ARA: El submarino nuclear de Castro Madero

Adaptación propuesta para la propulsión nuclear de un submarino, tal como fue concebida en la CNEA.

Historia del proyecto de Submarino Nuclear Argentino

 
Sólo recientemente, en los últimos 7 años el proyecto de Submarino Nuclear Argentino, ha alcanzado un grado avanzado de desarrollo un proyecto en el Centro Atómico Bariloche.
 
La idea de desarrollar y construir un submarino con propulsión nuclear en nuestro país podemos retrotraerla hasta fines de la década del '40, en la posguerra, cuando el impacto producido por la liberación de la energía nuclear conmovió a la humanidad.


Juan D. Perón, entonces presidente de los argentinos tuvo la visión de atraer algunos científicos y tecnólogos de la destruida Alemania, de Italia y Polonia para desarrollar sus conocimientos en Argentina.

Entre ellos se destacó Kurt Tank, diseñador y constructor de famosos aviones que participaron de la Segunda Guerra Mundial, quien junto a su equipo de notables ingenieros y técnicos, nutrió con su valiosa experiencia a la Fábrica Militar de Aviones en Córdoba (hoy Fadea), concretando el emblemático avión de caza IA-33 Pulqui II, proyecto que lamentablemente se esfumó luego del derrocamiento de Perón en 1955.

Precisamente, el ingeniero Tank le presentó a Perón el físico austríaco Ronald Richter (1909-1991), quien se ofreció a trabajar para lograr la fusión nuclear controlada con la finalidad ulterior de obtener energía eléctrica de bajo costo. Conocido como Huemul, el costoso proyecto de Richter terminó en escándalo de proporciones y un papelón internacional. De hecho, al día de hoy nadie logró la fusión nuclear controlada como esperaba el austríaco.


Hombre de la Segunda Guerra Mundial, Kurt Tank.

También se dice que Kurt Tank aconsejó a Perón sobre la conveniencia de utilizar la energía nuclear en la propulsión de submarinos.

El 31 de mayo de 1950, Perón crea la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA).
Mientras tanto, en la primera mitad de la década del '50, en los EEUU se desarrolla el primer submarino con propulsión nuclear en un proyecto liderado por el almirante Hyman G. Rickover (1900-1986). Dicho submarino, denominado Nautilus, navegó exitosamente durante 30 años impulsado por un reactor nuclear tipo PWR (Pressurized Water Reactor) desarrollado por Westinghouse.

En nuestro país la CNEA creció en instalaciones, tecnología y recursos humanos en forma continua hasta que en 1976, durante el gobierno militar, recibe un impulso extraordinario en recursos al asumir su conducción el almirante Carlos Castro Madero. Su gestión se extendió hasta el retorno de los gobiernos civiles en 1984.

En este período se concibe un ambicioso plan nuclear que preveía la instalación de seis centrales nucleares de potencia hacia el fin del milenio. En 1977 se crea la empresa Invap SE y se desarrollan varios proyectos sensibles en forma secreta, tales como el enriquecimiento de uranio, el diseño de un reactor para producción de plutonio y también el diseño de un reactor adecuado para la propulsión de un submarino.

Simultáneamente, de acuerdo con los decretos "S" PEN N° 956/74 y N° 768/74 (1), se suscribió un convenio con los astilleros Thyssen Nordseewerke de la entonces Alemania Occidental para la transferencia de la tecnología necesaria para fabricar un astillero especializado y los submarinos de la clase TR1700 con propulsión diésel-eléctrica. Pero estaba prevista una modificación de los mismos para proveerlos de propulsión nuclear mediante un reactor desarrollado en conjunto por la empresa Invap y la CNEA. En principio se preveía la construcción de seis submarinos; los dos primeros en Alemania y los siguientes cuatro en el astillero Domecq García en nuestro país.
Invap realizó un estudio de factibilidad y diseño conceptual de un reactor nuclear, en los primeros años de la década del '80, que fue vendido a la Armada Argentina en un monto de U$S 5.000.000. Este diseño fue una copia del reactor del Otto Hahn, barco de propulsión nuclear construido por Alemania en 1964. Fue una mala elección.



Almirante (R) Carlos Castro Madero.

