simulador de una central nuclear
DESCRIPTION
Construcción de un simulador de una central nuclear utilizando un microcontrolador PICAXE.TRANSCRIPT
!
!
!
!
"#$%&'(#)!*+%,'!-.,/0'&!1%(&.'0!234!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
50.6'&&!*.!4.(.0('!
78!
77!
9:"!
-;1!2<;1;"!
;*0#=,!>?,@=&.@!2A0.@!2'6&?!B'0.'C!<'0'!
!D5%/?0E!-=,*#*?!!>'0(F'G!
Índex
Pàgina
Objec&us _____________________________________________________________________4
Metodologia___________________________________________________________________4
1. Simulació___________________________________________________________________5
1.1. Classificació__________________________________________________________5
2. Energia nuclear______________________________________________________________6
2.1. L’àtom______________________________________________________________6
2.2. L’isòtop_____________________________________________________________6
2.3. Reaccions en cadena__________________________________________________7
2.4. Radioac&vitat________________________________________________________7
2.5. Fusió nuclear________________________________________________________8
2.6. Fissió nuclear________________________________________________________8
3. Centrals nuclears_____________________________________________________________9
3.1. Equipament_________________________________________________________10
3.2. Tipus_______________________________________________________________10
3.3. Evolució_____________________________________________________________11
3.4. Funcionament________________________________________________________13
3.5. Sistemes de seguretat__________________________________________________14
3.6. Avantatges i riscos_____________________________________________________16
4. Central nuclear PWR__________________________________________________________17
4.1. Circuit primari________________________________________________________18
4.1.1. Components del reactor nuclear__________________________________18
4.1.2. Components exteriors al reactor__________________________________20
4.2. Circuit secundari______________________________________________________20
4.3. Circuit refrigerant_____________________________________________________21
4.4. Funcionament________________________________________________________22
5. El nostre simulador
5.1. PICAXE______________________________________________________________23
5.1.1. Ordres bàsiques_______________________________________________24
5.2. Bus I2C______________________________________________________________24
5.2.1. Connexió____________________________________________________25
5.2.2. Llenguatge de programació______________________________________25
5.2.3. Disposi&us I2C_________________________________________________26
2
5.3. Programes
5.3.1. Simulació de barres de control i temperatura_____________________28
5.3.1.1. Hardware necessari__________________________________31
5.3.1.2. Objec&u___________________________________________33
5.3.1.3. Explicació detallada del programa_______________________33
5.3.1.4. Esquema elèctric____________________________________35
5.3.1.5. Diagrama de blocs del programa________________________36
5.3.2. Simulació de la pressió
5.3.2.1.Hardware necessari___________________________________37
5.3.2.2. Objec&u____________________________________________37
5.3.2.3. Explicació detallada del programa_______________________37
5.3.2.4. Diagrama de blocs del programa________________________38
5.3.2.5.Esquema elèctric_____________________________________39
5.3.3. Prova de barres de control i temperatura_________________________40
5.3.3.1. Hardware necessari__________________________________42
5.3.3.2. Objec&u____________________________________________42
5.3.3.3. Explicació detallada del programa_______________________42
5.3.3.4. Diagrama de blocs del programa________________________44
5.3.3.5. Esquema elèctric____________________________________45
6. Conclusions_______________________________________________________________46
7. Bibliografia_______________________________________________________________47
3
Objec/us
Aquest treball es basarà en el simulador d’una central nuclear PWR que crearem amb un
microcontrolador PICAXE.
Per a poder crear aquest simulador haurem de fer una recerca sobre simulació, energia nuclear i
microcontrolador PICAXE, que són els tres punts principals sobre els que tracta el nostre treball.
Hem escollit aquest tema i metodologia perquè a tots dos ens agrada programar i treballar amb
components electrònics en general. Més tard vam decidir fer el simulador d’una central nuclear
perquè és un tema que havíem tractat recentment a classe i ens va semblar prou interessant com
per a fer el nostre simulador i el treball de recerca sobre ell.
Metodologia
Per a la part pràc&ca del treball, primer hem fet una sèrie de proves amb el simulador incorporat al
programa informà&c per tal de familiaritzar-‐nos amb el llenguatge de programació. A con&nuació,
una vegada vam disposar dels components electrònics, vam fer més pràc&ques amb el material
disponible, cada cop més complexes a mesura que disposàvem de més components, fins arribar a
dominar-‐ho.
Un cop acabades les pràc&ques vam passar a escriure i provar el programa defini&u, tot això
durant l’es&u.
Després vàrem centrar-‐nos en la part escrita del treball, buscant informació a Internet i llibres per
a la part teòrica i basant-‐nos en la nostra experiència per a la part centrada en l’elaboració del
simulador. A més, hem tractat d’afegir totes les imatges necessàries per tal d’explicar d’una manera
entenedora el funcionament del nostre simulador.
4
1.0 Simulació
La simulació és la imitació o representació d'algun fet real o d'algun procés concret, amb el qual es
representen determinades caracterís&ques o comportaments d’un fenomen natural, d’un sistema
ar&ficial o simplement el funcionament d’un mecanisme, amb l'objec&u d'aconseguir una
representació dinàmica i el més real possible.
En altres paraules, simular és reproduir de manera ar&ficial
un fenomen, o les relacions d’entrada i sor&da d’un sistema.
Avui en dia els sectors de la simulació són molt amples i
diversos. Els simuladors són principalment electrònics i
abasten tot &pus de àrees, des de la industria o ac&vitats
lúdiques, fins a ac&vitats aeroespacials.
En altres contextos també trobem la simulació en la tecnologia per millorar el rendiment d’una
persona a l’hora de treballar, en l’enginyeria de seguretat, en la formació d'un lloc de treball o per
l'educació són altres exemples.
Encara que la simulació es una tècnica rela&vament nova i constantment en evolució, el seu ús en
el treball és una tasca molt an&ga que està unida directament al procés d’aprenentatge de l’ésser
humà.
Però la simulació no és solament això, sinó que també es una eina
quo&diana, ja que la podem trobar per exemple en un examen
que li fa el professor al seu alumne per una preparació del
examen, en les joguines, en jocs en 3D o en la construcció de
infraestructures per medi de maquetes, en la qual s’u&litza la
modelització.
1.1 Classificació
-‐ Simulació <sica: és la simulació en que objectes gsics són subs&tuïts per proto&pus. Aquest
solen ser més pe&ts o menys costosos que l’objecte real o sistema.
-‐ Simulació interac/va: és un &pus especial de simulació gsica, que es refereix a una simulació
durant la qual intervé un l’ésser humà , què inclou simulacions gsiques dirigides per persones,
com en un simulador de vol o un simulador de conducció
5
2.0 Energia nuclear
L'energia nuclear en aquests úl&ms anys ha &ngut una gran importància per al desenvolupament
de tecnologies en diferents àrees com la salut o generació d'energia, que han permès millores en
la qualitat de vida en molts països del món, ajudant-‐los a desenvolupar-‐se.
Per conèixer bé l’energia nuclear, ens hem de fixar primer sobre els seus principis bàsics i
fonamentals, és a dir, en la gsica nuclear.
2.1 L’àtom
Del llai atomum, l’àtom és la unitat més pe&ta d’un element químic que manté les seves
propietats i és indivisible per reaccions químiques.
Aquest àtom, segons el model de Rutherford, està dividit per dues
parts, el nucli i l’escorça. El nucli carregat posi&vament, esta format
per neutrons i protons, units per una força nuclear molt intensa. Els
primers no tenen càrrega, mentre que els protons en tenen de
posi&va. Per contra, a l’escorça hi trobem els electrons, que són les
úniques paricules que poden saltar d’un àtom a un altre. Aquests
en canvi, tenen càrrega nega&va i en estat elemental hi ha el
mateix nombre que de protons ja que els àtoms a la natura són
neutres.
Per mitjà d’aquests àtoms, es creen les reaccions de fusió o fissió mitjançant el reactor nuclear
d’una central, per obtenir grans quan&tats d’energia.
2.2 L’isòtop
L’ isòtop del grec iso (mateix) i topos (lloc), són àtoms que tenen un mateix nombre atòmic però
diferent nombre màssic. En altres paraules, tenen el mateix nombre de protons però no el mateix
de neutrons.
Exemples d’isòtops poden ser l’Urani-‐238, el Carboni-‐12
o el Deuteri entre molts més. En forma simbòlica, la
massa atòmica s’afegeix com superíndex a l’esquerra del
símbol químic : , i respec&vament.
Si entre el nombre de protons i de neutrons no hi ha una
relació apropiada per &ndre una estabilitat nuclear,
aquest isòtop serà inestable i radioac&u. També
anomenats radioisòtops, alliberen energia quan canvien de forma. Aquesta energia pot detectar-‐se
amb una pel·∙lícula fotogràfica.
6
2.3 Reaccions en cadena
La reacció nuclear en cadena és una reacció nuclear que es provoca quan un neutró causa la fissió
d’un àtom fisible per impacte, és a dir, un àtom que és capaç de fissionar-‐se amb neutrons de
qualsevol energia. Aquesta reacció allibera alguns neutrons que a la vegada causen altres fissions.
Aquesta reacció en cadena solament es produirà si els neutrons emesos en la fissió són capaços de
produir una nova fissió.
