Nuevas tecnologías y reactores de futuro · Consejo Social de la UPM 1 Emilio Minguez Torres...

Consejo Social de la UPM 1

Emilio Minguez TorresDepartamento de Ingeniería NuclearInstituto de Fusion Nuclear

([email protected])

Nuevas tecnologías y reactores de futuro

UIMP- Santander EncuentroEnergía Nuclear para el siglo XXIJunio 18 y 19, 2007


Contenido

• Retos de la Energía Nuclear

• Nuevos conceptos innovadores

• Reactores avanzados

• Tecnologías para residuos y Transmutación

• Estrategía tentativa de futuro


Retos de la Energía Nuclear• Sostenibilidad: reducción de cantidad de residuos

disminución toxicidad y tiempo de vidaextensión de reservas de combustible

• Competitividad: Simplificación de diseñoreducción tiempos de construcciónmejor empleo del combustiblenuevas técnicas de construcción

• Seguridad y fiabilidad: Seguridad inherentediseños robustos

aumento de la aceptación y confianza públicas

• Resistencia a la proliferación y protección física


Innovación en Energía Nuclear

• Desarrollo cientifico y tecnologico : R&D

• Demostración de la ingeniería

• Proyección Industrial

REACTORES INNOVADORES

CICLO DEL COMBUSTIBLE


Proceso de Evolución

1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030

Gen IV

Generation IVGeneration IV⎢ Highly

economical⎢ Enhanced

Safety⎢ Minimized

Wastes⎢ Proliferation

Resistance

⎢ Highly economical

⎢ Enhanced Safety

⎢ Minimized Wastes

⎢ Proliferation Resistance

Gen I

Generation IGeneration IEarly Prototype

Reactors

•Shippingport•Dresden,Fermi-I•Magnox

Gen II

Generation IIGeneration IICommercial Power

Reactors

•LWR: PWR/BWR•CANDU•VVER/RBMK

Gen III

Generation IIIGeneration IIIAdvanced

LWRs

•System 80+•EPR

•AP600•ABWR


Reactores avanzados

• Reactores tipo PWR:EPRSystem 80+AP-1000/ 600VVER-1000IRIS

• Reactores tipo BWR: ABWRESBWRSWR-1000

• Reactores de gas: PBMR, GT-MHR• Reactores de agua pesada: ACR


Diseños de reactores avanzados disponibles


Generation III

• Diseños estándar para :accelerar el proceso de licenciareducir costesreducir tiempos de construcción

• Diseños robustos (faciles de operar y mantener)

• Mayor período de operación : 60 años

• Aumentar la seguridad nuclear y la seguridad física.

• Minimo impacto ambiental.


Reactor EPR


Características técnicas EPR

-4060añosDuración de vida técnica

-0,150,25GNivel sísmico ***

-7178BarPresión secundaria

-45**> 60GWd/tTasa de combustión *

193205241N° montajes comb.

444N° lazos primarios

343436%Rendimiento

140014501500 –1600MWPotencia eléctrica

385042504250 – 4500MWPotencia térmica

KonvoiN4EPRPrincipales características


• Constituido por un recinto doble:(5) un recinto interno estanco en hormigón pretensado(6) un casco externo en hormigón armado

• Alberga el circuito primario:(1) vasija (2) generadores de vapor (3) presionador (4) bombas primarias

• Dentro del recinto, el cenicero (7)en caso de fusión del núcleo

Edificio del reactor


Olkiluoto en 2004


Olkiluoto en 2010


Máster en Tecnologías para laGeneración EléctricaAP 600/ 1000


SEGURIDAD PASIVA AP-600

• Sistemas basados en fuerzas naturales: gravedad, circulación natural.

• Sistemas basados en fuerzas artificiales: presión, electricidad.

• Se eliminan así bombas, válvulas, tuberías, instrumentación…

• Modularización• Consiguiente efecto sobre COSTES y

SIMPLICIDAD.


SIMPLICIDAD

• Sistemas de seguridad pasivos no requieren tantos subsistemas.

• Facilidad de operación y mantenimiento.

• Consiguiente efecto sobre SEGURIDAD y COSTES.

