En caso de accidente, la sala de control de una central nuclear, y los que en ella realizan sus funciones, debe permanecer operativa y aislada de las consecuencias de los eventos que se produzcan en el exterior, de forma que los turnos de operación puedan realizar su labor de operar los sistemas necesarios durante una emergencia. Para garantizar esta función, las centrales españolas realizan periódicamente pruebas de vigilancia que verifican la integridad de la Envolvente de Sala de Control (CRE). Este artículo repasa el origen e implantación de estas pruebas, la normativa que regula los programas periódicos de pruebas y sus métodos de realización.

Ana Artigao Arteaga e Ignacio Molina de la Peña / Área de Ingeniería de Sistemas

En las centrales nucleares, existe un área específica – sala de control– desde la que el personal de Operación monitoriza, supervisa y adopta acciones para el control seguro de la instalación. Así, la envolvente engloba tanto la sala de control como todo un conjunto de áreas adyacentes que deberán mantener en todo momento unas condiciones de habitabilidad adecuadas, tanto en condiciones normales como en situaciones accidentales. Los denominados sistemas de habitabilidad de sala de control están diseñados para cumplir distintas funciones, como: a) evacuar la carga térmica para mantener unas condiciones de confort y de funcionamiento de equipos adecuadas, b) apoyar al sistema de PCI para la posible extracción de humos o c) permitir la estancia y operación en un accidente, durante un período prolongado, evitando o minimizando la exposición del personal a radiación o elementos tóxicos.

