J.M. Aragonés 1Innovación en Tecnología Nuclear:Reactores de Generación IV
20 Septiembre de 2008
Innovación en Tecnología Nuclear: Reactores de Generación IV
José María Aragonés BeltránCatedrático de Física e Ingeniería Nuclear
Departamento de Ingeniería NuclearEscuela Superior de Ingenieros Industriales
Universidad Politécnica de Madrid
20 Septiembre 2008
J.M. Aragonés 2Innovación en Tecnología Nuclear:Reactores de Generación IV
20 Septiembre de 2008
GenIV: Energía Nuclear Sostenible (1)
• Potencial energético de la fisión del Uranio (y Torio)– La fisión de 1 kilogramo de U o Th o Pu (Actínidos) genera casi 1 GWd
= 24 millones de kWh (térmicos), más de 8 millones de kWh(e) al 35%– Cualquier central nuclear de fisión de 1000 MWe, para generar al
año 106 kW(e) x 8000 horas = 8x109 kWh(e) = 0,91 GWe-año, solo fisiona 1 tonelada de Actínidos (U o Th o Pu).
– Con las reservas probadas de Uranio (15 millones de toneladas, OCDE) se pueden generar 15 millones de GWe-año (250 mil reactores de 1000 MWe durante 60 años por reactor ó 5000 reactores durante 3000 años). Además hay al menos otras tantas de Torio.
• Limitaciones de las centrales actuales (Gen-II y Gen-III)– Un PWR de 1 GWe (p.e. Ascó o Vandellós) ha de recargar cada año
20 toneladas de U enriquecido al 4,65% para mantener criticidad en ciclos de 18 meses y descargar el combustible a 50 GWd/tU
– Para fabricar esas 20 tU/año al 4,65%, se precisan unas 200 t de U natural (0,71%), dejando unas 180 tU/año de U empobrecido (0,3%)
– Luego en las centrales actuales los 15 millones de tU de las reservas probadas pueden abastecer a 1250 reactores de 1 GWe y 60 años, unas 3 veces la potencia nuclear instalada en todo el mundo.
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GenIV: Energía Nuclear Sostenible (2)• Desglose másico del combustible “gastado” anual en LWR (20 t)
– Uranio = 18,7 ton (187 kg 235U + 18,5 ton 238U + …)– Plutonio = 270 Kg (135 kg 239Pu + 62 240Pu + 36 241Pu + 24 242Pu + 11 238Pu)– Actínidos Menores = 29 kg (16,2 kg 237Np + 7,3 241Am + 5,4 243Am + …)– Productos de Fisión = 1 tonelada (decaen en unos cientos de años)
(Nota: la mitad del 241Pu decae por β- a 241Am cada 14,35 años)
• Regeneración en reactores de neutrones rápidos (Gen-IV)– Razón de Conversión = Destrucción de núcleos fisibles (N impar) por fisiones y
capturas / Regeneración por capturas de neutrones en núcleos fértiles (N par)– Es 0,6-0,7 en reactores de neutrones térmicos (LWR, HTGR)– Puede ser 1,0-1,1 en espectros rápidos y combustibles con 15% de Plutonio en
Uranio (reactores regeneradores)– Puede reducirse mucho con combustible sin 238U (reactores quemadores).– En el combustible “gastado” cada 10 años en las centrales actuales hay Plutonio
para la carga inicial de un reactor regenerador de 1 GWe y Uranio para 187 años de generación eléctrica. El Plutonio se regenera y actúa como catalizador de la fisión de todo el Uranio. Los Actínidos Menores se destruyen en gran parte.
– El Uranio empobrecido del enriquecimiento también se puede fisionar.– Por cada reactor actual de 1 GWe y 60 años de operación, el Uranio ya
extraído de las minas puede alimentar 6 veces más reactores regeneradores durante 12 mil años.
