El documento describe el funcionamiento de un edificio de contención en una central nuclear. Explica que el edificio de contención está diseñado para contener escapes de gases radiactivos en caso de emergencia y es la última barrera ante escapes radiactivos. El documento también discute el uso del pretensado en el hormigón de los edificios de contención para resistir presiones internas en caso de accidente y proteger el reactor de agresiones externas.

1. EDIFICIO DE CONTENCION EN UNA CENTRAL NUCLEAR ALUMNO : QUIÑONEZ PERALTA DANIEL GUSTAVO CODIGO : 20072597H

2. Que es una central nuclear ? Una central/planta nuclear es una instalación industrial empleada para la generación de energía eléctrica a partir de energía nuclear.

3. Funcionamiento de una central nuclear Generalmente son tres partes de una central nuclear tipo Circuito Primario, (Edificio del Reactor) Circuito Secundario, (Generación de electricidad) Circuito de Refrigeración

4. El esquema general de una central nuclear tipo, puede ser el siguiente

5. El reactor y su circuito de refrigeración están contenidos dentro de un recinto hermético y estanco, llamado "Contención" consistente en una estructura esférica de acero de 53 m de diámetro, construida mediante planchas de acero soldadas de 40 mm de espesor y que se soporta sobre una estructura de hormigón en forma de cáliz que se apoya sobre la losa de cimentación de 3'5 m de espesor.

6. La Contención está ubicada en el interior de un segundo edificio, también de hormigón y cuyas paredes exteriores tienen un espesor de 60 cm, llamado edificio del Anillo del Reactor. Este tiene forma cilíndrica y está rematado por una cúpula semiesférica, que sirve de blindaje biológico..

7. La salida al exterior tanto de la radiación como de productos radiactivos es imposible por tres barreras físicas, asegurando cada una de ellas, que la hipotética rotura de una barrera sea soportada por la siguiente. 1ª Barrera:Las vainas que albergan el combustible. 2ª Barrera:La propia vasija del reactor integrada en el circuito primario. 3ª Barrera:El recinto de contención, estructura esférica de acero recubierto de hormigón

8. EDIFICIO DE CONTENCIÓN Se denomina edificio de contención, en su utilización más habitual, a una estructura de hormigón, acero o una combinación de ambos, construida para encerrar en su interior a un reactor nuclear. Está diseñado para que, en caso de emergencia, contenga un escape de gases radiactivos aunque estos alcancen presiones en el rango de 60 a 200 psi (4 a 13.6 atmósferas). La contención es la última barrera de un escape radiactivo.

9. INTRODUCCIÓN El empleo del pretensado en cajones y/o edificios de contención de centrales nucleares se remonta a principios de la década de los años 60. La función del sistema de pretensado de una central nuclear va más allá de la función estructural; este debe asegurar que el edificio de contención pueda contrarrestar la presión interior que se produciría en el caso de un accidente en el reactor nuclear y a su vez proteger el sistema de agresiones exteriores.

10. Simulan el efecto de una explosión en una central nuclear

11. Esta asociación del pretensado a la integridad estructural y a la seguridad del medio exterior obliga a llevar un control del mismo a lo largo de la vida útil de la estructura. Las características y metodologías de este control se recogen en un Programa de Vigilancia específico para cada central estos siguen las directrices marcadas por organismos nacionales e internacionales.

12. En lo que hace referencia al pretensado, los Programas de Vigilancia vienen influenciados por la tecnología utilizada: tendones adherentes y tendones no adherentes. Estas son las soluciones adoptadas de forma mayoritaria, respectivamente por Francia y E.E.U.U., países a la cabeza y con amplia experiencia en esta tecnología.

13. OBJETIVO El presente trabajo tiene por objetivo dar a conocer la tecnología del pretensado en los edificios de contención de las centrales nucleares.

14. ESTADO DEL CONOCIMIENTO En la mayoría de edificios de contención de centrales nucleares que actualmente están construidos, se ha utilizado el pretensado con dos objetivos básicos; contrarrestar las tensiones de una presión interior que se produciría en caso de existir el máximo accidente previsto dentro del mismo, y proteger a su vez, al reactor y a los circuitos primarios frente un impacto exterior, como por ejemplo un impacto de avión.