La habitabilidad de la sala de control

Las salas de control de las centrales nucleares españolas se diseñaron tomando como referencia la normativa del país de origen. Para las centrales de origen americano se adoptó como referencia el criterio 19 del apéndice A de la 10.CFR.50. Posteriormente, estos requisitos se trasladaron a la normativa española, a través de la instrucción de seguridad IS-27 del CSN sobre criterios generales de diseño de centrales nucleares El criterio de diseño 19.1 de la IS27 identifica y analiza distintas situaciones accidentales, sucesos internos y externos, que pudieran afectar al funcionamiento de la envolvente. Este criterio de diseño establece: «Se dispondrá de una sala de control desde la cual se podrán tomar las acciones adecuadas para operar la central de una manera segura en las condiciones normales de operación y mantenerla en una situación de seguridad en las condiciones de accidente, incluyendo los accidentes de pérdida de refrigerante. Dicha sala de control dispondrá de una protección contra la radiación adecuada que permita el acceso y la permanencia en ella, en las condiciones de accidente, sin que el personal reciba una dosis superior a 5 rem al cuerpo entero, o su equivalencia a cualquier parte del mismo, durante el transcurso del accidente». La IS-37 del CSN, sobre análisis de accidentes base de diseño en centrales nucleares, establece el mismo criterio de diseño (11A.1.4) al indicar: «[…] se deberá disponer de las adecuadas medidas para garantizar que el personal de sala de control no reciba una dosis superior a 50 mSv durante todo el accidente». Los sistemas de ventilación de la envolvente disponen de un sistema de impulsión y otro de extracción, que se diseñan para conseguir en su interior una presión ligeramente superior a la exterior. Esta presurización minimiza la entrada de aire desde zonas potencialmente contaminadas en caso de accidente. El diseño asume también otra hipótesis: que la envolvente no es estanca y, por ello, una cierta cantidad de aire exterior, denominada infiltración, penetrará a la envolvente de la sala de control. La tasa máxima de infiltración debe cuantificarse en dos casos: por un lado, en accidentes con emisión de radiactividad y, por otro, en accidentes con emisión de productos tóxicos en el entorno de la central nuclear. En el primer caso, para accidentes con emisión de radiactividad, la tasa máxima de infiltración estará siempre por debajo del valor asumido en los análisis radiológicos de habitabilidad, cumpliendo con los límites de dosis establecidos, es decir, con los criterios de diseño de las IS-27 e IS-37 vistos anteriormente. En el segundo caso, para accidentes con emisión de productos químicos tóxicos en el entorno de la central nuclear, el diseño de la envolvente debe asegurar que la tasa máxima de infiltración de componentes nocivos estará por debajo de ciertos límites establecidos en la RG  1.78 (Evaluating the Habitability of a Nuclear Power Plant Control Room During a Postulated Hazardous Chemical Release). Por tanto, el personal de Operación, en cualquier situación accidental, no recibirá dosis de radiación superiores a los límites indicados ni estará expuesto a componentes nocivos por encima de valores no aceptables. Las centrales nucleares han desarrollado un programa de comprobaciones, pruebas e inspecciones de frecuencia determinada, que permite demostrar la fiabilidad de la envolvente, que no se deteriore y deje de cumplir con su diseño. Para demostrar su fiabilidad en caso de accidente, las pruebas de la envolvente son estrictamente evaluadas por los organismos reguladores, como el CSN o la NRC (organismo regulador en EE. UU.). En 2003, la NRC emitió la carta genérica, Generic Letter GL 2003-01, donde expresaba su preocupación por diversos temas relacionados con la envolvente. En ella, enfatizaba la importancia de realizar pruebas de vigilancia fiables, para verificar que las centrales nucleares estaban manteniendo de forma adecuada la habitabilidad de la sala de control, asegurando que se mantienen las bases de licencia y de diseño aplicables. La NRC comprobó que la mayoría de las plantas diseñadas para mantener una sobrepresión en la envolvente habían implantado vigilancias de cara a verificar que los sistemas de ventilación podían mantener dicha presión positiva en la envolvente respecto a las áreas adyacentes y que, por tanto, la realidad de la planta se correspondía con el diseño. Los resultados indicaban que, si bien la totalidad de las plantas incluían en su programa de pruebas ensayos de medida de la sobrepresión, solo un 30  % incluía pruebas periódicas para la medida de infiltraciones (para las que utilizaban la norma ASTM E741 [Standard Test Method for Determining Air Change in a Single Zone by Means of a Tracer Gas Dilution]). Al analizar de forma conjunta los resultados de las pruebas de sobrepresión y los de infiltraciones, la NRC concluyó que llevar a cabo únicamente la prueba de sobrepresión no era suficiente para evaluar el estado de la envolvente. Así, centrales nucleares con resultados aceptables en las pruebas de sobrepresión obtuvieron resultados no aceptables en las pruebas de medida de infiltraciones, sobrepasando los límites aceptables para el personal de sala de control e incumpliendo, por tanto, los criterios de diseño. La discrepancia en los resultados entre unas pruebas y otras llevaron a estudiar las hipótesis subyacentes en el método de medida de la sobrepresión, considerado hasta ese momento suficiente para demostrar que la envolvente era adecuada para hacer frente a cualquier situación accidental. Por una parte, el método de la medida de sobrepresión solo mide la diferencia de presión entre la envolvente y las áreas adyacentes, pero no permite cuantificar la infiltración. Por otra parte, los estudios llevados a cabo identificaron que la vigilancia de la sobrepresión infiere que, si la presión es más alta en la envolvente, la contaminación no puede migrar desde áreas adyacentes a una presión inferior. Sin embargo, esta hipótesis se basa en considerar que la sobrepresión se consigue únicamente a través de unos determinados sistemas de ventilación estancos. Si existen áreas adyacentes que no pertenecen a la envolvente y se encuentran a mayor presión (por ejemplo, otras salas) podría haber un flujo de aire no controlado a la envolvente que introduciría contaminación. Adicionalmente, como resultado de esta investigación, la NRC detectó un conjunto de deficiencias que cubrían un amplio espectro de situaciones; por una parte, se identificaron defectos asociados a aspectos de diseño y construcción de la envolvente, que no se correspondían con los criterios de diseño; por otra, la degradación gradual de componentes de la ventilación, como sellados, conductos y compuertas, había pasado inadvertida en algunos casos (aspecto asociado en gran medida a programas inadecuados de mantenimiento preventivo y correctivo). Finalmente, modificaciones de diseño de la envolvente realizadas sin un control de la configuración ni pruebas de aceptación adecuadas habían degradado envolventes cuyo diseño original era correcto. Como resultado de estos estudios, la NRC emitió dos guías reguladoras (regulatory guides): RG  1.196 (Control Room Habitability at Light-Water Nuclear Power Reactors) y RG  1.197 (Demonstrating Control Room Envelope Integrity at Nuclear Power Reactors), que establecen un programa de vigilancia de la envolvente y endosan el ASTM 741 como método adecuado para las pruebas de infiltraciones.

