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SEGURIDAD NUCLEAR EN LA RENOVACIÓN DE LA LICENCIA DE OPERACIÓN DE LA CENTRAL NUCLEOELÉCTRICA MEXICANA Y

GENERACIÓN DE RECURSOS HUMANOS Solicitud: 211704

CONVOCATORIA

CONACYT-SENER-SUSTENTABILIDAD ENERGÉTICA-2013-04

DEMANDAS ESPECÍFICAS EN TECNOLOGÍAS NO FÓSILES PARA LA DIVERSIFICACIÓN DE FUENTES PRIMARIAS DE ENERGÍA

Fondo Sectorial CONACYT-SENER-Sustentabilidad Energética

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA-

Zacatenco SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN

Contenido • Antecedentes • Objetivo • Justificación • Personal y estructura organizativa • Programa de trabajo • Metodología • Recursos humanos a generar • Recursos solicitados para este proyecto • Impacto del proyecto • Resultados esperados

Seguridad nuclear en la renovación de la licencia de operación de la central nucleoeléctrica mexicana y generación de recursos humanos

Antecedentes

• La Unidad 1 de la Central Nuclear Laguna Verde (CNLV) inició su operación comercial en julio de 1990; por otra parte, la Unidad 2 lo hizo en abril de 1995. En ambos casos, la Licencia de Operación Comercial se otorgó con 30 años de vigencia. Por lo tanto, estas licencias expirarán en julio de 2020 y abril de 2025, para las Unidades 1 y 2, respectivamente.

• La Comisión Federal de Electricidad (CFE), operador de la CNLV, solicitó el pasado 18 de marzo a la Comisión Nacional de Seguridad Nuclear y Salvaguardias (CNSNS), Órgano Regulador en Materia Nuclear, la renovación de la licencia operativa de la Unidades 1 y 2.

• De acuerdo a la experiencia de centrales nucleares que ya han realizado el proceso de renovación de licencia en los Estados Unidos de América, se ha observado que estas plantas cuentan con extensos programas para evaluar el envejecimiento, con base en la integridad estructural, para componentes mecánicos, estructurales y eléctricos. Siendo la parte mecánica la que abarca casi el 80% de los casos.


Antecedentes

Se ha trabajado con la Dirección General Adjunta de Seguridad Nuclear de la CNSNS en el marco de los siguientes proyectos financiados por el CONACyT: • Proyecto 3761-PA Análisis de mecánica avanzado aplicado a los principales

componentes de centrales nucleares relacionados con seguridad. • Proyecto 34950-U Análisis mecánico estructural en componentes con Nivel de

Seguridad Clase I en Plantas Nucleares. • Proyecto 25226-49521 Determinación de la integridad de estructuras sometidas a

cargas de diseño severas con enfoque a sistemas y componentes relacionados con la seguridad de centrales nucleares con reactores de agua en ebullición.


En el pasado, la SEPI-ESIME unidad Zacatenco ha colaborado con la CNSNS en proyectos de investigación de índole mecánico-estructural. La finalidad ha sido apoyar a la CNSNS en establecer los niveles de seguridad disponibles en los componentes importantes para la seguridad de la CNLV. En este contexto, se han generado recursos humanos que se han integrado a la plantilla de dicho Órgano Regulador.

Antecedentes


• Los conceptos teóricos en lo que se apoya lo anterior son Mecánica de Fractura, Plasticidad, Fatiga, Pandeo, Esfuerzos Térmicos Transitorio, Análisis Dinámico Estructural, Evaluación de Vida Remanente entre otros.

• Con esto se ha generado la línea de investigación aplicada al caso de evaluación de niveles de seguridad en plantas nucleares. Acumulando quince años de experiencia, con diez casos analizados.

• Se han generado en la SEPI-ESIME 13 Maestros en Ciencias y cinco Doctores en Ciencias en temas que están directamente relacionados con los problemas postulados por la CNSNS

Los casos analizados han sido: la calificación ambiental de las válvulas de seguridad de un reactor BWR, la determinación de la vida remanente en la boquilla de inyección de agua de emergencia en un reactor BWR, la integridad estructural de un reactor BWR ante una despresurización súbita, la integridad estructural de tuberías agrietadas circunferencial y longitudinalmente, un análisis termomecánico de una válvula que se emplea en el lazo recirculación de un reactor BWR, análisis numérico de pandeo de la tapa de la contención primaria de un reactor BWR, determinación de la integridad estructural de la contención primaria, determinación del tamaño admisible de una grieta en la envolvente del núcleo del reactor nuclear y análisis acústico estructural en la unión de una tubería de vapor con un ramal conectado a una válvula de seguridad.

