Functional analysis, diversity and defense-in-depth principle applied for instrumentation and control architecture in accordance with U.S.NRC / Análise funcional, diversidade e princípio da defesa em profundidade aplicado à arquitectura de instrumentação e controlo em conformidade com o U.S.NRC

According to IAEA (2020), a large number of nuclear power plants (NPP) is completing 30 to 40 years of operation, and many of them can extend the lifetime for variable periods of operation. Besides that, new applications and methods of NPP design are in direction of adopting small modular reactors (SMR) to optimize the NPP projects in relation to cost and safety (Black et al., 2021). Other way is to apply NPP in naval plants, providing efficient manners to generate energy (Freire, 2018). All these ways can make nuclear energy a viable alternative, and consequently to contribute with low carbon power demands, and stabilize the global energy matrix helping to meet climate goals in the next decades (IAEA, 2020). One of the sensing points in NPP project nowadays is the introduction of advanced digital I&C technologies (Santos, 2021). In digital I&C design based on nuclear normative basis, it is imperative to be adherent with the safety and human factors engineering (HFE) requirements. This paper proposes the formalization of a plant-level Functional Analysis (FA) methodology with Diversity and Defense-in-Depth (D3) principles, considering the U.S.NRC normative basis

Specification and design methodology applied to mobile nuclear power plants

A importância de métodos de projeto vem crescendo nos últimos anos à medida que sistemas sócio-técnicos complexos se tornam mais numerosos. Além da complexidade, o tamanho e o investimento financeiro destes sistemas amplificam a gravidade dos erros de projeto. O objetivo geral deste trabalho foi desenvolver uma metodologia de especificação e projeto que reduza o tempo e energia para desenvolver um sistema complexo cujas funções sejam conhecidas a priori, gerenciando em paralelo os riscos. O objetivo específico foi verificar a viabilidade econômica de usinas nucleares móveis de pequeno porte. Este trabalho adotou como princípio a lei construtal que prevê o sucesso de sistemas que facilitem os fluxos necessários à sua existência. Após a identificação dos fatores chave para facilitar o fluxo de informações, esta tese desenvolveu um conjunto de conceitos para facilitar o trabalho de engenharia. Aplicando tais conceitos, este trabalho desenvolveu sequências de atividades que descrevem o método proposto, sendo cada atividade detalhada por uma lista de requisitos. A demonstração das vantagens do método proposto foi feita por meio de análise de árvore de eventos e árvore de falhas. Usando o método, esta tese desenvolveu especificações e projetos em vários níveis (empresarial, usina, caldeira nuclear, circuito primário e gerador de vapor). Baseando-se em dados da marinha americana, esta tese desenvolveu um modelo de custo para reatores de pequeno porte. Concluiu que a energia nuclear pode ser competitiva se a potência elétrica média efetiva ao longo da vida útil ficar acima de 30MWe e se o tempo de vida útil for igual ou maior do que 60 anos. Tal fato decorre dos altos custos de aquisição que requerem uma vida longa para compensar o investimento e dos efeitos de economia de escala especialmente pronunciados para reatores a água pressurizada.The importance of design methodologies has been growing in recent years as complex socio-technical systems become more common. In addition to complexity, the size and financial investment of these systems amplifies the severity of design errors. The general goal of this work was to develop a specification and design methodology that reduces the time and energy to develop a complex system whose functions are known a priori, managing the risks in parallel. The specific goal was to verify if small modular reactors could be economically possible. This work adopted as principle the Constructal law, that predicts the success of systems that ease the necessary flows to its existence. After finding the key factors to ease the flow of information, this work developed a set of concepts to ease the engineering work. Applying such concepts, this work developed sequences of activities that describe the proposed methodology. Lists of requirements gave guidance for each activity. Event tree and fault tree analyses showed the advantages of the proposed methodology. Using the methodology, this work developed specifications and designs at many product breakdown levels (enterprise, nuclear power plant, nuclear steam supply system, reactor coolant system and steam generator). Using data from US Navy, this work developed a cost model for small reactors. This work concluded that nuclear power may be competitive if average electrical power extracted during the life is larger than 30 MWe and if life time is superior to 60 years. The first condition is consequence of the high overnight costs of nuclear power. The second is consequence of the strong scale economy effects of pressurized water reactors

Decentralized control architecture development for underwater vehicles based on CAN, ARM and system engineering - CANARMES.

