Gestión del mantenimiento predictivo basado en la curva integrada del ciclo de vida (ILCCpm) Lecciones aprendidas del mantenimiento avanzado de las centrales nucleares

Por: Prof. Javier Borda Elejabarrieta

1. INTRODUCCIÓN

Las centrales nucleares (NPPs) presentan la paradoja de ofrecer una extremadamente elevada fiabilidad operativa, pero al mismo tiempo producir una serie de efectos catastróficos en caso de que se produzca algún accidente grave. Se puede decir que en este sentido, son una apuesta, aunque, afortunadamente, una apuesta que puede ser gestionada y controlada.

Al analizar la historia reciente (70 años), se observa que los tres accidentes graves registrados han estado relacionados, en dos casos, con errores humanos y fallos en la comprensión o aplicación de procedimientos (Three Mile Island, EE. UU., y Chernóbil, antigua URSS), y en un tercer caso, con una inadecuada elección del emplazamiento (Fukushima, Japón).

2. DESAFÍOS DEL MANTENIMIENTO EN LAS CENTRALES NUCLEARES

Para afrontar este tipo de desafíos, la anticipación es clave. En ese sentido, se han desarrollado y consolidado dos políticas de mantenimiento diferenciadas y altamente avanzadas:

• La gestión del mantenimiento predictivo basada en la curva integrada del ciclo de vida (ILCCpm), como eje articulador de todas las prácticas de operación y mantenimiento (O&M) de la planta; y
• La exigencia estricta de un rendimiento extremadamente elevado en la producción eléctrica, no solo como síntoma de una instalación saludable, sino también como incentivo para invertir en seguridad más allá de los estándares obligatorios.

Sin duda, se trata de un par de directrices poderosas que son auditadas de forma continua por el IAEA (Organismo Internacional de Energía Atómica), especialmente en lo que respecta a la ampliación del fin de vida útil (EOL), cuando esta se extiende más allá de la vida útil de diseño original (PDL).

El envejecimiento está en el núcleo de cualquier proceso de deterioro en una central nuclear, por lo que el aspecto clave dentro del enfoque ILCCpm es el conocimiento obligatorio de los mecanismos de envejecimiento y la física subyacente de los sistemas críticos, conocido como SAM (System Ageing Mechanisms & Physics Behind), que consideran:corrosión química, estrés mecánico por vibraciones, golpe de ariete, agrietamiento térmico, por tensión y fragilidad, disminución de las propiedades mecánicas de los materiales por radiación.

Este aspecto es fundamental, ya que exige contar con personal de operación y mantenimiento (O&M) altamente cualificado, proactivo y con una fuerte disposición al aprendizaje continuo. Un equipo reducido, pero de alta calidad, respaldado por sistemas de inteligencia artificial y aprendizaje automático (AIML, Artificial Intelligence & Machine Learning).

Cabe destacar que la aplicación efectiva de estas dos políticas mencionadas requiere medidas concretas a lo largo de todo el ciclo de vida (LCC). Dos indicadores individuales pueden utilizarse para su evaluación:

• Entropía (S), como medida del envejecimiento; y
• Eficiencia Global de los Equipos Tecnológicos (OEEt), como indicador del rendimiento operativo.

Ambos parámetros están interconectados entre sí y con la Función de Fiabilidad de Weibull, de la siguiente manera:
que debe ser muy pequeño
 debe ser por lo tanto, muy elevado

En la siguiente gráfica, se muestra la distribución actual de la edad de los reactores de agua a presión (HWR, por sus siglas en inglés). Los PWR son los más seguros y eficientes en la transmisión de calor, en igualdad de condiciones. En términos generales, las centrales nucleares tienen un rendimiento termodinámico alto debido a la alta temperatura de la fuente de calor del reactor.

3.  PROFUNDIZANDO EN EL ILCCpm

El ILCCpm debe construirse desde las primeras etapas del diseño de la central nuclear, permitiendo que sean fáciles las pruebas, las intervenciones, la inspección, la existencia de sistemas redundantes y la posibilidad de obtención de datos e información tecnológica de los equipos. En particular, un acceso mal concebido a las pruebas y las entradas, puede agravar el envejecimiento debido a su repetición sistemática, algo crucial para el mantenimiento predictivo-preventivo.

La evaluación sistemática, científicamente segura y fiable, del mecanismo de envejecimiento debe incluir:

• Ecuaciones físicas implicadas y sus parámetros probados.
• Comparado con el software de regresión simbólica AIML (Promid)
• Estudio profundo del riesgo de fallo catastrófico.
• Medidas para la corrección anticipada y el restablecimiento, como mínimo, a las condiciones iniciales estándar.
• Aparición de nuevos procesos de envejecimiento derivados.
• Degradación de los estándares de operación y su relación explícita con las ecuaciones anteriores.

La identificación de las causas-raiz es esencial, y a menudo difícil de evaluar, debido a la falta o mala comunicación entre las etapas de diseño, fabricación, montaje, puesta en servicio, operación y mantenimiento. La clave es que la gente de O&M cree un hilo conductor de temas de interés común entre todos ellos, y hacerlo en el período joven del NPP, de 5 a 10 años.

El ILCCpm debe permear los niveles inferiores de mantenimiento con directrices explícitas para operación predictiva-preventiva-sustitución optimizada de sistemas o componentes no críticos:

Al considerar el marco temporal más propenso a fallos y con mayor riesgo, da la máxima probabilidad instantánea de fallo que ocurre en t.