Objetivo


• Se considera importante que la SEPI-ESIME unidad Zacatenco colabore con la CNSNS para realizar análisis en temas mecánicos-estructurales relacionados con el Análisis de Envejecimiento para Tiempo Limitado (TLAA).

• Los temas, que a la vez son las metas, que se pretenden resolver en este proyecto están relacionados con: BOMBAS DE CHORRO, ENVOLVENTE DEL NÚCLEO, SECADOR DE VAPOR DEL REACTOR NUCLEAR, VASIJA DEL REACTOR, CONTENEDOR PRIMARIO, FATIGA TÉRMICA, FATIGA MECÁNICA Y FRAGILIZACIÓN POR IRRADIACIÓN NEUTRÓNICA EN LA PARED DE LA VASIJA Y SUS INTERNOS

El objetivo de este proyecto es apoyar a la Comisión Nacional de Seguridad Nuclear y Salvaguardias en la evaluación de los temas relacionados con la renovación de la licencia de operación de la central nucleoeléctrica mexicana y generar los recursos humanos que contribuyan a resolver esta problemática.

Justificación


• Los recursos humanos con que cuenta la CNSNS son limitados para atender al detalle requerido, el Proyecto de Renovación de Licencia de la CNLV.

• La CNSNS considera necesario contar con mayores recursos humanos e infraestructura, para poder aplicar los desarrollos tecnológicos actuales en sus revisiones de seguridad. Con esto se busca que las estructuras, sistemas y componentes de la CNLV, importantes para la seguridad, operen sin que implique un riesgo indebido para la población y medio ambiente.

• Es fundamental que el personal de la CNSNS domine los aspectos teóricos de estos temas.

• La vinculación entre la la SEPI-ESIME y la CNSNS permitirá la capacitación de dicho personal, en los programas de Maestría y Doctorado en Ciencias de la SEPI-ESIME. Esto les permitirá obtener los más altos niveles académicos y así realizar sus actividades reguladoras con la más alta calidad y conocimientos en la frontera.

• El programa de maestría y doctorado en Ingeniería Mecánica de la SEPI-ESME unidad Zacatenco está considerado por el CONACyT como programa de calidad internacional.

Personal y estructura organizativa del proyecto


Dr. Luis Héctor Hernández Gómez

Director Técnico del proyecto

Dr. Guillermo Urriolagoitia Calderón

Coordinador del proyecto por la SEPI-

ESIME-Zacatenco

Alumnos de posgrado de la SEPI-ESIME-Zac

M. en C. Pablo Ruiz López Coordinador

del proyecto por parte de la CNSNS

Personal técnico de la CNSNS

Comisión Nacional de Seguridad Nuclear y Salvaguardas • M. en C. Pablo Ruiz López • M. en C. Noel Moreno Cuahquentzi • M. en C. María de Lourdes Serrano Ramírez • Ing. José Alberto López Méndez • M. en C. Enrique Flores Cuamatzi Profesores de la SEPI-ESIME • Dr. Luis Héctor Hernández Gómez • Dr. Guillermo Urriolagoitia Calderón • Dr. Guillermo Urriolagoitia Sosa • Dr. Carlos Torres Torres • Dr. Juan Alfonso Beltrán Fernández Alumnos de la SEPI-ESIME • M. en C. Arturo Ocampo Ramírez • Ing. Aarón Misael Santos Fernández • Ing. Gilberto Soto Mendoza • Ing. Salatiel Pérez Montejo • Ing. Brayan Leonardo Pérez Escobar • Ing. Jessica Adriana Santillán Gómez

Programa de trabajo


• La renovación de la licencia operativa de una central nuclear tipo BWR es una tarea que no se ha hecho en nuestro país.

• Si bien es cierto que existe una normatividad para este efecto a nivel internacional, cada planta tiene sus propias peculiaridades e historia operativa.

• Los componentes han acumulado horas de operación, por lo tanto, han estado sometidos a cargas de operación normal y, a veces, a eventos no deseados. En el caso de los componentes principales, las cargas repetitivas se presentan con un determinado número de ciclos y con un alto nivel de esfuerzo. Esto genera distintos niveles de daño en los materiales. Debido a esto, es importante evaluar cuantitativamente la vida consumida y la vida remanente

• Adicionalmente a lo anterior, las componentes han presentado envejecimiento de sus materiales, en forma de corrosión, fragilización, pérdida de material, etc.

