Modelo del edificio de contención de C.N. Almaraz y del sistema de

40ª Reunión Anual de la SNE
Valencia, España, 1-3 octubre 2014
Modelo del edificio de contención de C.N. Almaraz y del sistema de
recombinadores PARs, con el código GOTHIC, para el estudio de la
difusión de gases combustibles
María García, Eusebio Huélamo, Mario Martínez, Jose Rubén Pérez
Empresarios Agrupados
[email protected]
Resumen – Esta ponencia presenta los análisis de distribución de gases dentro del
edificio de contención llevados a cabo con un modelo de simulación realizado con el código
termo hidráulico GOTHIC [1], con el que se ha evaluado el sistema de control de gases
basado en recombinadores pasivos autocatalíticos (PARs). El modelo considera
escenarios de accidente severo con condiciones específicas que producen las tasas de
generación de hidrógeno más limitantes. Pretende comprobar la eficacia del sistema de
control de gases que se prevé instalar en la Central Nuclear de Almaraz de manera que el
número y localización de los equipos recombinadores cumpla con su función de evitar la
formación de atmósferas explosivas que dañen la integridad de la contención, reduciendo y
limitando la concentración de gases combustibles durante el accidente postulado.
1. INTRODUCCIÓN
Los organismos reguladores exigen que se tomen medidas para prevenir un fallo de la
contención durante accidente severo con daño al núcleo. Una de estas medidas, decidida
tras las experiencias proporcionadas por el accidente de Fukushima, es la implementación
en la contención de recombinadores catalíticos (PARs) que eviten la formación de
atmosferas explosivas por acumulación de gases combustibles.
Los PARs reducen la concentración de gases combustibles haciendo que, mediante
catalizadores, reaccionen hidrógeno y monóxido de carbono, combinándose con oxígeno
para producir agua y dióxido de carbono, respectivamente, evitando explosiones y
preservando la integridad de la contención. Con este propósito la empresa adjudicataria del
proyecto de instalación de los mencionados equipos en la CN de Almaraz, cuenta con el
soporte de Empresarios Agrupados para la realización de los análisis pertinentes que
confirmen la idoneidad del sistema de reducción de gases combustibles.
2. OBJETIVO Y ALCANCE
El objetivo es presentar los análisis de distribución de gases dentro del edificio de
contención llevados a cabo con un modelo de simulación realizado con el código termo
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hidráulico GOTHIC [1] que contempla el sistema de control de gases basado en
recombinadores pasivos autocatalíticos (PARs).
Para analizar la distribución de gases en el edificio del reactor se ha realizado un
modelo detallado de la contención, con el propósito de, considerando condiciones de
accidente específicas que producen las tasas de generación de hidrógeno más limitantes,
comprobar la eficacia del sistema de control de gases, es decir, que el número de equipos
PARs que se prevé instalar es el necesario y suficiente y sus localizaciones dentro de la
contención las adecuadas para reducir y limitar la concentración de gases combustibles
durante y posteriormente a un accidente severo.
La realización de los análisis requiere dos etapas:

La primera consiste en la caracterización del término fuente de los gases liberados
a la contención como consecuencia de las diferentes fases del accidente. Estos
análisis se han realizado con el código MAAP v.4.0 [2]. Los resultados de estos
análisis han servido como datos de partida para la segunda etapa

La segunda etapa consiste en el desarrollo de un modelo termo-hidráulico que
permita el adecuado análisis de la distribución, evolución y concentración de
gases dentro de contención. El modelo incluye la recombinación de los gases
combustibles (H2-CO) de manera que los análisis demuestren la adecuación del
número y localización de los equipos PAR. El modelo se ha realizado con el código
GOTHIC v.8.0.
3. DATOS DE PARTIDA
 Generación de gases en caso de accidente severo calculada con MAAP: Datos de
las descargas de masa y energía que se producen en la contención. Caudal y
temperatura de los puntos de liberación a la contención y fracción de gases
liberados en cada punto. Localización de los puntos de liberación en la contención
 Planos de la contención de CNA unidades 1 y 2 (disposición general, definición
geométrica, equipos, etc..) que han dado lugar a la definición topológica del modelo
(volúmenes y comunicaciones entre ellos)
 Localización de los equipos recombinadores y el número de ellos que se prevé
deben ser instalados, basándose en criterios de ingeniería y experiencia previa
 Modelo de los equipos PARs con el código GOTHIC. Eficiencia y modelo
matemático. Metodología para la recombinación de CO en el modelo.