16. Dentro del hormigón pretensado con armaduras postesas, existen dos tipologías: la utilización de tendones adherentes o la utilización de tendones no adherentes. La opción de una u otra solución no es sólo una elección técnica sino que viene condicionada, por un lado, por el grado de confianza previo en una u otra solución, y por otro lado por las características de las relaciones, en el país de ubicación de la central, entre la administración (Autoridades en Seguridad Nuclear) y las empresas propietarias de las centrales.

17. Ahora bien, sea de un tipo o del otro, el requisito exigido al pretensado debe estar disponible en cualquier momento de la vida útil de la central. Este hecho es el que obliga a definir un programa de vigilancia para controlar las condiciones del pretensado en el transcurso de dicha vida útil. Cabe añadir que este programa de vigilancia viene notablemente influido por la solución adoptada previamente, utilizar tendones adherentes o no adherentes.

18. EL PRETENSADO EN CENTRALES NUCLEARES . Evolución histórica El incremento de la demanda energética, combinado con ciertas consideraciones políticas y económicas, aceleró el desarrollo de las estaciones generadoras de electricidad mediante combustible nuclear. Las centrales generadoras convencionales daban paso a una nueva tecnología con la que se conseguían altos rendimientos de generación

19. Hoy en día, muchos países en todo el mundo tienen importantes programas de energía nuclear en funcionamiento. En l siguiente grafica se puede observar la evolución de las centrales nucleares mundiales.

20. El hormigón postesado ha contribuido de manera significativa en la expansión de esta industria en la cual, en los aspectos de ingeniería civil, se demanda el uso de componentes que respondan frente a precisos y específicos requerimientos de funcionamiento.

21. La técnica del hormigón postesado consiste en tesar la armadura activa, después del fraguado del hormigón del elemento estructural y cuando éste ha alcanzado una resistencia suficiente para soportar las tensiones provocadas por el acero. Las fuerzas del postesado se transmiten al hormigón a través de anclajes especiales que están fijos en los extremos de la pieza.

22. En países como Estados Unidos o Australia, esta técnica está muy extendida, en Europa su avance ha sido mucho menor. Mientras que el 75% del acero de pretensar usado en Estados Unidos o Australia se ha empleado como postensado, en el caso de Europa el porcentaje sólo alcanza al 10%. Es de esperar un notable avance en el empleo de esta tecnología debido a las ventajas.

23. Avocándonos a nuestro tema sabemos que dentro de la instalación de una central nuclear existe un edificio de vital importancia. El componente principal de una central nuclear es el reactor. Éste, sea del tipo que sea, se encuentra ubicado dentro del edificio de contención. La función del edificio de contención es proteger al reactor de agresiones externas y proteger el exterior de un posible fallo del reactor.

24. Antes de la utilización del hormigón en los edificios de contención en las centrales nucleares, estos eran estructuras metálicas donde se utilizaba el acero como elemento estructural. Estas primeras estructuras contaban con un escudo anti radiación separado de la estructura metálica

25. . El incremento de tamaño de dichas centrales empezó a hacer económicamente inviable la utilización de este material, abriendo las puertas al hormigón como material para la construcción del edificio de contención. Además de las ventajas económicas, la utilización del hormigón permitía diseñar estructuras de cualquier tamaño y forma, utilizando materiales existentes en la zona de ubicación y, ofreciendo en caso de fallo estructural, un comportamiento dúctil, es decir, predecible y observable

26. Los primeros edificios de contención en centrales nucleares construidos con hormigón no utilizaban el pretensado, sólo contaban con una armadura pasiva para garantizar una buena respuesta estructural frente a las solicitaciones que éste debía soportar. Con el aumento de las presiones que el edificio de contención debía hacer frente en caso de accidente, apareció la aplicación del pretensado en el diseño de los contenedores. La utilización del pretensado aportó una serie de mejoras de las cuales cabe citar:

27. - La respuesta estructural que debería dar el edificio frente a un accidente puede ser verificada antes de que esta demanda estructural se requiera. - El comportamiento de la estructura durante su vida útil puede ser monitorizada pudiendo corregir su comportamiento antes que la integridad estructural falle. - Antes de un fallo estructural aparecen fallos puntuales que pueden ser detectados visualmente y ante los cuales se puede actuar.