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GenIV: Energía Nuclear Sostenible (3)
• Foro Internacional Generación IV (2001)US+Fr+Jp+GB+Can+SA+Kr+CH+Eu+Ch+Ru
http://www.gen-4.org• Plataforma Europea de Energía Nuclear
Sostenible: (Sept.2007 Informe de Vision)(2008 Agenda Estratégica de I+D)
http://www.snetp.eu
• Una visión compartida de la Energía Nuclear:– Disponible y fiable: suministro diversificado– Asequible: costes de energía competitivos– Segura y Limpia: emisiones y residuos mínimos– Sostenible: combustible nuclear disponible a
largo plazo (milenios) con reciclado integral– Aceptada: información, regulación e inspección
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GenIV: Energía Nuclear Sostenible (4)
• Concepts with breakthroughsü Minimization of wastes
ü Preservation of resources
ü Non Proliferation
Ø Assets for new markets :- attractiveness- simplicity, robustness- safety, non proliferation
Ø Assets for new applications :- hydrogen production- direct use of heat- sea water desalination
Ø New requirements for sustainable nuclear energy
• Gradual improvements in
ü Competitiveness
ü Safety and reliability
Génération IV
International Forum
Members
Génération IV
International Forum
Members
U.S.A.U.S.A.
ArgentinaArgentina
BrazilBrazil
CanadaCanada
FranceFrance
JapanJapan
South AfricaSouth Africa
UnitedUnitedKingdomKingdom
South KoreaSouth Korea
SwitzerlSwitzerlandand
E.U.E.U.
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Almaraz, Ascó VandellósII
CofrentesTrillo
Evolución de la Energía Nuclear
Generación I
Generación II
1950 1970 1990 2010 2030 2050 2070 2090
Generación III
Primeros Primeros ReactoresReactores
ZoritaVandellós-I
ReactoresReactoresActualesActuales
SFR (Sodio)
ReactoresReactoresAvanzadosAvanzados
SistemasSistemasFuturosFuturos
Generación IV
GFR (Gas) o LFR (Plomo) o MSFR (sales fundidas)
FusiónFusiónNuclearNuclear
EPR,AP1000, …
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• Foro Internacional de Gen-IV (GIF): Technology Roadmap (Dic. 200) y 4 SystemResearch Plans (SFR, SCWR, VHTR y GFR), LFR en marcha y MSR planeado.
• Plataforma Europea de Energía Nuclear Sostenible (SNE-TP): Vision Report(Sep. 2007) y Strategic Research Agenda (SRA) en elaboración (Nov. 2008).
• Sistemas de Energía Nuclear considerados en Gen-IV y SNE-TP:– VHTR: Reactor térmico a muy alta temperatura (electricidad, Hidrógeno y calor industrial)– SCWR: Reactor térmico de agua supercrítica (alta temperatura y rendimiento)– SFR: Reactor rápido de Sodio (metal líquido), evolución de los LMFBR (SuperPhénix)– GFR: Reactor rápido refrigerado por Gas (Helio ó CO2 supercrítico)– LFR: Reactor rápido refrigerado por Plomo (fundido). ADS: con acelerador auxiliar.– MSR: Reactor térmico o rápido de combustible en sales fundidas.
• Prioridades y Mapa de Ruta:– Investigación prioritaria y desarrollo de prototipos a corto plazo (<2020): SFR y VHTR– Alternativas para I+D experimental (a elegir una en ˜2015): GFR y LFR– A investigar a largo plazo (estudios y experimentos): SCWR (térmico) y MSR (rápido)– Actividades transversales comunes: Materiales, Reproceso, Simulación– Los planes o agenda se concretan en proyectos de I+D: cada parte en GIF, FP7 en UE.
Fondos previstos anuales: USA 43,5 M$ (FY07); EUratom <12 M€ en 2009 (FP7).
