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Los reactores modulares pequeños ( SMR ) son una clase de reactores nucleares de fisión pequeños , diseñados para ser construidos en una fábrica, enviados a sitios operativos para su instalación y luego utilizados para alimentar edificios u otras operaciones comerciales. El término SMR se refiere al tamaño, la capacidad y la construcción modular . El tipo de reactor y los procesos nucleares pueden variar. De los muchos diseños de SMR, el reactor de agua presurizada (PWR) es el más común. Sin embargo, los diseños de SMR propuestos recientemente incluyen: generación IV , reactores de neutrones térmicos , reactores de neutrones rápidos , sal fundida y modelos de reactor enfriados por gas . [1] Los SMR comerciales han sido diseñados para entregar una salida de energía eléctrica tan baja como 5 MW e (eléctrica) y hasta 300 MW e por módulo. Los SMR también pueden diseñarse puramente para desalinización o calefacción de instalaciones en lugar de electricidad. Estos SMR se miden en megavatios térmicos MW t . Muchos diseños de SMR se basan en un sistema modular, lo que permite a los clientes simplemente agregar módulos para lograr una salida eléctrica deseada.
Los reactores pequeños fueron diseñados principalmente para fines militares en la década de 1950 para alimentar submarinos y barcos con misiles balísticos ( portaaviones y rompehielos ) con propulsión nuclear . [2] La salida eléctrica de los reactores navales modernos generalmente está limitada a menos de 165 MW e y se dedica a alimentar hélices de turboeje en lugar de suministrar electricidad comercial. Además, hay muchos más controles de seguridad ausentes en los reactores navales debido a las limitaciones de espacio para las que fueron diseñados estos reactores.
Se espera que los reactores modulares reduzcan la construcción in situ y aumenten la eficiencia de la contención. También se espera que estos reactores mejoren la seguridad mediante el uso de características de seguridad pasiva que no requieren intervención humana, aunque esto no es específico de los SMR sino más bien una característica de la mayoría de los diseños de reactores modernos. También se afirma que los SMR tienen menores costos de personal en las centrales eléctricas, ya que su operación es bastante simple, [3] [4] y se afirma que tienen la capacidad de superar las barreras financieras y de seguridad que inhiben la construcción de reactores convencionales. [4] [5]
NuScale Power desarrolló un diseño aprobado por la Comisión Reguladora Nuclear y en 2022 comenzó a comercializarlo en EE. UU. [6]
En 2024, solo China y Rusia han construido con éxito reactores nucleares modulares en funcionamiento. [7] Hay más de 80 diseños de reactores modulares en desarrollo en 19 países. [8] Rusia ha estado operando comercialmente una planta de energía nuclear flotante Akademik Lomonosov , en el Lejano Oriente de Rusia ( Pevek ), desde 2020. [9] La planta flotante es la primera de su tipo en el mundo. El reactor modular de lecho de guijarros de alta temperatura refrigerado por gas HTR-PM de China se conectó a la red en 2021. [8]
Los factores económicos de escala hacen que los reactores nucleares tiendan a ser grandes, hasta tal punto que el tamaño en sí mismo se convierte en un factor limitante. El desastre de Chernóbil de 1986 y el desastre nuclear de Fukushima de 2011 provocaron un importante revés para la industria nuclear, con la suspensión mundial del desarrollo, la reducción de la financiación y el cierre de plantas de reactores.
En respuesta, los investigadores de la Universidad Estatal de Oregón introdujeron una nueva estrategia para construir reactores más pequeños, que se esperaba que fueran más rápidos de fabricar, más seguros de operar y funcionaran a un costo reducido por reactor. A pesar de la pérdida de ventajas de escala y una producción de energía considerablemente menor, se esperaba que la financiación fuera más fácil gracias a la introducción de la construcción modular y proyectos con escalas de tiempo anticipadas más cortas. La propuesta genérica de SMR es intercambiar las economías de escala unitaria por las economías de producción en masa unitaria. En asociación con OSU, NuScale Power fue la primera en aplicar esta estrategia de fabricación a partir de 2006 [10] [11]
Los defensores de esta idea sostienen que los SMR serían menos costosos debido al uso de módulos estandarizados que podrían producirse industrialmente fuera de las instalaciones en una fábrica dedicada a ello. [12] Sin embargo, los SMR también tienen desventajas económicas. [13] Varios estudios sugieren que los costos generales de los SMR son comparables a los de los grandes reactores convencionales. Además, se ha publicado información extremadamente limitada sobre el transporte de los módulos SMR. [14] Los críticos dicen que la construcción modular solo será rentable para un gran número de SMR del mismo tipo, dados los altos costos restantes para cada SMR. [15] Por lo tanto, se necesita una alta participación de mercado para obtener pedidos suficientes.