Esta iniciativa fue discontinuada durante los gobiernos constitucionales que siguieron al gobierno militar. Invap intentó continuar el desarrollo del reactor adaptándolo para la generación de energía eléctrica dando origen al Proyecto Carem, que aún perdura dentro del ámbito de la CNEA. También una mala decisión.
De aquí surgió el "mito" de que el reactor Carem es el reactor desarrollado para el submarino nuclear y los más inclinados a las teorías conspirativas aseguran que el Nahuelito (mítico monstruo del lago Nahuel Huapi) es en realidad el "submarino de Invap".
Adaptación propuesta para la propulsión nuclear de un submarino, tal como fue concebida en la CNEA.
El reactor Carem es un reactor de tipo "integrado" y autopresurizado, refrigerado y moderado con agua natural y combustibles de uranio enriquecido. No es un diseño adecuado para la propulsión de submarinos y no hay ningún submarino con propulsión nuclear que utilice reactores de este tipo.




A fines de la década del '80 hubo otro intento de utilizar la energía nuclear para la propulsión de submarinos en conjunto con Canadá. La idea era utilizar el reactor AMPS 1000 desarrollado en Canadá, que generaría alrededor de 1 MW eléctrico, como cargador de baterías para un submarino de un desplazamiento de alrededor de 2.000 toneladas. El acrónimo AMPS significa Autonomous Marine Power Source (Fuente de Energía Marina Autónoma).

Se pretendía de esta forma dotar al TR1700 de propulsión nuclear. Dicha iniciativa se frustró por el veto de la Armada de los Estados Unidos a la aspiración canadiense.

En 1991, en una publicación del Consejo Argentino para las Relaciones Internacionales (CARI), el almirante (R) Carlos Castro Madero analizó en un artículo de acceso público la factibilidad técnica de que Argentina encare el desarrollo y construcción de un submarino con propulsión nuclear. Sus conclusiones son claramente favorables. 

Finalmente, en 2010 la entonces ministro de Defensa, Nilda Garré, después de conversaciones infructuosas con Brasil para realizar un proyecto conjunto, anuncia que se construirá un submarino nuclear en el país.

Tras un año de discusiones de cómo organizar el proyecto y de una breve y frustrada incursión de Invap en el tema, el entonces ministro de Planeamiento Federal, Julio De Vido encomienda a la CNEA, entonces bajo su órbita, comenzar a trabajar en un reactor nuclear adecuado para dicho propósito.

Las autoridades de la CNEA, en esa época presidida por la licenciada Norma Boero y asesorada por el contralmirante (R) Domingo Giorsetti, me encomendaron la dirección de dicho proyecto. Organicé un grupo formado por dos ingenieros nucleares, un licenciado en Física especialista en cálculo neutrónico, un ingeniero industrial con especialización en Tecnología Nuclear, un ingeniero mecánico y un ingeniero electricista para realizar la ingeniería conceptual y algunos desarrollos necesarios para dicho objetivo. También se contó con la colaboración de otros especialistas en materiales, soldadura láser, combustibles y química de reactores de otros sectores de CNEA. Por su parte la Armada Argentina participó con especialistas propios en la integración naval.



Exasesor de la CNEA, contralmirante (R) Giorsetti.

Transcurridos casi ocho años, el grupo realizó un concienzudo trabajo y a la fecha se completó la ingeniería conceptual del proyecto, denominado internamente como Reactor Nuclear Compacto (RNC), avalado por dos evaluaciones críticas de diseño exitosas realizadas en los años 2014 y 2016 donde participaron los principales especialistas en las distintas temáticas involucradas. Es interesante destacar que este tipo de reactor nuclear también podría emplearse en el medio civil para generación eléctrica o desalinización de agua, por ejemplo.


Sería muy apropiado que este intento que alcanzó un grado tan avanzado de desarrollo no se esfume como ha ocurrido con otros proyectos tecnológicos relacionados con la defensa nacional.


(1) "Plan Nacional de Construcciones Navales Militares" y "Programa de Submarinos" firmados por los presidentes Juan D. Perón y María Estela Martínez de Perón.

Fuente: https://losandes.com.ar edicion Impresa.

Tecnología argentina: Simulador de central nuclear Embalse

Simulador de Principios Básicos de la Central Nuclear Embalse


Introducción
Desde que existen computadores veloces, de gran capacidad de almacenamiento de información y de bajo costo, se ha incrementado el desarrollo y uso de simuladores en el entrenamiento de pilotos de aviación y operadores de centrales nucleares u otro tipo de instalaciones complejas, donde errores de operación pueden provocar verdaderas catástrofes.

Un simulador de principios básicos de una central nuclear consiste en un conjunto de programas que resuelven numéricamente y en tiempo real las ecuaciones que gobiernan el comportamiento dinámico de la planta simulada.