En el següent esquema es pot veure una reacció en cadena d’una fissió nuclear.
Primerament, un àtom d’Urani-‐235 absorbeix un neutró i es divideix en dos
nous àtoms a causa de la fissió. El primer neutró és absorbit per un àtom de
U-‐238 i no con&nua la reacció en cadena. Un altre neutró simplement es perd i
no con&nua la reacció. No obstant això un úl&m neutró impacta amb un àtom
d’U-‐235 que un altre cop es divideix i allibera dos neutrons més. Aquests dos
neutrons xoquen amb uns altres dos àtoms d’Urani-‐235 que fan el mateix
procés que els anteriors, dividir-‐se i alliberar més neutrons.
2.4 Radioac/vitat
La radioac&vitat natural és el fenomen de la transformació nuclear espontània, és a dir, un nucli
d’un àtom es transforma espontàniament en un altre, sense cap ajuda exterior. En poques
paraules, en la radioac&vitat, àtoms d’un element es transformen en àtoms d’un altre element.
La radioac&vitat natural va ser descoberta per Becquerel a Paris l’any
1896 i posteriorment inves&gada per els esposos Curie (Marie
Sklodowska i Pierre Curie) i Rutherford entre d’altres. La primera
substància en la qual es va descobrir aquesta propietat va ser la
pechblenda, mineral d’urani. Més tard el matrimoni Curie va descobrir
que tots els minerals d’urani i tori en portaven.
En aquesta transformació o també dit transmutació nuclear s’emeten paricules a gran velocitat
provinents del nucli de l’àtom. Les més usuals són els electrons, anomenats paricules beta β i els
nuclis d’heli, anomenades paricules alfa α. Aquesta emissió de paricules va acompanyada de
l’emissió d’energia en forma d’ones electromagnè&ques, anomenada radiació gamma γ.
Els àtoms que experimenten aquesta transmutació s’anomenen radioac&us.
7
2.5 Fusió nuclear
La fusió nuclear és la reacció en la que diferents nuclis atòmics de carga semblant s’uneixen per
formar nuclis més pesats. Juntament amb aquest procés s’obté un gran alliberament d’energia.
Aquesta fusió nuclear la trobem també de forma natural en els estels. L’inconvenient principal que
trobem en aquesta mena de reaccions és que calen grans quan&tats d’energia per iniciar la reacció,
a causa de que els nuclis tenen càrrega elèctrica posi&va i es repel·∙leixen quan s’aproximen uns als
altres. Aquesta repulsió solament es pot vèncer si les paricules que s’u&litzen tenen una energia
cinè&ca molt gran produïdes per grans velocitats i escalfant les paricules a temperatures que
es&guin properes als 100 ·∙ 106 oC. En aquestes condicions els neutrons i electrons no es troben en
cap dels tres estats fonamentals de la matèria (sòlid, líquid o gasos), sinó que formen un
conglomerat de paricules amb diferent càrrega sense estructura atòmica: aquest quart estat es
diu plasma. Tot això es produeix en el reactor de fusió, l’element més important en una central
nuclear.
Actualment, l’estat de les inves&gacions és intentar obtenir un
control o delimitació del plasma en un procés anomenat
confinament, per aconseguir una reacció sos&nguda, i així
obtenir més energia de la que es necessita per iniciar la reacció.
Es creu que una vegada s’aconsegueixi aquests propòsits la fusió
nuclear sigui la font per obtenir energia elèctrica barata, segura,
il·∙limitada i mediambientalment acceptable.
En la imatge es pot veure com la fusió d’àtoms d’hidrogen formen nuclis d’heli més pesats i a més
una gran quan&tat d’energia mesurada en MeV, unitat d’energia equivalent a un milió
d’electronvolts , és a dir, 4,45x10-‐20 kWh.
2.6 Fissió nuclear1
A diferència de la fusió nuclear, en les reaccions de fissió, nuclis pesats es
divideixen en nuclis més pe&ts d’àtoms a causa de l’impacte d’un neutró.
Això provoca que cada àtom eme& entre dos o tres neutrons que puguin
impactar novament en altres nuclis, i així successivament en una reacció en
cadena. D’aquesta manera iniciada la reacció nuclear es pot mantenir en
funcionament per si sola sempre que es disposi d’una quan&tat mínima
d’àtoms d’urani suficients, anomenada massa crí&ca.
En l’exemple es pot veure les diferents parts d’una fissió nuclear.
Primerament un neutró llibre impacta en un àtom fisionable d’urani, el qual
8
1 Nucleares, ¿por qué no? Pàg. 157
provoca que es torni inestable. El nucli d’aquest àtom es dividirà en dos o més parts a causa
d’aquest impacte, formant nuclis més pe&ts de Criptó i Bari, a més de neutrons que seguiran la
reacció. Aquest nuclis més pe&ts no solament poden ser d’aquest elements, sinó poden aparèixer
altres com el xenó, cesi, radó, iode, etc.
3.0 Centrals nuclears
Una central nuclear és una instal·∙lació de caràcter industrial u&litzada per a la generació d’energia
elèctrica mitjançant reaccions nuclears, que proporcionen calor. Aquest calor s’u&litza en un cicle
termodinàmic format per el circuit primari i secundari amb la finalitat de moure l’alternador
elèctric i produir energia elèctrica.
Normalment les centrals consten de fins a dos reactors nuclears, els quals tenen en el seu interior
elements fissionables com l’urani o el plutoni que produeixen aquestes reaccions sos&ngudes.
Aquestes reaccions són controlades i regulades per les barres de control, element indispensable en
un reactor, segons si es trobin més o menys introduïdes en la reacció.
A causa de l’elevada seguretat que trobem en una central nuclear i per la gran varietat de
tecnologies que hi ha en aquesta, és una de les maneres d’obtenció d’energia elèctrica més
complexa que hi ha actualment.
Però aquestes centrals no solament produeixen energia elèctrica, també tenen un gran
inconvenient: els residus nuclears. Aquest són la part resultant que queda en les reaccions
nuclears. Com no tenen un propòsit pràc&c i són altament radioac&us, han de ser transportats i
vigilats en dipòsits anomenats cemen&ris nuclear durant un llarg període de temps. En contra, no
produeixen gasos contaminats, causants de l’efecte hivernacle.
9
3.1 Equipament
Una central nuclear consta de diferents instal·∙lacions:
Edifici de contenció: estructura de formigó, acer o una combinació dels
dos, que conté en el seu interior el circuit primari amb el component
més important de tota la central, el reactor nuclear. Està dissenyat per
en cas d’emergència, pugui man&ndre una fuga radioac&va originada al
reactor.
Per fer-‐ho es basa en diferents barreres de contenció. La de ceràmica (1)
que és la que té el propi combus&ble nuclear, les beines metàl·∙liques
que recobreixen el combus&ble (2), el vas del reactor (3) i per úl&m la
pròpia contenció de l’edifici, d’acer o formigó (4).
Edifici de turbines: lloc on es troben les turbines i l’alternador, els reescalfadors i els condensadors
de vapor i els preescalfadors de l’aigua d’alimentació.
Edifici del combus/ble: on s’emmagatzema el
combus&ble de recàrrega del reactor i el ja u&litzat en
espera de ser enviat als cemen&ris nuclears. Aquest
edifici està connectat directament amb el reactor per
poder efectuar la recàrrega anual del combus&ble,
sense sor&r de la zona de seguretat.
Edifici de control: Allotja la sala de control, des d’on
es dirigeix i controla tota la central. En aquest centre neuràlgic arriben tots els senyals de tots els
sistemes de seguretat i en surten les ordres de comandament, coordinades per l’ordinador central,
amb un procés automa&tzat.
Edifici auxiliar: Recinte on es disposa dels components dels sistemes auxiliars i de seguretat i
sistemes de tractament dels residus radioac&us.
3.2 Tipus
Actualment hi ha una gran varietat de centrals nuclears,amb les seves avantatges i inconvenients.
Es classifiquen segons si produeixen un procés de fissió o de fusió en el reactor nuclear. Com la
fusió es troba en fase experimental i els reactors són de baixa potència, la majoria de centrals són
de fissió.
10
Aquests reactors de fissió es divideixen en dos grups: els reactors tèrmics i el ràpids. La diferencia
principal que trobem entre els dos és que el primer u&litza moderador i el segon no. Aquest
moderador serà el component que reduirà la velocitat dels neutrons emesos en les reaccions. En
canvi, en els reactors ràpids no s’u&litza ja que es treballa directament amb els neutrons d’una
elevada energia. Perquè la reacció nuclear es man&ngui en els reactors ràpids és necessari que la
quan&tat de combus&ble u&litzat per unitat de volum sigui molt més elevat que els dels reactors
tèrmics.
Dins dels reactors tèrmics també hi ha una classificació, segons el moderador que u&litzi:
-‐ Reactors d’aigua lleugera. Els &pus més importants són:
• BWR (Boiling Water Reactor): Són els reactors d’aigua en ebullició.
• PWR (Pressurized Water Reactor): Reactors d’aigua a pressió.
• AP1000 (Advanced Pressurized Reactor): Una millora del PWR.
• ABWR (Advanced Boiling Water Reactor): També una millora, en aquest cas del reactor
BWR
-‐ Reactors d’aigua pesada. El més important és:
•CANDU (Canadian Natural Deuterium Uranium): És el &pus de reactor més u&litzat a
Canadà.
