Instrumentación y Control para Reactores Nucleares

Instrumentación y Control
Luis María Pizarro
Abril de 2009 Luis María Pizarro

Indice
● Control de Sistemas
● Sistemas a lazo abierto
● Sistemas a lazo cerrado
● Control continuo, secuencial, sincrónico
● Arquitectura de sistemas
● Redes de campo, control y supervisión
● Control de Procesos, reactores nucleares
● Mediciones neutrónicas
● Lazos de Control en reactores nucleares

Sistema sin realimentación
● Lazo Abierto
● Se diseña para
mantener la
temperatura sin
necesidad de medir y
actuar sobre el
interruptor.

Sistema con Realimentación
● El operador interviene en el
control.
● Instrumento Provee la
información.
● Mandos (Interruptor) permite al
operador controlar el proceso.

Sistema con Realimentación
● Un controlador automático
reemplaza la acción de control
del operador.
● El operador fija el punto
deseado de operación.

Sistemas de Control Continuo
● Las entradas envian información al sistema
todo el tiempo, y las salidas son controladas en
todo momento.
● Ejemplo: Control automático de Ganancia,
sistema de control de temperatura de un horno,
pilotos automáticos, sistemas de control de
nivel, etc.

Sistemas de Control secuencial
● Una serie de eventos distintos se produce uno
después de otro.
● La finalización de un evento en la secuencia
provee la señal para que el próximo evento
comience.
● Ejemplos: el temporizador de un sistema de
calefacción central, lavarropas, semáforos,
ascensor, etc.

Sistemas de Control Sincrónico
● En este tipo de sistema de control, todos los
eventos de la secuencia se producen a
intervalos de tiempo prefijados.
● Ejemplo: SEMAFORO.
● Estos sistemas no tienen en cuenta eventos
externos a él, de esta manera, se trata de
sistemas a lazo abierto.

Sistemas de Control Asincrónico
● Todos los eventos de la secuencia se producen
si se produjo un evento externo o un evento
interno.
● Hay independencia temporal, los eventos se
pueden producir en cualquier momento.
● Su comportamiento depende de sensores: fines
de carrera, interruptores, etc.
● Ejemplo: ascensores.
● Son sistemas de control a lazo cerrado.

Ejemplo

Lazo de Control
● Objetivos: estabilización,
performance
● r: Referencia o variable a seguir
● e: Error e = y – r
● a: señal de actuación
● y: salida de la planta
● P: Planta o Proceso
● C: Control automático
● p: perturbación
● n: ruido

Controladores
● Sistema externo al proceso P
que modifica algorítmicamente
el comportamiento de la planta.
○ Las salidas de la planta son
entradas al controlador
○ Las entradas de la planta,
son las salidas del
controlador.

Actuadores
● Amplificación de una señal
neumática, hidráulica, eléctrica,
electrónica o mecánica.
● Se entrega energía a la planta
para llevarla al estado deseado.
● Ej. servo de posición acoplado a
la válvula, recibe una señal de
apertura, esta se traduce en un
movimiento del mecanismo de
la válvula que es llevada a la
posición deseada por el
controlador.

Lazo de Control
● Relación Entrada/Salida
○ y/r con p,n=0
● P*C/(1 + P*C)

Lazo de Control
● Relación Salida/Ruido de
sensores
● y/n noc p,r=0
● -P*C

Lazo de Control
● Relación Salida/Perturbación de
planta.
● y/p noc n,r=0
● P/(1 + P*C)

Arquitectura de Sistema
● Modelo de Supervisión y Control (S&C) de Procesos
● Redes de datos industriales.
● Red de campo.
● Red de Control.
● Red de Supervisión
● Controladores, dispositivos de E/S, transmisores,
estaciones de operador, etc.

Modelo de S&C de Procesos

Redes de comunicación
● Ventajas
○ Menor cableado.
○ Inmunidad al ruido.
○ Robustez.
■ Protocolos orientados a detección y corrección de errores.
■ Protocolos orientados a tiempo real.
○ Mayor información acerca de los sensores.
■ Configuración remota.
■ Autodiagnóstico.

Redes de comunicación
● Desventajas
○ Está basado en software.
○ Fallas que pueden sacar de servicio un segmento de red con
todos sus sensores y actuadores asociados.
■ por corte de cable de red.
■ por salida de servicio del maestro.
■ por acceso a la red sin control por parte de un esclavo.

