Menu

Nuclear Physics

app

Autonomous Power Plants

0

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.

  1. 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.

SMR

Some Notes

0

\”La generación estable de electricidad (energía) es la columna vertebral del desarrollo económico sostenido.\”

\”Stable electricity production is a backbone for sustained economic development.\”  

The currently available carbon-free energy sources include “traditional” technologies hydro and nuclear, and “non-traditional” alternative sources such as wind, solar, geothermal and other technologies.

Source: N., Gulik, V. & Tkaczyk, A. H. Cost optimization of ADS design: Comparative study of externally driven heterogeneous and homogeneous two-zone subcritical reactor systems. Nucl Eng Des 270, 133–142 (2014).

The evolution of Nuclear Power Plants (NPPs) is usually divided into four generations (GIF, 2014):

  • I generation (1950–1970): early prototypes to test different technologies;
  • II generation (1970–1995): medium-large commercial NPPs, mostly Light Water Reactors (LWRs), conceived to be reliable and economically competitive;
  • III/III + generation (1995–2030): mostly an evolution of the II generation LWR;
  • IV generation (2030+): designs called “revolutionaries” because of their discontinuity with the III/III + generation NPPs. The Generation IV International Forum (GIF) lists six GEN IV tech­nologies (GIF, 2014):
    • VHTR (Very-High-Temperature Reactor) is a thermal reactor tech­nology cooled by helium in the gaseous phase and moderated by graphite in the solid phase;
    • SFR (Sodium-cooled Fast Reactor) is a fast reactor technology cooled by sodium in the liquid phase. It is the most investigated fast reactor;
    • SCWR (Supercritical-Water-cooled Reactor) is a thermal/fast reactor technology cooled by supercritical water. It is considered as an evolution of the actual boiling water reactor because of its compa­rable plant layout and size, same coolant and identical main appli­cation, i.e. electricity production;
    • GFR (Gas-cooled Fast Reactor) is a fast reactor technology cooled by helium in the gaseous phase. This technology aims to put together a high-temperature reactor with a fast spectrum core;
    • LFR (Lead-cooled Fast Reactor) is a fast reactor technology cooled by lead or lead-bismuth eutectic. It is a liquid metal reactor (similar to SFR) for electricity production and actinides management;
    • MSR (Molten Salt Reactor) is a fast or thermal reactor technology cooled by molten salts in the liquid phase and moderated, in most cases, by the graphite. In this technology, the fuel can be in either liquid or solid form (Zheng et al., 2018).

Source: N., Mignacca, B. & Locatelli, G. Economics and finance of Molten Salt Reactors. Prog Nucl Energy 129, 103503 (2020).

Smaller size reactors are going to be an important component of the worldwide nuclear renaissance.
However, a misguided interpretation of the economy of scale would label these reactors as not economically competitive with larger plants because of their allegedly higher capital cost ($/kWe).
 
\”Los reactores de menor tamaño serán un componente importante del renacimiento nuclear mundial. Sin embargo, una interpretación equivocada de la economía de escala, etiqueta a estos reactores como no competitivos económicamente con las plantas más grandes debido a su costo de capital supuestamente más alto ($/kWe).\”
 
Smaller size reactors (IAEA defines as “small” those reactors with power <300 MWe and “medium” with <700 MWe) are the logical choice for smaller countries or those with a limited electrical grid.
The capital cost ($/kWe) of a nuclear reactor decreases with size, because as the size and power increase, the numerator ($) increases less than the denominator (kWe). Thus, in large, developed countries the reactor size has steadily increased from a few hundred MWe 40 years ago to 1500 MWe and more today.
Given that nuclear reactors have mostly been deployed in developed countries, an immediate question is how will SMR fare economically compared to larger reactors (1000 MWe or more)? One assumes that both small and large reactors are candidates for power plants in any market.
 
The reality is that for many countries large reactors are not an option at all. Conditions that prevent large plants from being candidates are:
  • Power grids with limited capacity. It is a general rule that a network should not be subject to power variations greater than 10% of the total capacity of the network. Therefore, 1000 MWe plants cannot be deployed on networks of 10 GWe or less.
  • Remote areas that require small, localized power centers to avoid long and expensive transmission lines.
  • A geography and demography with urban areas of medium size and that need energy quite dispersed, instead of concentrated in a few “mega centers”.
  • Financial capabilities that preclude raising the several billion dollars of capital investment required by larger plants, and are instead limited to the hundreds of millions of dollars typical of smaller plants.
  • Need for cogeneration (desalination, district heating, industrial steam). Although, in principle, cogeneration is independent of the size of the nuclear plant, in practice economic considerations have led the larger plants to be purely electricity producers.
La realidad es que para muchos países los reactores grandes no son una opción en absoluto. Las condiciones que impiden que las plantas grandes sean candidatas son:
  • Redes eléctricas con capacidad limitada. Es una regla general que una red no debe estar sujeta a variaciones de potencia superiores al 10% de la capacidad total de la red. Por lo tanto, las plantas de 1000 MWe no se pueden implementar en redes de 10 GWe o menos.
  • Áreas remotas que requieren centros de energía pequeños y localizados, para evitar líneas de transmisión largas y costosas.
  • Una geografía y demografía con áreas urbanas de tamaño mediano y que necesitan energía bastante dispersas, en lugar de concentradas en unos pocos “mega centros”.
  • Capacidades financieras que impiden recaudar los varios miles de millones de dólares de inversión de capital que requieren las plantas más grandes y, en cambio, se limitan a cientos de millones de dólares característicos de las plantas más pequeñas.
  • Necesidad de cogeneración (desalación, calefacción urbana, vapor industrial). Si bien, en principio, la cogeneración es independiente del tamaño de la planta nuclear, en la práctica las consideraciones económicas han llevado a las plantas más grandes a ser puramente productoras de electricidad.
 
Source: Economic Comparison of Different Size Nuclear Reactors, Carelli, M. D., Petrovic, B. & Mycoff, C. W., Simposio LAS/ANS 2007 / 2007 LAS/ANS Symposium (2007)