-‐ Reactors moderats amb grafit.
• RBMX: Reactor que tenia la central nuclear de Txernnòbil.
• MAGNOX: Reactor fabricat a Anglaterra.
• HTGR: Reactor de gas amb gran temperatura.
3.3 Evolució
L’evolució de les centrals nuclears ve englobada per el que es diu generacions. Actualment en
trobem tres &pus diferents, segons l’època en la que comencés a funcionar la central, i una quarta
en un futur no molt llunyà.
En la primera generació trobem les centrals nuclear projectades i construïdes a finals de la dècada
dels 50 fins al final dels 60. En aquesta s’inclouen les primeres centrals comercials posades en
funcionament.
La primera planta d’energia nuclear va ser construïda en Estats Units l’any 1958, amb el nom de
Shippingport. Contenia un reactor d’aigua lleugera a pressió, u&litzat amb anterioritat per moure
un gran porta avió. El combus&ble u&litzat era urani amb un enriquiment de fins a 93%.
11
Les següents també van ser posades en funcionament en Nord Amèrica a començaments dels 60.
La primera , en 1960 amb el nom de Dresden, disposava de reactors d’aigua en ebullició i amb la
caracterís&ca de ser la primera central finançada amb un capital privat. La segona, Enrico Fermi,
posada en funcionament tres anys després, disposava del mateix &pus de reactors. Tant els
reactors de Dresden com els de Enrico Fermi, van ser dissenyats i construïts per General Electric,
empresa mul&nacional d’infraestructures, serveis financers i medis de comunicació.
En aquesta primera generació van sorgir dos nous &pus de reactors:
-‐ Reactors Magnox: era un &pus de reactor nuclear que en l’època del seu funcionament s’emprava
per produir plutoni per armes nuclears, creat en el Regne Unit.
Aquest nom el va rebre de les segles Magnesium non-‐oxidising (Magnesi no oxidant) ja que era
l’aliatge u&litzat en la cobertura de combus&ble del Urani, format per Magnesi amb alumini, a de
més d’altres metalls.
La primera central que incorporava aquest reactor va ser Calder Hall l’any 1956 produint plutoni
per ús militar. Va ser tancada en 2003, estan en funcionament durant 47 anys. En total es van
construir fins a 26 reactors, sent exportats a Itàlia i Japó entre d’altres.
-‐ Reactors CANDU: reactor creats en Canadà, u&litzaven
aigua pesada com refrigerant. El seu nom prové dels
acrònims CANadà Deuteri Urani. Aquests reactors es van
començar a u&litzar l’any 1962, sent exportats a Argen&na,
Corea del Sud, Índia, Pakistan i Romania. Com que Canadà
tenia grans reserves d’urani natural, aquests reactors
treballaven directament amb aquest mineral, sense la
necessitat de fer u&lització de urani enriquit.
En la segona generació trobem els reactors construïts entre
els anys 1970 i 1990. En aquestes centrals es va imposar la
tecnologia PWR (Pressurized Water Reactor) amb 265
reactors, BWR (Boiling Water Reactor) amb 94 i CANDU amb
un màxim de 44 reactors.
12
Reactor CANDU
A Rússia es van posar en funcionament els reactors
VVER-‐1000 i el RBMK-‐1000. El VVER-‐1000 era un reactor
nuclear d’aigua pressuritzada. U&litzava l’aigua com
refrigerant i moderador de neutrons. En canvi el RBMK-‐1000
també va ser un reactor nuclear, però aquest es va crear amb
la finalitat de produir plutoni per armes nuclears, a més a
més d’energia. Aquest reactor és del &pus del que tenia la
central de Txernnòbil.
Respecte les centrals espanyoles, totes són de la segona
generació. La primera va ser la central nuclear de José
Cabrera, l’any 1969, amb una tecnologia PWR. La van seguir
Santa Maria de Garoña, en 1971 i Vandellós I en 1972.
Aquestes centrals no van estar totalment opera&ves fins la dècada dels 80, a causa de la crisis
econòmica que sofria el país. També s’ha d’incloure les centrals d’Almaraz I i II, que van començar
la seva explotació en 1983, amb tecnologia PWR.
Un any després es va posar en funcionament Asco I i II, també centrals PWR.
En la actual tercera generació trobem tots els reactor dissenyats i posats en funcionament a par&r
de l’any 1990, amb tecnologies d’ABWR i System 80+. Aquesta primera tecnologia està formada per
reactors d’aigua bullint, però amb una tecnologia més avançada. La System 80+ és un nou model
de reactor d’aigua a pressió.
Les primeres centrals de la tercera generació es van construir en territori asià&c, com la central
Kashiwazaki-‐Kariwa, sent la planta nuclear més gran que hi ha actualment.
En aquesta mateixa generació es van crear dos nous &pus de reactors: AP600 i AP1000, a mans de
Wes&ngHouse. Per altre banda, General Electric, companyia rival va desenvolupar el reactor
ESBWR, un sistema de BWR més simplificat.
En l’actualitat s’està inver&nt molt econòmicament per desenvolupar un nou &pus de reactor, els
quals entrarien a formar part de la quarta generació.
Aquesta úl&ma generació estarà preparada per l’any 2030 aproximadament, on les reactors seran
més econòmics, &ndran una major seguretat, produiran menys residus radioac&us i milloraran el
control de producció, per evitar que s’u&litzin per crear o desenvolupar armes nuclears.
3.4 Funcionament
El funcionament d’una central nuclear és molt semblant al d’una central tèrmica convencional,
però aquesta no fa u&lització d’un reactor nuclear.
El seu funcionament es reparteix en dos circuits: el circuit primari i secundari.
13
Vas del reactor VVER-1000
En el circuit primari es crea l’energia nuclear mitjançant el reactor, gràcies al combus&ble (urani o
plutoni) que produirà una gran quan&tat d’energia calorífica. Aquesta energia calorífica és extreta i
transportada per l’aigua refrigerant, que actua amb una pressió elevada en un circuit tancat i
transmetrà la calor als generadors de vapor en el circuit secundari.
L’aigua d’aquest circuit secundari, al no &ndre una pressió tan elevada com la del primari, es
tornarà en vapor d’aigua. Aquest vapor primerament mourà la turbina amb els àleps més pe&ts i a
mesura que el vapor perdi pressió passarà per la turbina amb àleps més grans.
L’energia mecànica que produiran les turbines arribarà a l’alternador que transformarà aquesta
energia en elèctrica. Per úl&m aquesta energia elèctrica passarà a les xarxes de distribució després
d’elevar la tensió amb els transformadors, i d’aquestes als llocs habitats per al consum.
El vapor u&litzat en aquest procés es tornarà líquid per el seu pas per el condensador i la torre de
refrigeració i tornarà novament al generador de vapor, impulsat per les bombes de circulació i
d’alimentació. Allà l’aigua es tornarà novament en vapor, per passar un altre vegada per les
turbines, i així successivament.
L’aigua u&litzada en el circuit secundari s’extreu del riu o directament del mar. En aquest úl&m cas
s’haurà de fer una dessalinització prèvia, per no produir una corrosió en els components del
circuit.
3.5 Sistemes de seguretat
Les centrals nuclears transformen l’energia nuclear en tèrmica i després en energia elèctrica, que
es la que ens arriba a nosaltres. Aquestes transformacions provoquen alguns impactes:
contaminació tèrmica i química de les aigües u&litzades per la refrigeració i les
residuals,respec&vament, la contaminació acús&ca i una possible contaminació radioac&va,
provinent de residus o emissions.
Per construir una central nuclear, es té que fer un estudi detallat sobre on anirà el seu
emplaçament. Aquest estudi es basa en la demografia, les vies de comunicació, la proximitat dels
centres de consum i de llocs urbans i les diferents caracterís&ques hidrològiques, sísmiques i
climà&ques de una zona o regió.
14
Una vegada s’ha escollit un lloc ideal, es té que fer un altre procés en el qual entren el disseny, la
construcció, la posada en funcionament i l’explotació de la central. Això comporta un compliment
estricte de la norma&va legal per garan&r la seguretat del medi ambient, del personal de la central
i de les persones.
La construcció ha de &ndre una seguretat màxima en
funcionament, en la que implica que els sistemes de control
es&guin de manera duplicada i que trobem diferents
barreres que impedeixin fuites radioac&ves. Si per algun
mo&u fallés la primera barrera, trobaríem una altre que
garan&ria la seguretat de la central. Primerament aniria la
primera barrera, formada per l’estructura ceràmica del
combus&ble, que estaria dins de les beines en el reactor,que
entrarien a formar part de la segona barrera. La tercera la
trobaríem en el vas del reactor i la úl&ma en l’edifici de contenció.
Actualment, trobem un reactor en fase de desenvolupament anomenat reactor de seguretat
passiva, dissenyat amb els principis gsics de funcionament del reactor, que permet evitar errors
humans o averies mecàniques o elèctriques dels sistemes de seguretat, en cas de haver-‐hi.
Contra els possibles accidents nuclears, l’Organisme Internacional de la Energia Atòmica (OIEA) va
establir una escala denominada INES (Interna&onal Nuclear Events Scale), que classificava els
incidents d’una central nuclear en nivells, segons la seva perillositat. Aquesta escala de 8 nivells, es
resumeix:2
-‐ Nivell 0 (Desviació): accidents sense importància respecte la seguretat.
