CASO DE ESTUDIO: ANÁLISIS DE RIESGO DE ESCAPE NUCLEAR AL EXTERIOR DE UNA CENTRAL NUCLEAR
Isaac Wladimir Miguez Valle Universidad Politécnica de Valencia
Instituto de automática e informática industrial Sistemas de control en red. Supervisión con herramientas SCADAS
2017-2018
Contenido ................................................................. ............................................ ............................................. ................................. ..........3 1. CASO DE ESTUDIO ........................................... ................................................................ ............................................ ............................................ ............................................. .......................... ...4 2. OBJETIVOS ..........................................
3. DIAGRAMA DEL CIRCUITO DE FUERZA Y CONTROL DEL SISTEMA ¡Error! Marcador no definido.
4. TASAS DE FALLOS PARA LA EVALUACIÓN DEL ÁRBOL DE FALLOS ............................. ............................. 4 .................................................................. ................................. ..........4 5. DETERMINACIÓN DEL ÁRBOL DE FALLOS ...........................................
6. FUNCIÓN DE ESTRUCTURAS Y CONJUNTOS MÍNIMOS ............................................. ....................................................... ..........6 7. NO FIABILIDADES DE LOS LOS COMPONENTES............................ ¡Error! Marcador no definido. 8. INPORTANCIA DE LOS COMPONENTES INDIVIDUALES ..... ¡Error! Marcador no definido. 9. RESULTADOS
............................................ ................................................................... ............................................. ............................................. ........................................ .................6
1. CASO DE ESTUDIO La reacción nuclear tiene lugar en el reactor, en el que están las agrupaciones de varillas de combustible intercaladas con unas decenas de barras de control que están hechas de un material m aterial (cadmio) que absorbe los neutrones. Mediante el control de posición de estas barras se controla el ritmo de la fisión nuclear ajustándolo a las necesidades de generación de electricidad. Cuanto más introducidas se encuentren las barras de cadmio cadmio entre las barras barras de combustible de de uranio enriquecido, enriquecido, se logra una una menor reacción. reacción. En las centrales nucleares habituales hay un circuito primario de agua que es calentada por la fisión del uranio. Este circuito forma un sistema cerrado en el que el agua circula bajo presión, para que permanezca permanezca líquida a pesar de que la temperatura temperatura que alcanza alcanza es de unos 293oC. El circuito primario es es estanco y está formado por la vasija del reactor que contiene el núcleo, el presionador y 1 lazo de refrigeración. Con el agua del circuito primario se calienta otro circuito secundario de agua. El agua de este circuito secundario se transforma en vapor a presión que es conducido a una turbina cuyo giro, mueve a un generador que es el que produce la corriente eléctrica. Finalmente, el agua es enfriada en un tercer circuito utilizando torres de enfriamiento, o por otros otr os procedimientos. Cada lazo incorpora un generador de vapor y una bomba principal. El agua desmineralizada que circula por su interior toma el calor producido en el reactor por la fisión nuclear y lo transporta hasta el generador de vapor. En él, un segundo flujo de agua independiente del primero, absorbe el calor a través de su contacto exterior con las l as tuberías por las que circula el agua desmineralizada del circuito primario. Por fin, dicho fluido retorna a la vasija del reactor tras ser impulsado por las bombas principales. Los fallos en las diversas tuberías y bombas son posibles, que pudieran provocar provocar fallos concatenados concatenados de los circuitos. El reactor y su circuito de refrigeración están contenidos dentro de un recinto hermético y estanco, llamado "Contención" consistente en una estructura esférica de acero de 53 m de diámetro, construida mediante planchas de acero soldadas de 40 mm de espesor. La Contención está ubicada en el interior de un segundo edificio, también de hormigón y cuyas paredes exteriores tienen un espesor de 60 cm, llamado edificio del Anillo del Reactor. Aquí los l os fallos de contención pueden ser de carácter catastrófico puesto que las radiaciones radiactivas radiactivas saldrían al al exterior. Una planta nuclear típica no puede explotar como si fuera una bomba atómica, pero cuando por un fallo se producen grandes temperaturas en el reactor, el metal de la vaina que envuelve al uranio se funde y se escapan radiaciones. También puede escapar, por fallo, el agua del circuito primario, que está contenida en el reactor y es radiactiva. Para intentar solventar los problemas citados, las centrales nucleares disponen de salvaguardias técnicas, que deben mantener las siguientes funciones vitales deducidas del objetivo principal de la seguridad nuclear: • •
El control de posición de barras para la Reacción Nuclear (El control puede fallar) La refrigeración del Reactor. (Mediante fallo de los circuitos de agua anteriormente citados
Las vías de escape de la radiación y de los productos radiactivos suelen ser similares en cualquier tipo de central nuclear. Sin embargo, una de las principales razones por las que en las centrales occidentales no se ha producido un accidente como el de Chernóbil es porque se han diseñado y construido con el concepto de cuatro barreras físicas para impedir el escape de la radiación y de los productos radiactivos. Estas barreras son las siguientes:
1. El combustible nuclear es un material cerámico, formado por pastillas de óxido de uranio sinterizado de gran densidad, que retiene una gran cantidad de productos de fisión. La vaina, donde se apilan encerradas herméticamente herméticamente las pastillas de UO2, no deja pasar los productos de fisión al refrigerante (1ª barrera). Supondremos que las vainas son susceptibles de fallar por corrosión o fusión. 2. La segunda barrera es la vasija del reactor, construida de acero especial con espesor de 25 a 30 cm y un peso de 400 toneladas. Podría corroerse o explotar. 3. La tercera barrera formada por el Circuito primario o contención primaria, donde se encuentran la vasija del reactor, las bombas de refrigeración, el presionador, el primario de los generadores de vapor y las tuberías de conexión entre los distintos elementos. La integridad estructural podría fallar y producir un escape al siguiente nivel. 4. La cuarta barrera es el edificio del reactor o contención secundaria. Este edificio, totalmente hermético, está construido de hormigón y va recubierto interiormente por una chapa de acero para asegurar su hermeticidad. h ermeticidad. Chernóbil no contaba con esta cuarta barrera de seguridad. La integridad estructural podría fallar. La salida al exterior tanto de la radiación como de productos radiactivos debe evitarse mediante las 4 barreras físicas, asegurando cada una de ellas, que la hipotética rotura de una barrera sea soportada por la siguiente.
