El renacimiento de la industria nuclear: nuevas oportunidades de

EL RENACIMIENTO DE LA INDUSTRIA NUCLEAR: NUEVAS OPORTUNIDADES
DE DESARROLLO PROFESIONAL PARA LOS INGENIEROS DE CAMINOS
FERRAN PRATS BELLA
Westinghouse Electric Company LLC
Profesor asociado, RMEE, UPC
RESUMEN
Hoy en día es un tema de intenso debate el hecho de contar o no con la energía nuclear para el futuro de la
producción de energía en el mundo. Según se mire, fuentes como “The Greens, Eurepean Free Alliance”, en 2004,
afirman “… un signo más de una tendencia iniciada hace unos quince años: la energía nuclear avanza hacia su
desaparición” resaltando la no confianza en este medio de producción de energía. Sin embargo, en el sector nuclear
sólo se habla de crecimiento del parque nuclear mundial, con nuevas centrales con seguridad pasiva y mayor
rendimiento y del desarrollo de nuevas generaciones de reactores: en 2004 había 26 centrales en construcción en el
mundo y en 2007 ya son 31. La previsión de demanda de centrales en países como India o China parecen indicar que
todavía crecerá el número de nuevas centrales. En otros países, como EEUU, las licencias típicas de 40 años están
siendo ampliadas a 60 años de operación.
Independientemente de la política y las decisiones que tomen los gobiernos, una realidad es palpable, incluso en
nuestro país: no hay una formación específica para satisfacer las necesidades técnicas de las actuales centrales en
explotación, sin contar con la posible construcción de nuevas centrales como una de las medidas para cumplir con el
protocolo de Kyoto. En este ámbito, la presente comunicación quiere presentar como podemos contribuir los
ingenieros de caminos a la explotación segura de las centrales y, posiblemente en un futuro, en la construcción de
las centrales de la siguiente generación.
Introducción
En España hay seis centrales nucleares operativas, de ellas, Almaraz y Ascó, tienen dos unidades
gemelas siendo, por tanto, ocho los grupos de producción con una potencia de 7450 MW(e). Sus
fechas de puesta en marcha y su situación geográfica se resume en la tabla 1 y en la figura 1,
respectivamente.
Tabla 1. Centrales nucleares españolas, tipo y año de puesta en marcha. Fuente CSN.
Central Nuclear
Almaraz I
Almaraz II
Ascó 1
Ascó 2
Cofrentes
Santa María de Garoña
José Cabrera
Trillo
Vandellòs II
Tipo-Suministrador
PWR-Westinghouse
PWR-Westinghouse
PWR-Westinghouse
PWR-Westinghouse
BWR-General Electric
BWR-General Electric
PWR-Westinghouse
PWR-Siemens
PWR-Westinghouse
1
Año
13 Octubre 1980
15 Junio 1983
22 Julio 1982
22 Abril 1985
23 Julio 1984
30 Octubre 1970
11 Octubre 1968
14 Diciembre 1987
17 Agosto 1987
La primera central nuclear que se puso en marcha en España en 1968, la de José Cabrera (Zorita)
en Guadalajara, funcionó hasta su cierre a mediados del año pasado. La segunda, la de Santa
María de Garoña, tiene una autorización vigente del año 1999 por un periodo de 10 años que
llevaría a la central a su final de vida previsto de 40 años. Nuclenor tiene previsto pedir al
Consejo de Seguridad Nuclear (CSN) la renovación de su autorización de explotación hasta el
año 2019, sobrepasando en 10 años la vida de diseño. Las demás centrales, de una década
posterior, garantizan la producción de energía eléctrica hasta el año 2027, final de la vida de
diseño de las centrales de 40 años, si no se prolonga su vida.
Figura 1. Situación de las centrales nucleares españolas. Fuente: CSN.
El CSN, ha manifestado que su política de prolongación de la vida de las centrales seguirá muy
de cerca los criterios que considere la Nuclear Regulatory Comission (NRC) americana y en
EEUU ya han empezado a abordar el problema de envejecimiento de las centrales. De hecho, la
NRC ya ha renovado las autorizaciones de funcionamiento a, por lo menos, 26 reactores por un
plazo adicional de 20 años lo que eleva la vida prevista en diseño a 60 años de operación (18 ya
han cursado su solicitud y se esperan sucesivas peticiones).