-‐ Nivell 1 (Anomalia): ocorre quan en el seu funcionament hi ha un procés fora del protocol
autoritzat.
-‐ Nivell 2 (Incident): Eventualitat que no arriba a &ndre impacte extern, però amb possible
sobreexposició radioac&va per part dels treballadors, errors en el sistema de seguretat o
una contaminació interior.
-‐ Nivell 3 (Incident seriós): es troba una situació on hi ha un pe&t impacte exterior però
amb irradiació que està per sota del límits o algun problema de salut d’algun treballador.
-‐ Nivell 4 (Accident sense risc extern): Impacte al públic que s’aproxima als límits prescrits,
dany en el reactor o exposició fatal dels treballadors.
-‐ Nivell 5 (Accident amb risc extern): Quan hi ha una fuga radioac&va limitada o grans
danys en el reactor.
15
2 Nucleares, ¿por qué no? Pàg. 185
-‐ Nivell 6 (Accident seriós): Fuga radioac&va significa&va que exigeixi un pla complet de
Protecció Civil .
-‐ Nivell 7 (Accident greu): Aquest úl&m nivell i més perillós, ocorre quan trobem un
desastre complet, com el sofert en Txernnòbil.
Per un correcte funcionament d’una central nuclear,des d’un aspecte de seguretat, es requereix:
-‐ Personal altament qualificat i especialitzat que pugui afrontar qualsevol possible
emergència o anomalia.
-‐ Una revisió anual exhausta de tots els elements mecànics formats per el circuit primari i el
reactor.
-‐ Control radioac&u de totes les emissions produïdes.
-‐ Vigilància radiològica ambiental en la zona, per veure que no afecta a l’ecosistema.
-‐ Detenció i iden&ficació de qualsevol problema o anomalia.
3.6 Avantatges i riscos
Les central són una gran font energè&ca de gran potència i baix cost. Tenen l’avantatge de produir
grans quan&tats d’energia a par&r de masses rela&vament pe&tes d’urani o plutoni.
Per aquesta causa podem obtenir, per exemple, d’un quilogram d’urani-‐235 fissionat, l’equivalent a
2.500.500 quilograms de carbó aproximadament.
Ara per ara, l’energia nuclear aporta un 17% de l’energia generada a nivell mundial en tot el
planeta. França és el país amb més centrals d’Europa, amb un total de 59, mentre que en l’estat
espanyol trobem nou en funcionament, com la d’Ascó o Almaraz.
En els úl&ms anys s’ha reduït a Europa la construcció de noves centrals nuclears, i fins i tot alguns
països com Alemanya pensen aplicar una polí&ca de tancaments de les centrals, que les farien
desaparèixer abans de l’any 2035.
Això es causat en gran part per el problema de l’emmagatzematge dels residus radioac&us i la
insuficient seguretat d’algunes centrals.
Aquest úl&m cas es pot veure per exemple en l’accident
de la central nuclear de Txernòbil en l’any 1981, on va
esclatar el reactor i va produir un gran núvol radioac&u,
afectant a països del nord i l’oest, com Polònia,
Alemanya, Suècia, Bielorússia, etc.
Les conseqüències que va produir sobre els humans van
ser devastadores: 32.000 morts, en l’accident i una gran
contaminació radioac&va en el sòl, l’aigua i l’aire.
16
Incident a Txernnòbil
Un altre cas va ser el de l’accident nuclear en Japó, en la regió de Tokaimura l’any 1999, on va ser el
més greu pel que fa el nombre de persones contaminades des del sinistre de Txernnòbil.
Com s’ha dit anteriorment, un altre problema de les centrals
nuclear és l’emmagatzematge dels residus altament
radioac&us. Aquests es fiquen en bidons que són transportats
i dipositats en grans piscines o directament s’enterren sota
terra. El problema el trobem en que els residus s’han anat
acumulant durans més de 50 anys sense que s’hagi trobat
encara un mètode per destruir-‐los o confinar-‐los de manera
segura i permanent.
Una alterna&va per solucionar aquest inconvenient és la idea d’enterrar els residus radioac&us en
el subsòl oceànic, ja que té zones que s’han man&ngut estables durant milions d’anys i no
afectarien al medi ambient.
4.0 Central nuclear PWR
Aquesta central emprada en el nostre treball, és caracteritza per u&litzar un reactor d’aigua a
pressió (en anglès Pressurized Water Reactor), sent un &pus de reactor nuclear que fa ús d’aigua
com a refrigerant i moderador de neutrons.
Com tota central nuclear, aquesta esta formada per tres circuits : el primari i el secundari, que
formaran el grup per el qual s’ob&ndrà l’energia elèctrica, i el refrigerant, que &ndrà l’objec&u de
recollir aigua d’un riu o mar.
El circuit primari, format per l’edifici de contenció i tots els components que alberga en el seu
interior, s’encarrega de produir reaccions nuclears mitjançant urani o plutoni, que escalfarà a una
elevada temperatura l’aigua que conté aquest primer circuit. Aquesta aigua, a causa de la gran
pressió que té, no bullirà i transmetrà el calor a l’aigua del circuit secundari.
El segon circuit, el secundari, és més complexa respecte el primari, per la gran quan&tat de
components que arriba a &ndre. La seva funció serà dirigir l’aigua calenta, transformada en vapor
al no &ndre pressió, a les turbines en forma d’energia cinè&ca , on passarà finalment en energia
mecànica a l’alternador per generar energia elèctrica. El vapor es farà líquid en el condensador i
tornarà novament a fer la seva funció primària.
Per úl&m trobem el circuit refrigerant. Aquest és el únic circuit obert que posseeix una part
externa respecte els altres circuits, a causa de que agafa aigua d’un element gsic com un riu, llac o
mar. Aquest refrigerarà el vapor del circuit secundari amb l’aigua extreta. L’aigua a causa d’agafar
el calor que transmetria la del circuit secundari, arribarà a la torre de refrigeració on s’evaporarà a
l’atmosfera.
17
Cementiri nuclear
Però cadascun del circuits no és solament això, sinó que tots ells estan formats per diversos i
complexes components, amb una avançada tecnologia. Aquest dividits segons el circuit al que
formen part, són:
4.1 Circuit primari3
El circuit primari és el que trobem dins de l’edifici de contenció. Està format per el vas del reactor,
on trobem el reactor nuclear , bombes per fer circular l’aigua, el pressionador i finalment
l’intercanviador de calor.
Es poden classificar en dues parts, segons siguin components que tenen la seva funció en el
reactor o fora d’aquest:
4.1.1 Components del reactor nuclear:
-‐ Reactor nuclear: De mans de l’equip del gsic italià Enrico Fermi, a la universitat de Chicago, es va
construir el primer reactor de fissió nuclear, a l’any 1942, que va marcar l’inici de la recerca per
obtenir sistemes d’aprofitament de l’energia tèrmica ob&nguda en les fissions o fusions dels
àtoms .
Es caracteritzen per estar instal·∙lats a prop de zones properes a
l’aigua, ja que com tota central tèrmica necessita una refrigeració del
circuit, per no produir gasos que puguin contaminar la atmosfera,
però si per ser el component que produeix els residus radioac&us
que tenen una vida de fins desenes de milers d’anys.
Aquest component, el més important de una central nuclear, és
l’encarregat de produir i desprès controlar les reaccions en cadena,
fent possible l’aprofitament de l’energia tèrmica ob&nguda amb el
procés del cicle termodinàmic.
Les seves aplicacions, molt diverses, apart de la seva principal
explicada anteriorment, s’u&litza per la propulsió nuclear de
elements marí&ms com submarins o aeris, com portaavions.
Una altra finalitat que s’u&litza àmpliament és per la transmutació, es
a dir, en la conversió d’un element químic a un altre. En aquest cas,
s’aplica per ob&ndre plutoni o per la creació de isòtops radioac&us
com el americi o el cobalt-‐60, u&litzats en detectors de fum
tractaments mèdics.
Per úl&m, el trobem en aplicacions d’inves&gació i desenvolupament de tecnologia nuclear.
18
3 Nucleares, ¿por qué no? Pàg. 159
-‐ Barres de control: formades per barres de fins a 4 metres de longitud fetes d’acer amb
un aliatge de plata, cadmi, bor i hafni, tenen la propietat d’absorbir neutrons, la seva
missió és la de regular el nombre de fissions que es produeixen a l’interior del reactor
per unitat de temps. Quan les barres de control hi estan totalment introduïdes, la
reacció en cadena s’atura. Aquest procés tarda aproximadament un segon en completar-‐
se. A mesura que aquestes van sor&nt, la reacció augmenta fins al nivell màxim establert
en el reactor. El reactor té un sistema de control de la temperatura que actua sobre un
posicionador de les barres, que les introduirà en més o menys mesura segons la
temperatura de la zona controlada
-‐ Combus/ble: és el material fisionable u&litzat en determinades quan&tats i disposat
de manera de que permet extreure amb rapidesa i facilitat l’energia ob&nguda. Aquest
combus&ble el trobem en forma sòlida, sent el Urani en la seva forma isotòpica U-‐235 el més
u&litzat. En la naturalesa l’urani fisionable no existeix en gran quan&tat, al voltant del 0,7%, pel que
això te com a conseqüència que en la majoria de reactors s’u&litzi combus&ble “enriquit”, és a dir,
combus&ble el qual s’augmenta la seva quan&tat d’urani 235.