AP 600


Comparación de dimensiones entre PWR y AP-1000


Comparación entre sistemas de refrigeración de la contencion


Probabilidad despreciable de accidente severo


ABWR - Generalidades


ABWR - Detalle de la Central


CENTRALES EXISTENTES

KASHIWAZAKI - KARIWA

Unidades 6 y 7

SHIKA

Unidad 2

HAMAOKA

Unidad 5

* Dos en construcción en Taiwan


CONTENCIÓN Y VASIJA

Tamaño reducidoConstrucción más fácil

Reducción de la probabilidad de fusión del núcleo


ESBWR (Economic Simplified BWR)General Electric 1550 MWe


ESBWR


SWR-1000 AREVA


SRW-1000 Contención


PBMR (Pebble Bed Modular Reactor)


PBMR: COMBUSTIBLE• Combustible y moderador integrados

• Combustible: UO2 (enriquecido al 9%)• Moderador: Grafito


GTGT--MHRMHR

Passive reactor cavitycooling system(RCCS

Passive residual heat scatteringdue to radiation, convectionand heatconductance


"Generacion IV" consiste en el desarrollo y demostracion de uno o mas sistemas nucleares innovadores que ofrecen

ventajas en los retos de la energía• sostenibilidad,• economia,• Seguridad y fiabilidad, • Resistencia a la proliferacion y protección física

Perspectivas comerciales: 2030

GENERACION IV ?

Generation IV International Forum(GIF)

2003 Euratom2006 Rusia y China


GENERACION IV

• Acronym Spectrum Fuel cycle

• SFR Sodium Cooled Fast R. Fast Closed• LFR Lead Alloy Cooled R. Fast Closed• GFR Gas Cooled Fast R. Fast Closed• VHTR Very High Temperature R. Thermal Once-through• SCWR Supercritical Water Cooled Th. & F. Once-t. & Cl. • MSR Molten Salt R. Thermal Closed


Goals for Gen IV Nuclear Energy Systems (1)

• EconomicsCompetitive fuel cycleEnergy production costsFinancial risk

• Sustainabilityclean air objectives, long term availability of systems and effective fuel utilizationminimization and management of nuclear waste

increased levels of protection for public health and the environmentreduced long term stewardship burden in the future


• Proliferation resistance & Physical ProtectionControlling and securing nuclear materials and nuclear installations

• Safety and Reliabilityexcellence in safety and reliability

reduction of the likelihood and severity of reactor core damage, and rapid return to plant operation

elimination of the need for off-site emergency response

Goals for Gen IV Nuclear Energy Systems (2)


Fases

• Viability: pre-conceptual design• Performance: conceptual design• Demonstration: preliminary design• Industrial : engineering design• Final project• Construction


• electricity production (with high efficiency, close to 40 %)

• Cogeneration• actinide management • modules of 50 MWe or

large plant of 1500 MWe

• chair = Japan and USA / members = France, South Korea, UK and (Euratom)

SFR (Sodium Fast Reactor)


Sodium-cooled fast reactors (SFR)case deployment year 2020

• best experienced system in France, USA and Japan

• efficient management of U resources

• demonstration reactors: France: 250 – 600 MWe – start up of operations by 2020.Advanced Burner Reactor (ABR in the USA – deployment

by 2022Japanese Sodium Fast Reactor (JSFR)Chinese Experimental Fast Reactor (CEFR)

• "EISOFAR": Roadmap for a European Innovative Sodium Cooled Fast Reactor / initiated in February 2007, co-ordinated by CEA Cadarache.

• European roadmap: confirmation of key technologies and design options in 2012


LFR (Lead-Cooled Fast Reactor)

• electricity production (with high efficiency, close to 45 %)

• Cogeneration• actinide management• reference power =

small modules of 20 MWe and moderated-size system of 600 MWe

• Euratom, USA, South Korea and Japan


Lead-cooled fast reactors (LFR) case deployment year 2025

• experience from Russian NIKIET development of the lead-cooled 300 MWe reactor BREST (Beloyarsk, with an on-site fuel cycle, completion of the project by 2020)

• proliferation resistance due to core design and long refuelling intervals (up to 20 years)

• demonstration reactor (if selected as second type of FR system in Europe) - start up by 2020

• Euratom FP-6 project “ELSY”: European Lead-cooled / Specific Targeted Research Project funded for 3 years, initiated in October 2006, co-ordinated by Ansaldo