GenIV: Tecnologías y Mapas de Ruta
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VHTR: Reactor a Muy Alta Temperatura
Características• Helio refrigerante• >900 C temperatura salida• 250 MWe• Combustible de partículas
recubiertas en lecho de bolas o elementos prismáticos de grafito
Beneficios• Producción de Hidrógeno• Aplicaciones de Calor de Proceso• Alto grado de seguridad pasiva• Alta eficiencia térmica opcional
Países interesados• Sudáfrica, Francia, EUratom, resto• España ha participado en el
proyecto RAPHAEL del FP6: Endesa y Empresarios Agrup. (EA)
Vista en microscopio electrónico de una partícula recubierta:Núcleo UOX, MOX, UCCapa de carbón pirolíticoCapa de SiC impermeableCapa de grafito duro
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SFR: Reactor Rápido de Sodio
Características• Sodio (metal líquido) refrigerante• 550 C temperatura salida• 1500-600-300-50 MWe (modular)• Combustible de óxidos mixtos
(MOX) de Plutonio y Uranio de la descarga de LWR. Opción: metal con piroprocesso
Beneficios• Alta eficiencia térmica• Eficiente regeneración del material
fisible (Pu y AM)• Consumo de actínidos de LWR• Experiencia histórica amplia
Países interesados• EEUU, Japón, Francia, EUratom,
Corea y Rusia• España participa en el proyecto
ESFR del FP7 (2009-2012): EA, Endesa, Ciemat, UPM, ENSA,
CP-ESFR
Proyecto Europeo ESFR• 5,5 M€ de EC-Euratom• Áreas prioritarias: Diseño
del núcleo y fuel. Seguridad. Diseño del secundario. E&T.
• Coordinador: CEA (Fr)
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GFR: Reactor Rápido de Gas
Características• Helio (gas) refrigerante• 850 C temperatura salida• 1100 MWe• Ciclos combinados de turbina de
gas y CO2 supercrítico• Combustible: óxidos mixtos (MOX)
de Plutonio y Uranio de la descarga de LWR. Opciones: Carbidos o Nitridos en placas o varillas
• Vainas: cerámicas (SiC) y metales (aleaciones de Nb,V o Cr).
Beneficios• Alta eficiencia térmica• Eficiente regeneración del material
fisible (Pu y AM) y uso del Uranio• Mínimos residuos
Países interesados• Francia, Japón, Suiza, EUratom• Proyectos europeos previos: STREP
y EUROTRANS, futuro: ALLEGRO
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LFR: Reactor Rápido de Plomo fundido
Características• Plomo o Pb/Bi fundido refrigerante• 550 a 800 C temperatura salida• 50-150 MWe sistema transportable• 300-1200 MWe centrales• Ciclos de 15-30 años opcionales
• Beneficios• Hidrógeno y agua potable• Núcleo reemplazable para proceso
regional del combustible• Alto grado de seguridad pasiva• Mínimos residuos
Países interesados• EUratom y Japón• Proyectos europeos previos: ELSY y
EUROTRANS, futuro: MYRRHA-XT-ADS
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SCWR: Reactor de Agua Supercrítica
Características• Agua refrigerante por encima de
las condiciones supercríticas (374 C; 22,1 MPa)
• 510 a 625 C temperatura salida• 1500 MWe• Opciones de tubos o vasija de
presión • Balance de planta simplificado
• Beneficios• Eficiencia cercana al 45% con
economía excelente• Aprovecha y se nivela con la
experiencia actual en la operación de plantas fósiles de vapor supercrítico
• Configurable como núcleos de espectro térmico o rápido.
Países interesados• Canadá, Japón y EUratom
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MSR: Reactor de Sales Fundidas
Características• El combustible es líquido: fluoruros
de U y Pu con Li, Be, Na y otros.• 700 a 800 C temperatura salida• 1000 MWe centrales• Baja presión (<9,5 MPa)
• Beneficios• Minimización de residuos• Evita el desarrollo y experimentación
del combustible• Alto grado de seguridad pasiva• Bajo inventario de material fisible en
espectro térmico de elevado flujo.• Elimina las recargas periódicas, así
como el transporte del Pu.• Potencial de separación continua de
los productos de fisión volátiles (Xenon, Yodo, Cesio, Kripton, …)
Países interesados• Francia y EUratom