Modelo OSI redes
Describe las comunicaciones entre las estaciones de un
sistema

Protocolos de Comunicación
● Definen como dos o más estaciones intercambian datos usando
tramas mensajes.
● Una trama de datos contiene:
○ Header con direcciones de fuente y destino
○ Mensaje
○ Información para el chequeo de falla de transmisión
● Los buses de campo optimizan la transmisión de paquetes pequeños
que contienen información crítica en tiempo. ¿Tiempo Real?

Control de Acceso al Medio
● Procedimiento específico que determina en que punto una estación
puede enviar datos a otra.
● Estaciones activas: pueden intercambiar información
● Estaciones pasivas: pueden enviar información cuando una estación
activa se lo requiere.
● Acceso determinístico. Tiempo Real (Maestro-Esclavo con Profibus).
● Acceso no determinístico. Tiempo Aleatorio (Redes Ethernet).

Direccionamiento
● Necesario para selectivamente identificar las
estaciones.
● Direccionamiento por hard. Interruptores.
● Direccionamiento por soft. Durante la asignación de
parémetros.

Profibus DP

Profibus PA

Profibus PA
EIA RS 485

Profibus PA
EIA RS 485 Forma de Onda
1 bit de start, 1 bit de stop, 8 bit de datos, sin
paridad N,
8,1,1

Transmisor de Temperatura

Tx de temperatura Datos (cont.)

Transmisor Universal
● Protocolos
○ Modbus
○ Profibus DP
● Mediciones
○ Termocupla, RTD, tensión,
frecuencia, potenciométrica.
● Esquema de conexión

Arquitectura de Sistema

Modelo de 4 Variables
Variable Monitoreada: medición que afecta el comportamiento del
sistema
Variable Controlada: variable del proceso que el sistema controla.
REQ, NAT: especificación de caja negra del comportamiento
requerido.
NAT: define el conjunto de posibles valores que el sistema puede
adoptar. Restricciones naturales del proceso.
REQ: restricciones adicionales sobre el sistema.
SOFT: relación requerida entre datos de entrada y los datos de
salida

Modelo de 4 Variables
REQ:
Relación requerida entre las variables monitoreadas y controladas.
Los requerimientos de sistema se definen describiendo REQ.
SOFT:
Requerimientos de software. Define las relaciones requeridas entre
los datos de entrada y los datos de salida.

Proceso
● Efectuar determinadas
transformaciones a la materia
con el fin de obtener una
transformación sobre ella.
● Problema de Control
■ Mantener el nivel entre
260 y 290
■ Mantener la temperatura
del recipiente en un valor
de consigna ej. 80 ºC.

Variables Monitoreadas
● Son las salidas del proceso
● Son aquellas que informan el
estado del proceso
■ Nivel del Líquido en el
tanque
■ Temperatura del Líquido
en el tanque

Sensor de Nivel
● Dos flotantes
○ Si el nivel está por
debajo de un
determinado valor la
salida es 0 volt.
○ Si el nivel está por
encima de un
determinado valor la
salida es 24 volt.

Sensor de Temperatura
● Monitoreo de
Temperatura
○ Acondicionador de
señal
■ Transmisor analógico
■ Transmisor Digital
■ Protocolo Serie.
■ Protocolo Modbus.
■ Protocolo Profibus.
■ Analógico 4-20 mA.

Lazo de Corriente

Conversor Analógico Digital
● Dispositivo que convierte señales contínuas (analógicas) a números
digitales.
● Se caracterizan por:
○ Cantidad de bits: 8, 10, 12 16, etc.
○ Velocidad de conversión.
● Un conversor de 10 bits, tiene 210 niveles de conversión.
○ Convierte entre 0 y 1024.
● Para una tensión de referencia de 25 Volts, se convierte 25 Volts a
1024, 12,5 Volts a 512, etc.
● Este conversor tiene un error de cuantización de 24 mVolts.

Variables Controladas
● Son las entradas del proceso
● Son las variables a las que se
modifica su valor para
condicionar el comportamiento
del proceso
○ Válvula de entrada CV-01
○ Alimentación a la Resistencia
RY-01

Perturbación
● Salidas no medibles.
● Variables que alteran el estado
de la planta y no se conoce a
priori su comportamiento
○ Temperatura del agua de
entrada al tanque ???
○ Pérdidas de calor por las
paredes del recipiente
○ Válvula de salidada CV-02

Reactor Nuclear Elemental
● Vm: flujo
neutrónico
● Vc: posición de
las barras de
elementos
absorventes.

