Herramientas virtuales para preservar y mejorar el

Simposio Internacional sobre Educación, Capacitación y Gestión del Conocimiento en Energía Nuclear y sus Aplicaciones
Cusco, Perú, 22 al 26 de noviembre de 2015
HERRAMIENTAS VIRTUALES PARA PRESERVAR Y MEJORAR EL
CONOCIMIENTO DE LA TECNOLOGÍA NUCLEAR
Morales-Sandoval J. B., J.A. 1, Salazar-Salazar E.1 y Valle-Hernández J.2
1
2
Universidad Nacional Autónoma de México, México
Universidad Politécnica Metropolitana de Hidalgo, México
RESUMEN
Introducción: Los libros, apuntes, vídeos y artículos en revistas científicas y/o de divulgación han probado ser
medios excelentes para preservar y mejorar la capacitación de profesionales en materia nuclear. Los cursos
tradicionales en licenciaturas y posgrados en áreas específicas de energía nuclear, hacen uso intensivo de ellos.
Sin embargo, los simuladores de entrenamiento para operación de equipos y sistemas, así como las prácticas de
laboratorio, son indispensables para la capacitación integral de los profesionales y especialistas. Material y
métodos: En este trabajo se presenta el desarrollo de herramientas virtuales para la mejora del conocimiento de
la tecnología nuclear. Simuladores de aula como los provistos por la Organización Internacional de Energía
Atómica, así como algunos modelos propios principalmente de orden reducido, han permitido la
implementación de aulas virtuales para la práctica en laboratorio; de análisis de reactores nucleares, manejo de
materiales radiactivos y diseño de sistemas de protección radiológica, promoviendo una formación objetiva y
especializada de los estudiantes graduados. Resultados: Entre las aulas virtuales que se presentan, tenemos la de
un reactor nuclear TRIGA en el que se pueden tener registros de la operación normal del reactor incluyendo la
operación pulsada y la producción de radiación Cherenkov. Otra de las aulas virtuales desarrolladas es la del
Simulador del reactor Pebble Bed Modular Reactor (PBMR) que permite al alumno estudiar balances
energéticos y transitorios esperados. El simulador incluye módulos para aprovechar el calor residual del ciclo
Brayton, en el cual se basa la operación del PBMR, para operar un proceso de desalinización de agua de mar.
Conclusiones: En este trabajo se comparte la experiencia que se ha tenido en el posgrado de ingeniería, con
perfil en ingeniería de reactores nucleares, que ofrece la Universidad Nacional Autónoma de México, sobre el
desarrollo y uso de simuladores que permiten una formación de calidad mundial.
ABSTRACT
Books, notes, videos, and articles in scientific journals available online have proven to be excellent means to
preserve and improve the education and training of professionals in the nuclear field. Traditional undergraduate
and graduate courses in specific areas of nuclear energy make use of them intensively. However, training
simulators for operators of nuclear equipment and systems, as well as laboratory practices are essential for
objective training of professionals and specialists. UNAM offers an engineering graduate program with a
nuclear reactors engineering profile, which makes use of simulators for analysis of power plants for electricity
generation, as well as those classroom simulators provided by the IAEA, in order to achieve a world-class
specialists program. Own developments, mainly reduced order models, have been other means that have helped
to objectively train specialists at graduate and postgraduate level. Students have developed virtual classrooms
"to experience" both labs handling radioactive materials and design of radiation protection systems. The normal
operation of a nuclear reactor TRIGA can be performed in another virtual classroom, which includes a simulated
console that keeps track and records usual operations, including pulsed operation and production of Cherenkov
radiation. Another developed virtual classroom is the PBMR reactor simulator (for its acronym in English)
which allows students to study energy and exergy balances and anticipated transients. The simulator includes
modules representing systems that may benefit from the energy rejected by the Bryton cycle, in which the
operation of the PBMR is based, in order to operate a seawater desalination plant using the method of multistage evaporation.
