Autonomous Power Plants
An autonomous control framework for advanced reactors
Richard T. Wood*, Belle R. Upadhyaya, Dan C. Floyd
Department of Nuclear Engineering, University of Tennessee, 309 Pasqua Engineering Building, Knoxville, TN 37996-2300, USA
Un marco de control autónomo para reactores avanzados
Varios conceptos de reactores nucleares de IV Generación tienen como objetivo optimizar la recuperación de inversiones mediante la introducción gradual de varias unidades en un sitio común con instalaciones compartidas y/o sistemas de conversión de energía reconfigurables. De hecho, los reactores modulares pequeños (SMR) son adecuados para el despliegue remoto para soportar microrredes altamente localizadas en regiones aisladas y subdesarrolladas.
O&M
La viabilidad económica a largo plazo de estas plantas de reactores avanzados depende de reducciones significativas en los costos de operación y mantenimiento de la planta. Para lograr estos objetivos, se necesitan capacidades de diagnóstico y de control inteligente para proporcionar operaciones casi autónomas con mantenimiento anticipado.
AI
Un sistema de control casi autónomo debería permitir el funcionamiento automático de una planta de energía nuclear mientras se adapta a las fallas de los equipos y otras alteraciones. Debe tener muchas capacidades inteligentes, como diagnóstico, simulación, análisis, planificación, reconfigurabilidad, autovalidación y decisión. Estas capacidades han sido objeto de investigación durante muchos años, pero un sistema de control autónomo para la generación de energía nuclear sigue siendo un objetivo aún no alcanzado.
Artículo
Aquí se describe un marco funcional para el control inteligente y autónomo que puede facilitar la integración de capacidades de control, diagnóstico y toma de decisiones para satisfacer los objetivos operacionales y de desempeño de centrales eléctricas basadas en reactores avanzados multimodulares.
- Introducción
Los reactores avanzados abarcan los conceptos de reactores nucleares de IV Generación, así como los reactores modulares pequeños (SMR). Los conceptos de reactores de generación IV incluyen reactores térmicos y de espectro rápido que utilizan refrigerantes como gas (helio, dióxido de carbono), metal líquido (sodio, plomo bismuto), sal fundida (sales de fluoruro con combustible disuelto) y agua supercrítica.
Los SMR incluyen reactores de sistemas primarios integrales refrigerados por agua, así como diseños de sistemas de reactores integrales y de circuito no refrigerados por agua. Los primeros tipos de reactores se denominan generalmente diseños SMR a corto plazo, mientras que los últimos tipos de reactores se identifican como diseños SMR avanzados.
Las discusiones posteriores en este artículo se centrarán en los SMR porque muchos conceptos de reactores nucleares de IV Generación adoptan o son adecuados para el enfoque SMR para optimizar la recuperación de la inversión mediante la introducción gradual de múltiples unidades pequeñas en un sitio común con instalaciones compartidas y/o sistemas de conversión de energía reconfigurables. Además, los diseños SMR no refrigerados por agua son subconjuntos de conceptos de reactores nucleares de generación IV a mayor escala.
Un SMR se caracteriza generalmente por: (1) una capacidad de generación eléctrica de menos de 300 MWe (megavatios eléctricos), (2) un sistema primario que se fabrica total o sustancialmente dentro de una fábrica, y (3) un sistema primario que puede ser transportado por camión o ferrocarril al sitio de la planta.
Además de la idoneidad para la fabricación en fábrica, la modularidad de los SMR también se refiere a la implementación de múltiples módulos (es decir, unidades de reactor) en un sitio de planta. Estos reactores pueden presentar costos de capital más bajos que los reactores grandes, permitir adiciones incrementales a la capacidad de generación en un parque de energía centralizado y soportar múltiples aplicaciones de energía (por ejemplo, proceso de calor, desalinización, producción de hidrógeno y generación de electricidad). Además, los SMR pueden servir como una base altamente confiable para redes más pequeñas e incluso pueden implementarse de forma remota para admitir microrredes altamente localizadas en regiones aisladas y subdesarrolladas.
Dos factores críticos para la competitividad económica de los SMR son (1) el costo de capital inicial para construir la planta y (2) el costo diario de la administración de la planta. El factor de competitividad del costo de capital depende principalmente del tamaño y la complejidad de los componentes que se deben fabricar y los métodos de instalación. En esta área, los SMR tienen una clara ventaja sobre las grandes plantas. Debido a su pequeño tamaño y, en muchos casos, a las configuraciones de islas nucleares simplificadas, se espera que los costos de capital sean mucho más bajos para los SMR en comparación con los de los grandes reactores de agua ligera de Generación III. Los SMR avanzados, que utilizan refrigerantes distintos del agua como medio de transporte de calor primario, introducen varios conceptos de seguridad pasiva y características de control que reducen aún más la complejidad de los diseños de sistemas primarios al eliminar componentes y sistemas redundantes.