28. - Con la utilización de tendones no adherentes se puede comprobar de manera regular la situación del sistema de tesado, realizando un mantenimiento periódico. - La carga inicial dada al acero es muy parecida a la carga última de diseño por lo que, en caso de producirse un accidente, puede ser que la carga transmitida sea inferior y por lo tanto no sea crítica para la integridad estructural.

29. Hormigón Pretensado Cuando se empezó a emplear el pretensado en los edificios de contención de las centrales nucleares, se pretensaba parcialmente la estructura. Sólo en la dirección vertical se utilizaban armaduras activas, para la cúpula y la dirección horizontal existía solo la armadura pasiva.

30. El inicio del empleo del pretensado total en el proyecto y construcción de centrales nucleares se remonta al entorno de 1960 en los trabajos realizados para los cajones de contención de los reactores de las centrales nucleares de Wylfa y Oldbeurry, en Gran Bretaña. Fue tal la acogida del pretensado en este tipo de instalaciones que en el año 1982, 27 edificios de contención pretensados estaban ya en funcionamiento en Europa y Estados Unidos.

31. A partir de las primeras experiencias, cada vez se le ha pedido al pretensado mayor respuesta, debido al aumento de presiones a las que funcionan las centrales nucleares. Las primeras experiencias contaban con sistemas de tesado de dimensiones pequeñas, capaces de aportar capacidades últimas inferiores a 500 toneladas. Hoy en día se cuenta con sistemas de tendones capaces de soportar hasta 1.200 toneladas y equipos de tesado de altas prestaciones que garantizan un control total de la operación de puesta en tensión.

32. Objetivo del pretensado Una vez llegados hasta este punto se ha mostrado la utilización del pretensado en edificios de contención; ahora cabe plantearse la pregunta de ¿cuál es el objetivo del pretensado en estas estructuras? Para responder a esta pregunta es interesante conocer las principales cargas de diseño que se utilizan para la construcción de los edificios de contención nuclear.

33. LOCA: Máximo accidente que se puede producir dentro de la planta nuclear. El LOCA (loss of coolantaccident) se produce cuando se rompe la tubería de mayor diámetro del sistema de refrigeración del reactor. Esta ruptura produce un gran aumento de la presión interior del edificio y un incremento de la temperatura dentro del contenedor. Los valores estimados son de una presión absoluta de 0,5 MPa y una temperatura pico de 150ºC.

35. Acciones sísmicas: Estas pueden variar considerablemente según la zona de implantación de la central nuclear. Una fuerza de 0,15g es la que se utiliza usualmente, incluso en zonas donde la acción sísmica es poco importante o nula. - Acciones ambientales extremas: El contenedor se diseña para soportar impactos de avión, misiles o la presencia de fuego en el exterior.

37. Tensiones bajo condiciones normales: En los contenedores pretensados el hormigón debe soportar unos 10 MPa en dirección tangencial y 7 MPa en dirección vertical, y por ello se utilizan hormigones con fuerza suficiente, normalmente de 40 MPa.

38. Una vez descritas las acciones a las que debe hacer frente el edificio de contención, se puede concluir que el pretensado se plantea con objeto de crear en esta estructura, un estado previo de tensiones en el hormigón que pueda contrarrestar las tensiones debidas a una presión interior que se producirían en el caso de existir un accidente en el interior de la estructura de contención, además de darle suficiente resistencia para asegurar su integridad, con una probabilidad baja (<10-4) frente a sobrecargas ambientales como las generadas por sismos, tornados y otros fenómenos más específicos según la zona de implantación.

39. Es por ello que se requiere el establecimiento de un programa de vigilancia, mediante el cual se pueda verificar de forma sistemática que el pretensado cumple con el objeto propuesto.

40. Disposición del pretensado El edificio de contención de una central nuclear consiste usualmente en un cilindro de hormigón, de una altura entre 60 y 80 metros y un diámetro interior de entre 40 y 50 metros, cerrado por la parte superior por una cúpula semi-esférica. La anchura del muro varía según la presión que debería resistir en caso de accidente y va des de 0,85 hasta 1,2 metros. La disposición del pretensado en la construcción del edificio de contención de las centrales nucleares ha ido variando a lo largo de los años.