Implantación de los programas de vigilancia

En España, todas las centrales nucleares, en sus informes anuales de cumplimiento de normativa, analizaron la aplicabilidad de la GL  2003-01. En dichos informes, enviados al CSN, abordaron aspectos requeridos por la GL: a) confirmación de que la envolvente cumplía los Criterios Generales de Diseño (CGD) relativos a la habitabilidad y que estaba diseñada, construida, configurada, operada y mantenida de acuerdo con las bases de diseño y de licencia de la instalación; b) confirmación de que la tasa máxima de infiltración hacia la envolvente no era superior al valor asumido en los análisis radiológicos de habitabilidad de la sala de control; c) evaluación de las consecuencias derivadas de una emisión de productos químicos tóxicos en el entorno de la central y sus efectos sobre la habitabilidad de la sala de control; d) evaluación de las consecuencias derivadas de la presencia de humos en el exterior de la central y su efecto sobre la habitabilidad de la sala de control, e) indicación de si había establecidas medidas compensatorias relacionadas con la habitabilidad de la sala de control, describiendo dichas medidas, y las acciones correctivas que era necesario realizar para poder retirarlas. Igualmente, cada central desarrolló el programa de pruebas de las envolventes desde el punto de vista específico de medida de infiltraciones, basado en lo establecido en las RG 1.196 y RG 1.197, y lo incluyó en sus especificaciones técnicas de funcionamiento, que son el conjunto de requisitos mínimos que garantizan la operación segura de una central nuclear. Las pruebas de infiltraciones se llevaron a cabo por primera vez en España entre 2006 y 2007. Tras este punto de partida, las centrales han seguido realizando pruebas de infiltraciones de forma continua, con una periodicidad de seis años, hasta hoy.

Sistemas de habitabilidad de sala de control

Todos los sistemas de ventilación de las centrales españolas de diseño americano comparten un esquema básico similar (figura 1). 

El sistema se compone de dos trenes redundantes e independientes del 100 % de capacidad cada uno, con la posibilidad de recirculación y filtrado de aire interior o reposición desde el exterior. Normalmente, dispone de dos tomas de aire exterior, situadas en distintas zonas, a fin de cumplir con el criterio de fallo único. Estas tomas de aire suelen contar cada una con un monitor de radiación para alinear automáticamente el sistema en modo emergencia y seleccionar la toma que tenga un menor nivel de radiación. Cada tren, por su parte, está compuesto por una unidad de acondicionamiento de aire (en funcionamiento durante operación normal) encargada de evacuar la carga térmica de los equipos presentes y proporcionar un adecuado confort. Cada tren dispone de una unidad de filtrado de emergencia compuesta normalmente por un calentador/ deshumidificador, prefiltro, filtro de alta eficiencia (preHepa), un filtro de carbón activo, filtro de muy alta eficiencia (HEPA) y un ventilador centrífugo, todos ellos en serie.

Por último, se suele contar con un subsistema independiente de extracción de aire para facilitar la renovación de aire o la evacuación de humos. Como filosofía general, los sistemas de ventilación de sala de control suelen contar con los siguientes modos de funcionamiento:

■ Normal: es el modo habitual de operación. El sistema garantiza la habitabilidad de sala de control mediante unas condiciones de confort adecuadas. La mayor parte del aire (alrededor del 90  %) procede de la propia recirculación de las salas. El 10 % restante procede del exterior para su renovación, manteniendo, en todo caso, una ligera sobrepresión respecto al exterior. En general, es suficiente con el funcionamiento de uno de los dos trenes. Para apoyar esta renovación, habrá, al menos, un extractor en servicio.