Este tipo de herramientas es utilizado, principalmente en la primera fase del entrenamiento del personal de operación de la central para facilitar a los mismos una representación mental de los fenómenos físicos que gobiernan la planta, además de ser utilizados como una herramienta de aprendizaje de las técnicas de control. Se usan igualmente para entrenamiento de estudiantes o profesionales, e incluso pueden ser utilizados por operadores ya experimentados para mejorar su rendimiento frente a situaciones anormales de operación o de accidentes que eventualmente pudieren ocurrir.

Estos simuladores se diseñan en base a modelos simplificados de la planta, reduciendo la réplica de la sala de control a un conjunto de terminales gráficos de computador, a través de los cuales se realiza la interacción con la planta simulada.

En el marco del Proyecto de las Naciones Unidas para el Desarrollo (PNUD) fomentado por la Agencia Internacional de la Energía Atómica (AIEA) conjuntamente con la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA), se comenzó a desarrollar en el año 1985 en la División Control de Procesos del Centro Atómico Bariloche, un simulador de estas características.

Reseña Histórica
En un principio se realizó la llamada arquitectura del simulador, que consiste en un conjunto de programas en el entorno de la simulación encargado de la sincronización de los mismos para que la simulación corra a tiempo real.

Esta arquitectura fue inicialmente utilizada para simular el reactor de investigación RA-6 emplazado en el Centro Atómico Bariloche, con resultados satisfactorios.

Paralelamente se fueron desarrollando sistemas gráficos de presentación de la información para observar la salida del simulador.

Posteriormente se utilizó la arquitectura para introducir finalmente un modelo de la Central Nuclear Embalse (CNE), llamado MANUVR que era utilizado en el Departamento de Sistemas Eléctricos y Control de la Gerencia de Ingeniería (CNEA) para analizar cambios en los sistemas de control de la central.

Luego se llevó el simulador (arquitectura y modelo) a correr bajo un sistema operativo UNIX, en un computador personal. Anteriormente se encontraba implementado en una Micro VAX II bajo sistema operativo VMS.

Se realizaron, además, varios trabajos de contrastes entre la versión del modelo en el simulador y el código original.

Finalmente se lo implementó en la misma central en el área de capacitación a principios del año 1993.

Metodología de diseño utilizada
Como criterios de diseño se tuvieron en cuenta las restricciones propias de un sistema que debe funcionar en tiempo real, lo que le concede características particulares que deben ser satisfechas, a saber:

Capacidad de manejo de varios procesos concurrentes y sincronizados.
Funcionamiento en tiempo real o menor, según la planta a simular.
Estructura flexible y adaptable a los distintos tipos de instalaciones que se deseen simular.

De varios métodos analizados para el diseño de software de sistemas de tiempo real se adoptó para la arquitectura del simulador el método DARTS (Design Approach for Real Time Systems); ya que dicho método permite modularizar adecuadamente la programación de estos tipos de sistemas.

Una descripción detallada de este método se encuentra desarrollada en: Gomaa, H.: "A Software Design Method for Real-Time Systems", Communications of the ACM, Vol. 27, Num. 9, September 1984.

Características de la arquitectura
La arquitectura del simulador fue diseñada de manera tal que se supone la existencia de al menos dos personas que interactúan con el simulador: un instructor, que establece las condiciones de la simulación, introduce fallas en componentes del sistema, etc, con el objeto de evaluar la capacidad de respuesta de la segunda persona: el operador o entrenando, que realiza acciones de control sobre la planta simulada, tendientes a cumplir con objetivos prefijados de operación.

El simulador presenta en el monitor a la persona instructor un conjunto de menúes los cuales le permiten realizar las siguientes instrucciones: iniciar, detener, continuar y finalizar una simulación; configurar la memoria global; definir las condiciones iniciales de una simulación; etc. Además de estos menúes, existen dos visores que indican al instructor las últimas operaciones realizadas sobre el simulador y el estado en que se encuentra el mismo (SIN CONFIGURAR, CONFIGURADO, LATENTE DEFINIDO, CORRIENDO y DETENIDO). Según el estado en que se encuentre el simulador habrá operaciones permitidas que el instructor podrá realizar y otras que no. Algunas de dichas operaciones le permiten pasar de un estado del simulador a otro.

Como interfaz con el usuario operador se diseñó un sistema de presentación de datos en tiempo real. Este sistema utiliza otro computador aparte del que corre la simulación, y se comunica con el simulador a través de una línea Ethernet. El simulador envía las variables que se muestran al operador y espera recibir las acciones que el operador toma sobre la planta simulada.