• European roadmap: confirmation of design options in 2012 (back up solution, after SFR)


Máster en Tecnologías para laGeneración EléctricaGFR (Gas-Cooled Fast Reactor)

• mainly electricity production ( high efficiency, higher than 45 %)

• Cogeneration• actinide management • reference power = 300 -

1500 MWe• chair = France and USA

members = Euratom, Japan, South Africa, South Korea, Switzerland and UK


Gas-cooled fast reactors (GFR) case deployment year 2025

• efficient management of U resources

• demonstration reactor (if selected as second type of FR system in Europe) : Experimental Technology Demonstration Reactor (ETDR in Europe, 50 – 100 MWth) – start up by 2020

• Euratom FP-6 project : “GCFR”: Gas Cooled Fast Reactor / Specific Targeted Research Project funded for 4 years, co-ordinated by AMEC-NNC Knutsford

• European roadmap: confirmation of design options in 2012 (back up solution after SFR)


• Electricity production• Cogeneration• full actinide

management • reference power =

1000 MWe• Euratom, France and

USA.

MSR (Molten Salt Reactor)


Molten salt reactors (MSR) case deployment year 2030

• non-conventional technology closely linked to P&T (quasi-continuous recycling of fuel in a closed fuel cycle with continuous extraction of fission products)

• breeder in thermal / fast spectrum (Thorium cycle possible), or burner for spent fuel recycling

• Euratom FP-6 project : "ALISIA": Assessment of liquid salts for innovative applications, funded for 1 year initiated in February 2007, co-ordinated by CEA Saclay


SCWR (Super-Critical Water CooledReactor)

electricity production (efficiency, close to 45 %)cogeneration actinide management in the fast version power = 1700 MWechair = Canada and USA / members = Euratom, Japan, France and South Korea


Supercritical water-cooled reactors (SCWR)deployment year 2025

• excellent economy (no steam generator, no recirculation pump, no steam separator) / existing technology in commercial supercritical-water-cooled fossil-fired power plants

• passive safety systems similar to the boiling water reactor SWR-1000 (Generation III)

• Euratom FP-6 project: “HPLWR”: High Performance Light Water Reactor funded for 3.5 years, initiated in Sept. 2006, co-ordinated by FZK Karlsruhe

• European roadmap: confirmation of design options (viability) in 2012


VHTR (Very High Temperature Reactor)

• Cogeneration• maybe only electricity

production (with high efficiency, in the order of 40 -45 %)

• no actinide management -once through cycle

• power = 600 MWth / 300 MWe

• chair = Japan and France members = Euratom, Canada, South Korea, South Africa, Switzerland and UK


Very high-temperature gas reactors (VHTR) case deployment year 2020

• fuel can resist fast neutron fluences , with specific burnupsreaching 200 GWd/ton of fuel and temperatures of 1600 °C in accident conditions

• demonstration reactors for nuclear cogeneration = Next Generation Nuclear Plant (NGNP) planned in the USA by 2021 and European demo planned by 2015 – 2020

• Euratom FP-6 project : “RAPHAEL”: ReActor for Process heat, Hydrogen And ELectricity generation . funded for 4 years, initiated in April 2005, co-ordinated by AREVA NP

• European roadmap: confirmation of design options (including cogeneration) in 2012


INTERNATIONAL PROJECT ON INNOVATIVE NUCLEAR INTERNATIONAL PROJECT ON INNOVATIVE NUCLEAR REACTORS AND FUEL CYCLES: INPROREACTORS AND FUEL CYCLES: INPRO

“To provide a Forum for Discussionof Experts and Policy Makers from Industrialized and Developing Countries on all aspects of Nuclear Energy Planning as well as on the Development and Deployment of INS in the 21st century”.

“To develop the Methodology to analyze INS on a global, regional and national basis and establish it as an Agency’s recommendation”.

“To facilitate Coordinating and Collaboration among member states for planning of INS development and deployment”.

“To pay particular attention to theneeds of developing countriesinterested in INS”.