CONSIDERACIONES GENERALES

Programa de trabajo


Los estudios a realizar se enfocarán en: 1. El comportamiento dinámico estructural y de fractura de las bombas

de chorro. 2. La integridad estructural ante grietas de la envolvente del núcleo. 3. La integridad acústico-estructural del secador de vapor. 4. La integridad estructural de la vasija del reactor. 5. La fatiga térmica en válvulas. 6. La fatiga mecánica en tuberías de seguridad y alivio. 7. La fragilización por irradiación neutrónica en la pared de la vasija del

reactor.

La CNSNS considera que se debe especial atención aquellos componentes de la vasija del reactor y sus partes internas donde se han presentado defectos o indicaciones que potencialmente pueden generar fallas y cuya reparación o modificación resulta compleja.

Programa de trabajo


• BOMBAS DE CHORRO: Respuesta dinámica, tamaño permisible de grieta, interacción fluido-estructura, ensamble sumergido y “cross flow.”

• ENVOLVENTE DEL NÚCLEO: Integridad estructural ante grietas (Caso U1) e integridad estructural ante grietas (Caso U2).

• SECADOR DE VAPOR DEL REACTOR NUCLEAR: Interacción fluido-estructura y cargas acústicas.

• VASIJA DEL REACTOR: Cascarón con tapas y faldón y boquillas con “thermal sleeve.”

• CONTENEDOR PRIMARIO: Análisis de presión interna y capacidad última, fatiga de penetraciones y recubrimiento metálico.

• FATIGA TÉRMICA: Válvulas de compuerta de recirculación, válvulas de aislamiento de vapor principal y compuertas de personal y acceso de equipo.

• FATIGA MECÁNICA: Tubería de descarga de seguridad y alivio.

• FRAGILIZACIÓN POR IRRADIACIÓN NEUTRÓNICA EN LA PARED DE LA VASIJA Y SUS INTERNOS; modificación de propiedades de los metales por daño neutrónico e integridad estructural.

Los temas, que a la vez son las metas, que se pretenden resolver en este proyecto son los siguientes:

Metodología


• Definición de los casos de estudio • Establecimiento de las condiciones de operación, identificando los ciclos de carga y

determinación de las propiedades mecánicas de los materiales de los componentes. • Investigación del estado de arte, mediante cursos y bibliografía especializada,

determinado los aspectos que se deben evaluar para extender la vida operativa. • Aspectos de seguridad que se deben evaluar de acuerdo a la normatividad aplicable. • Desarrollo de la evaluación. • Dependiendo de los resultados y tipo de análisis, se identificarán casos que requieran

una solución original. Esto se realiza en marco de trabajos de investigación a nivel doctoral.

• Presentación de los resultados ante la Comisión Nacional de Seguridad Nuclear y Salvaguardias.

• Documentación de los resultados y metodologías para ser utilizados en el proceso de la renovación de la licencia operativa de la central nuclear.

• Transferencia del desarrollo tecnológico y de investigación a la CNSNS.

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1 PRESENTACIÓN DE ESTE PROYECTO ANTE CONACyT 2 FORMALIZACIÓN DEL PROYECTO ANTE CONACYT3 CONVENIO DE COLABORACIÓN DE LA CNSNS4 ADQUISICIÓN E INSTALACIÓN DE LA INFRESTRUCTURA REQUERID

5 Respuesta dinámica6 Tamaño permisible de grieta7 Interacción f luido-estructura Ensamble sumergido8 Interacción f luido-estructura Cross f low9 Redacción de artículos para publicación

10 Desarrollo de tesis11 Evaluación de la seguridad para extender la licencia operativa

12 Integridad estructural ante grietas, Caso U113 Integridad estructural ante grietas, Caso U214 Redacción de artículos para publicación15 Desarrollo de tesis16 Evaluación de la seguridad para extender la licencia operativa

17 Interacción f luido-estructura, cargas acústicas18 Redacción de artículos para publicación19 Desarrollo de tesis20 Evaluación de la seguridad para extender la licencia operativa

21 Cascarón con tapas y faldón22 Boquillas con thermal sleeve23 Redacción de artículos para publicación24 Desarrollo de tesis25 Evaluación de la seguridad para extender la licencia operativa

26 Análisis de presión interna y capacidad última27 Fatiga de penetraciones y recubrimiento metálico28 Redacción de artículos para publicación29 Desarrollo de tesis30 Evaluación de la seguridad para extender la licencia operativa

Etapa 5

ENVOLVENTE DEL NÚCLEO

SECADOR DE VAPOR

VASIJA DEL REACTOR

Id Hitos

BOMBAS DE CHORRO

Etapa 3 Etapa 4

Etapa 1 Etapa 2

No. Proyecto 211704 Titulo Seguridad nuclear en la renovación de la licencia de operación de la central nucleoeléctrica mexicana y generación de recursos humanos.

