaminadas, insalubres o peligrosas
• Logística
  • Transporte de repuestos al punto de intervención
  • Ubicación de piezas de repuesto: 5S automatizado en almacén
  • Inventario automático de piezas de repuesto
• Supervisión
  • Conteo de producto en curso
  • Inspección 5S
• Toma de datos
  • Mapeado de la infraestructura
  • Lecturas de contadores
  • Rutas de captura de variables de procesos (como un sensor móvil)

Particularmente, en una central nuclear, las tareas a desempeñar por robots móviles y autónomos son inspecciones visuales, determinación de los niveles de radiación y contaminación, inspecciones de ultrasonidos para detección de grietas en tuberías, recolección de muestras, análisis de vibraciones (amplitud y frecuencia) en bombas, compresores, válvulas y estructuras, inspecciones del interior de la vasija de presión, detección de fugas y ruidos anómalos, lecturas de manómetros, comprobación de la seguridad en el perímetro exterior de la planta, etc.

En la siguiente lista se resumen algunos usos de los robots en las centrales nucleares

Unidades robóticas servo-guiadas remotas de propósito especial

• Corte y soldadura de tuberías.
• Desatornillado y atornillado de bridas.
• Medición de vibraciones.
• Operación de válvulas bloqueadas inaccesibles.
• Reemplazamiento de válvulas y secciones de tuberías.
• Detección de grietas por ultrasonidos.

Unidades robóticas móviles y autónomas de propósito general

• Detección de fugas.
• Detección de gases.
• Medida de vibración sin contacto.
• Detección de ruidos anómalos.
• Limpiezas.
• Inspección visual remota, ultrasónica.
• Medida de niveles de radiación y contaminación.
• Verificación de posiciones de válvulas.
• Inspección de vasija de presión.
• Lecturas de manómetros.

c/. Flotas de robots integrados en la organización y las operaciones de mantenimiento

En el futuro (tal vez no tan lejano) coexistirán flotas completas de robots y equipos humanos de técnicos de mantenimiento y operación en nuestras plantas. Cuando hablamos de coexistencia, no nos referimos a que compartirán el mismo espacio físico, sino que realmente interactuarán, cooperarán, se coordinarán y comunicarán entre sí para maximizar la fiabilidad y la seguridad de los activos. En otras palabras, formarán un equipo.

Para hacer realidad lo anterior, contemplamos tres modos de integración de los robots:

1. Integración física
2. Integración lógica y organizativa
3. Integración humana

El despliegue de estas tres integraciones es el que permitirá considerar al robot como un miembro más del equipo de mantenimiento y operación de la planta.

c.1/. Integración física

Para cumplir su misión, los robots deben reconocer e interpretar el entorno y el contexto, guiarse de forma autónoma hasta llegar al punto de intervención e incluso interactuar físicamente con el resto de robots, máquinas y equipos. Para ello, incorporan software, sensores, sistemas de visión, láseres, brazos, efectores finales y otra tecnología avanzada (descrito en el apartado A), necesarios para:

• Reconocer e interactuar con el medio ambiente y así realizar tareas de inspección de forma autónoma o colaborativa.
• Realizar la adquisición periódica de cualquier dato mediante mediciones.
• Ejecutar  operaciones físicas,  como  operar  interruptores, válvulas o manivelas... o completar reparaciones en el futuro.
• Reportar datos a un centro de control, o también de forma remota, siendo teleoperado por un operador.

Habitualmente, la primera misión que cumple un robot móvil y autónomo es la construcción de un  mapa  tridimensional del entorno físico en el cual va  a  trabajar, mapa  que le  servirá  como referencia fundamental para su guiado automático. No obstante, por requerimientos de precisión en el posicionamiento para algunas operaciones específicas, se recurre a la implantación de tags RFID. Asimismo, para el reconocimiento de elementos concretos dentro del mapa 3D, se utilizan técnicas de aprendizaje automático de imágenes para que el robot sea capaz de reconocer, por ejemplo, lo que es una válvula, una bomba, una tubería, etc.

c.2/. Integración lógica y organizativa

Cada robot de la flota debe recibir instrucciones u órdenes para saber cuál es su misión en cada momento, como cualquier técnico. El responsable de mantenimiento, en función de las capacidades del destinatario, asigna a un técnico o a un robot una orden de trabajo, asociada a un elemento dado del árbol de activos. Dicha orden de trabajo alberga la naturaleza de la actividad a acometer (gama-norma en trabajos planificados; DCA Defecto-Causa-Acción en trabajos de correctivo). Por su parte, el técnico o el robot reciben la orden y comprenden de forma natural dónde tienen que intervenir, qué acciones realizar y qué datos recoger. Asimismo, durante la misión reportan inicio y fin de cada orden de trabajo.

Lo anterior explica de manera muy simplificada lo siguiente: cada robot de la flota está integrado en la organización y cumple las mismas reglas, normas y protocolos que los técnicos humanos.

¿Cómo conseguirlo? Mediante la implantación de un ecosistema tecnológico como R-Bot® de Sisteplant, cuya arquitectura se divide en cuatro capas fundamentales:

1. Suite Manufacturing Intelligence (MIP), compuesta por:

• Sistema CMMS (Computerized Maintenance Management System, Prisma®).
• Sistema MES (Manufacturing Execution System, Captor®).
• Software de Inteligencia Artificial (Promind®).