En febrero de 2024, la Comisión Europea reconoció la tecnología SMR como un importante contribuyente a la descarbonización como parte del Pacto Verde de la UE . [16]
En su camino para alcanzar emisiones netas globales cero en 2050, la Agencia Internacional de la Energía (AIE) considera que la energía nuclear mundial debería multiplicarse por dos entre 2020 y 2050. [17] Antonio Vaya Soler, experto de la Agencia de Energía Nuclear (AEN), coincide en que aunque las energías renovables son esenciales para luchar contra el calentamiento global , no serán suficientes para alcanzar emisiones netas cero de CO 2 y la capacidad energética nuclear debería al menos duplicarse. [18]
Para producir la misma energía eléctrica que los aproximadamente 400 grandes reactores nucleares que hay actualmente en el mundo, BASE, la Oficina Federal Alemana para la Seguridad de la Gestión de Residuos Nucleares, advierte que sería necesario construir entre varios miles y decenas de miles de SMR. [2] [19]
Se deberían desplegar rápidamente en todo el mundo varias flotas de SMR exactamente del mismo tipo, fabricadas industrialmente en grandes cantidades, para reducir significativamente las emisiones de CO 2 . La Agencia de Energía Nuclear (AEN) lanzó en la COP 28 una iniciativa "Acelerando los SMR para el Cero Neto" para fomentar la colaboración entre las organizaciones de investigación, la industria nuclear, las autoridades de seguridad y los gobiernos, con el fin de reducir las emisiones de carbono a cero neto antes de 2050 para limitar el aumento de la temperatura superficial global . [20] [21] [22]
Los defensores de esta idea dicen que la energía nuclear con tecnología probada puede ser más segura; la industria nuclear sostiene que un tamaño menor hará que los SMR sean incluso más seguros que las plantas convencionales más grandes. Esto se debe a que el principal problema asociado con las fusiones nucleares es el calor de desintegración que está presente después del apagado del reactor, que sería mucho menor para los SMR debido a su menor potencia de salida. Los críticos dicen que muchos más [2] reactores nucleares pequeños plantean un riesgo mayor, requiriendo más transporte de combustible nuclear y también aumentando la producción de residuos radiactivos . [23] Los SMR requieren nuevos diseños con nueva tecnología, cuya seguridad aún está por demostrar.
Hasta 2020, no se había puesto en funcionamiento ningún SMR verdaderamente modular para uso comercial. [24] En mayo de 2020, el primer prototipo de una central nuclear flotante con dos reactores de 30 MW e –el tipo KLT-40– comenzó a funcionar en Pevek , Rusia. [9] Este concepto se basa en el diseño de rompehielos nucleares . [25] Está previsto que el funcionamiento del primer reactor de demostración comercial terrestre de 125 MW e, ACP100 (Linglong One), comience en China a finales de 2026. [26]
Para hacer frente a los objetivos de 2050 de cero emisiones netas de CO2 sin perder tiempo, un despliegue rápido y masivo de una gran cantidad de SMR (varios miles a decenas de miles de unidades) [2] [ verificación fallida ] es fundamental y representa un desafío sin precedentes para la industria nuclear, las autoridades de seguridad y la sociedad civil (aceptación por parte del público, los políticos y los gobiernos en los países más grandes), en el corto período de tiempo considerado. [ cita requerida ]
Los SMR se han concebido en múltiples diseños. Algunos son versiones simplificadas de los reactores actuales, otros implican tecnologías completamente nuevas. [27] Todos los SMR propuestos utilizan fisión nuclear con diseños que incluyen reactores de neutrones térmicos y reactores de neutrones rápidos .
Los reactores de neutrones térmicos dependen de un moderador (agua, grafito , berilio ...) para ralentizar los neutrones y generalmente utilizan235U como material fisible . La mayoría de los reactores operativos convencionales son de este tipo.
Los reactores rápidos no utilizan moderadores, sino que dependen del combustible para absorber neutrones rápidos . Esto suele implicar cambiar la disposición del combustible dentro del núcleo o utilizar combustibles diferentes. Por ejemplo,239
Es más probable que el Pu absorba un neutrón rápido que235
tú .