Este sistema de presentación gráfica terminó convirtiéndose en otro proyecto dado que se le fueron incorporando otros subsistemas que trascendieron a la específica del simulador. A este sistema de adquisición y presentación de datos se lo llamó DISPLAYER.


DISPLAYER mostrando variables del ciruito secundario del simulador.

Características del modelo
El simulador posee un modelo principalmente termohidráulico. Las componentes que se han modelado en la misma son:

Circuito primario: El modelado del circuito primario consiste en un solo lazo (en la central son dos lazos cada uno pasando dos veces por el núcleo) con: un reactor, un presurizador, un generador de vapor (la central tiene cuatro), y una bomba principal (en realidad son cuatro). Para efectuar el cálculo de las variables utiliza las ecuaciones de balance de masa y energía, prescindiendo de las ecuaciones de momento.
Núcleo: En el núcleo se considera solamente la parte térmica de la transferencia de calor desde la barra combustible al refrigerante, determinándose el perfil de temperaturas de una barra combustible promedio. La potencia neutrónica, según el modo de operación de la planta (NORMAL o ALTERNATIVO) es calculada directamente del resultado del control (control ideal e instantáneo) o extraída de una tabla de valores. Si en determinadas ocasiones llegan a producirse condiciones de setback, stepback o trip, el valor de la potencia neutrónica es determinada por tablas especiales para cada uno de estos eventos.
Presurizador: Se modela el control, los calefactores y la apertura de las válvulas de descarga y de relief. La presión en el mismo se determina utilizando el modelo de gas ideal ( PV = nRT ) en el caso de compresión del vapor, y en el caso de expansión se toma un volumen termodinámico en equilibrio que incluye además del vapor, la zonas del líquido que se encuentra en saturación.

Circuito auxiliar: Se modelan tanto el circuito de bleed, de feed y de purificación. Las mismas incluyen resistencias hidráulicas, el tanque de almacenamiento de agua pesada, bombas de feed, válvulas, filtros, el tanque condensador desgasificador.

Circuito secundario: En el circuito secundario se modelan tanto las válvulas: ASDV, CSDV y relief, como las válvulas de arranque (start-up valve) y principal (mainvalve) del agua de alimentación. La extracción del vapor de turbina (potencia de turbina), según el modo de operación de la planta (NORMAL o ALTERNATIVO) se extrae de una tabla de evolución de la potencia de la turbina o directamente se determina del control (control ideal e instantáneo). Para el trip de turbina se tiene una tabla especial para la misma donde se extrae su evolución. Se modelan también las bombas de alimentación a los generadores de vapor y puede simularse el apagado de una de las mismas pero no así el arranque. También se encuentra modelado el generador de vapor con las ecuaciones de balance de masa y energía.

Control: Se modelan el control de presión en el primario y generador de vapor, el control de nivel en el presurizador y en el generador de vapor, el control de inventario del primario, y los controles de la potencia del reactor y de la turbina (éstas últimas según el modo de operación).


DISPLAYER mostrando un mímico del circuito primario del simulador.

Transitorios que simula
El modelo es capaz de simular distintos transitorios tales como:
Operación en plena potencia, en modo normal o alternativo, pudiendo el usuario cambiar la potencia a través de rampas en el rango del 30% al 100% de potencia.
Realizar trip de reactor y turbina.
Pérdida de clase IV, con la detención de las bombas principal, de alimentación al generador de vapor y de feed.
El modelo posee en forma automática la realización de stepback, setback y trip de reactor.
Puede simular unas 30 fallas como pequeñas roturas de la cañería del primario, detención de bombas, fallas de algunas válvulas, malfuncionamiento de algún sistema de regulación, etc.

Limitaciones que posee el modelo
El rango de validez de la potencia es entre el 10% y el 100%.
El modelo no es válido en problemas en donde el transitorio simulado el circuito primario presente fuerte dependencia con las ecuaciones de momento (por ejemplo: si existen zonas de compresión y descompresión de líquido muy marcadas, o existencia de alto título de vapor).
El modelo no es válido en transitorios donde el nivel del generador de vapor descienda demasiado (donde se observan caudales de recirculación negativos).

El modelo tampoco es válido en transitorios en el cual el nivel del presurizador descienda más que el nivel de los calefactores.
No se pueden simular problemas con asimetrías del primario.
Pueden ser simuladas pequeñas pérdidas de líquido del primario (que sean del orden de magnitud del caudal de bleed), no así las roturas de grandes dimensiones.

Celso Alberto FLURY
fluryc@cab.cnea.gov.ar

Félix MACIEL PALACIO
macielf@cab.cnea.gov.ar


CAB-CNEA