The Global Nuclear EnergyPartnership (GNEP)

• Expand use of nuclear power• Minimize nuclear waste• Demonstrate Advanced Burner Reactors• Demonstrate Small , exportable reactors• Enhanced nuclear safeguards technology


Centro de Almacenamiento El Cabril

CONTENEDORES

CELDAS CONCOBERTURA PROVISIONAL

TECHADO MOVIL

GALERIA INSPECCION

CAPA DEPROTECCION

COBERTURA A LARGO PLAZO

TIERRA VEGETAL

GRAVA GRUESA

CAPA IMPERMEABILIZANTEDE ARCILLA COMPACTADA

IMPERMEABILIZACION MEMBRANASINTETICA

RELLENO

(DRENANTE)1ª CAPA DE ARENA




Plataforma del Centro de Almacenamiento El Cabril


CENTRALESNUCLEARES

LWR

ALMACENAMIENTOTEMPORAL

ALMACENAMIENTODEFINITIVO

CICLOABIERTO

CICLOCERRADOACTUAL

CICLOCERRADO

AVANZADO

VIDRIOS

Rutas alternativas de gestión del combustible gastado.


Almacenamiento directo. Sistema de barreras múltiples.

Elemento combustible

Cápsula

Material de relleno y sellado (bentonita compactada a alta densidad)

Barrera geológica

- Retención de radionucleidosen la matriz de UO2

- Retrasa la penetración de agua- Establece un ambiente químico favorable

- Limita la penetración de agua- Retrasa el inicio de la liberación

- Limita la liberación (difusión)

Zona del repositorio: - Limitado aporte de agua

- Quimismo favorable- Estabilidad geológica a largo plazo

Geosfera:- Largos tiempos de recorrido del agua

- Retraso adicional al transporte de material radioactivo en agua (sorción,

difusión en matriz rocosa)


Almacenamiento temporal.


Experiencia Internacional en ATC

Tecnología de almacenamiento contrastada y con experiencia operacional amplia.

Países que disponen de instalaciones tipo ATCAlemania: Ahaus; GorlebenBélgica: DesselEE.UU.: PFS (en licenciamiento)Francia: La HagueHolanda: HABOGJapón: RokkashoReino Unido: SellafieldRusia: Mayak; KrasnoyarskSuecia: CLABSuiza: ZWILAG


Instalación de ZWILAG


SEPARAR Y TRANSMUTAR

ELIMINAR LOS ACTÍNIDOS (U, Pu, Am, Cm, Np) PRESENTES EN EL COMBUSTIBLE IRRADIADO Y ALGUNOS PRODUCTOS DE FISIÓN DE VIDA LARGA (I, Tc, Cs) Y ALTA MOVILIDAD.

Objetivos de la Separación-Transmutación.

OBJETIVOS BÁSICO

REDUCIR EL INVENTARIO RADIOTÓXICO DE LOS RAA Y EN CONSECUENCIA, EL RIESGO RADIOLÓGICO POTENCIAL A LARGO PLAZO QUE CONLLEVA SU ALMACENAMIENTO

DEFINITIVO.


Esquema de la transmutación.


Transmutador ADS.


Accelerator Driven System


• Operación de centrales a costes muy competitivos.• Producción sostenible ( factores de carga elevados).• Operación a largo plazo: paso de 40 a 60 años.• Suministro asegurado de combustible.• Desmantelamiento y gestión de residuos.• Construcción de nuevas centrales: Gen-III, Gen3+, HTR• Programas: Generación IV / INPRO• Otros productos no eléctricos: hidrógeno• Transmutación de residuos: instalaciones de fuentes

de irradiación• Fusión: ITER, fábrica de blancos, materiales,FCI.

Escenario futuro


FP-4 FP-5 FP-6 FP-7(1994-98) (1998-02) (2003-06) (2007-11)

Fusion Energy 840 788 750 1 947

Nuclear Fission and Radiation Protection

170 191 190 287JRC’s EURATOM activities 271 281 290 517

_____ _____ _____ _____ _____ _____ __________

Total 1 281 1 260 1 230 2 751


Estrategia de futuro

Corto plazo (-2025)

Operar las centrales existentes hasta su vida estimada por diseño

Plan de operación más allá de 40 años

Construcción de nuevas centrales con tecnología de GEN III

Medio Plazo (2030- 2050)

Construcción de nuevas centrales con tecnología de GEN III, G3+ y GEN IV

Transmutacion

Largo plazo (2050- )

Nuevas centrales con tecnología de Gen IVReactores de Fusion

La Energía Nuclear debe ser parte de nuestro futuro


Emilio Minguez TorresCatedrático de Tecnología NuclearVicerrector de Gestión Académica y ProfesoradoUniversidad Politécnica de Madrid([email protected])

Modelos energéticos del siglo XXI


Consideraciones generales

• Existen aún 2.000 M personas sin acceso a servicios básicos de energía ( solo el 20% de la población)

• En este siglo la ENERGIA y el AGUA son elementos esenciales para la vida del ser humano.