Per obtenir el urani enriquit, es fa un cicle del combus&ble nuclear, el qual agrupa els processos
necessaris per els quals es crea el combus&ble per la seva u&lització en un reactor. Primerament
es tritura i es processa dissolent-‐lo amb àcid sulfúric, desprès de la seva extracció en les mines,
per obtenir un material anomenat “yellow cake”, part que és transportada a la planta
d’enriquiment. El següent pas és enriquir l’urani amb UF6 per obtenir al fi combus&ble nuclear
sòlid, compacte, químicament inert i insoluble.
-‐ Moderador: situat en el centre del reactor nuclear, és un element que redueix la velocitat dels
neutrons emesos en les reaccions de fissió, per assegurar el seu impacte amb altres àtoms
fissionables i mantenir la reacció. Els moderadors que s’u&litzen són l’aigua, l’aigua pesant o el
grafit.
L’aigua, atès que la massa dels seus nuclis d’hidrogen és una mica més gran que la massa d’un
neutró, aquests úl&ms van disminuint la seva velocitat de moviment a mesura que impacten amb
les molècules H2O.
19
Contra més gran sigui la densitat del moderador, més es reduirà la velocitat del neutrons, per això
si volem més eficàcia que l’aigua normal, u&litzada en els reactors de fusió, s’u&litzarà l’aigua
pesant, u&litzada en els de fissió generalment. A diferencia de la molècula d’aigua que està
formada per dos àtoms d’hidrogen i un d’oxigen, l’aigua pesant consis&rà en la unió de dos àtoms
de deuteri i un d’oxigen. El deuteri és un isòtop més pesat de l’àtom d’hidrogen. Quan un reactor
empra urani natural com a combus&ble, solament l’aigua pesada pot complir la doble funció de
transferir el calor i moderar els neutrons.
Existeix un altre &pus de reactor anomenat reactor ràpid, que no disposa de moderador i u&litza
sempre urani enriquit.
-‐ Refrigerant: en les centrals de PWR, l’aigua a més d’u&litzar-‐se com a moderador, també ho fa
com a refrigerant. Aquesta té la funció de refrigerar el reactor, evitar un sobreescalfament en el
sistema i transportar la calor generada a través del circuit secundari a la turbina i alternador, per
tornar desprès de nou al reactor i repe&r el cicle.
4.1.2 Components exteriors al reactor
-‐ Bombes: Són els components que fan circular l’aigua per l’interior del circuit primari en un propi
circuit tancat, fent que el líquid es&gui en constant moviment.
-‐ Pressionador: el seu objec&u és man&ndre una elevada pressió en l’aigua
perquè no entri en ebullició i es transformi en vapor. És l’element anterior
a l’ intercanviador de calor.
-‐Intercanviador de calor: és l’element que transmetrà el calor del circuit
primari re&ngut per l’aigua a pressió fins al segon, on l’aigua d’aquest s’escalfarà i es transformarà
en vapor.
4.2 Circuit secundari
El circuit secundari es podria dir que comença a par&r d’aquesta transferència de calor ob&nguda
en l’ intercanviador, que també forma part del circuit secundari. A diferència del primari, trobem:
-‐ Intercanviador de calor: té la mateixa funció que en la del circuit primari, escalfar l’aigua
provinent del condensador per conver&r-‐la en vapor d’aigua.
-‐ Bombes: al igual que en el circuit primari, les bombes s’encarreguen de transportar l’aigua per tot
el circuit primari, des del condensador de vapor fins a l’intercanviador de vapor, on l’aigua es
transforma en vapor.
20
-‐ Turboalternador: és la unió del conjunt de turbines amb
l’alternador elèctric, que fa la funció d’aquests dos elements.
Les turbines s’encarreguen de conver&r l’energia cinè&ca que
arriba de l’aigua, transformada en vapor al no &ndre pressió i
trobar-‐se a una elevada temperatura, en energia mecànica de
rotació. El seu funcionament es realitza mitjançant els àleps que
trobem a les turbines. Els vapor farà moure els diferents àleps,
que cada vegada &ndran una supergcie superior a mesura que el vapor perdi pressió y s’expandeixi
més.
En la part de l’alternador, l’energia mecànica que arriba de les turbines es conver&rà en energia
elèctrica, generant una corrent alterna mitjançant la inducció electromagnè&ca.
Aquest terme és el fenomen que produeix una força
electromotriu, és a dir, una diferència de potencial
entre dos punts d’un circuit en un cos generant una
corrent. L’energia elèctrica generada es transportarà
per les línies elèctriques i anirà fins els transformadors
de les estacions elèctriques, on s’elevarà la seva tensió.
Una vegada elevada la seva tensió novament les línies elèctriques distribuiran l’energia fins als llocs
urbans, de manera aèria o subterrània.
-‐ Condensador: el úl&m component d’importància en el circuit secundari, farà que el vapor
u&litzat en el procés de creació d’energia elèctrica es condensi i es torni novament aigua líquida. El
procés es realitza gràcies a l’intercanvi de calor entre el circuit secundari i el refrigerant. L’aigua
líquida tornarà una altre vegada fins a l’ intercanviador de calor, moguda per unes grans bombes.
4.3 Circuit refrigerant
El úl&m circuit d’una central del &pus PWR, és l’encarregat de refrigerar l’aigua del circuit
secundari, per poder crear vapor un altre vegada. És l’únic circuit dels tres que és obert, a causa de
que agafa aigua externa. Aquesta aigua freda, arribarà mitjançant bombes al condensador, on
refredarà el vapor que passa per aquest element.
Com és normal, l’aigua del circuit de refrigeració
elevarà la seva temperatura fins transformar-‐se en
vapor. Aquest vapor sor&rà per la torre de
refrigeració a l’exterior. No obstant, no tota l’aigua
es farà vapor, sinó que també hi ha una part que al
fer el seu pas per la torre de refrigeració tornarà a
un estat líquid. Finalment unes bombes faran
arribar aquesta aigua fins al condensador, per
repe&r el cicle o retornar al riu.
21
4.4 Funcionament
El següent esquema mostra pas per pas tot el funcionament, acompanyat per la seva explicació:
Les centrals amb reactor d’aigua a pressió o PWR u&litzen urani enriquit com a combus&ble,
mentre que l’aigua fa la funció de refrigerant i moderador. La calor que es produeix en el nucli del
reactor es transfereix mitjançant el circuit primari de refrigeració fins al circuit secundari, on es
produeix vapor que mourà la turbina.
Primerament trobem el circuit primari, situat a l’edifici de contenció (1) , que està format per llaços
en paral·∙lel per els que circula el refrigerant impulsat per una bomba (2) a través del reactor (3) i
els corresponents pressionador (4) i intercanviador de vapor (5). El pressionador fa que la pressió
del aigua no disminueixi conver&nt-‐se en vapor, mentre que el intercanviador de vapor transfereix
la calor del circuit primari al secundari.
L’aigua del circuit secundari conver&da en vapor a l’ intercanviador arriba als reescalfadors (6), on
s’extreu la humitat per obtenir vapor sec. Aquest vapor arriba a la turbina (7) , on mourà diferents
àleps de longituds diferents segons la pressió sotmesa. La turbina transformarà l’energia cinè&ca
del vapor a mecànica, que arribarà al alternador (8) on es conver&rà en energia elèctrica (9).
L’aigua del circuit secundari passarà al condensador (10) per fer-‐se líquida u&litzant aigua d’un riu
( 11) i la torre de refrigeració (12) i repe&r el cicle.
22
5.0 El nostre simulador
5.1 PICAXE
Per al nostre simulador hem u&litzat un microcontrolador de la marca PICAXE. Aquests
microcontroladors són uns xips electrònics que tenen la caracterís&ca de que es poden programar
directament des de l’ordinador.
Per a programar un microcontrolador PICAXE necessitem:
-‐ Microcontrolador amb la seva placa:
La placa a la que es connecta el microcontrolador
permet connectar-‐lo amb l’ordinador y facilita la
connexió amb la resta de disposi&us de les entrades i
sor&des, així com a la font d’alimentació.
En el moment de la transferència del programa haurà de tenir la
font d’alimentació connectada.
-‐Cable de connexió entre ordinador i placa:
Adaptador que connecta el port sèrie de 9 pins de l’ordinador
amb un connector jack estèreo que es pot introduir directament
a la placa del microcontrolador per interactuar amb aquest.
Si l’ordinador no disposa d’un port
sèrie podem u&litzar un conversor de USB a port sèrie com aquest:
-‐ SoZware editor de programes:
Per tal de crear el programa i introduir-‐lo al microcontrolador
necessitem un so�ware que es pot descarregar gratuïtament des de la pàgina web de PICAXE
(www.picaxe.co.uk) i té el següent aspecte:
23
Simulador
Finestra principal del programa
A més aquest programa incorpora un simulador, on es poden provar els programes creats abans de
introduir-‐los al microcontrolador i pot ser ú&l per trobar errors mitjançant la simulació d’unes
variables concretes. A la imatge del simulador podem observar que al quadre de l’esquerra està
l’estat de les entrades i sor&des, podent ac&var les que vulguem i al de la dreta està el valor de
cadascuna de les variables.