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4. HIPÓTESIS
 Las condiciones de contorno del modelo están caracterizadas por la tasa de
liberación de masa, composición y energía a la contención y los puntos en los que
se produce. Las masas y composiciones de gases generados están calculados
basándose en los análisis probabilísticos de seguridad APS Nivel 2 y cálculos de
MAAP aplicado a los parámetros de CNA. El escenario es un Station Blackout
prolongado por accidente severo, con pérdida progresiva de refrigerante que da
lugar a una rápida generación de hidrógeno.
 Volumen de la atmósfera de contención disponible para dilución de gases.
5. METODOLOGÍA
 Identificación de los compartimentos de la contención de CNA afectados por los
análisis
 Construcción de la topología del modelo de contención en cuanto a volúmenes de
control y comunicaciones entre ellos
 Se establecen las opciones de modelo adecuadas para los análisis (condensación,
turbulencia…)
 Definición de las condiciones de contorno que representan los puntos de liberación
en el edificio de contención
 Implementación en el modelo de las tablas que introducen la generación de gases
en el modelo (masa, energía, concentraciones en función del tiempo)
 Localización en el modelo del número propuesto de equipos recombinadores (PARs)
 Implementación en el modelo de los algoritmos de recombinación del monóxido de
carbono en la atmosfera de contención
 Ejecución de los casos de análisis
 Evaluación de las concentraciones de gases en la atmosfera de contención sin
recombinación de gases combustibles
 Evaluación de las concentraciones de gases en la atmosfera de contención con los
recombinadores funcionando
 Postproceso de resultados y evaluación del riesgo de explosión de gases
combustibles en la atmósfera de contención, basándose en las concentraciones de
gases y utilizando los diagramas ternarios y parámetros correspondientes.
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6. HERRAMIENTA DE ANÁLISIS
La herramienta de análisis utilizada es el código GOTHIC (Generation Of ThermalHydraulic Information for Containments) en su versión 8.0 (enero 2012). Se trata de un
código computacional termohidráulico para el diseño, licenciamiento, análisis de operación
y seguridad de la contención en plantas nucleares y otros edificios de confinamiento.
El programa de cálculo GOTHIC resuelve las ecuaciones de conservación de masa,
momento y energía para flujo multifásico, en geometrías complejas. En el modelo se
incluyen numerosas herramientas especializadas para modelar y controlar equipos que
típicamente se encuentran en los sistemas de ventilación y sistemas hidráulicos, tales
como: bombas, ventiladores, válvulas, intercambiadores de calor, etc. GOTHIC tiene un
amplio uso en modelar edificios de contención de centrales nucleares.
7. MODELO DE DISRIBUCIÓN DE GASES
El modelo realizado de la contención de CN Almaraz es tridimensional y se ha
desarrollado a partir de los planos de contención de la central, con el objetivo de predecir
con exactitud los caminos de paso de los gases combustibles dentro del edificio (ver Figura
1)
El modelo cuenta con 35 volúmenes de control y más de 100 uniones que los
comunican horizontal y verticalmente (ver Figura 2). Están representadas las
comunicaciones entre salas y la geometría de los espacios más representativos tales como
la cúpula, cubículos de equipos grandes (GVs, presionador, vasija del reactor…)
Mediante condiciones de contorno de flujo se introducen a la atmósfera de contención
los gases generados en las distintas secuencias de accidente severo postuladas (ver Tabla
1). El modelo contempla un modelo térmico que representa los sumideros de calor que
existen en la contención tales como paredes, techos, suelos, el muro de contención, etc.
(ver Figura 3)
El sistema de control de gases se implementa en el modelo mediante la colocación en las
salas seleccionadas el componente H2 recombiner de GOTHIC y los elementos necesarios
para simular la recombinación del monóxido de carbono, funciones que realizarán los
equipos PARs que se prevé instalar.
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Figura 1. Planos de disposición general del edificio de contención con la
identificación de los volúmenes del modelo de GOTHIC.
