33-06 Simulación 3D de plumas térmica y química

39ª Reunión Anual de la SNE
Reus (Tarragona) España, 25-27 septiembre
2013
Simulación 3D de las plumas térmica y química mediante
software de código libre
José Luis Sáenz Temiño
Julio Lerones Martín
Joaquín González Delgado
Iberdrola Engineering and Construction UK
[email protected]
Resumen – La interacción de plumas térmicas y químicas en la región del mar de
Irlanda próxima al emplazamiento ha sido simulada mediante un modelo de elementos
finitos representativo del régimen hidrodinámico local, concluyendo cómo el método de
refrigeración seleccionado, ciclo abierto, es física y medioambientalmente viable. Así
mismo, las longitudes de túnel necesarias para cada escenario objeto de estudio han
sido definidas de forma preliminar, variando en un rango desde 1800 a 2300 metros
para una unidad (1 túnel), 4400 a 6300 metros para dos unidades (2 túneles) y 8000
metros para tres unidades (2 túneles), dependiendo de la tecnología seleccionada.
1. INTRODUCCIÓN
Previa a la implantación de una nueva central en Reino Unido y enmarcado dentro
de las fases iniciales de caracterización del emplazamiento, se ha completado un estudio
preliminar sobre la capacidad de refrigeración del mismo para distintas configuraciones
posibles: 1 ó 2 reactores EPR y 1, 2 ó 3 reactores AP-1000, operando en la costa de
Sellafield, frente al mar de Irlanda.
Más concretamente y como uno de los objetivos principales del proyecto, se ha
analizado la viabilidad de la refrigeración directa tanto desde un punto de vista físico como
medioambiental para los distintos escenarios objeto de estudio. Adicionalmente, las
posiciones preliminares de las estructuras de descarga han sido determinadas en cada uno
de los casos, atendiendo al comportamiento dispersivo-térmico de las plumas en el medio
receptor y conforme a las normativas nacional y local.
Para ello, las condiciones hidrodinámicas del medio receptor han sido representadas
mediante un modelo de elementos finitos, ejecutado mediante el software de código libre
Mohid, y calibrado gracias a los datos extraídos de los estudios de campo realizados por
British Nuclear Fuel Limited (BNFL) entre los meses de febrero y marzo de 1992. A dicho
modelo se le han implementado puntos de descarga de grandes caudales con los que
representar las posiciones de salida de los túneles del ciclo de refrigeración y simular su
interacción con el medio, en campo lejano.
El estudio de la pluma térmica está enfocado en analizar la variación de temperatura
que experimenta el entorno por acción de la descarga, mientras que la modelización de la
pluma química busca representar la huella de un posible biocida incorporado al agua de
refrigeración de la central y su dispersión en el medio. En este caso, se han simulado
diversas concentraciones de distintos oxidantes, incluyendo tanto cloro libre como
compuestos de cloro y bromo, resultado de un proceso de cloración.
39ª Reunión Anual de la SNE
Reus (Tarragona) España, 25-27 septiembre
2013
Finalmente, el presente análisis deberá ser complementado y ampliado
posteriormente con nuevos estudios de campo con los que retroalimentar el modelo de
elementos finitos, calibrar y validar los parámetros dispersivos térmicos y químicos y
ayudar a definir el comportamiento de las descargas en el campo cercano.
2. MODELO DE ELEMENTO FINITOS
2.1. Hidrodinámica local
Los grades volúmenes de agua se desplazan en la zona del mar de Irlanda por la
acción de las mareas, que tiene una influencia predominante en los procesos físicos de la
oceanografía local. La carrera de marea tiene una amplitud de hasta 9 metros en el
entorno del emplazamiento y las corrientes marinas una velocidad típica de 1 metro por
segundo. Del mismo modo, las distribuciones de temperatura y salinidad también están
controladas principalmente por la acción de mezcla causada por la marea, mientras el
viento ejerce un efecto sobre la hidrodinámica regional que se traduce en corrientes
residuales de varios órdenes de magnitud inferior a aquellas con origen mareal.
El oleaje se propaga hacia el norte y sur de la isla de Man y hasta aguas poco
profundas en la zona este del mar de Irlanda, cercana al emplazamiento. Dichas olas
convergen a su vez en un punto cercano al emplazamiento generando un área de máxima
amplitud mareal y corrientes reducidas. Este proceso es de gran importancia para la
calibración del modelo ya que produce cambios de fase muy rápidos.
En el entorno del emplazamiento, el agua fluye hacia el sur en el tránsito a bajamar
y hacia el norte en el cambio a pleamar. Las velocidades de corriente son superiores
durante marea alta (de un orden de magnitud de 0.4 m/s respecto a 0.25 m/s en marea
baja), resultando en un flujo neto positivo en dirección norte a lo largo de un ciclo de
marea.