5.1.1 Ordres bàsiques
-‐ if...then: fa la funció de condicional. Després de if hem de posar la condició que volem que es
compleixi i després de then hem de posar l’acció que volem que faci si es compleix la condició
anterior. Les condicions i les acciones poden ser valors de les variables, valors de les entrades o
de les sor&des, etc.
-‐ high pin/low pin: serveix per a connectar (high) o desconnectar (low) el pin o sor&da que li
indiquem. També existeix l’ordre reverse, que canvia l’estat de la sor&da indicada.
-‐ goto/gosub: serveixen per anar a un punt concret del programa, gosub s’u&litza per indicar que
ha d’anar a un subprograma i després retornar i goto s’u&litza per anar a qualsevol punt del
programa.
-‐ let variable = valor: serveix per donar a una variable un valor concret.
-‐ readadc entrada, variable: s’u&litza per assignar a una variable el valor que &ngui l’entrada
analògica indicada.
-‐ debug: permet mostrar a la pantalla de l’ordinador el valor de les variables, de les entrades i de
les sor&des a cada instant. Requereix que el PICAXE es&gui connectat i és molt ú&l per detectar
errors als programes.
-‐ wait segons: permet establir uns temps durant el qual el procés s’aturarà.
-‐ Operacions matemà&ques: es poden fer un seguit d’operacions matemà&ques amb les variables
com suma (+), resta(-‐), mul&plicació (*), divisió (/), etc.
5.2 Bus I²CEl I²C és un bus de comunicacions en sèrie que permet la transmissió i la recepció de dades entre
diferents disposi&us interconnectats que va ser creat per Philips l’any 1992.
Per a la u&lització d’aquest bus es necessiten dues línies: SDA i SCL.
A qualsevol connexió per mitjà del I²C hi ha d’haver un disposi&u que sigui el Master (mestre), que
és el que inicia la transferència de dades (que transmet per mitjà de la línia SDA) i genera el senyal
de rellotge (que serveix per sincronitzar les transferències de dades i s’envia per mitjà de la línia
SCL); i un disposi&u que sigui Slave o esclau, que és el que rep dades o del qual són extretes.
Cada disposi&u té una direcció diferent i pot ser mestre o esclau, encara que aquesta condició es
pot anar intercanviant entre els disposi&us que &nguin la capacitat per a ser-‐ho.
24
5.2.1 Connexió
Les connexions del bus es fan de la següent manera:
Es connecta la tensió i la massa a tots
el disposi&us de manera normal i a
con&nuació es connecten les línies
SDA i SCL de tots els disposi&us que
es vulguin interconnectar. Les dues
línies han d’anar connectades al
corrent mitjançant uns resistors de
4007Ω.
Per tal de facilitar la connexió i evitar el gran nombre de cables que requereix, vam soldar alguns
cables de manera que només s’hagi de connectar un cable que uneixi la línia amb el disposi&u:
5.2.2 Llenguatge de programació
El llenguatge u&litzat es basa en tres ordres:
-‐ i2cslave: serveix per configurar una sèrie de paràmetres previs a l’enviament o recepció de dades.
L’ordre té el següent esquema: i2cslave direcció del disposiHu, velocitat del bus, mida de la
direcció.
Tots aquests paràmetres els indica el fabricant del disposi&u: la direcció sol ser un número, la
velocitat pot ser i2cfast (400kHz) o i2cslow (100kHz) i la mida de la direcció pot ser i2cbyte o
i2cword.
25
-‐ writei2c: aquest ordre s’u&litza per enviar dades als disposi&us esclaus des de el mestre i té el
següent esquema: writei2c direcció de la memòria del disposiHu en que es vol escriure, (dades,
dades...).
La direcció de la memòria sol ser 0 o 1, depenent del disposi&u, i les dades és el conjunt de
números o lletres que es vol enviar al disposi&u.
-‐ readi2c: és l’ordre contrari a l’anterior perquè serveix per llegir informació del disposi&u esclau. El
esquema de l’ordre és molt similar al writei2c: readi2c direcció de la memòria del disposiHu de la
que es vol llegir, (variable que es vol llegir, variable que es vol llegir...).
La direcció de la memòria la indica el fabricant, al igual que en l’ordre anterior i la variable és el lloc
on el disposi&u té guardada la informació que volem llegir (solen ser b0, b1, b2, etc.).
5.2.3 Disposi/us I²C
Existeixen mul&tud de disposi&us que s’interconnecten per mitjà d’aquest bus però nosaltres
disposem dels següents:
Digitalitzador de veu: disposi&u que permet
escoltar en veu alta frases introduïdes per
mitjà del bus I²C.
Per introduir les frases podem fer-‐ho
directament des de el microcontrolador
PICAXE, seguint les indicacions del fabricant
del digitalitzador, o u&litzar un programa
específic que ens permet emmagatzemar les
frases a la memòria del disposi&u. Per a
u&litzar aquest programa hem de connectar
l’adaptador que es veu a la dreta de la imatge al disposi&u per tal d’establir la connexió entre
l’ordinador i el digitalitzador. Un cop hem emmagatzemat les frases podem reproduir-‐les per dos
mètodes: u&litzant les entrades digitals
situades al costat dret del digitalitzador
(cada entrada està vinculada amb una
frase i només hem de connectar-‐la a la
massa, es a dir, a l’úl&m connector
d’aquest grup de pins) o mitjançant una
connexió I²C amb el microcontrolador,
en la que només hem d’indicar el
número de frase que volem que
reprodueixi.
26
Aspecte del programa específic del digitalitzador de veu
Display: pantalla digital de set segments i quatre dígits que ens permet, mitjançant les ordres
proporcionades pel fabricant, mostrar qualsevol número entre 0 i 9999 que vulguem. Com que per
al programa del simulador de la temperatura necessitem connectar els dos displays alhora, hem de
fer una pe&ta modificació per tal de canviar la direcció a un d’aquests i que puguin funcionar
connectats al mateix microcontrolador de manera independentment. Aquesta modificació
consisteix en variar el pont situat a la part inferior dreta de la part del darrere dels displays.
Termòmetre: disposi&u que ens permet assignar la temperatura
atmosfèrica real a una variable. També disposa d’altres funcions més
complexes com donar tensió a una de les seves potes si la temperatura
supera un cert valor establert.
Les ordres específiques per a cada funció les proporciona el fabricant a la
documentació del disposi&u.
Rellotge de temps real: ens permet assignar a una variable la dada
del temps que vulguem (segons, minuts, hores, dia, mes o any). Al
igual que el termòmetre té diferents modes, com el que permet
donar tensió a una de les potes a una hora preestablerta.
L’inconvenient és que necessita una pila de botó sempre que no
es&gui connectat a la corrent per mantenir l’hora introduïda.
27
5.3 Programes
5.3.1 Simulació de barres de control i temperatura
28
29
30
5.3.1.1 Hardware necessari
-‐ Microcontrolador PICAXE:
microcontrolador de la marca PICAXE, de 28
potes, model AXE020. Mitjançant el programa
informà&c i els cables necessaris, es carrega el
programa creat a l’ordinador al xip i aquest el
guarda i l’executa sempre que &ngui una font
d’alimentació adequada connectada.
-‐ Potenciòmetre (1)4: resistor
elèctric que permet canviar el seu
valor i per tant variar la diferència de potencial d’un circuit. Això ens possibilita
connectar-‐lo a l’entrada analògica del microcontrolador y poder donar un valor entre 0
i 255 a una variable interna depenent del valor que li donem a la resistència a cada
moment.
-‐ 2 Displays (2 i 3) digitals de set segments i quatre dígits, que es
connecten al microcontrolador mitjançant el bus I2C4 i s’u&litzen
per mostrar el valor de les variables desitjades, en el nostre cas,
de les barres de control i de la temperatura.
-‐ Digitalitzador de veu: Disposi&u que permet escoltar
qualsevol frase en anglès carregada prèviament per mitjà del
bus I2C i un programa concret.
31
4 A la imatge del simulador de la pàgina 35
-‐ Font d’alimentació (4 piles): proporciona l’energia elèctrica necessària per a que
funcioni tot el sistema. Segons les especificacions de PICAXE, el microcontrolador admet
tensions de 4,5V a 6V. En el cas d’un portapiles de quatre bateries de &pus AA com el
que u&litzem crearíem una diferència de potencial de 6V en el cas de que emprem piles
normals i de 4,8V en el cas de les piles recarregables.
-‐ Resistors de 330Ω: resistor elèctric que es connecta en sèrie amb cadascun dels grups
de leds que s’u&litzen al circuit per tal de reduir la intensitat que
passarà per aquests i no fondre’ls. Per tant, el nombre de
resistors és igual al nombre de grups de leds que s’u&litzaran. En el
nostre cas en necessitem dues.
-‐ Resistor de 18KΩ: resistor elèctric que es connecta amb el potenciòmetre per tal que el
microcontrolador pugui llegir de manera correcta els valor de la caiguda de tensió provocada per
aquest a l’entrada analògica. Es connecta de la següent manera:
-‐ 2 Resistors de 4,7KΩ: resistors elèctrics que s’han de connectar als cables del bus I2C. Es
necessita un per a cada línia del bus (SCL i SDA)5.