Los reactores rápidos pueden ser reactores reproductores . Estos reactores liberan suficientes neutrones para transmutar elementos no fisionables en fisionables. Un uso común de un reactor reproductor es rodear el núcleo con una "manta" de238
U , el isótopo más fácilmente disponible. Una vez que el238
U sufre una reacción de absorción de neutrones , se convierte en239
Pu , que puede eliminarse del reactor durante la recarga de combustible y posteriormente reprocesarse y usarse como combustible. [28]
Los reactores de agua ligera convencionales suelen utilizar agua como refrigerante y moderador de neutrones. [29] Los SMR pueden utilizar agua, metal líquido , gas y sal fundida como refrigerantes. [30] [31] El tipo de refrigerante se determina en función del tipo de reactor, el diseño del reactor y la aplicación elegida. Los reactores de gran potencia utilizan principalmente agua ligera como refrigerante, lo que permite que este método de refrigeración se aplique fácilmente a los SMR. El helio se elige a menudo como refrigerante de gas para los SMR porque produce una alta eficiencia térmica de la planta y suministra una cantidad suficiente de calor al reactor. El sodio , el plomo y el eutéctico de plomo-bismuto (LBE) son refrigerantes de metal líquido estudiados para los SMR de cuarta generación. Hubo un gran enfoque en el sodio durante el trabajo inicial en reactores de gran potencia que desde entonces se ha trasladado a los SMR para ser una opción destacada como refrigerante de metal líquido. [32] Los SMR tienen menores requerimientos de agua de refrigeración, lo que amplía el número de sitios donde se podría construir un SMR, incluidas áreas remotas que generalmente incorporan minería y desalinización . [33]
Algunos diseños de reactores refrigerados por gas podrían impulsar una turbina de gas , en lugar de hervir agua, de modo que la energía térmica se pueda utilizar directamente. El calor también se podría utilizar en la producción de hidrógeno y otras operaciones industriales, [30] como la desalinización y la producción de derivados del petróleo (extracción de petróleo de arenas petrolíferas , fabricación de petróleo sintético a partir de carbón , etc.). [34]
En general, se espera que los diseños de SMR proporcionen energía eléctrica de carga base ; algunos diseños propuestos apuntan a ajustar su potencia de salida en función de la demanda de electricidad. [ cita requerida ]
Otro enfoque, especialmente para los SMR diseñados para proporcionar calor a alta temperatura, es adoptar la cogeneración , manteniendo una producción de calor constante y desviando al mismo tiempo el calor que de otro modo no sería necesario a un uso auxiliar. La calefacción urbana , la desalinización y la producción de hidrógeno se han propuesto como opciones de cogeneración. [35]
La desalinización nocturna requiere una capacidad de almacenamiento de agua dulce suficiente para suministrar agua en momentos distintos a los de su producción. [36] La membrana de ósmosis inversa y los evaporadores térmicos son las dos técnicas principales para la desalinización de agua de mar . El proceso de desalinización por membrana utiliza únicamente electricidad para alimentar las bombas de agua y es el más empleado de los dos métodos. En el proceso térmico, la corriente de agua de alimentación se evapora en diferentes etapas con disminuciones continuas de presión entre las etapas. El proceso térmico utiliza directamente la energía térmica y evita la conversión de energía térmica en electricidad. La desalinización térmica se divide a su vez en dos tecnologías principales: la destilación flash multietapa (MSF) y la desalinización de múltiples efectos (MED). [37]
Un informe de la Oficina Federal Alemana para la Seguridad de la Gestión de Residuos Nucleares (BASE) que analiza 136 reactores y conceptos de SMR históricos y actuales afirma: "En general, los SMR podrían lograr ventajas de seguridad en comparación con las centrales eléctricas con una mayor potencia de salida, ya que tienen un inventario radiactivo menor por reactor y apuntan a un mayor nivel de seguridad, especialmente mediante simplificaciones y un mayor uso de sistemas pasivos. Sin embargo, en contraste, varios conceptos de SMR también favorecen la reducción de los requisitos regulatorios, por ejemplo, con respecto al grado requerido de redundancia o diversidad en los sistemas de seguridad. Algunos desarrolladores incluso exigen que se eximan los requisitos actuales, por ejemplo, en el área de gestión interna de accidentes o con zonas de planificación reducidas, o incluso una exención total de la planificación de protección de emergencia externa. Dado que la seguridad de una planta de reactor depende de todos estos factores, en base al estado actual de conocimiento no es posible afirmar que, en principio, se logre un mayor nivel de seguridad con conceptos de SMR". [38] [39] [13]
Los coeficientes de temperatura negativos en los moderadores y los combustibles mantienen las reacciones de fisión bajo control, haciendo que la reacción se ralentice a medida que aumenta la temperatura. [40] Después del apagado de un reactor nuclear, el reactor necesita ser enfriado continuamente para disipar el calor de desintegración. Una pérdida de refrigeración de emergencia, como en el accidente nuclear de Fukushima y el accidente de Three Mile Island, puede provocar una fusión nuclear cuando la temperatura en el reactor se vuelve demasiado alta. Dado que el calor de desintegración inicial es una fracción de la potencia operativa del reactor, la menor potencia operativa de los SMR los hace mucho más seguros, ya que es necesario disipar menos calor. [41]
Algunos diseños de SMR proponen sistemas de refrigeración basados únicamente en termoconvección (circulación natural) para eliminar las bombas de refrigeración que podrían averiarse. La convección puede seguir eliminando el calor de desintegración después de apagar el reactor. Sin embargo, algunos SMR pueden necesitar un sistema de refrigeración activo para respaldar el sistema pasivo, lo que aumenta el costo. [42]
Algunos diseños de SMR presentan un diseño integral en el que el núcleo del reactor primario, el generador de vapor y el presurizador están integrados dentro de la vasija sellada del reactor. Este diseño integrado permite reducir la posibilidad de un accidente, ya que las fugas de contaminación pueden contenerse. En comparación con los reactores más grandes que tienen numerosos componentes fuera de la vasija del reactor, esta característica aumenta la seguridad al disminuir los riesgos de un accidente no contenido. Algunos diseños de SMR también prevén instalar el reactor y las piscinas de almacenamiento de combustible gastado bajo tierra. [43]
La parte final del ciclo de combustible nuclear de los reactores pequeños es una cuestión compleja y desafiante que sigue siendo objeto de controversia. La cantidad y la radiotoxicidad de los residuos radiactivos producidos por los reactores pequeños dependen principalmente de su diseño y del ciclo de combustible relacionado. Como el concepto de reactor pequeño engloba un amplio espectro de tipos de reactores nucleares, no se puede dar fácilmente una respuesta sencilla a la pregunta. Los reactores pequeños pueden incluir pequeños reactores de agua ligera de tercera generación, así como pequeños reactores de neutrones rápidos de cuarta generación.