2.2. Software Mohid
Mohid es un software de código libre para simulación en tres dimensiones de
medios marinos, estuarios u otros medios fluviales desarrollado por MARETEC (Marine
and Environmental Technology Research Center) en el Instituto Técnico Superior de la
Universidad de Lisboa. Mediante la adopción de modelos integrados y tomando como base
la programación orientada a objetos en lenguaje Ansi-FORTRAN95, diferentes procesos
(tanto físicos como biogeoquímicos) pueden ser representados, así como diferentes
escalas, permitiendo el uso de sistemas anidados.
Más concretamente, se ha hecho uso del módulo Mohid Water; dicho módulo
contempla la interacción del oleaje, mareas, transporte de sedimentos, calidad del agua y
ecología, dispersión de plumas, turbulencia y vertidos de fluidos viscosos (aceites) en las
aguas receptoras y según los ciclos naturales del agua.
2.3. Configuración del modelo
El modelo desarrollado cubre una superficie de 14,000 x 26,000 m2 de forma
paralela a la costa, centrado en torno al emplazamiento y con una malla de 100 metros de
lado en las dos direcciones principales. El área computacional fue posteriormente reducida
a 8,000 x 26,000 m2 manteniendo el tamaño de la malla una vez de mostrado que los
contornos no interferían con el área de interés.
39ª Reunión Anual de la SNE
Reus (Tarragona) España, 25-27 septiembre
2013
Las condiciones de contorno se reproducen a partir de series temporales de
elevación mareal generadas mediante la interpolación de los armónicos constituyentes de
las ondas de marea obtenidos
obtenidos en los puertos más cercanos: Workington y Heysham. Al
mismo tiempo, los flujos advectivos a través del fondo marino y la superficie libre se han
considerado nulos.
Por otra parte, la batimetría del emplazamiento ha sido desarrollada a partir de
estudios de campo realizados por BNFL en 1992, complementado con cartas náuticas.
Para
ara completar el modelo se han considerado las propiedades físicas del agua de
mar a 15 grados, presión atmosférica y salinidad constante de 35 g/kg, tomando como
constantes
ntes en profundidad tanto la salinidad como la temperatura del agua.
2.4. Calibración del modelo
La calibración del modelo se ha realizado contra los datos de campo recogidos en
sendos estudios llevados a cabo por BNFL durante febrero y marzo de 1992 y que
consistían en medidas de correntómetros dispuestos en 3 puntos en las inmediaciones del
emplazamiento. Los factores principales de calibración resultaron ser la fricción del fondo
marino y en mayor medida la viscosidad turbulenta.
Durante la etapa de calibración se consideraron escenarios de con y sin viento, para
determinar la influencia de este factor, llegando a la conclusión de que su efecto es mínimo
respecto a la acción mareal y únicamente influye en las discrepancias encontradas con
respecto
pecto a los picos de velocidad y fase de las corrientes.
Las figuras 1 a 4 muestran los resultados de la estación de muestreo M2 (velocidad
y fase de la corriente) en los períodos del 5 al 7 de marzo y 18 al 20 de marzo de 1992.
Las curvas roja y azul representan
representan los resultados simulados con y sin viento
respectivamente, mientras que la curva verde representa los datos reales de campo.
Como conclusión, se considera que el modelo de elementos finitos es representativo
de las condiciones hidrodinámicas locales,
locales, habiendo definido para ello unos criterios de
aceptación de ±30% en la precisión de las velocidades y ±30 minutos para la fase.
Figura 1. Vel. de corriente – 5 al 7 Marzo ‘92
Figura 2. Vel. de corriente – 18 al 20 Marzo ‘92
39ª Reunión Anual de la SNE
Reus (Tarragona) España, 25-27 septiembre
2013
Figura 3. Fase de corriente – 5 al 7 Marzo ‘92
Figura 4. Fase de corriente – 18 al 20 Marzo ‘92
3. APLICACIÓN DEL MODELO
3.1. Criterios Medioambientales
Medioambiental
Para el caso objeto de estudio, se define la pluma como la zona activa de mezcla
(“mixing zone”) en el entorno de una descarga donde las propiedades del medio receptor
son alteradas por dicha descarga.
descarga La pluma se identifica habitualmente como las zonas
donde la temperatura y/o niveles de un contaminante son superiores que en el ambiente.
Debido a que no existe una normativa específica en el Reino Unido,
Uni
aunque sí
directrices generales de la Unión Europea al respecto, se han seguido las indicaciones
dadas por la Agencia Medioa
edioambiental inglesa (Environment
Environment Agency)
Agency para otros
emplazamientos nucleares en construcción dentro de Reino Unido y recientemente
aprobados por el British Energy Estuarine and Marine Studies (BEEMs).