■ Modo filtración (radiológico): permite mantener la sala de control en sobrepresión, filtrando la totalidad del aire exterior potencialmente contaminado, así como parte del aire recirculado de la sala de control. Cuando se recibe una señal de emergencia –normalmente, alta radiación en los monitores de las tomas, señal de LOCA (Loss of Coolant Accident - accidente por pérdida de refrigerante) o señal de LOOP (Loss of Off site Power - pérdida de energía externa)–, el sistema pone en funcionamiento las unidades de filtración de emergencia, se alinea de forma conveniente y se paran los extractores. Así, el aire proveniente del exterior (potencialmente contaminado) y el recirculado de la sala de control pasan por la unidad de filtración para que los filtros HEPA retengan las partículas radiactivas y el filtro de carbono los yodos. Asimismo, se pone en servicio el calentador eléctrico de la unidad con el objetivo de evitar la llegada de humedad al filtro de carbón (que se colmataría). De esta forma, sala de control quedará en sobrepresión y aislada del exterior. Es importante recordar que este modo de operación no impide totalmente la presencia de radiación en la sala de control, si no que se limitan los valores de dosis recibidos por el turno de operación por debajo de los límites admisibles. Las hipótesis de los análisis de seguridad aplicables, en cuanto a término fuente radiológico, dispersión atmosférica, eficiencia del filtrado, caudales de aire, infiltraciones, etc., son evaluados por las áreas competentes del CSN, en especial el Área de Evaluación de Impacto Radiológico.

■ Modo recirculación (tóxicos): en esta situación, las unidades de filtrado no son efectivas, por lo que la estrategia consistirá en aislar el sistema del exterior manteniendo la recirculación del aire de la sala de control. Este alineamiento se produce de forma automática cuando se detectan gases tóxicos en alguna de las tomas exteriores. Posteriormente, se produce el aislamiento de la toma exterior, la entrada en funcionamiento de la unidad de filtración y la parada de los extractores. El sistema no fuerza la sobrepresión con respecto al exterior, al no haber inyección de aire procedente de fuera, si bien es esperable una cierta sobrepresión debido a que ya existía durante el modo normal de operación. Hay que destacar que la RG 1.78 permite excluir este riesgo del diseño de los sistemas de ventilación si los titulares demuestran que no existen riesgos significativos por liberación de gases tóxicos en un radio de 8 km (5 millas) alrededor del emplazamiento.

Así, en España, solo las centrales de Ascó y Vandellós II cuentan en su diseño con este modo de funcionamiento. Procedimiento de prueba de la envolvente de sala de control En los modos de operación anteriores, el correcto aislamiento de la sala de control del exterior (impidiendo la entrada de flujos de aire no tratados del exterior), es crucial para los objetivos de estos alineamientos, para lo que se debe mantener y garantizar la correcta estanqueidad de la envolvente. Para el funcionamiento en modo radiológico, estos programas requieren la determinación, con las frecuencias especificadas en la RG  1.197, de las infiltraciones que atraviesan los límites de la envolvente, de acuerdo con los límites aceptables de la prueba. Esta guía reguladora endosa el programa de pruebas propuesto en el Apéndice I de la guía NEI 99-03 (Control Room Habitability Assessment Guidance) que, por último, resulta en la aplicación de los métodos descritos en el documento ASTM-E741-00. Para el funcionamiento en modo tóxicos, la RG 1.78 considera también aceptables las pruebas descritas en el ASTM. El ASTM-E741-00 describe varios métodos de uso de dilución de un gas trazador, normalmente hexafluoruro de azufre, para determinar las infiltraciones a una zona concreta desde el exterior. Se proponen tres métodos distintos: 1) decaimiento de la concentración, 2) inyección constante y 3) concentración constante. Cada uno de estos métodos es más adecuado para un modo de operación concreto de la ventilación de sala de control.