A nivel mundial, hay 439 unidades nucleares operativas (figura 2) y se están construyendo 30
unidades más (figura 3). La producción de energía eléctrica a partir de la energía nuclear es muy
variable en función del país que se considere: Francia encabeza la lista con un ratio del 78% de
la energía eléctrica producida por sus centrales nucleares; en España, es del orden del 20%
(figura 4).
En esta perspectiva, ya se tiene dos campos amplios de actuación de los ingenieros: 1º) la
evaluación de la extensión de vida y 2º) el diseño de las nuevas centrales nucleares. En esta
ponencia, vamos a hablar un poco del primer campo, donde un Ingeniero de Caminos tiene un
camino interesante de formación de postgrado, y en lugar de desarrollar el segundo campo, que
en principio parece estancado en España por la moratoria nuclear, se desarrollará un tercer
campo: 3º) las actuaciones en el mantenimiento de la explotación de las centrales, menos
“interesante” desde el punto de vista técnico pero con un importantísimo valor añadido desde el
punto de vista actual en España.
La explotación de la centrales conlleva unos cambios de diseño con el fin de mantener y mejorar
su funcionalidad. Dichos cambios deben estar adecuadamente justificados y esta labor requiere
de ingenieros preparados para ello: las ingenierías y departamentos técnicos de las propietarias
de las centrales necesitan de este personal cualificado para solapar con la actual plantilla ya muy
madura.
2
Figura 2. Centrales nucleares operativas en el mundo por países. Fuente: PRIS
Figura 3. Centrales nucleares en construcción por países. Fuente PRIS.
3
Figura 4. Ratios de producción de energía eléctrica. Fuente: PRIS.
Prolongación de vida de las centrales nucleares
Como Ingenieros de Caminos, y teniendo en cuenta que hoy en día el diseño estándar de
protección del reactor es un edificio de hormigón pretensado que denominamos Contención,
tenemos una oportunidad de desarrollo de áreas tan conocidas por nosotros como el análisis
estructural, el cálculo sísmico de edificios, las estructuras pretensadas y la conducción de calor o
el análisis térmico.
Como ejemplo de la complejidad del análisis de un edificio de Contención, la Nuclear Power
Engineering Corporation (NUPEC) de Japón y la U.S. Nuclear Regulatory Comission (NRC)
cofinanciaron un programa de investigación del comportamiento de los edificios de contención.
Dentro de este programa, un modelo a escala 1:4 del edificio de contención de la unidad Ohi-3
japonesa fue construido y ensayado hasta la rotura (figuras 5 a 7) durante el mes de Septiembre
del 2000. Los objetivos principales del test son: obtener información de la respuesta del modelo
durante el accidente base de diseño, validar el modelo analítico del mismo (análisis pre y post
test), evaluar la capacidad del modelo y observar los mecanismos de rotura.
Figura 5. Ensayo de un modelo a escala 1:4. Fuente NRC
Figura 6. Ensayo de un modelo a escala 1:4. Fuente NRC
4
Figura 7. Ensayo de un modela a escala 1:4. Fuente NRC
La presión de diseño del accidente base para el modelo y Ohi-3 es de Pd=0.39 MPa. Durante el
test se comprobó la integridad estructural hasta 1.125Pd, el primer escape del nitrógeno se
produjo a una presión de 2.5Pd a través de una fisura en el liner y la presión final del ensayo fue
a una presión de 3.3Pd con 26 fisuras de 1.6 mm en el liner. El daño fue localizado y la estructura
entró en régimen inelástico: por ello se sellaron las fisuras con membranas elastómeras y se
ensayó con agua a presión hasta la rotura violenta a una presión de 3.6Pd.
La ingeniería ANATECH realizó un pre-test y un post-test análisis del modelo de la unidad 3 de
Ohi, para modelizar el comportamiento estructural del edificio presurizado hasta la rotura. El
modelo preanalizado indicaba una rotura local del liner a 3.2Pd mientras que la evolución hasta
la rotura puede observarse en las figuras 8 y 9.
La capacidad última a presión del edificio de contención de una central nuclear requiere de un
profundo conocimiento de técnicas de modelización y de procedimientos de análisis. Respecto a
las técnicas de modelización se encuentran los modelos de comportamiento no lineal de los
materiales, la idealización de la estructura: geometría, discretización y refinado de la malla,
localización de los refuerzos, etc. Los procedimientos de análisis se basan en el Método de los
Elementos Finitos, con capacidad de análisis no lineales que incluyan como mínimo la no
linealidad del material, tanto estáticos como dinámicos, pues esta estructura es clase o categoría I
y siempre debe considerarse la acción sísmica dentro de su diseño.