(BEEMs)
De esta forma se han definido los siguientes criterios de aceptación para la
modelización de plumas térmicas y químicas,
químicas y evaluar su cumplimiento con las
restricciones/recomendaciones impuestas por la Agencia Medioambiental:
Medioambiental
•
Pluma térmica: se define el “mixing zone ratio” como el cociente entre la zona de
excedencia (“exceedance
“exceedance zone”)
zone”) y la zona de influencia (“zone
(
of influence”)
entendidas ambas como el volumen de agua en 3-D
3 D alrededor del punto de
descarga. Este cociente será siempre inferior al 25% para que un escenario sea
válido.
Por otra parte, la zona de influencia se considera el volumen de agua donde la
temperatura supera en 0,5ºC la temperatura ambiente y la zona de excedencia
aquella donde la temperatura supera en 1.0ºC la temperatura ambiente.
Adicionalmente, se han rechazado aquellos
aquellos escenarios en los que la zona de
excedencia tenga interacción en cualquier momento con la costa.
Mixing Zone Ratio (%) = Exceedance Zone / Influence Zone. Valid if < 25%.
Interaction of the Mixing Zone with the coast: Valid if NO.
39ª Reunión Anual de la SNE
Reus (Tarragona) España, 25-27 septiembre
2013
•
Pluma química: se define el “mixing
“
zone ratio”” como el cociente entre la zona de
excedencia (“exceedance
“exceedance zone”)
zone” y la zona de influencia
encia (“zone
(
of influence”)
entendidas ambas como el volumen de agua en 3-D
3 D alrededor del punto de
descarga donde las concentraciones de oxidantes residuales totales (TRO por
sus siglas inglesas) son mayores que 0,001 mg/l y 0,01 mg/l respectivamente.
En este caso, la concentración máxima de TRO sí está establecida
establ
por norma y
es igual a 0,01mg/l.
Mixing Zone Ratio (%) = Exceedance Zone / Influence Zone.
3.2. Metodología
Para la determinación de la posición óptima de descarga se ha seguido un siguiente
proceso iterativo, para cada tipo de reactor (EPR o AP-1000)
AP
y escenario.
escenario
1. Determinación de la posición óptima para una unidad, de acuerdo a los
criterios de dispersión térmica previamente establecidos.
2. Determinación de la posición óptima para dos unidades, siendo el resultado
del paso 1 input para el paso 2. De esta forma,
forma, la posición de la descarga de
la segunda unidad se determina manteniendo fija la posición 1,
1 aumentando
la longitud del segundo túnel tanto en prolongación recta como en ángulo
para un mismo incremento de longitud.
longitud
En caso de que la solución del paso 1 no fuera suficiente para satisfacer las
limitaciones, la segunda mejor solución de este paso sería adoptada y el
proceso se repetiría.
3. Determinación de la posición óptima para tres unidades (sólo en el caso de
AP-1000),
1000), siendo el resultado del paso 2 input para el paso 3. De esta forma,
la posición de la descarga de la tercera unidad se determina manteniendo fija
la posición de las dos primeras,
prim
aumentando la longitud del tercer túnel tanto
en prolongación recta como en ángulo para un mismo incremento de longitud.
longitud
En caso de que la solución del paso 2 no fuera suficiente para satisfacer las
limitaciones, la segunda mejor solución de este paso sería adoptada y el
proceso se repetiría.
4. Cálculo de la huella química en las posiciones de descarga previamente
terminadas.
39ª Reunión Anual de la SNE
Reus (Tarragona) España, 25-27 septiembre
2013
3.3. Asunciones de partida
Se han asumido las siguientes hipótesis de partida para definir las posiciones de
descarga y representar un escenario extremo o muy desfavorable respecto a las
condiciones dispersivas y analizar así el comportamiento de las sustancias biocidas en un
caso de estudio conservador.
1. Amplitud de carrera de marea correspondiente con el 90% de probabilidad de
excedencia y representativo de una media de mareas muertas.
2. Ausencia de viento durante los períodos de simulación.
3. Concentración a la salida del túnel de TRO igual a 0,2 mg/l y vida media igual
a 10 horas. Concentración ambiente de TRO nula.
4. Condiciones climáticas medias propias de los meses más calurosos (julio y
agosto): temperatura del agua igual a 15ºC
Adicionalmente, se han tomado las siguientes hipótesis necesarias para completar
el modelo:
1. Incremento térmico en el agua de refrigeración: 10ºC.
2. Puntos de toma, posición de la casa de bombas y punto de salida del
condensador.