CONTENEDOR PRIMARIO

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30 Evaluación de la seguridad para extender la licencia operativa

31 Válvulas de compuerta de recirculación32 Válvulas de aislamiento de vapor principal33 Compuertas de personal y aceso de equipo34 Redacción de artículos para publicación35 Desarrollo de tesis36 Evaluación de la seguridad para extender la licencia operativa

37 Tubería de descarga de seguridad y alivio38 Redacción de artículos para publicación39 Desarrollo de tesis40 Evaluación de la seguridad para extender la licencia operativa

41 Modif icación de las propiedades de los metales por daño neutrónico42 Integridad estructural43 Redacción de artículos para publicación44 Desarrollo de tesis45 Evaluación de la seguridad para extender la licencia operativa

46 PD644 - BPV Code, Section III: Advanced Design and Construction of N 47 PD231 - Shock and Vibration Analysis48 PD146 - Flow -Induced Vibration w ith Applications to Failure Analysis49 PD268 - Fracture Mechanics Approach to Life Predictions50 Nuclear regulatory training, Licensing Professional Development Semin51 Conferencia anual de la US Nuclear Regulatory Commission52 Congreso anual de la British Society for Strain Measurements53 International Conference on Advanced Computational Engineering and

54 ELABORACIÓN DEL REPORTE Y EVALUACIÓN FINAL55 CIERRE DEL PROYECTO56 FIN DEL PROYECTO

FATIGA MECÁNICA

REPORTES FINALES Y CIERRE DEL PROYECTO

FRAGILIZACIÓN DE LA PARED DE LA VASIJA DEL REACTOR

CURSOS Y ASISTENCIA A CONGRESOS

FATIGA TÉRMICA14

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ACTIVIDADES QUE ESTÁN EN DESARROLLO ACTUALMENTE

Recursos solicitados para este proyecto


• Se requiere desarrollar infraestructura en la SEPI-ESIME y la CNSNS. En términos generales estará enfocada al análisis por fatiga debido a esfuerzos térmicos y mecánicos y análisis dinámicos estructurales. Asimismo, debe facilitar el intercambio de información entre ambos grupos (CNSNS Y SEPI-ESIME), por lo que se deberá contar con los mismos programas de cómputo.

• En el caso de la primera institución, se actualizará con la que se cuenta en este momento y, a la vez, se adquirirá equipo para hacer investigación en los temas que se han planteado para este proyecto.

• Con respecto a la CNSNS, se desarrollará la infraestructura que es necesaria para realizar los estudios propuestos y que se debe contar para el proceso de la renovación de la licencia operativa. Asimismo, les permitirá manejar los resultados que se obtengan en este trabajo.

Impacto del proyecto


• El principal impacto de este proyecto es la revisión de la solicitud para extender la licencia operativa de la unidad 1 de la Central Nuclear de Laguna Verde, en el ámbito de integridad estructural. El no conceder dicha licencia, esta instalación saldría de operación en el 2020 y 2025. Se perdería el 3% de la generación de energía, lo cual equivale a 1400 MW eléctricos. Para sustituirla, sería necesario construir otra central con una vida útil de cuarenta años.

• Con el desarrollo del presente proyecto se capacitará al personal de la CNSNS al más alto nivel académico y desarrollando tecnología de punta aplicada para la revisión de seguridad de la CNLV.

• Se realiza trabajo de investigación enfocado a la renovación de la licencia operativa. Con esto se incrementará la capacidad técnica de la CNSNS. Asimismo, los estudiantes de posgrado de la SEPI-ESIME que participen en este proyecto, se podrán a disposición de la CNSNS al término de sus estudios.

Resultados esperados


• Contar con los criterios de integridad estructural para evaluar los niveles de seguridad durante la operación de la Central Laguna Verde en la extensión de operación solicitada.

• Determinar la integridad estructural e índices de seguridad de los componentes estudiados. Estos servirán para el proceso de revisión de la renovación de la licencia de operación.

• Apoyar a la CNSNS en el desarrollo del Informe de Evaluación de Seguridad, el cual se presenta a la SENER y contiene la opinión sobre otorgar la renovación de Licencia.

• Desarrollar la infraestructura que requiere la CNSNS para el proceso de renovación de la licencia operativa.

• Capacitar los recursos humanos que requiere la CNSNS para este efecto.

• La SEPI-ESIME graduará a alumnos de posgrado que podrán integrarse en el sector nuclear nacional.

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