A menudo, las empresas emergentes que desarrollan prototipos de SMR no convencionales defienden la reducción de residuos como una ventaja de la solución propuesta e incluso a veces afirman que su tecnología podría eliminar la necesidad de un depósito geológico profundo para desechar residuos radiactivos de alto nivel y larga vida. Este es especialmente el caso de las empresas que estudian reactores de neutrones rápidos de cuarta generación (reactores de sales fundidas, reactores refrigerados por metal ( reactor rápido refrigerado por sodio o reactor rápido refrigerado por plomo ).
Los reactores reproductores rápidos "arden"235U (0,7% del uranio natural ), pero también convierte materiales fértiles como238U (99,3% del uranio natural) en fisible 239
Pu que puede utilizarse como combustible nuclear. [28]
El reactor de ondas viajeras propuesto por TerraPower tiene como objetivo "quemar" inmediatamente el combustible que genera sin necesidad de retirarlo del núcleo del reactor ni de volver a procesarlo. [44]
El diseño de algunos reactores SMR se basa en el ciclo del combustible de torio , que es considerado por sus promotores como una forma de reducir la radiotoxicidad de los desechos a largo plazo en comparación con el ciclo del uranio. [45] Sin embargo, el uso del ciclo del torio también presenta grandes desafíos operativos debido a la producción y el uso de232U y fértil de larga vida233U , ambos radioisótopos que emiten fuertes rayos gamma . Por lo tanto, la presencia de estos radionucleidos complica seriamente la protección contra la radiación del combustible nuclear nuevo y el almacenamiento y eliminación a largo plazo del combustible nuclear gastado.
Un estudio de 2022 realizado por Krall, Macfarlane y Ewing es más crítico y reporta que algunos tipos de SMR podrían producir más desechos por unidad de potencia de salida que los reactores convencionales, en algunos casos más de 5× la cantidad de combustible gastado por kilovatio, y hasta 35× para otros desechos producidos por activación neutrónica , como el acero activado y el grafito . [46] [47] [48] [23]
Estos autores han identificado la fuga de neutrones como el primer problema de los SMR, ya que tienen una mayor área superficial con respecto al volumen de su núcleo. Han calculado que las tasas de fuga de neutrones son mucho más altas para los SMR, porque en los núcleos de reactores más pequeños, los neutrones emitidos tienen menos posibilidades de interactuar con los átomos fisionables presentes en el combustible y producir fisión nuclear. En cambio, los neutrones salen del núcleo del reactor sin interactuar con el combustible nuclear y son absorbidos fuera del núcleo por los materiales utilizados para los reflectores de neutrones y el blindaje (escudos térmicos y gamma), convirtiéndolos en residuos radiactivos ( acero activado y grafito ).
Los diseños de reactores que utilizan refrigerantes de metal líquido (sodio fundido, plomo, eutéctico de plomo-bismuto, LBE) también se vuelven radiactivos y contienen impurezas activadas.
Otro problema señalado por Krall et al. (2022) [23] relacionado con la mayor fuga de neutrones en los SMR es que se consume una fracción menor de su combustible nuclear, lo que conduce a un menor quemado y a que queden más materiales fisionables en su combustible gastado , lo que aumenta el volumen de desechos. Para mantener las reacciones nucleares en cadena en el núcleo de un reactor más pequeño, una alternativa es utilizar combustible nuclear más enriquecido en235
U. Esto podría aumentar los riesgos de proliferación nuclear y podría requerir medidas de salvaguardia más estrictas para evitarla (véase también las salvaguardias del OIEA ).
Si en el combustible gastado subsisten mayores concentraciones de materiales fisionables, la masa crítica necesaria para mantener una reacción nuclear en cadena también es menor. Como consecuencia directa, el número de combustibles gastados presentes en un contenedor de residuos también será menor y será necesario un mayor número de contenedores y sobreenvases para evitar accidentes de criticidad y garantizar la seguridad de criticidad nuclear en un repositorio geológico profundo. Esto también contribuye a aumentar el volumen total de residuos y el número de galerías de eliminación en un repositorio geológico.