Como consecuencia de la acción sísmica, debe abordarse el tema de la interacción entre los
esfuerzos normales y los tangenciales: es decir, la modelización del hormigón y sus armaduras
tiene que tener en cuenta la interacción entre ambos tipos de tensiones.
5
Figura 8. Evolución hasta la rotura del modelo analítico. Fuente NRC.
Figura 9. Evolución hasta la rotura del modelo analítico. Fuente NRC.
El hormigón presenta un comportamiento claramente no lineal. Los efectos principales que
deben tenerse en cuenta para la correcta modelización de este material son: fisuración,
aplastamiento, tensión stiffening, transmisión a cortante, degradación del anclaje de las
armaduras, pérdidas de pretensado, fluencia a bajas tensiones, fluencia no lineal a altas tensiones
6
y, aunque sea de forma simplificada, el comportamiento dinámico del material y el cansancio.
Dada la tipología a estudiar, una estructura con simetría axial (modelo simplificado) o
completamente 3D, existirá una fuerte interacción en rotura entre tensiones normales y de corte.
La evaluación de la capacidad última debe incluir dicha interacción.
El acero, debe modelarse también con su comportamiento no lineal a altas deformaciones, para
poder predecir la capacidad última adecuadamente sin añadir conservadurismos que simplifiquen
el cálculo. Modelizar el fenómeno de relajación del material y el comportamiento en el tiempo
(evaluación de las pérdidas diferidas) es esencial para el correcto desarrollo del modelo de
análisis.
Dada la complejidad de fenómenos ha tener en cuenta en el análisis de la Contención, se hace
muy atractiva para una actividad investigadora. Además, varios países vecinos están
construyendo nuevas centrales y ello requiere de especialistas estructurales de primer nivel y esta
tendencia es muy probable que afecte a España en los próximos años.
Para los ingenieros más ambiciosos, la evaluación de la fatiga y la fractura mecánica en el
tiempo, diferida, es un tema de estudio que todavía no ha llegado a su madurez (a nivel
instantáneo el tema ya está resuelto) siendo un campo interesante de formación de postgrado:
una aplicación de estos estudios es la reevaluación de las estructuras de hormigón pretensado
diseñadas para una vida útil de 40 años y que se quiere prolongar hasta los 60. Respecto a este
tema, en este mismo congreso otra comunicación ya apunta a que la ingeniería de mantenimiento
de estructuras puede ser un nuevo campo de futura actividad profesional.
Diseño de nuevas las centrales nucleares
En el sector nuclear, desde hace unos años, se viene notando una inquietud por esta fuente de
energía como medio para garantizar el suministro de energía eléctrica en los países
industrializados y países con un potencial emergente como China o la India. Esta inquietud se ha
trasladado a estudiar la viabilidad de prolongar la vida de las centrales y en la construcción de
unidades nuevas, mejorando su diseño con la experiencia acumulada de los últimos 30 años. La
construcción en la actualidad de 30 nuevos reactores nucleares, lo que supone aproximadamente
un 7% del parque actual, confirma que varios países apuestan por esta energía para garantizar su
desarrollo y sociedad de bienestar.
Westinghouse instaló su primer reactor en 1957, en Shippingport (Pennsylvania), y en la
actualidad el 50% de las plantas nucleares tienen la tecnología Westinghouse. Recientemente, se
ha firmado un acuerdo para suministrar 4 AP1000 a Sanmen y Haiyang (China) que entrarían en
funcionamiento progresivamente en 2013-2015. En EEUU, se prevee el suministro de, al menos,
12 nuevos reactores en la próxima década. Esta demanda significa, para Westinghouse, la
creación de unos 5000 puestos de trabajo dentro de la compañía a nivel mundial, aunque
principalmente se concentrará en EEUU.
Estos datos confirman la necesidad de ingenieros cualificados para responder a la demanda real,
no sólo de Westinghouse, sino de las empresas relacionadas con el sector nuclear.
En la presente comunicación, y dado que en España no hay ninguna central en construcción ni
previsión a corto plazo de ello, no se considera adecuado, en el marco del actual congreso,
desarrollar más profundamente este tema.
7
Explotación de las centrales nucleares
En la figura 10 se expone un gráfico por edades de las unidades operativas en la actualidad.
Como puede observarse, la distribución es bimodal teniendo una punta en torno a los 33 años
que corresponde a la década de los 70 y otra, más acusada, en torno a los 23 años,
correspondiente a la década de los 80.