3. Caudal de descarga de 1 EPR: 67 m3/s.
4. Caudal de descarga de 1 AP-1000: 38 m3/s.
3.4. Resultados
Los resultados derivados del análisis por elementos finitos de las condiciones
hidrodinámicas locales y bajo los criterios establecidos dan lugar a los siguientes
resultados para la modelización de plumas térmicas y químicas:
Tabla 1. Longitud de túnel necesaria (metros) en función de las
posiciones de descarga obtenidas.
Túnel
1 EPR
2 EPR
1 AP-1000
Unidad 1
2200 – 2300
2500 – 2600
1800 –1900
Unidad 2
-
3600 – 3700
-
Unidad 3
-
-
-
Longitud Total
2200 – 2300
6100 – 6300
1800 – 1900
2 AP-1000
3 AP-1000
1800 – 1900
1
2200 – 2300
2
2800 – 2900
1
2200 – 2300
2
-
2500 – 2600
2500 – 2600
2900 – 3000
4600 – 4800
1
4400 – 4600
2
7900 – 8200
*1,2- Soluciones alternativas para el mismo caso.
39ª Reunión Anual de la SNE
Reus (Tarragona) España, 25-27 septiembre
2013
Tabla 2. “Mixing Zone Ratio (%)” esperado de la descarga química.
Situación
1 EPR
2 EPR
1 AP-1000
2 AP-1000
3 AP-1000
Menos
favorable
3.5 – 4.0
5.5 – 6.0
4.5 – 5.0
5.0 – 5.5
2.0 – 2.5
Más favorable
0.0 – 0.5
1.5 – 2.0
0.5 – 1.0
0.5 – 1.0
0.5 – 1.0
4. CONCLUSIONES
Una de las principales conclusiones que se derivan de este estudio es la necesidad
de decidir con anterioridad el número de unidades que se van a implantar
independientemente de la familia de reactores escogida, ya que la posición óptima de
descarga para un reactor depende de si existirá o no una segunda unidad y
consecuentemente la posición de la tercera dependerá a su vez de las anteriores.
Se ha observado que el condicionante más restrictivo a la hora de situar las
estructuras de descarga, ha sido la no interacción de la “exceedance zone” con la costa,
dado que las condiciones hidrodinámicas locales favorecen los procesos dispersivos de la
pluma.
La pluma térmica sigue los patrones previstos de la dinámica de las mareas. Dicha
pluma se extiende más en latitud que en longitud y presenta un flujo neto predominante en
la dirección norte. Por su parte, la pluma química presenta las mismas características que
la pluma térmica, ya que ambas están condicionadas por el régimen hidrodinámico, que
determina los procesos dispersivos en el entorno del emplazamiento.
Se concluye además cómo para dos o más unidades, soluciones donde los túneles
forman un ángulo comprendido entre 25º y 30º proporcionan mejores resultados desde un
punto de vista dispersivo que aquellas soluciones donde el segundo túnel es prolongación
recta del primero, para una misma longitud total de túnel.
En los resultados de la dispersión química, bajo condiciones mareales del 90% de
probabilidad de excedencia resultan se superan los límites máximos establecidos por la
norma. No obstante, el ratio entre la zona de excedencia y la zona de influencia se
mantiene siempre por debajo del 6%, y más concretamente por debajo del 3% en la mayor
parte del tiempo.
39ª Reunión Anual de la SNE
Reus (Tarragona) España, 25-27 septiembre
2013
5. REFERENCIAS
•
Thermal Standards for cooling water from new build nuclear power stations.
BEEMS, March 2011.
•
TECHNICAL GUIDELINES FOR THE IDENTIFICATION OF MIXING ZONES
C(2010)9369.
•
Methodology for the measurement of plumes. BEEMS, Expert Panel, 2011
•
Proposal for Environmental Quality Standards for Annex VIII Substance, UK
Water Framework Directive. June 2008.
•
Chlorination by-products in power station cooling waters. BEEMS, February
2011.
•
Operational and environmental consequences of large industrial cooling water
systems. Springer Science & Business Media, Norwell, MA. Khalanski, M. and
Jenner, H.A, 2011.
•
•
Generic design assessment - UK EPRTM nuclear power plant design by AREVA
NP SAS and Electricité de France SA. Final assessment report - Other
environmental regulations. Environment Agency, 2011.
Mohid – Modelling Water Resources. www.mohid.com
•
National Oceanography Centre - www.ntslf.org
•
Met Office - www.metoffice.gov.uk/.
•
A Model to Predict Total Chlorine Residue in the Cooling Seawater of a Power
Plant Using Iodine Colorimetric Method. Int J Mol Sci., April 2008.