1
E-mail del primer autor: [email protected]
1. INTRODUCCIÓN
El Grupo de Ingeniería Nuclear (GRIN) de la Facultad de Ingeniería de la UNAM tiene como
misión priomordial la formación de recursos humanos de la más alta calidad mediante la
docencia, la investigación y el desarrollo tecnológico en el campo de la ingeniería nuclear y
ciencias afines, para fomentar el uso de la energía nuclear en beneficio de la sociedad. Su
visión es la de ser un grupo líder en el campo de la ingeniería nuclear, fortaleciendo la
formación de recursos humanos y creando una capacidad tecnológica de reconocimiento
internacional. Para ello ha establecido colaboraciones con instituciones nacionales e
internacionales que permiten encauzar diferentes proyectos principalmente relacionados con
la física de los reactores y la operación de centrales nucleares de potencia. Se cuenta con
acceso a programas de computadora y acceso a laboratorios. Sin embargo, el manejo de
fuentes radiactivas y la obtención de recursos y permisos para manejar laboratorios nucleares
requiere de esfuerzos y de una inversión considerables por lo que se consideró la opción del
desarrollo de un "Laboratorio Virtual con Reactores Nucleares, Pilas Sub criticas,
instrumentación y materiales radiactivos", pensando que resultaría de un gran valor para la
mejora educativa en la Facultad de Ingeniería.
El avance realizado con el uso de los simuladores del OIEA y otros propios desarrollados en
la FI se describen en detalle en otro trabajo, aquí se presenta principalmente el de las aulas
virtuales. A continuación se presentan los desarrollos correspondientes a cuatro aulas
virtuales que constituyeron esta fase inicial. Para ellos se contemplaron como elementos
principales un entorno para realizar visitas virtuales que finalmente lleven a un cuarto de
control donde el usuario finalmente acceda y opere una consola que representa a la consola
de cuarto de control. En cada uno de los desarrollos se incluye una descripción de los
modelos y simulaciones posibles.
2. ENTORNO DE DESARROLLO
El recurso digital se diseñó para un desarrollado basado principalmente en software de
distribución libre que permitiese fomentar su uso y pudiese reproducirse fácilmente. Debido
a su naturaleza, resultó en un recurso necesitando una gran cantidad de soporte tanto para
modelado 2D, modelado 3D, edición de audio, edición de vídeo, generador de entorno
interactivo, generador de CD autoejecutables, etc.
La edición de imágenes se realizó con GIMP, que es un programa de distribución libre el cual
permite composición de imagen a retoque fotográfico, soportable en diversos sistemas
operativos y que demanda pocos recursos de maquina. Permite la generación de texturas de
personajes y objetos previamente diseñados tomando en cuenta que los motores de desarrollo
3D permiten integrar texturas y aplicación de color. Respecto a la parte dinámica del diseño
2D, se utiliza el software Flash en su versión 8 con licencia Trial, programa de apoyo que
rompe el concepto de software libre, pero que se considera óptimo debido a su eficacia no
solo en la animación, compatibilidad con otros programas para importación y exportación de
archivos, sino también al mayor grado estético que proporciona respecto al motor de
desarrollo del juego (entidad 3D) y a la baja demanda de recursos en su formato de salida
.swf. Su principal función es la respuesta de los sistemas de control en donde el usuario puede
interactuar con el panel de controles por medio de visualización de lecturas, movimiento de
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botones y configuración de parámetros, teniendo como soporte un sistema modelado y una
base de datos.
La generación, edición y modelado 3D, es la parte atractiva de este recurso que permite
explorar con lujo de detalle los componentes de un sistema o escenario, por lo cual podemos
inspeccionar, manipular y enfocar un elemento desde diversas perspectivas al tener un
entorno de proximidad real. La edición se basa en el programa principal Blender [1], un
excelente software de uso libre que posee un potencial de desarrollo muy avanzado en los
rubros de generación de imágenes tridimensionales, generación de animación 3D a partir de
volúmenes, vídeo, paseos virtuales, entre otros. Permite agregar plugins y scripts que nos
ayudan a generar y manipular efectos propios de vídeo o ajustado la profundidad. El motor de
desarrollo para interacción con el usuario final, se utiliza el software Entidad 3D, un motor de
juegos de distribución libre muy útil para optimizar la creación de un juego, en donde su
característica principal es el poco manejo de programación al integrar instrucciones
predefinidas de movimiento de cámaras, luces e interacción del personaje con bloques o
volúmenes.
Las pruebas de la dinámica de los sistemas invariablemente se probaron en MatLab o en
Scilab. En algunos casos también se modelaron en una hoja de cálculo para permitir el uso
con el mínimo de recursos computacionales. Se planteó la posibilidad de migrar algunos de
estos a dispositivos móviles, pero aun no se tiene esta versión.
3. EL TRIGA EN REALIDAD VIRTUAL
El modelado del reactor nuclear de investigación TRIGA se inicia con las ecuaciones de la
cinética puntual con reactividades dependientes de la potencia del reactor, la posición de las
barras de control, las concentraciones de venenos así como las condiciones del refrigerante.