Esta capa se encarga de organizar, priorizar, planificar y lanzar las tareas a ejecutar en el marco de la estructura de activos de la planta, ya sea en forma de orden de trabajo (Prisma® CMMS) o de orden de producción (Captor® MES). También se encarga de recoger toda la información que permite disponer de la historia y la trazabilidad del proceso de producción y mantenimiento, de manera que esta información pueda analizarse posteriormente para optimizar el proceso, predecir fallos y/o prescribir potenciales soluciones a éstos (mediante algoritmos de machine learning que se modelizan en Promind®). Además, está dotada de capacidad de captura de datos en tiempo real, entre otros los que se suministren por parte de los propios robots u otros elementos de campo (PLC’s, SCADAs, sensores IoT, etc.).

2. MI-Bot®: software que traduce el lenguaje empleado en los sistemas que componen la suite Manufacturing Intelligence al lenguaje que entienden los robots para el cumplimiento de sus misiones. Preparado para la integración con la plataforma MI o con cualquier otro software análogo.

3. Plataforma de gestión de flotas multi-robot, que se encarga de:

• Comunicar en una única capa robots de diferentes tipos y marcas, que pueden interactuar entre sí.
• Interpretar las misiones a acometer partiendo de las órdenes recibidas de Manufacturing Intelligence.
• Coordinar y controlar las misiones de los robots.
• Tomar decisiones en campo mediante una capa Edge en la cual se replican algunas
• de las lógicas presentes en la plataforma Manufacturing Intelligence.

4. Elementos de campo:

• Robots de diferentes capacidades, morfologías, marcas y tipos (cuadrúpedos, plataformas, drones, etc.).
• Sensores IoT.

R-Bot® articula la integración de los sistemas anteriores para que el comportamiento de los robots sea análogo al de los técnicos de mantenimiento y operación.

c.3./. Integración humana

Por último, la coexistencia de robots y humanos, entendida como interactuación, cooperación, coordinación, comunicación y aprendizaje mutuo, exige la implantación de tecnologías como:

• Procesamiento de lenguaje natural y capacidad de reconocimiento de imagen y voz.
• Colaboración responsiva para la cooperación segura entre personas y robots (materiales no agresivos, sensores de detección de colisión, detección de intención del movimiento humano, sistemas de reducción de velocidad de movimientos, etc. tecnología utilizada en los cobots).
• Inteligencia Artificial generativa, para la comprensión de los robots del lenguaje humano no estructurado y su entendimiento.

d/. La regulación

Por último, cuando los robots se utilizan operativamente y tienen capacidad de interacción autónoma con los humanos, la infraestructura, las máquinas y los equipos, es de capital importancia tener en cuenta los requisitos de regulación y las cuestiones de seguridad. Si estos aspectos no se tienen en cuenta desde el principio, hay riesgo de que el uso de robots obtenga una resistencia innecesaria de las autoridades o de las personas. Procede, por tanto, realizar un análisis de riesgos y criticidad que contemple, no solo cuestiones de viabilidad técnica, sino también la adecuación de la futura operación “robotizada” a la normativa vigente.

5. EL AUXILIO DE LA I.A. Y EL MACHINE LEARNING (Promind)

ABC de los modelos implicados en una central NPP o SMR

Se centra en facilitar una gestión avanzada y tecnológicamente profunda en tiempo real y predictiva de la curva de bañera de los elementos críticos del SMR y de su agregación, para ver la fiabilidad global de la central en todo momento.

Esto es necesario como soporte a la Dirección de O&M (operaciones y mantenimiento) y a los operadores de la sala de control y mantenimiento.

No se trata de suplir su buen juicio, garantizado por un buen nivel de IQ y de formación de ingeniería, sino de cribar en todo momento la complejidad del origen de cualquier desviación en el rendimiento de la explotación del SMR, y de relacionarla con una actuación de mantenimiento con visión profunda y prolongada. Criba pues la complejidad, para que las personas piensen con mayor profundidad y alcance.

Un aspecto muy importante de un SW de Inteligencia Artificial por “machine learning” (ML) es su capacidad extra-estadística, que explique las ecuaciones físicas detrás de los eventos. Esto es la “regresión simbólica” (SR), algo que en Sisteplant incorporamos a nuestro software de la I.A. (Promind) especializado en la fiabilidad de mantenimiento y la predicción de posibles averías o malfunciones en los equipos críticos y en la Central en general. Situamos su envejecimiento efectivo y los puntos para “más que restaurarla” a condiciones de partida. La metodología detrás de esto es el ILCCpm (integrated life-cycle curve predictive maintenance) y nuestros índices básicos, entropía (S) representando la vejez, y eficiencia tecnológica (OEEt), relacionados de la siguiente forma, deben tratarse conjuntamente.

No vale con que la planta nuclear no falle, debe ser muy eficiente, porque la ineficacia es síntoma de un deterioro oculto no tratado adecuadamente

Cuanto menor sea, mejor, lógicamente y el (OEE)t = 1- S, a la inversa.

La potencia de este enfoque en la práctica es enorme, porque permite mantener la salud del SMR o de la NPP permanentemente.

En relación con esto está el diseño conceptual del sistema de control de un SMR: sala + algoritmos.

La integración funcional del software para proporcionar el modelo de O&M será así en un esquema simplificado:

IN MEMORIAM

Por una espina clavada: Lemóniz y los dos compañeros allí asesinados

José María Ryan  y  Ángel Pascual

ANEXOS REFERENCIADOS (Publicaciones de Sisteplant, S.L.)

1. Puntos de envejecimiento y deterioro en una central nuclear (NPP) o minireactor (SMR).
2. R-BOT; software de Sisteplant para mantenimiento interactivo robotizado
3. ¿qué es un SMR? Diferencia con las NPP (PWR)
4. La menor intensidad de radiación de los SMR
5. N2N nuclear to nuclear conversion
6. C2N carbon to nuclear conversion
7. RAECS: Rural área Energy Clusters