5. OBJETIVOS •
Analizar las causas de un posible escape de radiación interno y adicionalmente ampliar con aquellas que pudieran provocar un escape externo. Realizar un análisis para el peor de los riesgos y diseñar el árbol de fallos para el evento tope, analizado.
6. FALLOS PARA LA EVALUACIÓN DEL ÁRBOL DE FALLOS Tabla 1. Variables básicas para el análisis de riesgo
Suceso Básico Fallo de integridad estructural en el edificio de contención Fallo por corrosión en la esfera de contención Fallo por corrosión del material de la vasija Fallo por corrosión de la pastilla Fallo por corrosión del material de la vaina Fallo de posición de las barras para la reacción nuclear Fallo en la bomba B1 Fallo en la bomba B2 Fallo por atascamiento en la turbina Fallo de refrigeración en torre de enfriamiento Fallo en la bomba de agua caliente Fallo en la bomba de agua fría
Variable binaria X1 X2 X3 X5 X6 X7 X8 X9 X10 X11 X12 X13
7. DETERMINACIÓN DEL ÁRBOL DE FALLOS Para determinar la jerarquía del árbol de fallos para cuando ocurra el fallo de escape de radiación, debemos analizar la interacción de cada elemento que conforma el sistema.
Escape Nuclear al exterior
Escape radioactivo en el 4 nivel &
Fallo en Edificio
Escaper adioactivo en el 3 nivel &
Fallo de integridad estructural Fallo en la esfera
X1
Fallo por corrosión
Escape radioactivo en el 2 nivel
&
Falla de Vasija
Escape radioactivo en el 1 nivel
X2 Fallo por corrosión del material de la vasija
Falla de pastilla
>1
X3
Fallo por corrosión de la pastilla
Escape radioactivo en el 0 nivel
Fallo vaina X5 >1
Fallo por corrosión del material de la vaina
Fallo por fusión
&
Fallo de temperatura en el envase de las vaina
X6
Fallo de posición de las barras para la reacción nuclear
>1
Fallo del circuito de Refigeración Circuito 1
X7
>1
Fallo en la bomba B1
Fallo del circuito de Ref igeración Circuito 2
>1 X8
Fallo en la bomba B2
Fallo del circuito de Refigeración Circuito 3
Fallo por atascamiento en la turbina
>1
X9 X10
Fallo de refrigeración en torre de enfriamiento
Fallo en la bomba de agua caliente
Fallo en la bomba de agua fria
X11
X12
X13
8. FUNCIÓN DE ESTRUCTURAS Y CONJUNTOS MÍNIMOS X1X2(X3)(X5+X6+(X7(X8+T))) De acuerdo al árbol de fallos resultante, tenemos la siguiente función estructura: = 1 2 3 [5 + 6 + (7 ( 8 + 9 + 10 + 11 + 12 + 13 ))] = 1 2 3 [5 + 6 + 7 8 + 7 9 + 7 10 + 7 11 + 7 12 + 7 13 ] = 1 2 3 6 5 + 1 2 3 6 + 1 2 3 7 8 + 1 2 3 7 9 + 1 2 3 7 10 + 1 2 3 7 11 + 1 2 3 7 12 + 1 2 3 7 13 Con lo que podemos darnos cuenta que existen 8 conjuntos mínimos separados con un +, los cuales posteriormente realizaremos su análisis análisis y son elementos elementos suficientes suficientes para causar causar el el fallo del sistema, sistema, cada cada uno es una manera diferente de producir el escape de radiación.
9. RESULTADOS El árbol de fallos obtenidos está compuesto con las combinaciones mínimas de sucesos que pueden ocasionar el fallo del escapa de radiación, esto quiere decir, que se puede determinar la probabilidad de ocurrencia de fallos o el elemento más importante que ayude a disminuir riesgos en el sistema.