La transferencia de calor nuclear a la piscina del reactor se realiza con modelos de orden
reducido y considera como refrigerante al agua que puede estar estancada o con circulación
por medio de bombas o por convección natural, en cualquiera de los casos se considera el
cálculo del flujo volumétrico y la temperaturas del fluido y del combustible. La rapidez de
cambio de la temperatura del refrigerante esta dada por la relación que tiene con el núcleo y
la energía que este entrega en forma de calor.
La dinámica de los instrumentos de medición del reactor modelan: la cámara de fisión, la de
ionización compensada y la de ionización gamma para cuatro diferentes canales cada uno.
Adicionalmente se cuentan con sensores de la temperatura en la piscina del reactor,
estratégicamente colocados para obtener una temperatura representativa de la actividad en el
núcleo. En la instrumentación virtual la adquisición esta dada directamente de los modelos de
potencia, neutrones, inverso del periodo y la relación de estas con la temperatura.
Los consolas de los reactores TRIGA están diseñados para capacitar a estudiantes sin
experiencia [3] o para que personal no calificado pueda operar el reactor con un mínimo de
entrenamiento. El movimiento de las barras de control están definidas en el modelo por la
relación de su inserción o posición espacial definiendo la reactividad negativa agregada al
reactor, mientras que los efectos de temperatura son agrupados en: barras absorbentes de
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neutrones con seguidor de aire, barras absorbentes de neutrones que permiten regular la
potencia en los modos de manual y automático.
Figura 1. Panel de Control de Reactor TRIGA
Los cuatro modos de operación disponibles están modelados, cada uno con necesidades
diferentes de control y visualización: Manual, que permite al operador mover las cuatro
barras de control para llegar a la potencia deseada; Automática. donde el operador define una
potencia y el control lleva a cabo los ajustes necesarios para lograrla por medio de dos barras
de control; La Pulsada, que permite al operador demandar una potencia y por medio de la
barra transitoria ésta puede ser alcanzarla súbitamente para después estabilizarse en un valor
más bajo. Finalmente, la Escalonada, que permite al operador establecer el modo de escalón
para obtener la máxima potencia por un lapso muy pequeño de tiempo, antes de que el
combustible del reactor se apague por efecto de su coeficiente negativo de temperatura [4].
La interfaz gráfica inicialmente se implementó por medio de librerías de “Linear Gauges” en
ActiveX, debido a las posibilidades que ofrece el manejo de estos elementos y por su
versatilidad y amplia gama de desarrollos de apoyo. La base de Visual Basic en la
programación de los instrumentos virtuales es la que actualmente estamos usando ya que nos
ha permitido manejarlos desde programas como Excel, aplicaciones de Windows e incluso en
otros de nivel avanzado como Matlab, y LabView, todo esto dentro del sistema operativo
Windows XP. Finalmente la hemos implementado en software libre, con Linux y el programa
matemático de Scilab con la desventaja que no fue posible implementar una interfaz de
visualización.
La interfaz remota, permite el manejo de las instalaciones a distancia y proporciona grandes
beneficios, el reactor nuclear TRIGA cuenta con los permisos para su operación sin
supervisión por lo que un monitoreo a distancia es una buena opción, lo mismo que para el
proceso de enseñanza esto se ha aumentado a la realidad. En cuanto al control y evaluación se
sabe que también es posible a distancia, pero aún no se trabaja de lleno en estas dos opciones
y se han dejado para realizarse por medios tradicionales.
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4. PBMR EN REALIDAD VIRTUAL
Esta sección describe el desarrollo del Simulador Universitario de Núcleo-eléctrica con
reactor tipo PBMR (Pebble Bed Modular Reactor), a ser integrado al Laboratorio Nuclear
Virtual. El simulador reproduce la dinámica de la planta que va desde el proceso de
generación de energía térmica en el combustible nuclear, pasando por el proceso de
transporte de energía hacia el refrigerante y la conversión de ésta en las turbinas de helio
como gas refrigerante a energía mecánica, así como a eléctrica en el generador, también se
modelan los intercambiadores de calor que son indispensables para el proceso y los
compresores del circuito primario del fluido de trabajo [5]. La dinámica de recarga de los
elementos combustibles no es modelado en detalle pero sus efectos se representan en los
parámetros del modelo. El control de la potencia del reactor nuclear es modelado por medio
de funciones de reactividad especificadas en la plataforma de simulación. Los modelos
matemáticos de cada una de las etapas propuestas para el simulador PBMR se instalaran en la
plataforma de simulación de MatLab-Simulink. Los paneles de monitoreo y control para el
simulador se diseñaron e implementaron utilizando la caja de herramientas de Simulink que
facilita su implementación. El resultado es una interfase gráfica que muestra algunos equipos
de monitoreo de la planta los cuales registran el comportamiento de ésta. Además se cuenta
con controles para variar algunos parámetros físicos, permitiendo así observar después en el
simulador su repercusión en el funcionamiento de la planta PBMR. La integración de este
simulador al laboratorio virtual se realiza a partir de mudar la plataforma de simulación
MATLAB a un software libre. El simulador PBMR en el LaNuVi cuyo panel básiico de
control se muestra en la Figura 2, tiene un manual de prácticas, el cual muestra las tablas de
datos de diseño, gráficos, y ejemplos de operación. Cinco transitorios de fallos así como las
condiciones nominales de operación, son analizadas en detalle.