42. Esta disposición depende, entre otros aspectos, del número de contrafuertes con el que dotamos el recinto así como del trazado del propio tendón, condicionado a la forma del contenedor. Los primeros edificios de contención contaban con 6 contrafuertes. De esta manera los puntos de anclaje de la armadura activa estaban próximos y se reducían los efectos de la fricción.

43. Con la aparición de productos engrasantes que reducían la fricción de los tendones y aumentaban la eficiencia del pretensado se pudo aumentar la longitud de los tendones, reduciendo el número de contrafuertes y optimizando el costo de la instalación.

44. En los últimos años se han diseñado edificios de contención con 4 contrafuertes como máximo y patrones de pretensado mucho más óptimos que los primeros que aparecieron. A continuación analizaremos los patrones de pretensado más utilizados en la actualidad. Estos se pueden ver esquematizados en la figura siguiente.

45. Cúpula toro-esférica y muro con 3 contrafuertes Esta disposición tiene 3 familias de pretensado, las de la cúpula, las verticales del muro y las horizontales del muro. La familia de la cúpula, a su vez, está compuesta por armaduras situadas en 3 direcciones a 120º

46. Cúpula esférica y muro con 3 contrafuertes En esta tipología tenemos 2 familias de pretensado, el horizontal que además de estar en el muro también se encuentra en la cúpula, y el vertical que cubre el muro y la cúpula gracias a su forma de U invertida

47. Cúpula toro-esférica y muro con 4 contrafuertes Esta tipología es igual que la primera que se ha presentado pero con la presencia de un contrafuerte más que cambia la disposición de la armadura horizontal, aumentando su longitud.

48. - Cúpula toro-esférica y muro con 2 contrafuertes Esta es la configuración más actual y eficiente, con dos familias de pretensado, el horizontal del muro y el vertical en forma de J invertida que cubre el muro y la cúpula.

49. Actualmente se intenta minimizar el número de contrafuertes de la estructura, reduciéndolo a dos, y trazados con forma de J invertida. Las ventajas obtenidas con la utilización de estos diseños son la reducción de material, y por lo tanto, una estructura más económica, y por otro lado se simplifican los trazados reduciendo así la interferencia con las penetraciones que tienen que tener este tipo de contenedores.

50. Una característica importante a tener en cuenta es el gran número de penetraciones que existen en los edificios de contención de centrales nucleares. Para dar una idea de dicha magnitud en una central de 900 MW existen hasta 120 penetraciones, que van de diámetros de 1,3 metros hasta los 8 metros.

51. Este enorme número de penetraciones y su tamaño es una de las mayores dificultades que se encuentran durante el diseño de la disposición del pretensado y su optimización. Por esta razón muchas veces se dispone la armadura activa en dos capas, reduciendo así la densidad y facilitando las desviaciones bordeando las penetraciones.

52. Las operaciones del pretensado Las operaciones para el pretensado del edificio de contención de una central nuclear son: Ubicación de las placas de anclaje Colocación de las vainas - Colocación de los tendones Operaciones de tesado Protección de los tendones

53. Ubicación de las placas de anclaje El principal problema durante la colocación de las placas de anclaje es su considerable peso. Utilizando tendones del tipo 19T15 o 37T15 tenemos un peso aproximado de placa de 50 kg. Muchas de ellas llevan incorporados conductos para el sellado y otros accesorios que aumentan su peso y además, se concentran un número importante de placas de anclaje en un espacio reducido.

54. Por esta razón, actualmente, muchas placas de anclaje se suministran en elementos de hormigón prefabricados, con grupos de dos o tres placas en cada elemento. Dependiendo del patrón de pretensado utilizado se ubicarán las placas en una u otra posición. Para las disposiciones que actualmente se están utilizando, las placas para la armadura horizontal se sitúan en los contrafuertes del muro, mientras que para las armaduras verticales y de la cúpula, las placas pueden ir en la parte inferior o superior del muro.

55. La Figura siguiente detalle de una placa de anclaje y esquema de una posible situación de estas

56. Colocación de las vainas Una vez situadas las placas ya se pueden ubicar las vainas que contendrán los tendones. Para las armaduras verticales y de cúpula se suelen utilizar tubos metálicos. Esta tipología de vaina es muy aconsejable ya que aporta mucha rigidez y asegura una perfecta estanqueidad durante las operaciones de sellado que se ejecutan con presiones elevadas de hasta 2 MPa. Los diferentes elementos se unen mediante elementos plásticos que encogen con el calor y aseguran la estanqueidad.