Dada la potencial importancia técnica y económica de los SMR para suministrar energía eléctrica sin emisiones de carbono necesaria para combatir el cambio climático y la relevancia social y a largo plazo del estudio para gestionar y eliminar adecuadamente los residuos radiactivos sin imponer una carga negativa a las generaciones futuras, la publicación de Krall et al. (2022) en la prestigiosa revista PNAS ha atraído muchas reacciones que van desde críticas sobre la calidad de sus datos e hipótesis [49] hasta debates internacionales sobre los residuos radiactivos producidos por los SMR y su desmantelamiento. [50]
En una entrevista con François Diaz-Maurin, editor asociado del Bulletin of the Atomic Scientists , Lindsay Krall, autora principal del estudio y ex becaria postdoctoral MacArthur en el Centro para la Seguridad y la Cooperación Internacional (CISAC) de Stanford, respondió a preguntas y críticas, entre otras, las planteadas por la empresa del reactor NuScale . [51] Una de las principales preocupaciones que Krall expresó en esta entrevista es que:
El estudio crítico de Krall et al. (2022) tiene el mérito de haber planteado cuestiones relevantes que no pueden ser ignoradas por los diseñadores de reactores o los tomadores de decisiones, y de haber desencadenado debates abiertos y renovados sobre resultados importantes para los SMR y la gestión de residuos radiactivos en general. Entre los diversos tipos de proyectos de SMR iniciados hoy por muchas empresas emergentes, solo aquellos que abordan correctamente estas cuestiones y realmente contribuyen a minimizar los residuos radiactivos que producen tienen la oportunidad de recibir apoyo de las organizaciones públicas y gubernamentales (autoridades de seguridad nuclear y organizaciones de gestión de residuos radiactivos) y su investigación de ser financiada por políticas nacionales a largo plazo.
La gran diversidad de reactores SMR y sus respectivos ciclos de combustible también puede requerir una estrategia de gestión de residuos más diversa para reciclar o desechar de forma segura sus residuos nucleares. [46] [23] Será más difícil gestionar un mayor número de tipos de combustible gastado que un solo tipo, como ocurre actualmente solo con los reactores de agua ligera.
Como destacaron previamente Krall y Macfarlane (2018), [ 52] algunos tipos de combustibles gastados de SMR, o refrigerantes, ( fluoruro de uranio altamente reactivo y corrosivo ( UF4 ) de reactores de sal fundida , o sodio pirofórico de reproductores rápidos enfriados con metal líquido) no se pueden eliminar directamente en un repositorio geológico profundo debido a su reactividad química en el entorno subterráneo ( formaciones de arcilla profundas , rocas cristalinas o sal de roca ). Para evitar exacerbar los problemas de almacenamiento y eliminación de combustible gastado, será obligatorio reprocesarlos y acondicionarlos de manera apropiada y segura antes de la eliminación geológica final.
Un estudio realizado por Keto et al. (2022) en el Centro de Investigación Técnica VTT de Finlandia también abordó la gestión del combustible nuclear gastado (SNF) y los residuos de actividad baja e intermedia (LILW) de un posible despliegue futuro de SMR en Finlandia . También indica que un SMR de agua ligera produciría mayores masas (por GWe-año) de SNF y otros HLW y mayores volúmenes (por GWe-año) de LLW en comparación con una central nuclear de gran tamaño. [53]
Un informe de la Oficina Federal Alemana para la Seguridad de la Gestión de Residuos Nucleares (BASE) concluyó que todavía se requieren amplios almacenamientos provisionales y transportes de combustible para los SMR. En cualquier caso, sigue siendo inevitable un depósito geológico profundo debido a la presencia de productos de fisión de larga duración y alta movilidad que, debido a su sección transversal de neutrones demasiado baja, no se pueden transmutar de manera eficiente , como es el caso de los radionucleidos que dominan la dosis, como los 129I ,99Tc y79Se ( aniones solubles que no se absorben en los minerales cargados negativamente y no se retardan en medios geológicos). [13]
La proliferación nuclear , o el uso de materiales nucleares para crear armas, es una preocupación para los reactores modulares pequeños. Como los SMR tienen una capacidad de generación menor y son físicamente más pequeños, se prevé que se los despliegue en muchos más lugares que las plantas convencionales. [54] Se espera que los SMR reduzcan sustancialmente los niveles de personal. La combinación crea preocupaciones de protección física y seguridad. [55] [29]
Los SMR pueden diseñarse para utilizar combustibles no convencionales, lo que permite un mayor grado de quemado y ciclos de combustible más largos. [5] Los intervalos de reabastecimiento más largos podrían contribuir a reducir los riesgos de proliferación. Una vez que el combustible ha sido irradiado , la mezcla de productos de fisión y materiales fisionables es altamente radiactiva y requiere un manejo especial, lo que evita el robo accidental.