Figura 10. Distribución de los reactores en el mundo por su edad. Fuente: PRIS.
En España, dos centrales son de la década de los 70 y el resto corresponden a la década de los 80
(véase tabla 1), por tanto, tanto a nivel mundial como en el caso español, la mayoría de las
centrales están licenciadas para operar durante los próximos 10 años, las correspondientes a la
“1ª tanda”, y durante los próximos 20 años, las correspondientes a la “2ª tanda” y mayoría en el
caso español.
Centrándonos en España, el descenso producido en el sector nuclear, sobre todo desde finales de
1987 cuando se licenciaron Vandellòs-II y Trillo, las centrales más jóvenes españolas, ha llevado
a un abandono de la ingeniería nuclear durante la década de los 90 y, prácticamente, hasta la
actualidad.
Consecuentemente, la generación de ingenieros y proyectistas con experiencia nuclear no tiene
continuidad en el tiempo y, en este sector, es imprescindible un cierto solapamiento entre
generaciones para transmitir la experiencia y el modus operandi de este sector.
En este apartado, se quiere exponer, brevemente, las actividades de ingeniería que día a día se
realizan en una ingeniería de explotación de una central, enfocando el tema al campo de un
especialista en estructuras, sin entrar en otros campos como la ingeniería eléctrica, mecánica,
instrumentación, garantía de calidad, materiales, etc., más propios de otras titulaciones.
Es dentro de este campo, donde los ingenieros de caminos, podemos actuar aportando nuestros
conocimientos a la justificación de los cambios de diseño originados por el mantenimiento y la
8
mejora de la operabilidad de la central. Los campos básicos propios de nuestra especialidad son:
el conocimiento del hormigón, el cálculo de estructuras metálicas y la capacidad para realizar
cálculos dinámicos, en especial, sísmicos. Además de la capacidad para absorver nuevos
conocimientos y nueva normativa propia de nuestra formación generalista.
A continuación se describen trabajos del “día a día” realizados por el autor, ingeniero de
caminos, en su apoyo a la Ingeniería de explotación de las centrales de Ascó y Vandellòs-II
(WIN), con la finalidad de abrir “las mentes” de los futuros ingenieros estructurales y despertar
en ellos, al menos, un interés por un campo alternativo a los habituales de desarrollo profesional
y con un futuro prometedor. Dado el carácter de especialista en hormigón del autor, en este
campo se hará más énfasis.
9 Estructuras de hormigón armado.
Debido al envejecimiento de los equipos, o con motivo de una mejora de operabilidad de la
planta, a veces es necesario proceder a su sustitución por equipos nuevos de características
diferentes: típicamente, el diseño de los nuevos equipos es más compacto y suelen tener un
aumento del peso por sus mayores prestaciones. En este contexto, es natural reanalizar los
soportes de estos equipos y, en ciertos casos, por ejemplo en el caso de generadores diesel u
otros grandes equipos, evaluar la capacidad de una losa o de un forjado para soportar las nuevas
cargas.
Como ejemplo de ello, se tuvo que evaluar la capacidad portante de un puente losa formado por
viguetas pretensadas y capa de compresión. Se realizó el estudio del E.L.U. de la sección
compuesta pretensada dentro del grupo de ingeniería (figura 11), desarrollando tanto la teoría,
los algoritmos y, finalmente, su implementación práctica. Para cumplir con garantía de calidad,
dicha aplicación fue verificada de forma independiente y pertinentemente contrastada.
Debido a la estricta normativa que rige el diseño de las centrales nucleares, que en el caso de
Ascó y Vandellòs-II se basan en la normativa americana, muchas estructuras y equipos deben
justificarse sísmicamente. Por ejemplo, la construcción de una nueva galería enterrada o la
cimentación de un tanque de almacenamiento: ciertamente, cálculos profesionales más allá del
ámbito de las escuelas.
Una de las actuaciones más interesantes ha sido la evaluación estructural de tuberías enterradas
de hormigón armado, de acero y de polietileno. Para el caso de tuberías de hormigón, no tenemos
referencias españolas aceptadas para su análisis sísmico: la referencia vigente es la antigua
instrucción del Instituto Eduardo Torroja. Por ello, junto con la normativa usual americana, los
manuales de la AWWA, y los fundamentos de diseño sísmico de túneles, se realizó un estudio
sísmico de tuberías enterradas importantes para la seguridad (figura 13) y la evaluación de las
solicitaciones producidas por los terremotos base de diseño definidos para la central de
Vandellòs-II (figura 12) en dichas tuberías.
