Por meio de uma parceria entre a USP e a Agência Internacional de Energia Atômica (AIEA) – organismo da ONU com sede em Viena, na Áustria, e com participação da Diretoria de Desenvolvimento Nuclear da Marinha (DDNM), o Brasil é um dos pioneiros no desenvolvimento de sistemas e metodologias para defesa cibernética em plantas nucleares. Dois produtos desta parceria são o simulador de planta nuclear Asherah Nuclear Power Plant Simulator (ANS) e a aplicação do Filtro de Kalman Estendido (FKE) como ferramenta de detecção de ataques cibernéticos. Concebido no escopo de um projeto da AIEA, o ANS está sendo usado por 17 organizações de 13 países participantes deste projeto.
Em 2010, um cyber ataque provocado pelo Stuxnet (vírus de computador) atingiu as centrífugas de enriquecimento de urânio nas instalações nucleares iranianas de Natanz. O Stuxnet foi projetado especificamente para atacar o sistema operacional SCADA, desenvolvido pela Siemens e usado para controlar as centrífugas de enriquecimento de urânio iranianas. Desde então, a preocupação não apenas com o roubo de informações sensíveis, mas também com danos físicos causados por ataques digitais, aumentou em todos os setores.
O ANS foi desenvolvido com base na tese de doutorado do engenheiro de automação e controle e capitão de mar-e-guerra da Marinha, Rodney Busquim e Silva. Ele e o professor Ricardo Paulino Marques, do Departamento de Engenharia de Telecomunicações e Controle da Escola Politécnica (Poli) da USP, lideram a equipe de desenvolvimento formada por profissionais da Poli e da DDNM.
Busquim explica que FKE é um método para obtenção de informações de um sistema com base em um modelo matemático e medições de grandezas com incertezas, observadas ao longo do tempo. “A utilização do FKE nas áreas nuclear e cibernética é uma inovação”, destaca. O engenheiro explica que o ANS, até onde se sabe, é o primeiro simulador de planta nuclear desenvolvido especificamente para pesquisa em segurança digital, com capacidade de integração do tipo hardware-in-the-loop (HIL). “Diante da alta complexidade de uma planta nuclear, parte do simulador pode ser implementado em sistemas de controle industriais e receber dados do comportamento da planta diretamente, e em tempo real, da simulação do modelo matemático do ANS”, descreve Busquim.
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Além de ferramenta para avaliação de sistemas digitais utilizados em plantas nucleares, o ANS também é uma ferramenta de treinamento e foi utilizada, pela primeira vez, durante a 2ª edição do Exercício Guardião Cibernético (EGC 2.0), realizado em julho de 2019 no Comando de Defesa Cibernética (ComDCiber), em Brasília. “Participaram deste evento mais de 200 profissionais de 40 organizações públicas e privadas”, lembra Busquim. Em novembro de 2019, o ANS também foi utilizado no International Training Course, organizado pela AIEA, na Coreia do Sul, que teve a participação de cerca de 40 profissionais de mais de 20 países. Em ambos os eventos, a flexibilidade para integração com sistemas digitais distintos e a possibilidade de apresentar o impacto (safety e security) de um ataque cibernético em uma planta nuclear foram muito elogiadas.
Segundo dados da AIEA, de junho de 2020, há 441 reatores nucleares em operação no mundo, em 31 países, com capacidade instalada total de 390,113 megawatts elétrico (MWe). Além disso, existem 55 reatores em construção e 109 planejados, segundo dados da Associação Nuclear Mundial (WNA, na sigla em inglês). “A tecnologia digital, para controle do processo de geração de energia elétrica, está sendo implantada nas plantas nucleares em operação, devido à obsolescência dos sistemas de segurança analógicos utilizados na maioria destas plantas, e será aplicada nos reatores em construção e planejados. Ou seja, o desenvolvimento de metodologias, como o FKE, e sistemas, como o ANS, para aumentar a segurança [safety e security] são preocupação constante da AIEA“, destaca Busquim. Para melhor explicar o pioneirismo brasileiro no setor, o engenheiro lembra que nos EUA existem cerca de 100 plantas nucleares em operação que utilizam sistemas de controle analógicos.
Modelos computacionais
Em seu doutorado na Poli intitulado Implications of advanced computational methods for reactivity initiated accidents in nuclear reactors, o engenheiro contou com a orientação do professor Mujid Kazimi, do MIT, e com a co-orientação do professor José Jaime da Cruz, da Poli. Na pesquisa, ele desenvolveu modelos computacionais para três reatores nucleares com projetos similares, mas diferentes potências nominais: um de grande potência (2.2772 MWt), um de média potência (1.061 MWt) e outro de baixa potência (530 MWt). Os dados do maior reator, base para o desenvolvimento do ANS, são da planta nuclear de Three Mile Island (TMI), localizada nos EUA. “Outros dois reatores foram projetados durante o desenvolvimento da tese com o propósito de avaliar a segurança com a diminuição do tamanho do núcleo do reator”, descreve Busquim.
Durante a pesquisa, foram analisados resultados da ejeção de barras de controle em situações de máxima e mínima produção de energia. “As barras de controle são responsáveis por regular a reação nuclear absorvendo nêutrons e controlando a potência do reator”, explica Busquim. Uma das conclusões do estudo é que existem vantagens de small modular reactors (SMR), em termos de segurança (safety), em relação a reatores tradicionais quando estes estão sujeitos a falhas por inserção de reatividade.
A pesquisa de Busquim inovou pela metodologia e problema investigados, bem como pelos resultados obtidos. Dentre tais inovações, vale citar a aplicação do FKE para estimativa da potência do reator e das temperaturas no núcleo com base em medições ruidosas do fluxo de nêutrons.
O ANS e o FKE estão sendo aperfeiçoados no programa de pós-doutorado que Busquim realiza na Poli, em conjunto com o professor Ricardo Paulino Marques, com o apoio da equipe de desenvolvimento da Poli e da DDNM e a supervisão dos professores José Jaime da Cruz e José Roberto Castilho Piqueira.
Parceria internacional e premiação
Os modelos de plantas nucleares e os métodos computacionais desenvolvidos no doutorado de Busquim deram origem ao projeto da Poli e AIEA que resultou no desenvolvimento do ANS e de metodologias para aplicação do FKE em defesa cibernética. Até recentemente (2019), Busquim era pesquisador afiliado do MIT.
O engenheiro contabiliza em sua carreira acadêmica dois cursos de mestrado no MIT, em engenharia nuclear e de sistemas, e o doutorado realizado na Poli, orientados pelo professor Kazimi. Em 2016, seus estudos foram premiados pela Comissão Nacional de Energia Nuclear (CNEN), conquistando o prêmio de melhor tese de doutorado na área nuclear daquele ano.
A partir de julho, Busquim integrará o time de especialistas da AIEA, em Viena, Áustria. Ele será o primeiro latino-americano a fazer parte desse grupo, liderando equipes para desenvolvimento de metodologias e sistemas para segurança (safety e security) digitais.
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