A diferencia de los grandes reactores convencionales, los SMR pueden adaptarse para instalarse en una cámara subterránea sellada, lo que “reduce la vulnerabilidad del reactor a un ataque terrorista o un desastre natural”. [43] Los nuevos diseños de SMR mejoran la resistencia a la proliferación, como los de la empresa de diseño de reactores Gen4. Estos modelos de SMR ofrecen una solución capaz de funcionar bajo tierra sellada durante la vida útil del reactor después de la instalación. [43] [56]
Algunos diseños de SMR están diseñados para recargarse una sola vez. Esto mejora la resistencia a la proliferación al eliminar la manipulación del combustible nuclear in situ y significa que el combustible puede sellarse dentro del reactor. Sin embargo, este diseño requiere grandes cantidades de combustible, lo que podría convertirlo en un objetivo más atractivo. Un SMR de agua ligera de 200 MWe con una vida útil del núcleo de 30 años podría contener alrededor de 2,5 toneladas de plutonio al final de su vida útil. [29]
Además, muchos SMR ofrecen la capacidad de funcionar durante períodos superiores a 10 años sin requerir ningún tipo de reabastecimiento de combustible, mejorando así la resistencia a la proliferación en comparación con los grandes reactores convencionales que implican un reabastecimiento de combustible cada 18 a 24 meses. [43]
Los reactores de agua ligera diseñados para funcionar con torio ofrecen una mayor resistencia a la proliferación en comparación con el ciclo de uranio convencional, aunque los reactores de sal fundida tienen un riesgo sustancial. [57] [58]
Los SMR se transportan desde las fábricas sin combustible, ya que se abastecen de combustible en el emplazamiento final, excepto algunos microrreactores . [59] Esto implica un transporte independiente del combustible hasta el emplazamiento y, por tanto, aumenta el riesgo de proliferación nuclear.
La concesión de licencias es un proceso esencial necesario para garantizar la seguridad, la protección y las salvaguardias de una nueva instalación nuclear. [60] Sólo el SMR VOYGR de NuScale Power tiene licencia completa para su uso en los Estados Unidos. [61] Sin embargo, no todos los países siguen las normas de concesión de licencias de la NRC o del OIEA. En los Estados Unidos y los países adherentes al OIEA, la concesión de licencias se basa en un análisis y una revisión rigurosos e independientes de todas las estructuras, sistemas y componentes críticos para la seguridad nuclear en condiciones normales y accidentales durante toda la vida útil de la instalación, incluida la gestión a largo plazo de los residuos radiactivos. [62] La concesión de licencias se basa en el examen y el escrutinio de los estudios de evaluación de riesgos y los archivos de seguridad elaborados por el fabricante y el explotador del SMR en el marco del caso de seguridad que tienen que presentar a la autoridad de seguridad (organismo regulador) al solicitar una licencia para construir y explotar de forma segura la instalación. [63] Para el licenciamiento de la NRC y el OIEA, los casos de seguridad y viabilidad de las instalaciones nucleares deben tener en cuenta todos los procesos y elementos importantes para la seguridad operacional, su seguridad (protección de acceso), la salvaguardia nuclear (riesgo de proliferación), el acondicionamiento adecuado de los desechos radiactivos bajo una forma fisicoquímica estable, y la seguridad a largo plazo relacionada con la disposición final de los diferentes tipos de desechos radiactivos producidos, incluyendo todos los desechos producidos durante las operaciones de desmantelamiento después del desmantelamiento de la instalación. [62] [64] [65] Un punto de atención particularmente importante para la parte final del ciclo del combustible nuclear es evitar la producción de desechos mal acondicionados, o tipos de desechos sin un destino final sostenible o susceptibles de generar costos inesperados de reprocesamiento y disposición.
El proceso de concesión de licencias más común, aplicado por los reactores comerciales existentes, es para la operación de reactores de agua ligera ( PWR y BWR ). Los primeros diseños de reactores a gran escala se remontan a los años 1960 y 1970 durante la construcción de la flota de reactores nucleares actualmente en servicio. Algunas adaptaciones del proceso de concesión de licencias original de la Comisión Reguladora Nuclear (NRC) de los EE. UU. se han reorientado para que se correspondan mejor con las características y necesidades específicas del despliegue de unidades SMR. [66] En particular, el proceso de concesión de licencias de la Comisión Reguladora Nuclear de los EE. UU. se ha centrado principalmente en los reactores convencionales. Se han desarrollado especificaciones de diseño y seguridad, factores humanos y organizativos (incluidos los requisitos de personal) para reactores con una salida eléctrica de más de 700 MWe. [67] [68]
Para garantizar unas directrices adecuadas en materia de seguridad nuclear y, al mismo tiempo, facilitar el proceso de concesión de licencias, el OIEA ha fomentado la creación de un sistema central de concesión de licencias para los SMR. [69] Un taller celebrado en octubre de 2009 y otro en junio de 2010 examinaron el tema, seguido de una audiencia en el Congreso de los Estados Unidos en mayo de 2010.