, y con K = 2, se puede aproximar a:

 , con , y 

Para la sustitución preventiva de sistemas o componentes no críticos, se puede utilizar la optimización basada en Weibull de la siguiente manera:

¡AVISO!
Se deben utilizar sistemas redundantes cuando el componente forma parte de un proxy o cumple una función crítica.

En la vida útil central del ciclo de vida LCCV, λ ≃ cte y K ≃ 2 (Weibull → Normal de Gauss)
 Fiabilidad = Probabilidad de que no se produzca el fallo antes del instante t

Por lo tanto, la probabilidad de fallo en T:

, donde tomando K = 2, y con
C_f = coste del fallo
C_s = coste de sustitución del sistema/componente
T = Periodo de sustitución para estrategia de mant. preventivo
C = coste total de la política seleccionada

Para  y T = T₀, se obtiene:

¡AVISO!
Tomando valores específicos de T₀

• T₀₁ (nivel) corresponde a componentes redundantes relacionados con sistemas críticos.
• T₀₂ corresponde a componentes considerados no críticos.

El sistema piramidal asociado a una central nuclear típica es el siguiente:

El personal de O&M se capacita y renueva diariamente con los conocimientos científicos y prácticos que sustentan cada evento de O&M, utilizando la información científica cualificada proporcionada por el AIML (Promid).

4. PUNTOS CRÍTICOS TÍPICOS ASOCIADOS AL ENVEJECIMIENTO EN CENTRALES NUCLEARES

Es necesario clasificarlos en dos niveles diferenciados: bajo-medio, con problemas de seguridad, y alto, pero todos requieren una gestión estratégica de ILCCpm.

En el nivel bajo-medio

• La presión y la deformación por radiación de la calandria (Intercambiador tubular primario) producen un número de Reynolds más alto, turbulencia y disminución del rendimiento de refrigeración del combustible. En ocasiones, si se ha fragilizado el material, se producen fugas de refrigerante primario radiactivo.

• Tuberías de alimentación: adelgazamiento de paredes, corrosión, agrietamiento por tensión.

• Tubos de generador de vapor: corrosión, fugas y emisiones no radiactivas.

Ataque por radiación a cables de PVC, fallo de aislamiento, oxidación de rejillas y conductores en baterías: redundancia para evitar cortes de energía en los sistemas de seguridad esenciales.

PRUEBAS VISUALES CONTINUAS Y CUIDADOSAS NO INVASIVAS (PERIODOS MUY CORTOS)

Riesgos de seguridad altamente críticos

• Frenado de las barras de control y peligro de moderación inadecuada del momento crítico. Su cinemática debe monitorizarse continuamente mediante pruebas cíclicas en todas las barras del núcleo del reactor. También debe probarse de la misma manera la caída de emergencia de las barras por gravedad para asegurar la detención completa del proceso de fisión en caso de rotura (por ejemplo, un terremoto).
• En la estructura de la vasija y la contención, la tensión térmica y la fragilización pueden provocar grietas y fugas reactivas a tierra. Es necesario realizar una inspección visual automatizada y continua de la vasija y la contención, con la supervisión de filtros inteligentes en la sala de control.
• Deformación y fragilización del conjunto del reactor por radiación, sustancias químicas y tensión térmica. Existe el riesgo de que las grietas se transmitan a la vasija y se produzcan pérdidas radiactivas a tierra.
• La falta de refrigeración adecuada del núcleo o la detención por un conjunto de raíces clasificadas críticas provoca la fusión del núcleo y la vasija, y fugas radiactivas masivas al aire y al suelo.

La sustitución predictiva y temprana impulsada directamente por ILCCpm, con mejoras en los estándares de actualización, permiten una mejora significativa (mejor que la condición t=0)

Se aplica tecnología y gestión de mantenimiento de vanguardia sin precedentes en las centrales nucleares. Cada tornillo o tuerca se toma en serio, buscando la anticipación. Es imposible hacerlo de otra manera, dada la complejidad del sistema, las condiciones de tensión y las consecuencias catastróficas de un accidente (aunque improbable).

Esta práctica de vanguardia se basa en:

• El modo conectado de gestión de la curva de vida útil de las tuberías de baño impulsado por ILCCpm.
• La predicción sistemática y la inspección continua de componentes y sistemas, lo que permite una sustitución temprana.
• La exigencia dual e integrada del IAAE de seguridad ilimitada y eficiencia de la planta (S, OEEt).
• Personal cualificado de vanguardia, asistido por robótica de mantenimiento avanzada como Profun, y software de aprendizaje automático con IA como Promind.
• Un modelo de negocio automejorado y continuo, capaz de convertir los estándares de seguridad más altos, por encima de las normas del IAAE, en un mejor retorno de la inversión (ROI) para la planta en términos de mayor potencia suministrada por unidad de tiempo.
• Una política empresarial definitiva que se propone “más que restaurar” los estándares de fiabilidad de los sistemas de mantenimiento anteriores, obteniendo así un poco más de eficiencia cada año.

5. CONCLUSIONES

• Los minirreactores distribuidos más pequeños, así como las centrales nucleares de fisión, volverán a estar disponibles, calificados como “energía verde transitoria” por la UE. y EE. UU.
• La generación de energía de fondo, continua y confiable, libre de emisiones, los hace independientes de problemas climáticos (solar, eólica, hidráulica) y de conflictos de suministro (gas natural), lo que los convierte en un componente valioso para cubrir las necesidades energéticas de un país.
• Todo esto, hasta la llegada de la fusión, dentro de 25-30 años.

Fuente: AEM Dailynews