Os veículos submarinos não tripulados tem uma importância crescente devido à sua flexibilidade e baixo custo. Devido à sua complexidade intrínseca, eles requerem diversas competências diferentes para serem desenvolvidos e permitem realizar pesquisas em vários campos do conhecimento. No contexto de uma universidade, que possui pessoal heterogêneo e de alta rotatividade, faz-se mister adotar uma organização que permita que os esforços de cada aluno possam ser reusados pelos outros, de modo as atividades de pesquisa possam avançar com pouca perda de tempo e retrabalho. Tal necessidade pode ser respondida pela aplicação de conceitos da engenharia de sistemas, tais como modularidade, separação formal entre soluções tecnológicas e necessidades, classificação funcional, critérios para escolha do método de desenvolvimento, uso de referencial normativo técnico, plano tecnológico, integração, verificação e validação e gerenciamento de configurações. Este trabalho se limita a desenvolver uma arquitetura de controle, observando os conceitos de engenharia de sistemas, aplicada a um AUV. É feita uma comparação com outras arquiteturas similares do estado da arte e mostram-se resultados de testes em piscina para esta arquitetura. É mostrado também que foi possível estabelecer a continuidade do desenvolvimento por outros alunos, validando a utilidade da metodologia. Conclui-se que, para aumentar a eficiência da pesquisa universitária, é necessário observar aspectos gerenciais e institucionais além dos aspectos técnicos ao conceber soluções técnicas.The unmanned underwater vehicles have a growing position due to their flexibility and low cost. Due to their inherent complexity, they require many different skills to be developed and they allow conducting research in various fields of knowledge. In the context of a university, which has heterogeneous staff and high turnover, there is the need of adopting an organization that allows the efforts of each student be reused by others, so research activities can proceed with little loss of time and rework. This need can be answered by the application of system engineering concepts such as modularity, formal separation between technology solutions and needs, functional classification, criteria for the choice of development method, use of technical reference standard, technological plan, integration, verification and validation and configuration management. This work is limited to development of a control architecture, observing the concepts of systems engineering, applied to an AUV. A comparison is made with other similar architectures in the state of the art and shows up test results in the pool for this architecture. It is also shown that it was possible to keep the development by other students, validating the utility of the methodology. It is concluded that in order to increase the efficiency of university research, it must be observed managerial and institutional aspects beyond the technical aspects when designing technical solutions

Specification and design methodology applied to mobile nuclear power plants

A importância de métodos de projeto vem crescendo nos últimos anos à medida que sistemas sócio-técnicos complexos se tornam mais numerosos. Além da complexidade, o tamanho e o investimento financeiro destes sistemas amplificam a gravidade dos erros de projeto. O objetivo geral deste trabalho foi desenvolver uma metodologia de especificação e projeto que reduza o tempo e energia para desenvolver um sistema complexo cujas funções sejam conhecidas a priori, gerenciando em paralelo os riscos. O objetivo específico foi verificar a viabilidade econômica de usinas nucleares móveis de pequeno porte. Este trabalho adotou como princípio a lei construtal que prevê o sucesso de sistemas que facilitem os fluxos necessários à sua existência. Após a identificação dos fatores chave para facilitar o fluxo de informações, esta tese desenvolveu um conjunto de conceitos para facilitar o trabalho de engenharia. Aplicando tais conceitos, este trabalho desenvolveu sequências de atividades que descrevem o método proposto, sendo cada atividade detalhada por uma lista de requisitos. A demonstração das vantagens do método proposto foi feita por meio de análise de árvore de eventos e árvore de falhas. Usando o método, esta tese desenvolveu especificações e projetos em vários níveis (empresarial, usina, caldeira nuclear, circuito primário e gerador de vapor). Baseando-se em dados da marinha americana, esta tese desenvolveu um modelo de custo para reatores de pequeno porte. Concluiu que a energia nuclear pode ser competitiva se a potência elétrica média efetiva ao longo da vida útil ficar acima de 30MWe e se o tempo de vida útil for igual ou maior do que 60 anos. Tal fato decorre dos altos custos de aquisição que requerem uma vida longa para compensar o investimento e dos efeitos de economia de escala especialmente pronunciados para reatores a água pressurizada.The importance of design methodologies has been growing in recent years as complex socio-technical systems become more common. In addition to complexity, the size and financial investment of these systems amplifies the severity of design errors. The general goal of this work was to develop a specification and design methodology that reduces the time and energy to develop a complex system whose functions are known a priori, managing the risks in parallel. The specific goal was to verify if small modular reactors could be economically possible. This work adopted as principle the Constructal law, that predicts the success of systems that ease the necessary flows to its existence. After finding the key factors to ease the flow of information, this work developed a set of concepts to ease the engineering work. Applying such concepts, this work developed sequences of activities that describe the proposed methodology. Lists of requirements gave guidance for each activity. Event tree and fault tree analyses showed the advantages of the proposed methodology. Using the methodology, this work developed specifications and designs at many product breakdown levels (enterprise, nuclear power plant, nuclear steam supply system, reactor coolant system and steam generator). Using data from US Navy, this work developed a cost model for small reactors. This work concluded that nuclear power may be competitive if average electrical power extracted during the life is larger than 30 MWe and if life time is superior to 60 years. The first condition is consequence of the high overnight costs of nuclear power. The second is consequence of the strong scale economy effects of pressurized water reactors