La NRC y el Departamento de Energía de los Estados Unidos están trabajando para definir la concesión de licencias para los SMR. El reto de facilitar el desarrollo de los SMR es evitar un debilitamiento de las normas de seguridad: el riesgo de que se adopten normas más aligeradas con mayor rapidez es reducir las características de seguridad de los SMR. [70] [71] [72] Aunque la implantación de sistemas idénticos construidos en plantas de fabricación con un control de calidad mejorado puede considerarse una ventaja, los SMR siguen siendo reactores nucleares con una densidad energética muy alta y su menor tamaño no es per se una garantía intrínseca de una mayor seguridad. Cualquier accidente grave con liberación de contaminación radiactiva externa podría tener consecuencias potencialmente graves no tan diferentes de las de un gran reactor LWR. Probablemente también significaría el rechazo final de la energía nuclear por parte del público y el fin de la industria nuclear . La potencial "proliferación" de grandes flotas de SMR y la gran diversidad de su diseño también complican el proceso de concesión de licencias. La seguridad nuclear no puede sacrificarse por intereses industriales o económicos y el riesgo de accidente nuclear aumenta con el número de reactores en servicio, ya sean unidades pequeñas o grandes.
Se esperaba que el Programa de Demostración de Reactores Avanzados de Estados Unidos ayudara a licenciar y construir dos prototipos de SMR durante la década de 2020, con hasta 4 mil millones de dólares de financiación gubernamental. [73]
En julio de 2024, la Ley ADVANCE ordenó a la Comisión Reguladora Nuclear de los Estados Unidos desarrollar un proceso para otorgar licencias y regular los diseños de microrreactores. La Ley tiene por objeto acelerar el despliegue de microrreactores, entre otras tecnologías nucleares. [74]
Los reactores nucleares pequeños, en comparación con las centrales nucleares convencionales, ofrecen ventajas potenciales relacionadas con la flexibilidad de su construcción modular. [43] Sería posible conectar unidades adicionales a la red de forma incremental en caso de que aumente la carga eléctrica. Además, esta flexibilidad en un diseño de SMR estandarizado que gire en torno a la modularidad podría permitir una producción más rápida a un costo decreciente después de la finalización del primer reactor en el sitio. [43] [56]
La flexibilidad y modularidad que se plantean en la hipótesis de los reactores SMR tienen por objeto permitir la instalación de una capacidad de generación de energía adicional en las centrales eléctricas existentes. Un emplazamiento podría albergar varios reactores SMR, uno de los cuales se desconectaría para recargar combustible mientras los demás reactores se mantendrían en funcionamiento, como ya ocurre actualmente con los reactores convencionales de mayor tamaño. [43]
Cuando no se necesita energía eléctrica, algunos diseños de SMR prevén el uso directo de energía térmica, minimizando así la pérdida de energía. Esto incluye " desalinización , procesos industriales, producción de hidrógeno , recuperación de petróleo de esquisto y calefacción urbana ", usos para los que los actuales reactores convencionales de mayor tamaño no están diseñados. [43] [75]
Un factor clave del interés por los SMR son las supuestas economías de escala en la producción, debido a la fabricación en serie en una fábrica externa. Algunos estudios, en cambio, concluyen que el coste de capital de los SMR es equivalente al de los reactores más grandes. [77] Se necesita un capital sustancial para construir la fábrica; para reducir ese coste se requiere un volumen significativo, estimado en 40 a 70 unidades. [78] [79]
Otra posible ventaja es que una futura central eléctrica que utilice SMR puede empezar con un solo módulo y expandirse añadiendo módulos a medida que aumenta la demanda. Esto reduce los costos de puesta en marcha asociados con los diseños convencionales. [80] Algunos SMR también tienen un diseño de seguimiento de carga , de modo que podrían producir menos electricidad cuando la demanda es baja.
Según un estudio de 2014 sobre la producción de electricidad en microrredes descentralizadas, el costo total de usar SMR para la generación de electricidad sería significativamente menor en comparación con el costo total de las plantas de generación de electricidad a partir de energía eólica marina , energía solar térmica , biomasa y energía solar fotovoltaica . [81]
En 2016 se afirmó que los costos de construcción por reactor SMR eran menores que los de una planta nuclear convencional, mientras que los costos de explotación podrían ser más altos para los SMR debido a la baja escala económica y al mayor número de reactores. Los costos operativos del personal de SMR por unidad de producción pueden ser hasta un 190% más altos que el costo operativo fijo de un menor número de reactores grandes. [82] La construcción modular es un proceso muy complejo y existe "información extremadamente limitada sobre el transporte de módulos SMR", según un informe de 2019. [14]
Un cálculo de los costos de producción realizado por la Oficina Federal Alemana para la Seguridad de la Gestión de Residuos Nucleares (BASE), que tiene en cuenta las economías de escala y los efectos del aprendizaje de la industria nuclear, sugiere que se tendría que producir un promedio de 3.000 SMR para que la producción de SMR fuera rentable. Esto se debe a que los costos de construcción de los SMR son relativamente más altos que los de las grandes centrales nucleares debido a la baja producción eléctrica. [83]
En 2017, un estudio del Proyecto de Reforma de Innovación Energética (EIRP) de ocho empresas analizó diseños de reactores con capacidad entre 47,5 MWe y 1.648 MWe. [84] El estudio informó un costo de capital promedio de $3.782/kW, un costo operativo total promedio de $21/MWh y un costo nivelado de electricidad (LCOE) de $60/MWh.
