Diseño y optimización de componentes estructurales en centrales nucleares

Capacidad que garantiza la integridad del reactor, así como la seguridad contra posibles escapes de radiación en espacios restringidos y protegidos ante condiciones adversas, como terremotos o huracanes.


Período

2011-2023

Sector

Nuclear

Servicio

Diseño y optimización de componentes estructurales en centrales nucleares
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CONTEXTO

El sector nuclear requiere de la aplicación de metodologías específicas de cálculo estructural y un conocimiento y seguimiento de la normativa específica para el desarrollo de centrales nucleares. SOLUTE cumple con estas especificaciones y por eso aporta su experiencia para proporcionar servicios en el diseño y optimización de componentes para este sector.

Un aspecto clave en el diseño de las centrales nucleares es el diseño civil y estructural, que debe analizarse para garantizar su integridad ante cualquier evento externo severo sin comprometer en ningún momento el reactor. Para lograr este objetivo se exigen requerimientos de seguridad muy estrictos, por lo que los análisis de estas estructuras solo pueden estar regidos por criterios reconocidos por reguladores nucleares, como la NRC (Nuclear Regulatory Commission).

Gracias al correcto diseño y a la optimización de los componentes estructurales se consigue reducir costes ganando una mayor competitividad en el mercado y, sobre todo, seguridad contra escapes de radiación al garantizar que la carga nuclear se mantenga en un espacio restringido y protegido ante condiciones de accidente o eventos externos, tales como terremotos o huracanes.


RESULTADOS

La información resultante se concreta en la documentación necesaria para su posterior construcción y justificación técnica. Es decir, planos detallados, especificaciones de montaje y documentos técnicos que registren todos los análisis. Estos últimos servirán para justificar la viabilidad de dichas estructuras. El trabajo puede ser multidisciplinar por lo que debe implicarse a todos los equipos en la emisión de resultados o al menos dejar bien trazado cualquier impacto que el diseño pueda estar ocasionando a otra estructura o disciplina.

EXPERIENCIA

Desde 2011, SOLUTE participa en el desarrollo del proyecto de una central nuclear comercial abordando el diseño y análisis del edificio escudo que rodea el recipiente de contención, esto es, el componente estructural que contiene el reactor nuclear. SOLUTE participa también en el diseño de otros componentes y estructuras auxiliares de la edificación en unas tareas que pueden ser extrapolables a cualquier edificación del sector nuclear e incluso otros sectores industriales.

El cálculo estructural se lleva a cabo mediante modelos de Elementos Finitos utilizando herramientas como GTSTRUDL y ANSYS a partir de análisis estáticos o dinámicos.

METODOLOGÍA

Para que un modelo de central sea comercial debe haber sido certificado por el regulador nuclear nacional competente previamente a su ejecución. Es imprescindible contar con guías de diseño aprobadas, tanto estructuras de hormigón como de acero, que van sustentadas por normativa o estándares nucleares que especifican la metodología para su análisis (ACI, ANSI - AISC N690, AISI, AWS…).

A la hora de evaluar un diseño se debe tener en cuenta si nos encontramos ante una modificación o la creación de un diseño nuevo, por lo que inicialmente se deben revisar los inputs, planos y modelo 3D, así como toda la información dentro de las guías y normativa antes de evaluar las posibles soluciones de diseño.

Asimismo, deben tenerse en cuenta los impactos a otras estructuras o disciplinas dentro de la central para mantener la comunicación si procede. En otro sentido, puede darse el caso de que la modificación de algún componente estructural esté impactando en la estructura para lo que será necesario justificar que el diseño existente soporte dicha modificación. Para ello habrá que reevaluar el diseño teniendo como input ese cambio.

El cálculo estructural se lleva a cabo mediante modelos de Elementos Finitos utilizando herramientas como GTSTRUDL y ANSYS a partir de análisis estáticos o dinámicos. Los casos de carga deben tener en cuenta la carga muerta y las condiciones de operación de la central (carga térmica, presiones hidrostáticas…), condiciones de montaje y, también, condiciones de accidente, así como eventos externos tales como terremotos.

Las fuerzas sísmicas se obtienen a partir del análisis del espectro de respuesta de modelos tridimensionales de elementos finitos de toda la central nuclear. Los análisis de elementos finitos se complementan con cálculos analíticos locales más refinados, siguiendo los códigos y estándares específicos.

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