-‐ Leds (4 i 5): díodes emissors de llum que u&litzem a mode
d’alarmes visuals. Com són una alarma de perill els que
u&litzem són de color vermell. Per a connectar-‐los al circuit
s’uneixen a un resistor de 330Ω i a la sor&da digital
corresponent del microcontrolador.
32
5 Per a més informació sobre el bus I2C consultar pàg. 24
5.3.1.2 Objec/u
Amb aquest programa volem aconseguir simular la seguretat a una central nuclear PWR en relació
a la temperatura del reactor d’aquesta, que variarà en funció del valor de les barres de control,
valor que podrem variar mitjançant el potenciòmetre i que apareixerà en un dels displays.
D’aquesta manera quan les barres de control es&guin per sobre d’un determinat valor (80%) el
programa sumarà automà&cament un grau a la temperatura simulada i en disminuirà un si les
barres es troben per sota d’un altre valor (20%).
En funció de la temperatura simulada que hi hagi, el simulador emetrà una sèrie d’avisos,
depenent de la gravetat del problema. Però si la temperatura supera un límit en que hi hauria un
alt risc (350ºC), automà&cament el simulador entrarà en un mode de seguretat en el que les
barres de control es posaran al 15%, fent disminuir la temperatura al reactor, fin que aquesta torni
a estar dins dels límits de funcionament correcte (300ºC) i es desac&vi el mode de seguretat,
tornant a ser manual el domini de les barres de control.
5.3.1.3 Explicació detallada del programa
El programa comença amb la selecció de la temperatura inicial, que és el valor que se li assigna a la
variable b9 al principi que, basant-‐nos en les temperatures reals dels reactors, hem es&mat que
seria d’uns 275ºC. A con&nuació s’inicia el programa principal, que és el que es repe&rà
infinitament. El primer que fa és anar al subprograma que simula el sensor de pressió del reactor
nuclear, que està explicat en el següent apartat.
Lectura de l’entrada: A con&nuació llegeix el valor de la caiguda de tensió a l’entrada analògica 1,
on està connectat un potenciòmetre, amb el qual podem variar el valor de les barres de control
(1). Mitjançant una sèrie d’operacions matemà&ques, converteix aquesta dada (que va de 207 a
255) en un percentatge que va de 0 a 100. Com que les barres de control limiten la velocitat de la
reacció en cadena, quant més altes (major percentatge) més reaccions es produiran per unitat de
temps i més augmentarà la temperatura i, per tant, quant més baixes (menor percentatge) més
disminuirà la temperatura al reactor. És per això que el programa augmenta un grau de la
temperatura simulada (b9) si les barres de control es troben per sobre del 80% i en disminueix un
si les barres de control es troben per sota del 20%. Un cop ha calculat la temperatura i la posició de
les barres de control, el que fa és conver&r aquesta informació al llenguatge dels displays i enviar-‐
la perquè la mostrin.
Sor/da d’informació: Aquest procés es porta a terme als subprogrames “pantalla1” i “pantalla2”,
que són idèn&cs excepte per la direcció dels displays i per la variable amb la que treballen (b9 o
b3) i consisteix seleccionar el disposi&u mitjançant el l’ordre “i2cslave”, enviar-‐li una sèrie de
paràmetres a la memòria 0 com la brillantor, el número de dígits...; conver&r la variable en dades
que el display pugui entendre (procés que proporciona el fabricant del component) i, finalment,
enviar aquestes dades al display per a que les mostri (2 i 3). L’ordre de la següent línia, la 12, indica
33
que ha de fer una pausa de 600 ms, temps necessari per a que la temperatura no augmen& ni
disminueixi a una velocitat excessiva i per aconseguir l’efecte de parpelleig als leds.
Accions possibles: A con&nuació, en funció de la temperatura simulada que hi hagi en aquell
moment, pot fer diferents accions:
-‐ Si la temperatura simulada és inferior als 325ºC, apaga els leds (5) en cas de que es&guessin
encesos prèviament i con&nua el programa amb normalitat (línia 18).
-‐ Si la temperatura es troba entre 325ºC i 350ºC, els leds connectats a la sor&da digital 4
parpellejaran (5), això s’aconsegueix amb la funció “reverse”, que canvia l’estat lògic de la sor&da
a cada repe&ció del programa (línia 14).
-‐ Si la temperatura és superior als 350ºC, els leds (5) &ndran alimentació permanent i emetran una
llum fixa, al contrari que en el cas anterior (línia 16). A més selecciona el missatge 1 del
digitalitzador de veu (línia 26) que diu “high temperature in the reactor”, és a dir, “temperatura
alta al reactor” i el fa parlar anant al subprograma “parlar” (línia 28).
-‐ Si la temperatura és superior als 375ºC, s’encendran uns altres leds (4), a més dels anteriors,
connectats a la sor&da digital 5 per indicar un error greu en la temperatura (línia 20), selecciona
el missatge 2 del digitalitzador de veu (línia 22) que diu “ac&va&ng security mode” és a dir,
“ac&vant el mode de seguretat” i va a al subprograma “parlar” per tal d’executar l’ordre. A
con&nuació passa al mode de seguretat o “alarma”, que és un subprograma (línia 25). En aquest
subprograma es configuren automà&cament les barres de control a un 15%, independentment
del valor del potenciòmetre, (línia 58) per tal de disminuir la temperatura de manera immediata,
un grau a cada repe&ció del programa (configurada cada 600 ms a la línia 60). A con&nuació va
als subprogrames “pantalla1” i “pantalla2” per a mostrar la informació de les barres de control i
de la temperatura als displays. Durant el temps en el que està ac&u aquest mode de seguretat
també farà parpellejar els leds de la sor&da 5 o d’emergència (línia 63). Tot aquest procés es
repe&rà fins que la temperatura sigui inferior a 300ºC, moment en el que seleccionarà el
missatge 3 del digitalitzador de veu (“the temperature is correct now” o “la temperatura és
correcta ara”, en català) i anirà al subprograma “parlar” per a que el pronunciï (línies 64 i 66).
Finalment apagarà els leds indicadors d’error (4) de la sor&da 5 (línia 67) i tornarà al programa
principal (línia 69).
Per úl&m, hi ha l’ordre que l’indica que ha de tornar a repe&r el programa infinitament (línia 29),
evitant la part en la que es configura la temperatura inicial per tal que aquesta variï a cada
repe&ció del programa.
34
5.3.1.4 Esquema elèctric
35
5.3.1.5 Diagrama de blocs del programa
Configurar temperatura a 275ºC
Llegir valor entrada analògica1
Calcular percentatge barres de control
Sumar un grau a la temperatura
Restar un grau a la temperatura
Apagar tots el leds
Perpelleig leds sortida 4
Leds sortida 4 fixos
Missatge 1 digitalitzador
de veu
Leds sortida 4 fixos i sortida 5 parpellejant
Missatge 2 digitalitzador
de veu
Barres de control al 15%
Missatge 3 digitalitzador
de veu
Apagar tots els leds
Disminuir un grau la
temperatura
Temperatura < 325ºC 325ºC < Temperatura < 350ºC Temperatura > 350ºC Temperatura > 375ºC
20% < Barres de control < 80%Barres de control < 20% Barres de control > 80%
Temperatura < 300ºC Temperatura > 300ºC
36
5.3.2 Simulació de la pressió
5.3.2.1 Hardware necessari
-‐ Microcontrolador PICAXE.
-‐ Potenciòmetre (7)6: connectat a l’entrada analògica 0 del microcontrolador, mitjançant el
muntatge explicat anteriorment, i que ens permetrà variar la pressió simulada.
-‐ 4 Leds (6): connectats a les sor&des 0, 1, 2, i 3 respec&vament i que ens informaran de l’estat de
la pressió, sent els dos primers de color verd per a indicar un funcionament correcte i els altres dos
vermells per a indicar una pressió excessiva.
-‐ Resistor de 18KΩ: connectat amb el potenciòmetre a la entrada analògica 0.
-‐ Font d’alimentació (4 piles).
-‐ 4 resistors de 330Ω: que es connecten en sèrie amb cada led.
5.3.2.2 Objec/u
Mitjançant aquest programa volem simular un sistema d’alarmes lluminoses d’una central nuclear
PWR que variï en funció de la pressió que nosaltres introduirem per mitjà d’un potenciòmetre. Per
això hi haurà 4 leds, dos verds i dos vermells, que s’encendran, apagaran o parpellejaran en funció
de la pressió simulada que hi hagi en aquell moment.
5.3.2.3 Explicació detallada del programa
El procés està introduït dins del programa principal com un subprograma que comença a la línia 83
i al que va amb l’ordre “gosub pressio” (línia 3).
Comença llegint la informació del potenciòmetre (7) i assignant-‐la a la variable a la variable b0
(línia 84). A con&nuació transforma aquesta informació en un percentatge mitjançant operacions
matemà&ques (línies 85 i 86) i després encén uns leds o uns altres (6) en funció d’aquest
percentatge:
-‐ Si la pressió és major al 10% encendrà el led connectat a la sor&da 0, que és de color verd (línia
87).
