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Dise o y Construcci n del Simulador Universitario de Nuceloel ctrica PBMR Presenta: Ing. Julio Valle Hern ndez La Energ a Nuclear Reactores Nucleares Evoluci n ... – PowerPoint PPT presentation

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Title: Dise


1
Diseño y Construcción del Simulador Universitario
de Nuceloeléctrica PBMR
  • Presenta
  • Ing. Julio Valle Hernández

2
La Energía Nuclear
  • Reactores Nucleares

3
(No Transcript)
4
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.

7
Planta PBMR
8
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
11
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
18
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

20
(No Transcript)
21
(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
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