Un sistema de inteligencia artificial con capacidad para estimar el historial de temperatura de ciertos aparatos ayudó en la tarea de determinar la vida útil de los componentes estratégicos esenciales para la renovación de la licencia operativa de la central nuclear Angra 1, situada en el municipio de Angra dos Reis, en la costa fluminense. El permiso de operación de la instalación expiraría el 31 de diciembre de 2024, y la compañía estatal Eletronuclear solicitaba la extensión de dicha licencia por otros 20 años ante la Comisión Nacional de Energía Nuclear (CNEN). A finales de noviembre, tras la evaluación técnica y de seguridad, la comisión autorizó la extensión de la vida útil operativa de Angra 1 hasta el año 2044.
El desarrollo del software, denominado Sistema de Vida Calificada (SVQ), estuvo a cargo de científicos del Laboratorio de Monitoreo de Procesos (LMP), del Programa de Ingeniería Nuclear del Instituto Alberto Luiz Coimbra de Posgrado e Investigaciones en Ingeniería, de la Universidad Federal de Río de Janeiro (Coppe-UFRJ). “El SVQ emplea datos recabados por sensores actuales para conocer la temperatura pasada, con la cual operaban los equipos en una época en que no había aún sensores de este tipo en actividad en las centrales nucleares”, describe el físico Roberto Schirru, coordinador del LMP. “El SVQ también será capaz de prever la temperatura futura.”
La temperatura operativa es el factor principal que determina la obsolescencia de los equipos y dispositivos eléctricos en una central nuclear, entre ellos los motores, las válvulas, las bombas y los cables. La exposición a la radiación y a la humedad también constituye un parámetro relevante, pero en menor escala.
Angra 1 entró en operación comercial en 1985 y posee una potencia instalada de 640 megavatios (MW), la energía suficiente como para atender a una ciudad de dos millones de habitantes. Cuando se la construyó, las centrales nucleares aún no estaban equipadas con sensores de temperatura instalados en los aparatos ubicados en el interior de la construcción que alberga el reactor nuclear, tal como se hace hoy en día. En la central brasileña solamente se instalaron esos dispositivos en el año 2015.
El equipo del LMP empleó los datos obtenidos con los sensores entre 2015 y 2020, el año en el cual se materializó la primera versión del SVQ, para desarrollar modelos matemáticos de variaciones de la temperatura operativa de los equipos. Juntó a esos datos información referente al historial de temperatura ambiente en el interior de la construcción que alberga el reactor desde su entrada en actividad, recabada a través del Sistema Integrado de Computadoras de Angra (Sica), también diseñado por el LMP. Además de la temperatura ambiente, el Sica monitorea más de 6.000 parámetros de seguridad de la central.
El SVQ, según lo explica Schirru, fue entrenado con redes neuronales profundas para correlacionar los datos de los sensores instalados en los aparatos después de 2015 con la información suministrada por el Sica, para establecer patrones e inferir de este modo la temperatura de los equipos durante el período 1985-2015, es decir, durante los primeros 30 años de operación de la central. Para validar los datos, el equipo del LMP también calculó con el SVQ la temperatura de los equipos entre 2015 y 2020. Y luego los comparó con los datos reales obtenidos con los sensores instalados.
En un artículo publicado en el año 2023 en la revista Progress in Nuclear Energy Journal, los científicos de la UFRJ informan que los resultados recabados exhiben un error promedio inferior a los 2 grados Celsius (ºC) en el 89 % de los casos estudiados. “Con información sobre el historial de la temperatura operativa, los ingenieros de Angra 1 pasan a contar con una referencia más precisa a la hora de evaluar el tiempo de vida útil de los equipos”, subraya Schirru.
Los artefactos de una central nuclear están proyectados para tener una vida útil de 40 años. Tal como lo detalla el ingeniero electrónico Marcos das Candeias da Silva, del Departamento de Sistemas Eléctricos e Instrumentación y Control de Eletronuclear, responsable de la operación de Angra 1, los fabricantes estipulan el tiempo de vida nominal de los aparatos tomando como referencia los límites establecidos de temperatura y radiación en los cuales los mismos quedarán insertos.