• El petróleo, el gas y el carbón producen las 2/3 partes de la energía eléctrica mundial.

• Los países de la OCDE importarán en el año 2030 más del 85% del petróleo y más del 40% del gas.

• Reservas de petróleo y gas: 70% en países árabes

• Reservas de U en países OCDE el 60%


Desarrollo sostenible

• “Aquél que satisface las necesidades actuales sin comprometer la capacidad de las generaciones futuras para atender sus necesidades”. ( Informe Brudtland)

Económico

Social

Medioambiental

Económico

Social

Medioambiental

Pilares del desarrollo sostenible


Objetivos energéticos siglo XXI

• El suministro de energía debe hacerse de forma sostenible y diverso.

• El uso de la energía deberá ser mas eficiente.• Promover energías que produzcan el menor impacto

medioambiental.• Seguridad de abastecimiento.• Competitividad.

World Energy Congress – Sydney 2004

IAEA Intern. Conf. On Nuclear Power for the 21st Century 2005


Fuerzas y fuentes de energía

FISION

NUCLEAR FUSION

Radiactividadnatural

CentralesNucleares

ConfinamientoMagnético

Confinamientoinercial

FUSION POR CONFINAMIENTO GRAVITATORIO

ENERGIASOLAR

HIDRAULICA

Oleaje

Mareomotriz

Gradientes Térmicos

Energíasmarinas

EOLICA

HELIOTERMICA

FOTOVOLTAICA

BIOMASA

COMBUSTIBLESFOSILES

CARBON

PETROLEO

GAS

GRAVITACION

Geotérmica


Cobertura de la demanda

• El empleo de carbón conlleva al efecto invernadero• Las reservas de gas y petróleo son limitadas• Los precios del gas y petróleo introducen fuertes

incertidumbres en los precios de la energía• Los programas de ahorro de energía y de energías

renovables no serán suficientes para afrontar la demanda eléctrica.

• Los nuevos conceptos innovadores de reactores nucleares deben tenerse en cuenta.


Nueva era de la energía en Europa

• Existe una urgente necesidad de inversiones: sólo en Europa, se precisarán en los próximos 20 años inversiones cercanas a un billón de euros para cubrir la demanda de energía prevista y sustituir la infraestructura obsoleta.

• Nuestra dependencia respecto de las importaciones va en aumento: si no conseguimos otorgar una mayor competitividad a la energía

autóctona, en los próximos 20 o 30 años un 70 % de las necesidades energéticas de la Unión se satisfarán mediante productos importados(algunos de ellos procedentes de regiones situadas bajo la amenaza de la inseguridad), frente al 50 % actual.

• En los dos últimos años, los precios energéticos se han multiplicado prácticamente por dos en la UE, y los precios de la electricidad siguen una tendencia idéntica. Se trata de una situación difícil para los consumidores. Habida cuenta de la creciente demanda global de combustibles fósiles, la saturación de las cadenas de abastecimiento y la creciente dependencia respecto de las importaciones, es probable que los precios del petróleo y el gas se mantengan elevados. Pero quizá eso propicie el incremento de la eficiencia energética y de la innovación.


Fomento de la innovación

• La investigación ha permitido que la eficiencia de las centrales eléctricas haya mejorado en un 30% en los últimos 30 años.

• El 7º Programa Marco de la UE abarca un amplio abanico de tecnologías:

energías renovablesconversión de carbón limpiocaptura y secuestro de carbonodesarrollo de biocarburantes para el transportevector energético: hidrógenopilas de combustiblefisión y fusión nuclear


Vector energético : hidrógeno

• El H constituye el 75% de la masa del Universo• Es una energía secundaria, y se requiere un consumo energético

para su producción.• El H se puede obtener del vector electricidad y viceversa: pilas de

combustible y por electrolisis del agua.• Para producir 1 kg de H es necesario 123 MJ.