MÉTODO DE DECAIMIENTO DE LA CONCENTRACIÓN

Mediante este método se introduce un pequeño volumen de gas trazador en la envolvente y, tras conseguir una concentración uniforme, se mide la variación en el tiempo de la concentración de gas trazador. En general, este método asume que la tasa de infiltraciones del volumen de prueba es constante, por lo que los logaritmos de las concentraciones tendrán un comportamiento lineal: Ln C(t)=-At+Ln C(0). Así, calcula la tasa media de cambio de aire como la diferencia entre los logaritmos de las concentraciones inicial y final de gas trazador, dividida por el período de tiempo (figura 5). Al no haber inyección externa de aire/gas durante la prueba, este método se utiliza en las pruebas de infiltraciones con los sistemas de ventilación funcionando en modo recirculación (tóxicos). El procedimiento contempla una fase inicial en la que se inyecta gas trazador en el interior de la envolvente, con la ventilación funcionando. Transcurrido un tiempo recirculando el aire, se logrará una concentración de gas trazador uniforme en todo el volumen de la envolvente (Venvolvente). Antes de iniciar la toma de datos, es importante garantizar la uniformidad de gas trazador. Finalizada la inyección de gas, se procede a la toma de datos de concentración a intervalos de tiempo. Aquí, el ASTM contempla dos opciones: a) tomar una medida inicial y una media final suficientemente espaciadas en el tiempo, de forma que la tasa de renovación de aire se calcularía como A(scfm)=[lnC(t2)-lnC(t 1)]/(t2-t1);  o b) tomar un mayor número de datos a distintos intervalos y realizar un análisis de regresión de los logaritmos de la concentración. El ASTM recomienda esto último para comprobar la hipótesis de que la tasa de cambio de aire fue constante durante la prueba. El criterio de aceptación de esta prueba (valor máximo de infiltraciones, en CFM –cubic feet per minute–) está definido en la RG  1.95 (Protection of Nuclear Power Plant Control Room Operators Against an Accidental Chlorine Release). Dado que la preocupación es mantener concentraciones no tóxicas para el personal, se calcula a partir de la tasa de renovación completa de aire de la envolvente en estos casos, el criterio máximo es 0.06 x Venvolvente. En estos casos, el volumen de la envolvente afecta sensiblemente al criterio de aceptación. 

MÉTODO DE INYECCIÓN CONSTANTE

Mediante este método se mide el caudal medio de cambio de aire inyectando gas trazador en la zona a unos caudales y concentraciones conocidos y constantes (figura 6). Posteriormente, se realiza una toma de datos a distintos intervalos. La evolución de la concentración de gas trazador dentro de la zona vendrá marcada por el caudal medio de cambio de aire para el período de medición, esto es, el producto del caudal de gas trazador por la media de los inversos de la concentración medida menos una corrección para las concentraciones inicial y final: Una ventaja de este método es que Una ventaja de este método es que no es necesario conocer el volumen de la zona si las concentraciones inicial y final utilizadas en el cálculo son aproximadamente iguales. Es más adecuado para la medida de las infiltraciones, con el sistema en modo radiológico, ya que una parte del caudal de aire filtrado proviene del exterior. En esta situación, no tendría sentido utilizar el método anterior, ya que el caudal de aire exterior diluiría constantemente la concentración de gas trazador y enmascararía el efecto de las infiltraciones. Este método, al igual que el anterior, tiene una fase inicial en la que se determina una concentración objetivo de gas trazador. Normalmente, se realiza una primera inyección rápida de gas trazador, con el objetivo de alcanzar la concentración deseada en un tiempo corto (esta prueba suele durar varias horas). Tras realizar medidas que garanticen que el gas trazador se ha repartido uniformemente, se continúa la inyección de gas trazador a un caudal constante y conocido (Qtrazador) y se realizan múltiples medidas de concentración espaciadas en el tiempo. Durante este tiempo de prueba, la concentración de gas trazador puede variar o no, dependiendo del valor de Qtrazador, aunque lo ideal es que el caudal sea tal que la concentración no varíe apreciablemente. Una vez recogido un número suficiente de datos, se calcula la media de las concentraciones (Cmedia) que junto con el caudal de trazador se utilizará para estimar las infiltraciones de aire limpio durante la prueba. Al igual que en el método anterior, el ASTM permite, opcionalmente, realizar una regresión con el fin de probar la hipótesis de que el caudal de infiltraciones se haya mantenido constante. El criterio de aceptación viene determinado por las hipótesis utilizadas para la evaluación radiológica del cumplimiento de los límites de 5  rem. En los cálculos empleados en el licenciamiento, las infiltraciones tienen un valor de partida, por lo que la prueba debe demostrar que el titular arroja unos valores iguales o menores.

