Participación de Empresarios Agrupados en la Ingenieria de los

39ª Reunión Anual de la SNE
Reus (Tarragona) España, 25-27 septiembre
2013
Participación de Empresarios Agrupados en la Ingenieria de los
sistemas del Tokamak y edificios auxiliares
Valentín Fernández del Palacio
Empresarios Agrupados (EE.AA.)
lfd@empre.es
Resumen – Los trabajos del “Architect Engineering” comprenden aproximadamente el
diseño de 32 edificios y estructuras, algunas de ellas muy simples y otras
extremadamente complejas. Dentro de los 32 edificios se incluyen edificios nucleares,
como el Toyama, Tritio, o el edificio del diesel de emergencia y edificios
convencionales como el edificio de servicios del emplazamiento. Los sistemas
incluidos alcanzan aquellos relacionados con los sistemas dentro de un edificio
convencional, si bien las interfaces con los sistemas de proceso son incontables.
Empresarios Agrupados lideró el diseño de los sistemas de mecánicos (PBS65) y
eléctricos (PBS43) participando activamente en el diseño de los sistemas de
protección contra incendios de los edificios y del emplazamiento. Durante el desarrollo
de los trabajos de ingeniería el accidente de Fukushima afecto directamente en el
diseño de los sistemas.
1. INTRODUCCIÓN
Para el mejor entendimiento de los alcances e interrelaciones con las distintas entidades o
departamentos, y en particular de Empresarios Agrupados (EE.AA.), conviene centrar el
proyector ITER dentro de la organización ITER.
El Proyecto ITER se ubica dentro del siguiente organigrama.
ITER Council
Financial
Management
Science
Director General
Program
(Osamu M otojima)
Administration
(Ju J in)
Directorate of I ntegration
Directora te of Ad min .
ITER Project
(Remmelt Haange)
Directorate for Central Engineering and Plant (CEP)
Safety, Quality & Security
(Carlos Alejaldre)
Directorate of Building and Site Infrastructure (BSI)
ENGAGE
[EA – ATKINS – ASSYSTEM ‐ EGIS]
Directora te of Tokamak
Directorate of P lasma
..
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Los trabajos de ingeniería desarrollados por Engage se engloban dentro del “Directorate”
“Buildings & Site Infrastructure (BSI)”, en el que se diferencian Sistemas de Edificios,
Edificios Nucleares, Edificios No-nucleares y Exteriores y el “Directorate” “Central
Engineering and Plant (CEP)” encargado entre otros del suministro de energía eléctrica a
ITER y el suministro de energía a las bobinas ”
PBS65/62 PBS62/63 PBS62/63 PBS61
PBS41 PBS43
La división del proyecto ITER, en cuanto a sistemas estructuras y componentes SEC se
realiza mediante PBS´s (Plant Breakdown Structures). Los PBS incluyen, desde las
tuberías de recogida de pluviales del emplazamiento hasta los Test Blanket Modules en
contacto con el plasma. Los PBS o divisiones del Proyecto ITER se asignan a los distintos
´Directorates.´
Con posterioridad al tratado de creación de la Organización ITER, el Consejo de la Unión
Europea constituye en 2007 la “Empresa Común Europea para el ITER y el Desarrollo de
la Energía de Fusión” (Fusion for Energy-F4E o European Domestic Agency). Sus
funciones, entre otras, son la de gestionar el aporte de la Unión Europea a ITER y preparar
la construcción del proyecto ITER. Igualmente cada país miembro de la organización ITER
constituye su propia Agencia Domestica para gestionar el aporte a ITER del país de
procedencia.
El contrato marco de ENGAGE, joint venture formada por EE.AA– ATKINS – ASSYSTEM –
IOSIS se formalizó en 2010 con F4E por un valor aproximado de 150M€ para el diseño y
seguimiento de la construcción de los SEC´s, incluidos dentro de las divisiones PBS61,
PBS65, PBS62, PBS63, PBS41 y PBS43. El contrato se conoce como el “Architect
Engineering-AE”.
El diseño se desarrolla mediante el trabajo conjunto del departamento BSI y CEP de ITER,
F4E y ENGAGE.
2. ALCANCE DEL “ARCHITECT ENGINEERING” AE
En el AE, de forma general, se incluye el diseño de todos aquellos SEC considerados
no pertenecientes al proceso fundamental de ITER, que podemos simplificarlo hablando de
fusión.
De esta forma en el AE se encuentran englobados casi la totalidad de los edificios del
emplazamiento, los sistemas “convencionales” de los mismos, algunos sistemas auxiliares
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del proceso ITER, el suministro y distribución de energía eléctrica y la urbanización del
emplazamiento.
El alcance total de los PBS´s es el siguiente:
Plant Breakdown Structure o
división
Descripción
PBS62
Reinforced concrete buildings
PBS65
Liquid &Gas Networks
PBS63
Steel Frame Buildings
(parcial) PBS41
Coil power supply & distribution
PBS43
Steady State Electrical Power
Network
PBS61
Site
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Entre los SEC´s más significativos se encuentran:
El diseño constructivo del edificio del
Toyama.