Reactor Nuclear Elemental
● Esquema de
realimentación
● Sistema de
información, flujo
neutrónico.
● Sistema de
Control, sistema
de
posicionamiento
de las barras
absorventes.

Reactor: Operación Elemental
● Temperatura de entrada
constante
● Tav = (Tout + Tin)/2
● Coeficiente de Reactividad
negativa.

Reactor: Sistema de Control
● Esquema Básico
● Comparación de
Tav con Tavref ,
se obtiene n0 .
● Se compara n0
con n para
obtener la señal
de mando de las
barras.

Mediciones Neutrónicas
Determinación del Flujo Neutrónico en un
reactor nuclear
● Detectores Neutrónicos
○ Cámaras de Ionización
○ Contadores de Fisión
○ Contadores de BF3
○ Detectores autoenergizados
● Circuitos de Tratamiento
○ Medición Modo Corriente
○ Medición Modo Pulso
○ Medición Modo Fluctuación

Neutrones Térmicos
● Energía del orden de 0,025
EV.
● No son directamente
ionizantes.
● Producen reacciones
nucleares:
○ Protones
○ Partículas alfa
○ Fragmentos de fisión
● Se necesitan materiales con
alta sección eficaz de captura
para producir las reacciones.
● Presencia de radiación gamma
● Efecto estadístico
● Amplio rango de medición 10
décadas, desde el arranque
hasta algo más de plena
potencia.
● Disminuir el efecto de radiación
gamma
● Disminuir el efecto estadístico.
● Medir en todo el rango.

Rango de Instrumentos
● Monitoreo del nivel de
neutrones en todos los niveles y
en todo momento.
● Una posible solución es la de
colocar distintos tipos de
intrumentos que cubran todo el
rango y se solapen sus rangos.

Reacciones Nucleares
● Boro
○ 10B + n -> 7Li + α , 10B(n,α)
7Li.
● Helio
○ 3He + n → 3He + p
● Litio
○ 6Li + n → 3He + α
● Fisión
○ 235U + n → pf1 + pf2 + calor
● Materiales y sus
reacciones que se
utilizan en la
construcción de los
detectores para
neutrones térmicos.

Cámaras de Ionización
● Instrumento que detecta y mide
la radiación ionizante, midiendo
la corriente eléctrica que se
produce cuando la radiación
ioniza el gas en una cámara.
Produciendo en el gas iones
que son colectados por los
electrodos.
● Cámara estanca llena con un
gas.
● Con electrodos (+) y (-) que
colectan los pares iónicos.
● Los pares van a formar parte de
la corriente generada por la
cámara.

Regiones de operación
● Detectores Gaseosos
● Variando la tensión de
polarización aplicada
● Cámara de ionizacón

Cámaras de Ionización
● Las paredes se
cubren con 10B.
● 10B + n -> 7Li + α
● la partícula α ioniza el
gas
● circuito asociado mide
la corriente resultante.

Contadores de BF3
● 10B + n -> 7Li + α , 10B(n,α)7Li.
● Un detector típico de BF3
consiste de un cilindro de
aluminio (bronce o cobre) lleno
con BF3 a una presión de 0,5 a
1,0 atmósferas. El trifluoruro de
Boro lleva a cabo dos funciones:
○ gas de llenado proporcional.
○ produce la reacción nuclear.

BF3
● (a) excitado suma
● (a) Partícula alfa
● (a) 7Li
● (b) sin excitar suma
● Espectro no
relacionado a la
energía del neutrón

BF3
● 7Li exitado (a)
● 7Li No exitado (b)

Cámara de Ionización Compensada
● Objetivo: Eliminar del ruido gamma.
● A la estructura anterior se le agrega una cámara de iguales
características.
● A esta cámara se la hace no sensible a los neutrones.
● Solo produce una señal relacionada a la radiación gamma.
● Esta señal se resta a la que produce a la otra cámara.
S1 = n + γ, S2 = γ . Sr = S1 – S2 = n

Contadores de Fisión
● Aprovechan que los neutrones térmicos producen fisión del 235U,
233U y 239Pu.
● Se liberan 200 MeV, de los cuales 160 MeV corresponden a energía
cinética de los fragmentos de fisión.
● Los fragmentos de fisión son muy ionizantes.
● Los tamaños de los pulsos son muy importantes.
● Se consiguen bajos valores de fondo.
● Se aplican en bajas tasas de contaje.
● Se presentan como una cámara de ionización cuyas paredes
internas se encuentran cubiertas de material físil.