MÉTODO CONCENTRACIÓN CONSTANTE

No se ha utilizado en las centrales nucleares españolas, por lo que no se describe en el presente artículo.

CONSIDERACIONES GENERALES A LA APLICACIÓN DE LOS DISTINTOS MÉTODOS

Si bien son capaces de proporcionar un valor de la tasa de infiltraciones de la sala de control, los métodos anteriores pueden dar resultados con un valor de incertidumbre alto (10-20  %) debido a la complejidad del procedimiento y los volúmenes a muestrear. Unas incertidumbres altas penalizarán a aquellas salas de control que tengan un criterio de aceptación de la prueba, en CFM, muy bajo, normalmente debido a su reducido tamaño. De esta forma, el ASTM-E741 introduce multitud de criterios con el objetivo de reducir la incertidumbre y garantizar que la medida de infiltraciones sea representativa entre ellos:

■ La precisión requerida a los instrumentos de medida.

■ Que las concentraciones objetivo se encuentren dentro del rango donde dichos instrumentos tienen una precisión mayor.

■ La importancia de garantizar la homogeneidad del gas trazador dentro de la envolvente, una vez que este se ha inyectado. Si el gas trazador no se distribuye de forma homogénea entre las salas, las medidas realizadas pueden no ser fiables.

■ Los tiempos de duración de las pruebas, que se asumen en función de las renovaciones de aire por hora de la envolvente y que, en general, se basan en unos tiempos suficientemente largos, de forma que se garantice una incertidumbre máxima del 10 % con un nivel de confianza del 95 %.

■ Es crítico conocer con precisión el volumen de la envolvente (Venvolvente) Esto no es sencillo, debido a su geometría compleja, falsos techos, elementos internos, etc. El ASTM indica que el valor de la concentración no debería oscilar del 20 % en caso de incertidumbres del valor de Venvolvente del 15  %, permitiendo hasta un 40  % si Venvolvente se conoce con una precisión del 5 %.

■ También es de destacar la importancia de los alineamientos de la ventilación de salas adyacentes a la sala de control, pero que no forman parte de la envolvente. Esto es debido a que pueden alterar la «jerarquía de presiones» y, consecuentemente, las infiltraciones. Los titulares deben realizar un análisis del peor escenario. Por último, sin relación directa con las incertidumbres de medida, hay que recordar la importancia que tanto las distintas regulatory guides como el propio ASTM conceden al control de la configuración. De esta forma, los titulares deben hacer y documentar un walkdown previo a la prueba, con el fin de localizar cualquier elemento, abertura, etc. que pudiera afectar a la prueba.

Conclusiones

A lo largo de este artículo hemos revisado la importancia de los sistemas de ventilación y filtración de la envolvente de sala de control y, en especial, el impacto que las infiltraciones pueden tener de cara a que estos sistemas cumplan con sus funciones de seguridad. La evaluación y control del estado de la estanqueidad de dicha envolvente se encuentra estrictamente regulado y remite a la aplicación de métodos específicos de prueba que ayudan a los titulares a garantizar la seguridad de la instalación.