Asímismo, la extensa problemática del anclaje al hormigón, ha dado pie al desarrollo de cálculo
de secciones a flexotracción desviada, obteniendo las superficies mecánicas de rotura conforme a
la E.H.E (figuras 14 y 15). La evaluación de la sección en estado límite de servicio permite
obtener los anchos de fisura (figura 16). El modelo desarrollado, capaz de evaluar a la vez
secciones de hormigón armado tanto en E.L.U como E.L.S, permite, a su vez, calcular placas de
anclaje y obtener la cargas en los pernos. El estudio fue presentado en una ponencia en la 32ª
reunión anual de la Sociedad Nuclear Española (SNE).
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Grupo ESTRUCTURAL
Hoja de cálculo:
Versión
Fecha
ELU_NM
1
Julio 2006
Diagrama de interacción Axil - Flector en rotura
400,0
300,0
200,0
100,0
0,0
-5000
-4000
-3000
-2000
-1000
-100,0
0
1000
2000
-200,0
-300,0
-400,0
-500,0
-600,0
-700,0
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3
4
5
2
3
4
5
1
1
Figura 11. Interacción axil-flector en E.L.U. según la instrucción E.H.E. para una sección compuesta de un
puente losa. Fuente: elaboración propia
Figura 12. Esfuerzos producidos por el sismo en un estructura enterrada. Fuente: elaboración propia.
10
Figura 13. Cálculo sísmico de tuberías enterradas. Fuente: elaboración propia.
11
Figura 14. Secciones de hormigón armado / placas de anclaje: E.L.U. de flexión desviada. Fuente: elaboración propia.
Superficie E.L.U, corte Nd
900000
800000
700000
600000
My
500000
400000
300000
200000
100000
0
-100000
0
200000
400000
600000
800000
Mx
Figura 15. Superficie mecánica. Fuente: elaboración propia.
12
1000000
Figura 16. Fisuración en flexión desviada / Cargas en pernos. Fuente: elaboración propia.
9 Estructuras metálicas.
El cálculo de plataformas metálicas para acceso a equipos, los soportes de bandejas eléctricas, de
conductos de aire acondicionado, de conduits y tubing de instrumentación, el anclaje de armarios
y equipos y, sobre todo, los soportes de tuberías son actividades absolutamente cotidianas en una
ingeniería de apoyo a la explotación de una central nuclear.
9 Calificación sísmico-ambiental.
Dentro de las actividades cotidianas de la ingeniería está la calificación sísmico-ambiental de los
equipos nuevos que se instalan o de la justificación de que las modificaciones realizadas no
degradan la calificación del equipo existente.
Gracias a los conocimientos de dinámica estructural, es habitual que la calificación sísmica sea
responsabilidad del grupo estructural, y pueda ser realizada por un ingeniero de caminos,
especialidad estructuras. Como ejemplo, se muestra en la figura 17 la amplificación del espectro
de piso que afecta a un relé instalado en sala de control.
4
3
2
1
0
0,01
0,1
1
Figura 17. Amplificación del espectro. Fuente: elaboración propia.
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10
Conclusiones
La comunicación se ha centrado en dos actividades a desarrollar por los ingenieros de caminos
dentro del ámbito de especialista en estructuras aplicables a la situación actual en España.
La primera, con un marcado carácter de postgrado, se ha comentado el interesante campo de
estudio del edificio de la Contención. A destacar, la posibilidad de elaboración de tesis
doctorales sobre el tema consolidando a su autor como un especialista en estructuras de
hormigón de ámbito internacional.
La segunda, mucho más humilde pero no por ello menos importante, se han presentado unos
ejemplos para que las futuras generaciones de ingenieros estructurales (es especial, los de
caminos) vean un posible camino de desarrollo profesional, dentro del ámbito de especialista en
estructuras, en el sector nuclear ampliando la clásica salida de las ingenierías convencionales. El
autor espera que con los ejemplos presentados, se vea un trabajo cualificado e interesante y en
absoluto monótono.
Se ha puesto de manifiesto que, hoy en día y en España, el sector nuclear necesita de
especialistas para cubrir la demanda de trabajo que se está generando con el relevo generacional.
Y a nivel internacional, al menos para Westinghouse, la demanda de profesionales ya empieza a
ser una prioridad.
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