EL. +56.400
1
EL. +37.200
2
EL. +20.000
8
3
6
7
14
11
18
15
26
19
25
22
30
28
29
34
27
5
9
4
10
13
17
12
16
20
24
21
23
35
31
33
32
RM
EL. +14.600
RJ
EL. + 6.000
RE
EL. -1.000
RD/RC
EL. -7.850
Figura 2. Esquema de los volúmenes de control del modelo de
contención.
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Tabla 1. Puntos de liberación de gases en la atmosfera de contención
Elevación.
Localizació
n
GOTHIC
VOL #
1 INITIAL LEAKAGE “BROKEN” LOOP.
High point
12
SG room Loop2
6
2 INITIAL LEAKAGE “UNBROKEN” LOOP.
High point
11
SG room Loop 1
6
3 INITIAL LEAKAGE “UNBROKEN” LOOP.
High point
13
SG room Loop 3
6
4 QUENCH TANK RUPTURE DISK LEAKAGE
Low point
22
PZR relief tank
-1
5 HOT LEG CREEP RUPTURE “ LOOP1
High point
21
Hot leg Loop2
5
6 HOT LEG CREEP RUPTURE “LOOP2
High point
19
Hot leg Loop1
5
7 HOT LEG CREEP RUPTURE “LOOP3
High point
20
Hot leg Loop3
5
8 VESSEL FAILURE
Low point
27
Vessel cavity
-7.85
9 CCI (concrete-corium interaction)
Low point
27
Vessel cavity
-7.85
PUNTOS DE LIBERACIÓN DE GASES
Descripción
Figura 3. Pantallazo de la interfaz gráfica del programa con el modelo de
contención para los análisis de distribución de gases
(m)
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8. ANÁLISIS REALIZADOS
Se han analizado varias secuencias de accidente seleccionadas basándose en el
APS Nivel 2 de CNA como las más representativas en cuanto a la generación e hidrógeno.
Cada una se ha ejecutado dos veces, una con el sistema de control de gases
funcionando, es decir teniendo lugar la recombinación de gases combustibles por los
equipos PARs, y otra sin funcionar.
9. RESULTADOS
El criterio de aceptación para asegurar que no se alcanza el riesgo de combustión FA (fast flame acceleration) y DDT (deflagration to detonation transition)- se basa en
diagramas ternarios que muestran la concentración de gases combustibles frente a la
concentración de gases inertes y el vapor de la atmosfera de contención, con los límites de
inflamabilidad.
Los parámetros SIGMA (isobaric expansion ratio of a gas cloud after combustion) y
PAICC (pressure after adiabatic isochoric complete combustión) completan el análisis
cuando en un determinado volumen se supera el límite de inflamabilidad en los diagramas
ternarios de manera que si no se superan los límites críticos para estos parámetros, la
combustión no progresará hasta la explosión.
Las gráficas de concentraciones de gases (H2, O2, CO, CO2, N2 y vapor) a lo largo del
transitorio muestran la eficacia del sistema de control de gases que va a ser instalado en
C.N. Almaraz, por comparación entre las curvas cuando el sistema de control de gases
funciona y cuándo no están en funcionamiento (ver Figuras 4 y 5 a modo de ejemplo de
resultados).
10. CONCLUSIONES
La distribución de gases en la atmosfera de contención y concentraciones en los
compartimentos como resultados de los análisis aquí presentados están en estado de
revisión por parte de AREVA/CNAT. Una vez que sean evaluados detenidamente y
asegurada su corrección, se espera comprobar y poder asegurar que el sistema previsto
de control de gases cumple su función de evitar la formación de atmosferas explosivas que
pudieran dar origen a sucesos que dañasen la integridad de la contención.
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Figura 4. Gráfico de concentración de gases en un volumen de la contención comparando
los casos de PARs en funcionamiento y parados para demostrar su efectividad.
Figura 5. Diagramas ternarios con los límites de inflamabilidad de gases para evaluar el
riego de explosión en la atmosfera de contención.
11. REFERENCIAS
[1] GOTHIC THERMAL HYDRAULIC ANALYSIS PACKAGE Version 8.0 (QA) January
2012. Program.
[2] MAAP 4.07. Program. September, 2007.