Estructura comprendida dentro del
PBS62
Liderado inicialmente por IOSIS y
continuado por (EE.A.)
Sistemas de producción y distribución de
agua caliente para el acondicionamiento
térmico del aire de ventilación de todo el
emplazamiento.
Los sistemas de producción y distribución
del emplazamiento de aire comprimido,
nitrógeno gas, nitrógeno liquido, aire de
respiración, helio, agua desmineralizada
y red exterior de protección contra
incendios.
Sistemas de protección contra incendios
del Toyama. De seguridad y no
seguridad.
Sistemas de aire comprimido y agua
desmineralizada, clasificados de
seguridad nuclear.
El diseño de los sistemas de
manipulación de cargas y puertas de las
celdas del Toyama.
Sistemas de Tratamiento y
acondicionamiento del aire del Toyama.
Sistemas comprendidos dentro del
PBS65
Liderado por (EE.A.)
Estructura comprendida dentro del
PBS65
Liderado por (EE.A.)
Sistemas comprendidos dentro del
PBS62
Liderado por (EE.A.)
Sistemas comprendidos dentro del
PBS65
Liderado por (EE.A.)
Componentes comprendidos dentro
del PBS62
Liderado por ATKINS
Sistema comprendido dentro del
PBS62
Liderado por ASSYSTEM
Sistema de Distribución de Energía
Eléctrica al proyecto ITER desde la red
de 400kV.
“Steady-State Electric Network (SSEN)”
Sistema de Alimentación Eléctrica de
Emergencia mediante generadores
diesel.
“Emergency Power Supply System (EPSS)”
Red alterna de distribución eléctrica
pulsada de 66kV y 22kV
“Pulsed Power Electric Network (PPEN)”
Sistema comprendido dentro del
PBS43
Liderado por (EE.A.)
Sistema comprendido dentro del
PBS43
Liderado por (EE.A.)
Sistema comprendido dentro del
PBS41 (alcance parcial del AE)
Liderado por (EE.A.)
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3. SISTEMAS SINGULARES DENTRO DE ALCANCE DE EE.AA.
Los sistemas desarrollados por EE.AA. durante la fase de diseño se pueden encerrar
dentro de la disciplina mecánica y eléctrica fundamentalmente, excluyendo el HVAC si lo
consideramos una disciplina mecánica. Aunque todas las empresas han participado
activamente en el diseño de todas las SECs, como si de una única empresa se tratase,
EE.AA. participó más activamente en el diseño de los sistemas mecánicos y eléctricos.
Algunos de ellos son los siguientes:
3.1 Sistemas de producción de agua caliente
El diseño del sistema de producción de agua caliente para calefacción, PBS6500HW, sufrió
sucesivos cambios durante el proceso de diseño.
En una primera fase la producción se planteó mediante la instalación de dos calderas de
gasoil o gas natural. Finalmente la solución adoptada fue mediante la recuperación del
calor residual procedente de la refrigeración de los compresores de la crioplanta en el
Cryoplant Compressor Building, PBS630051. El sistema se reforzó mediante dos calderas
eléctricas en paralelo de 5.8MW cada una.
El sistema de control ha requerido un análisis pormenorizado de las distintas situaciones y
de las distintas demandas de calor que varían ostensiblemente durante el año y a lo largo
de un mismo día. Mantener una temperatura constante de suministro, consiguiendo el
máximo aprovechamiento de calor con el mínimo consumo de energía de las calderas de
apoyo se ha conseguido mediante la instalación de válvulas de acción proporcional en las
líneas de impulsión y retorno.
Figura 1. Esquema de producción de agua caliente
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3.2 Sistemas de producción y distribución de Líquidos y gases
Los sistemas principales incluían la producción, y o almacenaje de:
Aire comprimido
PBS6500CA
Aire de respiración
PBS6500BA
Nitrógeno líquido
PBS6500NG
Nitrógeno gas
PBS6500NG
Agua desmineralizada
PBS6500DW
Helio gas
PBS6500HE
Agua de Incendios
PBS6500FW
Agua potable
PBS6500PW
La instalación más novedosa y particular sería la encargada de la producción, almacenaje,
tratamiento y distribución de aire de respiración para el uso en máscaras y trajes
presurizados.
Las instalaciones de este tipo son habituales en los antiguos reactores VVER de fisión
(PWRs de diseño soviético). La ventaja fundamental de estas instalaciones es que
garantiza la movilidad del personal durante las tareas de mantenimiento en ambientes
potencialmente contaminados, frente a los medios portátiles.
El sistema consiste básicamente de dos compresores redundantes que comprimen el aire
hasta 10 bar aproximadamente, el aire se filtra y se seca para ser monitorizado previo a su
envío a la red de distribución. Aguas abajo, y localizado en las proximidades del consumo,
el aire se acondiciona térmicamente, muy importante sobre todo cuando su uso es en la
presurización de los trajes. En paralelo existe una estación de almacenaje de aire
comprimido a mediante botellas de 200 bar con capacidad para suministras aire de
respiración durante media hora.