En el proceso de inspección de la central nuclear se empleó un sistema de evaluación de la radiación diseñado en Brasil
“Un artefacto certificado para 40 años de uso a una temperatura ambiente hipotética de 50 ºC tendrá una vida útil mayor si la temperatura efectiva en la cual operó fuera menor que 35 ºC o 40 ºC, por ejemplo, y una vida útil menor si la temperatura fuera mayor que los 50 ºC proyectados”, ejemplifica también el ingeniero.
Para estimar la vida útil, los técnicos aplican la ecuación de Arrhenius, que permite calcular la variación de la constante de velocidad de una reacción química –como las que provocan el desgaste de las piezas, en este caso− con la temperatura. Este método fue diseñado por el fisicoquímico sueco Svante August Arrhenius (1859-1927), ganador del Premio Nobel de Química en 1903.
Das Candeias da Silva es el responsable del Programa de Calificación Ambiental de Equipos Eléctricos de Angra 1. E informa que el SVQ demostró que todos los equipos eléctricos de la central trabajaron en el transcurso de los últimos 40 años con temperaturas menores que aquéllas para las cuales se los proyectó. “El sistema permitió el mantenimiento de la calificación ambiental de los equipos más allá de la vida nominal prevista”, afirma.
Fueron evaluados alrededor de 1.500 equipos y en más de 100 casos se prorrogó sus vidas. Los beneficios con la extensión del uso de los aparatos son múltiples. “Además del ahorro económico, no perdemos tiempo de la operación de la central con los reemplazos que podrían hacerse necesarios. Y aparte evitamos el desechado de materiales que aún son útiles”, sostiene el ingeniero.
EletronuclearVista de la Central Nuclear Almirante Álvaro Alberto, conformada por las plantas Angra 1, 2 y 3 (esta última en construcción)Eletronuclear
Sin el SVQ, los gestores de Eletronuclear deberían concretar el reemplazo de los equipos de acuerdo con la vida útil certificada de cada uno de los mismos, o confiar exclusivamente en la acción de inspección y en las pruebas que se les aplican. “Angra 1 es la única central nuclear del mundo que cuenta con un sistema de IA que brinda apoyo a las decisiones técnicas concernientes a la necesidad o no de renovar sus piezas”, afirma Das Candeias da Silva.
En julio de 2024, al cabo de 10 días de inspecciones, un equipo de expertos de la Agencia Internacional de Energía Atómica (Aiea) publicó una evaluación de seguridad operativa de Angra 1 en la que puso de relieve positivamente al programa de gestión del envejecimiento de la central e hizo hincapié en la importancia del uso del software de inteligencia artificial SVQ creado en la Coppe-UFRJ para gestionarlo.
El equipo encabezado por el físico húngaro Gabor Petofi, director sénior de seguridad nuclear de la Aiea, también recomendó que las prácticas de Angra 1 sean compartidas con la industria nuclear a globalmente. De acuerdo con la Asociación Nuclear Mundial, existen actualmente en el planeta 437 reactores nucleares en actividad, en su mayoría construidos durante las décadas de 1970, 1980 y 1990. La práctica internacional consiste en otorgar permisos a esas centrales por 40 años, con su posterior renovación cada 20 años.
“El SVQ tiene una relevancia enorme. Para ser segura, en una central nuclear se necesita conocer el historial operativo de sus equipos desde el momento en que entraron en actividad. Las instalaciones antiguas, como Angra 1, no cuentan con ese historial, pues no contaban con sensores que suministrasen tal información. El SVQ es capaz de estimar los datos del pasado con una buena precisión”, dice el ingeniero electricista Cláudio Márcio do Nascimento Abreu Pereira, docente de métodos computacionales del Instituto de Ingeniería Nuclear (IEN) del CNEN.
El equipo de científicos del LMP desarrolló una segunda versión del SVQ, que entregó en 2024. Los técnicos de Eletronuclear están en este momento capacitándose para aplicar la nueva herramienta. De acuerdo con la física Andressa Nicolau, gerente del proyecto SVQ en el LMP, mientras que el primer modelo suministra únicamente datos de temperatura hasta 2020, la nueva versión del software les permitirá a los ingenieros de Eletronuclear entrenar nuevamente al algoritmo con datos actuales, recabados con los sensores instalados, a los efectos de obtener una revaluación continua de las condiciones operativas.