• Rendimientos comparativos:Rendimiento de turbinas de vapor: 32-39%Rendimiento de motores de combustión: 18-20%Rendimientos de aerogeneradores: 40%Rendimientos centrales hidroeléctricas: 80%Rendimientos de pilas de combustible: 50% ( actual)- 80%(futuro)


Tecnologías actuales y futuras para producir H

TECNOLOGIAS ACTUALES:

• Reformado de gas natural (refinerías) : > 75%• Oxidación parcial de naftas de carbón: 20%• Electrolisis del agua: <5%

TECNOLOGIAS FUTURAS:

• Electrolisis del agua.• Termólisis del agua ( entre 800-1000ºC)


Vector energético: electricidad


COGENERACIÓN

• La cogeneración es una técnica que permite producir calor y electricidad en un único proceso. El calor se presenta en forma de vapor de agua a alta presión o en forma de agua caliente.

• Una central de cogeneración de electricidad-calor funciona con turbinas o motores de gas. El gas natural es la energía primaria más utilizada corrientemente para hacer funcionar las centrales de cogeneración. Pero también pueden utilizarse fuentes de energía renovables y residuos.

• Al contrario de la central eléctrica tradicional, cuyos humos salen directamente por la chimenea, los gases de escape de la cogeneración son primero enfriados y transmiten su energía a un circuito de agua caliente/vapor. Los gases de escape enfriados pasan seguidamente por la chimenea.

• Las centrales de cogeneración de electricidad-calor pueden alcanzar un rendimiento energético del orden del 90%. El procedimiento es más ecológico, ya que durante la combustión el gas natural libera menos dióxido de carbono (CO2) y óxido de nitrógeno (NOX) que el petróleo o el carbón. El desarrollo de la cogeneración podría evitar la emisión de 127 millones de toneladas de CO2 en la UE en 2010 y de 258 millones de toneladas en 2020.


Centrales Nucleares en Operación

371440TOTAL

0.25Russia, Japanother

1.34Japan, France, RussiaFast Neutron Reactor (FBR)

1413RussiaLight Water Graphite Reactor (RBMK)

1232UKGas-cooled Reactor (Magnox & AGR)

1834CanadaPressurised Heavy Water Reactor "CANDU" (PHWR)

8392US, Japan, SwedenBoiling Water Reactor (BWR)

243260US, France, Japan, RussiaPressurised Water Reactor (PWR)

GWeNUMBERMAIN COUNTRIESREACTOR TYPE


Reducción de emisión de CO2 por energía nuclear


Se ha demostrado su menor coste

• Las CCNN en operación tienen bajoscostes de :O&M + fuel

• Es incluso la opciónmas económica en paises que planteannuevas centrales

• Los precios del gas son altos y variables; y lasrenovables no son competitivas

60-70% inversión10% combustible30-20% O&M


Gestión de residuos radiactivos

Clab (Sweden)Habog (Holland) Surry (UEA)

• Volumen pequeño y concentrados• Aislamiento en la biosfera factible• Soluciones técnicas en muchos paises: Suecia, España, etc• Almacenamiento temporal• AGP• Transmutación para eliminar residuos

La gestión de los residuos radiactivos es más que encontraruna respuesta técnica a un problema técnico


• Existe un gran reto energético mundial tanto desde el punto de vista económico, medioambiental y de seguridad de abastecimiento.

• El planteamiento energético debe hacerse desde la diversidad.

• En esta diversidad la energía nuclear y las renovables deben complementarse

• Se requiere una planificación a largo plazo y debe hacerse por consenso.

• La UE debe afrontar su economía desde la óptica de la competitividad, y en la energía debe ser menos dependiente, de acuerdo a la Agenda de Lisboa

• Establecer políticas de ahorro y eficiencia energética mas activas.

Conclusiones


Consideraciones en una toma de decisiones

• Crecimiento de la demanda• Competitividad• Seguridad de suministro• Cumplimiento de condiciones medioambientales• Aspectos sociales: percepción del riesgo, proliferación

protección física, residuos.

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