El PBS6500BA se ha diseñado para alimentar mascaras y trajes; debido a su distinta
presión de trabajo, la corriente de aire es regulada, filtrada y monitorizada de nuevo en
“skids” portátiles diseñados exclusivamente para la planta. El sistema de control debe ser
capaz de identificar cualquier anomalía en el aire, para dar señal óptico-acústica en las
áreas de trabajo y en la zona del reten junto al “skid” para proceder a la evacuación
ordenada del personal que realiza las labores de mantenimiento, como se ha comentado el
sistema dispone de una reserva de suministro de aire para media hora.
La contaminación por tritio es el principal quebradero de cabeza en este tipo de
instalaciones, la presurización constante y su monitorización es fundamental para evitar
contaminaciones no deseadas.
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Figura 2. Esquema de producción de aire de respiración
3.3 Sistemas de protección contra incendios en el Toyama
Otro sistema con una carga de diseño amplia ha sido el sistema de protección contra
incendios del edificio del Toyama. La principal novedad en relación con otras instalaciones
nucleares de tecnología de fisión, es en lo concerniente a la clasificación nuclear de estas
instalaciones. En ITER las instalaciones involucradas en la gestión de la temperatura en
áreas con un inventario significativo de Tritio se consideran de seguridad nuclear o SIC-1
en terminología ITER.
Esto conlleva, entre otros, criterios de redundancia y sismicidad. Las principales zonas
problemáticas son las áreas de proceso en el edificio del Tritio y la sala del Neutral Beam
en el edificio del Toyama. Las dos áreas mencionadas están provistas de sistemas de
extinción automática.
La consideración de una explosión en el edificio de Tritio está motivando un estudio
detallado del trazado de tubería así como sistemas de aislamiento manuales y automáticos
de zonas afectadas para mantener el sistema operable después del evento.
3.4 Sistema de suministro de Aire comprimido de seguridad
El aire comprimido clasificado de seguridad en ITER se utiliza para el accionamiento de las
válvulas de seguridad de aislamiento de las zonas de confinamiento dentro del edificio de
Tritio y en las port-cells del edificio del Toyama principalmente. El consumo de aire alcance
un pico de aproximadamente 1500m3/h en los primeros momentos después del accidente
para luego caer a valores de 100 a 150m3/h que se mantendrán constantes durante el
accidente. El responsable del consumo constante de aire comprimido de seguridad es el
Sistema de Detritiación incluido en el PBS32
El sistema está compuesto por dos compresores de seguridad independientes con dos
redes independientes de acero inoxidable. El diseño del sistema debe garantizar un aporte
de aire suficiente para accionar las válvulas de aislamiento durante los primeros instantes
previos al arranque del grupo de emergencia.
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3.5 Sistemas de distribución de energía eléctrica
El sistema de suministro de energía eléctrica contiene el diseño de la subestación de
400kV, que conecta con la subestación Prionnet de RTE (Réseau de Transport
d'Electricité) y el sistema de distribución hasta los centros de control de motores y paneles
de distribución de alimentación a los consumidores de ITER.
El sistema transforma y distribuye los casi 200MW en 22kV, 6.6kV y 400V.
Figura 3. Consumos dentro del SSEN
El tamaño y diversidad de la instalación se ilustra en la caracterización del suministro:
cargas convencionales, de Seguridad Nuclear y de protección de la inversión. La potencia
manejada es el doble de la requerido por el mayor de los rectores de fisión de última
generación, el EPR™ Reactor.
3.6 Red alterna de distribución eléctrica pulsada de 400kV, 66kV y 22kV.
El sistema de alimentación pulsada suministra energía alterna:
 Coil Power Supply and Distribution System (CPSD)
 Heating and Current Drive (H&CD)
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Figura 4. Confinamiento del Plasma
PLASMA CONFINEMENT‐INITIATION‐STABILIZATION
Subestación
400kV ITER
3 Transformadores
400/66/22.5 kV
Distribución 66kV PPEN
TOROIDAL FIELD SYSTEM
Red RTE 400kV
AC
DC
Fast
Discharge
Circuit
HEATING AND CURRENT DRIVE
CENTRAL SOLENOID
AND POLOIDAL FIELD SYSTEM
AC
DC
Switching
Network
Fast
Discharge
Circuit
IC
EC
LH
1 MV
300/250/150MVA
DC
Sistemas
Compensación reactiva
/ Filtrado armónicos
Distribución 22kV PPEN
NB
AC
100kV
DC
90 kV
AC
80 kV
DC
DC
AC
27 kV
DC
AC
AC
El sistema pulsado se ha diseñado para manejar pulsos de consumo de energía desde
cero a 300MVA en apenas unos segundos.
4. CONCLUSIONES
ITER en su concepción y su desarrollo está requiriendo de un verdadero desafío de
ingeniería de todas las partes implicadas. La especialidad del sistema eléctrico modifica los
roles entre la disciplina mecánica y eléctrica existente en las centrales térmicas nucleares
de fisión. Los sistemas de suministro de gases y líquidos, la protección contra incendios y
el control del tritio mediante la ventilación singulariza este tipo de instalaciones.