EletronuclearSala de control de Angra 1, la primera planta nuclear de BrasilEletronuclear
La nueva versión permitirá también inferir la temperatura futura y proyectar la vida útil de los equipos en el transcurso de los años y corregir automáticamente la previsión efectuada de acuerdo con las condiciones reales que exhibe la central con el correr del tiempo. “El ingeniero podrá fijar a su vez nuevos parámetros de evaluación y entrenar nuevamente al software de acuerdo con las nuevas necesidades”, añade Nicolau.
El proceso de inspección de la vida útil de Angra 1 también cuenta con un sistema propio de evaluación de la radiación desarrollado en Brasil. La radiación ocupa el segundo lugar en importancia entre los factores de impacto en el envejecimiento de los equipos de una instalación nuclear. Ese sistema se vale de un dosímetro de alanina/ESR para medir la radiación. El dosímetro es una pequeña caja que contiene alanina, uno de los aminoácidos que los seres vivos emplean para sintetizar proteínas. Tras la exposición a la radiación, se lleva la alanina a un laboratorio en donde un espectrómetro de resonancia de espines (ESR) mide la dosis de radiación recibida. Se emplean sistemas análogos para medir la radiación en los tratamientos radioterápicos complejos y en procesos industriales.
El equipo del físico Oswaldo Baffa, del Departamento de Física de la Facultad de Filosofía, Ciencias y Letras de Ribeirão Preto de la Universidad de São Paulo (FFCLRP-USP), desarrolló con el apoyo de la FAPESP un sistema basado en estos dispositivos para medir la radiación que incide sobre los aparatos de Angra 1. El mismo se encuentra en operación desde 2015.
Según Baffa, los dosímetros de alanina poseen una importante ventaja. “Son capaces de medir desde dosis de radiación muy bajas, inferiores a 1 gray (Gy), hasta dosis elevadas, de miles de Gy”, explica. El gray es la unidad de medida de la radiación absorbida. Las centrales nucleares comúnmente utilizan dosímetros de luminiscencia o de termoluminiscencia, que no operan con un rango tan amplio de radiación, de acuerdo con el investigador de la USP.
Hasta su adopción en Angra 1, solamente había una referencia en la literatura científica al respecto del uso de los dosímetros de alanina/ESR en las centrales nucleares. Era un trabajo de 2008 de científicos de Corea del Sur, pero que no llegó a tener aplicación práctica. En 2022, el equipo del Departamento de Física de la USP publicó un artículo en la revista Radiation Physics and Chemistry con el análisis de la medición de la radiación en los equipos de Angra 1 realizado con 85 dosímetros de alanina/ESR. Los autores de dicho trabajo arribaron a la conclusión de que los datos recabados en todas las mediciones exhiben radiaciones menores que el valor esperable para 40 años de operación, que es de 400 Gy. Los resultados se compararon con los niveles de radiación estipulados en un informe de análisis de seguridad de la central.
Además de Angra 1, el parque electronuclear brasileño también cuenta con Angra 2, con una potencia de 1.350 MW, que entró en operación comercial en 2001. La central más reciente posee sensores de temperaturas y de radiación. Los técnicos de Eletronuclear esperan que el SVQ y el dosímetro de alanina/ESR también cumplan un rol relevante en su proceso de renovación del permiso, previsto para el año 2040.
Este artículo salió publicado con el título “Para medir el calor del pasado” en la edición impresa n° 347 de enero de 2025.
Proyecto
Avances en dosimetría, datación arqueológica y caracterización de biomateriales mediante resonancia electrónica de espines (nº 07/06720-4); Modalidad Ayuda de Investigación – Regular; Investigador responsable Oswaldo Baffa Filho (USP); Inversión R$ 507.101,37.
Artículos científicos
NICOLAU, A. S. et al. Deep neural networks for estimation of temperature values for thermal ageing evaluation of nuclear power plant equipment. Progress in Nuclear Energy Journal. feb. 2023.
BAFFA, O. et al. Alanine/electron spin resonance dosimetry for environmental qualification of electric equipment in a nuclear power plant. Radiation Physics and Chemistry. abr. 2022.