Figura 2. Panel de Control de Reactor PBMR
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Se ha comprobado satisfactoriamente los modelos matemáticos en Scilab y obteniendo la
misma respuesta para Simulink en Matlab agregando una interfaz gráfica, correspondiente a
los niveles de potencia, abarcando el modelo de cinética puntual con potencia absoluta y
potencia normalizada, interactuando con los modelos de temperatura y obtención del inverso
del periodo por medio de una inserción de reactividad manual que incluye subsistemas por la
extensión del arreglo [6].
5. LA PILA SUBCRITICA Y EL LAB DE RADIACONES
La finalidad de ésta aula ha sido permitir al usuario experiementar con una instalación donde
los conceptos fundamentales de física de reactores nucleares puedan planterse para su
medición. El factor de multiplicación, la reactividad, la intensidad de la fuente de neutrones,
la multiplicación subcrítica, criticidad estimada, los venenos, las distribuciones deladeadas, el
margen de apagado, el periodo, el SUR y el tiempo de doblamiento han sido algunos de los
conceptos que se establecieron para “medición experimental” en una pila subcrítica virtual de
forma cilíndrica con elementos combustibles en forma de barra y moderado con barras de
grafito. La distribución espacial del flujo neutrónico se estima con un modelo que resuelve la
ecuación de difusión en dos grupos de energía con la teoría de envejecimiento de Fermi como
propusieron Feinberg y Galanin. El problema es bidimensional ya que supone una
distribución cosenoidal en la dirección axial modificada y calcula los flujos considerando
barras de fuentes de neutrones rápidos y sumideros de neutrones térmicos. El número de
neutrones térmicos absorbidos es proporcional al flujo en su superficie y solo requiere
especificarse el contenido de la barra y el material moderador.
Figura 3. Implementación de Modelos del
Laboratorio de Radiaciones
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6. CONCLUSIONES
Varias de las aulas virtuales de este desarrollado requieren actualizaciones para permitir
utilizaciones frecuentes, sin embargo, puede concluirse que han sido un excelente vehiculo
por medio del cual varios estudiantes han dominado aspectos fundamentales de la tecnología
de reactores nucleares. En particular los modelos de los reactores de investigación TRIGA y
el de cama de esferas enfriado por gas, PBMR, han madurado considerablemente y presentan
respuestas genericas bastante aceptables. Las aulas virtuales del Lab de radiación y la pila
subcrítica son desarrollos que deben verificarse contra datos más precisos de códigos de
transporte.
7. REFERENCIAS
1. “Web oficial de Blender Fundation”, http://www.blender.org (2009).
2. Neri-Oliva J. C., Morales-Sandoval J. B. y Valle-Hernández J.
, “Instruccón por Realidad Virtual a la Operación y Seguridad de una Central Nuclear de
Generacón IV,” Memorias del XX Congreso Anual de la SNM, Puerto Vallarta, Jalisco,
México, del 5 al 8 de julio 2009
3. Fouquet D. M., Razvi J., Whittemore W. L.,
“TRIGA research reactors: A pathway to the peaceful applications of nuclear energy”,
Nuclear News, Volumen 46, p. 46-56, 2003.
4. Plata-Miranda A. C. Morales-Sandoval J. B., Salazar-Salazar E., “El TRIGA en Aula
Virtual para Entrenamiento”, Memorias del XIX Congreso Anual de la SNM,
Mérida, Yucatán, México, del 6 al 9 de julio 2008
5. Valle-Hernandez, J., Morales-Sandoval J. B., “Diseño conceptual del simulador
universitario para núcleo-eléctrica PBMR”, Memorias del Congreso SNM, Acapulco 2006.
6. Valle-Hernandez, J., Morales-Sandoval J. B., “Implementación del simulador para
núcleo-eléctrica PBMR con módulos de desalinización de agua de mar y generación de
hidrogeno.”, Memorias del Congreso SNM, Mérida, México 2008
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