-‐ Si la pressió és major al 30% encendrà el led connectat a la sor&da 1, que també és de color verd
(línia 89).
-‐ Si la pressió és major al 50% encendrà el led connectat a la sor&da 2, que és de color vermell
(línia 91).
37
6 A la imatge del simulador de la pàgina 35
-‐ Si la pressió es troba entre el 75% i el 85% encendrà el led connectat a la sor&da 3, que també és
de color vermell (línia 93).
-‐ Si la pressió és major al 85% parpellejarà el led connectat a la sor&da 3, per indicar que hi ha un
error greu al sistema degut a l’altra pressió (línia 95).
Finalment, si la pressió és menor a cadascuna de les anteriorment esmentades, apagarà el led
corresponent (línies 97 a 103) i retornarà al programa principal (línia 105). Quan aquest acabi,
tornarà a iniciar-‐se el subprograma encarregat de la pressió.
5.3.2.4 Diagrama de blocs del programa
38
5.3.2.5 Esquema elèctric
39
5.3.3 Prova de barres de control i temperatura
40
41
5.3.3.1 Hardware necessari
-‐ Microcontrolador PICAXE.
-‐ Potenciòmetre: connectat a l’entrada analògica 1 del microcontrolador per tal d’introduir la
posició de les barres de control de manera manual.
-‐ Display: que mostrarà la posició rela&va de les barres de control.
-‐ Digitalitzador de veu: que dirà la temperatura real quan accionem el polsador.
-‐ Polsador: connectat a l’entrada digital 0 i que u&litzarem per a ordenar al
digitalitzador que digui la temperatura.
-‐ Termòmetre: connectat al microcontrolador per mitjà
del bus I2C i que permet transmetre la informació de la
temperatura atmosfèrica real.
-‐ Resistor de 18KΩ: connectat amb el potenciòmetre a la entrada
analògica 1.
-‐ Font d’alimentació (4 piles).
-‐ 2 resistors de 4,7KΩ: Connectats amb cadascun dels cables del bus I2C.
5.3.3.2 Objec/u
Amb aquest programa volem aconseguir simular la resposta que donaria un sistema de control
d’una central nuclear en funció de la temperatura atmosfèrica real.
Això ho aconseguim introduint la posició que vulguem de les barres de control mitjançant un
potenciòmetre i mostrant-‐ho al display. Però si hi ha una temperatura superior a un cert límit, en la
qual sigui perillós mantenir en funcionament la reacció les barres de control, es posaran
automà&cament a un valor determinat. En l’exemple del programa les barres es posarien al 100%
de manera que aturarien la reacció.
A més, si accionem el polsador, el digitalitzador de veu dirà automà&cament la temperatura a la
que ens trobem en aquell moment.
5.3.3.3 Explicació detallada del programa
El programa comença assignant un nom a algunes de les variables per a que sigui compa&ble amb
la secció que s’encarrega de llegir la temperatura proporcionada pel fabricant del termòmetre
(línies 1 a 4).
42
A con&nuació llegeix la informació del potenciòmetre connectat a l’entrada analògica 1 i l’assigna a
la variable b1 (línia 6) per després conver&r aquesta informació en un percentatge a través d’unes
operacions matemà&ques (línies 7 i 8).
El següent pas és llegir la temperatura atmosfèrica real mitjançant el termòmetre connectat pel
bus I2C i les ordres proporcionades pel fabricant del disposi&u (línies 10 a 28).
Si la temperatura és major al límit que li vulguem posar, que en el exemple és de 33ºC, les barres
de control es posaran automà&cament al 100% (línia 30). A con&nuació envia la posició de les
barres de control al display per a que la mostri. Això ho fa mitjançant una adaptació del codi
proporcionat pel fabricant.
Finalment comprova si el polsador connectat a l’entrada C.0 està accionat i en el cas de que ho
es&gui, va al subprograma “parlar” amb el que se li mana al digitalitzador de veu que digui la
temperatura (línia 42):
Primerament selecciona el missatge a dir (línies 46 i 47), que han estat prèviament guardats al
digitalitzador mitjançant un programa propi. Després, envia l’ordre de parlar al disposi&u (línies 49
i 50) i va al subprograma “wait4shutup” (línia 51), en el esperarà per con&nuar amb la resta del
programa fins que el digitalitzador hagi acabat de dir el missatge.
Per acabar, torna al programa principal i repeteix el procés des de el començament (línia 43).
43
5.3.3.4 Diagrama de blocs del programa
44
5.3.3.5 Esquema elèctric
45
6.0 Conclusions
Tal i com prevèiem al començament d’aquest treball, durant aquests mesos hem après molt sobre
el funcionament de les centrals nuclears i, especialment, a treballar amb components electrònics
com el microcontrolador, el que creiem que ens serà molt ú&l en un futur proper.
Una de les parts que més creiem que ens ha aportat és la resolució d’errors. Hem &ngut problemes
com algunes soldadures que es desfan, el que comporta trobar el problema i arreglar la soldadura
sense interferir amb els altres cables; o amb el microcontrolador perquè no és capaç de treballar
amb nombres més grans de 255, el que ens va obligar a fer un gran canvi al programa per tal de
separar totes les variables que podien passar d’aquesta xifra en centenes, desenes i unitats. Un
altre problema recurrent que vam tenir van ser les piles, que de vegades no funcionaven bé, fent
que no poguéssim carregar el programa al PICAXE o que no tenien voltatge suficient per a fer
funcionar tots els elements connectats, el que vam solucionar connectant-‐lo a la corrent amb un
transformador.
Contratemps com aquests són comuns en el treball amb aquesta mena de materials i aprendre a
solucionar-‐los amb certa rapidesa és important.
46
7.0 Bibliografia
Llibres
LOZANO LEYVA, MANUEL. Nucleares, ¿por qué no?. 1a ed. Barcelona: Debate, 2009. (Ciencia)
ISBN 978-‐84-‐8306-‐817-‐5
MARÍN, A.; PFEIFFER, N.; TRAVESSET, A. Física 2. 1a ed. Barcelona: Casals, 2009. (Batxillerat)
ISBN 978-‐84-‐218-‐4036-‐8
JOSEPH, JOAN; HOYOS, ROGER; GARRAVÉ, JAUME; GARÓFANO, FRANCESC; VILA, FRANCESC.
Tecnologia Industrial 1. 1a ed. Madrid: Mc Graw Hill, 2008. (Batxillerat)
ISBN 978-‐84-‐481-‐6770-‐7
Pàgines web
COQUET, EDUARDO. El bus I2C [En línia]. Buenos Aires.
<h�p://www.comunidadelectronicos.com/ar&culos/i2c.htm> [Consulta: 10 d’octubre 2010]
GARCÍA, CÁNDIDO. Alma de herrero [En línia]. Barcelona: Blogspot, 2010.
<h�p://almadeherrero.blogspot.com/> [Consulta: 16 d’abril 2010]
REVOLUTION EDUCATION LTD. PICAXE [En línia]. Bath, Regne Unit.
<h�p://www.rev-‐ed.co.uk/picaxe/> [Consulta: 16 d’abril 2010]
COMUNITAT DE WIKIPEDIA. Pressurized water reactor [En línia]. Wikipedia, 2010
<h�p://en.wikipedia.org/wiki/Pressurized_water_reactor> [Consulta: 12 de setembre 2010]
COMUNITAT DE WIKIPEDIA. I²C [En línia]. Vikipedia, 2010
<h�p://ca.wikipedia.org/wiki/I%C2%B2C> [Consulta: 9 d’octubre 2010]
COMUNITAT DE WIKIPEDIA. Central nuclear [En línia]. Wikipedia, 2010
<h�p://es.wikipedia.org/wiki/Central_nuclear> [Consulta: 20 d’agost 2010]
COMUNITAT DE WIKIPEDIA. Reactor de agua a presión [En línia]. Wikipedia, 2010
<h�p://es.wikipedia.org/wiki/Reactor_de_agua_a_presi%C3%B3n> [Consulta: 4 de setembre
2010]
COMUNITAT DE WIKIPEDIA. Reactor CANDU [En línia]. Wikipedia, 2010
<h�p://es.wikipedia.org/wiki/CANDU> [Consulta: 2 d’octubre 2010]
47
UNIVERSITAT DE NAVARRA. Energia Nuclear [En línia]. Navarra, 2010.
<h�p://www.tecnun.es/asignaturas/Ecologia/Hipertexto/07Energ/130EnNuclear.htm> [Consulta:
21 d’agost 2010]
UNIVERSITAT DE ANTOFAGASTA. Reactores nucleares [En línia]. Antofagasta, 2010.
<h�p://www.uantof.cl/facultades/csbasicas/fisica/fisica%20actual/fisica/academicos/jkasaneva/
REACTORES%20NUCLEARES.htm> [Consulta: 19 de sep&embre 2010]
UNIVERSITY OF ILLIONOIS. Fourth Genera&on Reactor Concepts [En línia]. Champaing-‐Urbana
Metropolitan Area, 2010.
<h�ps://ne�iles.uiuc.edu/mragheb/www/NPRE%20457%20CSE%20462%20Safety%20Analysis
%20of%20Nuclear%20Reactor%20Systems/Fourth%20Genera&on%20Reactor%20Concepts.pdf >
[Consulta: 16 de octubre 2010]
48