● 235U + n → pf1 + pf2 + calor
● Corte esquematico de una
cámara de fisión
● En verde el deposito de material
físil
● Los fragmentos de fisión ionizan
el espacio entre el ánodo y el
Anod cátodo.
o
Cátod
o

3He
● 3He + n → 3He + p

Solución
● Cámara de Ionización
● Contador de Fisión
● BF3 Se alejan cuando
el flujo aumenta.

Detectores Autoenergizados
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● SPND: Self Powered Neutron
Detector
● Detector Basado en
decaímiento beta.
● Alta sección eficaz de captura
para producir un radio-isotopo
beta-activo.
● Procesos.
○ neutron -> beta
○ neutron -> gamma -> beta
○ gamma -> beta.

Tipos de Medición
● Medición Modo Corriente
● Obtener un valor promedio de las fluctuaciones
de los eventos.
● La salida del circuito es proporcional a la tasa y
la carga de los eventos.
○ I0 = r * Q
○ Q es la carga generada por el evento
○ r es la velocidad de producción de eventos.

Tipos de Medición
● Medición Modo Fluctuación
● Bloquea la componente de continua, pasan las
componentes fluctuantes de la señal.
● La salida del circuito es proporcional a la tasa y
el cuadrado de la carga de los eventos.
○ V0 = r * Q2
● Mejora la respuesta a los eventos de origen
neutrónico en detrimento de la respuesta a
radiación gamma.

Tipos de Medición
● Medición Modo Pulso
● Preservar la informacón de amplitud y tiempo
de los eventos.
● A la salida del circuito se tiene por cada evento
una señal con una amplitud máxima
proporcional a la carga del evento.
○ Vmax = Q/C

Tiempo Muerto
● En todo sistema de detectores se necesita una mínima cantidad de
tiempo para separar dos eventos y poder distinguirlos.
● Este tiempo mínimo se denomina tiempo muerto.
● Lo que se busca es evitar la pérdida de los eventos que se quieren
analizar.
● Factores que intervienen:
○ Procesos en el propio detector.
○ Electrónica asociada.
● Si dos eventos sucesivos se producen en una diferencia de tiempo
menor que la del tiempo muerto, estos eventos se pierden para el
análisis.
● Las pérdidas por tiempo muerto son más severas cuando aumenta la
tasa de conteo.

Tiempo Muerto
● Modelos de correción
○ N = tasa de interacción verdadera.
○ M = tasa de interacción registrada.
○ T = tiempo muerto del sistema.
○ M*T = tiempo en que el sistema está muerto.
○ N * M * T = tasa eventos verdaderos pérdidos.
○ N – M = tasa eventos verdaderos pérdidos.
○ N – M = N * M * T
○ N = M / (1 -M * T)

Discrimador
● Por altura de pulsos
● Rechazo de ruido con un circuito comparador.
● La amplitud del pulso de entrada se compara contra un valor de
referencia. Si el pulso tiene una amplitud mayor al valor de referencia,
pasa a la siguiente etapa en la cadena de instrumentación.

Cadenas de Medición del Núcleo

Cadenas de Medición del Núcleo
● Medición de Período K/T = d (Log n) / dt
P
B

Otros Detectores
● Detectores de Ina(Tl) – Cristal de Centelleo
● Detectores de GeHp – Diodo
● Utilizados en espectrometría gamma
● Espectros de altura de pulsos.
● La carga depositada en el detector es proporcinal a la energía del
fotón.
● La amplitud del pulso a la salida de los amplificadores son
proporcionales a la energía del fotón.

Cadenas Asociadas
● Fuente de alta tensión
● Preamplificador
● Discrimanador
● Amplificador-Conformador de pulsos
● Contadores
● Medidores de tasa
● Analizador multicanal
● Analizador Monocanal
● Módulos de coincidencia.

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