57. Las vainas horizontales son vainas semirrígidas con los mismos sistemas de unión entre ellos que en el caso de las vainas verticales. Es aconsejable que en las zonas de penetraciones se utilicen tubos metálicos y no vainas semirrígidas

58. Las vainas suelen suministrarse en paneles prefabricados, en los cuales ya están situadas las vainas verticales y horizontales, además de otros elementos rigidizadores. La distancia entre dos vainas paralelas usualmente no es inferior a un diámetro, pero puede ser reducida a 50 mm en el caso de utilizar tubos metálicos rígidos. Finalizada la ubicación de las vainas se procede al control de estas, para evitar la existencia de tapones y expulsar el agua que pudiera existir en ellas.

59. Colocación de los tendones Una vez comprobadas las vainas es hora de introducir los tendones en ellas. La manera más eficiente de introducir los tendones dentro de las vainas es introduciendo cordón por cordón, y según el número de cordones que se tenga cordón por cordón pero en grupos de cordones. Estos cordones son engrasados para reducir la fricción durante su colocación.

60. Operaciones de tesado A continuación viene la operación más delicada del proceso, el tesado de los tendones. Sin un buen estudio esta operación podría causar el colapso de la estructura ya que se está trabajando con tendones de altas capacidades y por lo tanto los equipos utilizados son capaces de transmitir grandes fuerzas a la estructura.

61. Para esta operación existen diferentes patrones, combinando el tesado de las armaduras verticales, horizontales y de cúpula, minimizando los riesgos de ocasionar un estado de tensiones que la estructura no sea capaz de soportar. veamos colocación de los equipos de tesado, el primero en contrafuertes y el segundo en la parte superior del muro

62. Protección de los tendones Una vez la operación de tesado ha finalizado se procede a proteger los tendones, ya sea con mortero de cemento o con grasas según convenga. Como esta última operación condiciona de forma importante el programa de vigilancia a adoptar para la instalación, se desarrollará de manera más amplia en el apartado siguiente.

63. Centrales en el mundo De las distintas centrales nucleares existentes en el mundo en España actualmente (en funcionamiento o paradas) sólo cinco de ellas emplean hormigón pretensado en su edificio de contención. Estas son: Grupos I y II de la Central Nuclear de Ascó, los grupos I y II de la Central Nuclear de Lemoniz y el grupo II de la Central Nuclear de Vandellós.

64. En los reactores de Vandellós y Ascó el sistema de pretensado es mediante tendones no adherentes. Esto se debe a la utilización de tecnología de E.E.U.U. (Generadores tipo Westinghouse) que condujo a utilizar las normativas utilizadas por los americanos, adoptando en mayor o menor grado cierta normativa o reglamentación española.

65. Ahora bien, existe una diferencia importante entre la mayoría de centrales de Estados Unidos y las españolas. En las centrales españolas se han adoptado tendones constituidos por diversos cordones como elementos a pretensar, mientras que en la mayoría de centrales americanas se utiliza un sistema de tendones formados por alambres.

66. Estas dos tipologías conllevan dos tipos de anclajes totalmente diferentes, los españoles, que son a base de cuñas, y los americanos que son anclajes de remaches. Si analizamos el patrón de pretensado de cada una de ellas tenemos que en los reactores de Ascó se utilizó un edificio con 3 contrafuertes y cúpula toro-esférica mientras que para el de Vandellós se utilizó el mismo sistema de 3 contrafuertes pero con una cúpula semiesférica

67. Conclusiones La utilización del pretensado en las centrales nucleares le da al acero activo una función que va más allá de la propia resistencia estructural tal y como se entiende en ingeniería civil. El pretensado pasa a ser una herramienta de protección tanto para los equipos interiores como para el medio exterior.

68. Para la definición de un programa de vigilancia es necesario y de vital importancia contar con los valores reales de los diferentes parámetros de la estructura de contención, los cuales se deben obtener mediante ensayos o gracias a experiencias anteriores.