En 2020, el fundador del Energy Impact Center , Bret Kugelmass, afirmó que se podrían construir miles de SMR en paralelo, "reduciendo así los costos asociados con los largos tiempos de endeudamiento para cronogramas de construcción prolongados y reduciendo las primas de riesgo actualmente vinculadas a los grandes proyectos". [85] El vicepresidente ejecutivo de GE Hitachi Nuclear Energy, Jon Ball, estuvo de acuerdo y dijo que los elementos modulares de los SMR también ayudarían a reducir los costos asociados con los tiempos de construcción prolongados. [85]
En octubre de 2023, un artículo académico publicado en Energy recopiló los datos económicos básicos de 19 diseños de reactores SMR más desarrollados y modeló sus costos de manera consistente. Una simulación de Monte Carlo mostró que ninguno era rentable o económicamente competitivo. Para los reactores SMR PWR más cercanos al mercado, los LCOE medios oscilaron entre 218 y 614 dólares/MWh (en dólares estadounidenses de 2020), con estimaciones del primer cuartil más bajo de 188 a 385 dólares/MWh. Los tres diseños de reactores refrigerados por gas de alta temperatura , que necesitaron más tiempo de desarrollo, tuvieron LCOE medios más bajos, de 116 a 137 dólares/MWh. [86]
El primer proyecto de implementación de SMR en los EE. UU. fue el Carbon Free Power Project , que planeaba implementar seis reactores NuScale de 77 MWe , reducidos de los doce en los planes anteriores. El precio objetivo estimado de generación de electricidad después de los subsidios fue de $ 89 / MWh en 2023, un aumento de $ 58 / MWh en 2021. El aumento del costo de generación llevó a la decisión de cancelar el proyecto en noviembre de 2023. [76] Antes de su cancelación, el proyecto recibió un premio de participación en los costos de construcción de $ 1.355 mil millones del gobierno de EE. UU. en 2020 [87] más un subsidio de generación estimado de $ 30 / MWh de la Ley de Reducción de la Inflación de 2020. [ 88] Las estimaciones de costos no subsidiados en el momento de la cancelación fueron un costo de capital de $ 20,139 / kW y un costo de generación de $ 119 / MWe. [89] Esto generó preocupaciones sobre las perspectivas comerciales en los EE. UU. de los otros diseños de SMR. [90]
En 2024, el organismo australiano de investigación científica CSIRO estimó que la electricidad producida en Australia por un SMR construido a partir de 2023 costaría aproximadamente 2,5 veces más que la producida por una gran planta nuclear tradicional, cifra que se reduciría a aproximadamente 1,6 veces en 2030. [91] [92]
Se han propuesto numerosos diseños de reactores. Los diseños de SMR más destacados son:
La potencia indicada se refiere a la capacidad de un reactor, salvo que se especifique lo contrario.
Se espera que los SMR requieran menos terreno; por ejemplo, el reactor SMR de 3 circuitos de Rolls-Royce de 470 MWe debería ocupar 40.000 m2 (430.000 pies cuadrados), el 10% de lo que se necesita para una planta tradicional. [143] Esta unidad es demasiado grande para cumplir con la definición de SMR de la Agencia Internacional de Energía Atómica, que es menor de 300 MWe [144] y requerirá más construcción en el sitio, lo que pone en duda los beneficios declarados de los SMR. La empresa apunta a un tiempo de construcción de 500 días. [145]
Las necesidades de electricidad en lugares remotos suelen ser pequeñas y variables, lo que las hace adecuadas para una planta más pequeña. [146] El tamaño más pequeño también puede reducir la necesidad de acceder a una red grande para distribuir su producción.
En febrero de 2014, el proyecto CAREM SMR comenzó en Argentina con la construcción de ingeniería civil del edificio de contención de un reactor prototipo. La sigla CAREM significa Central Argentina de Elementos Modulares . La Comisión Nacional de Energía Atómica ( CNEA ), la agencia del gobierno argentino a cargo de la investigación y el desarrollo de la energía nuclear y Nucleoeléctrica Argentina , la empresa nacional de energía nuclear, están cooperando para lograr la realización del proyecto. [147]
CAREM-25 es un prototipo de 25 MWe, la primera central nuclear diseñada y desarrollada íntegramente en Argentina. [147] El proyecto fue suspendido varias veces antes de ser reanudado. En octubre de 2022, la CNEA esperaba que las obras civiles estuvieran terminadas en 2024. Si la construcción continúa según lo previsto, la primera criticidad de CAREM-25 se prevé para fines de 2027. [147]
En 2018, la provincia canadiense de Nuevo Brunswick anunció que invertiría 10 millones de dólares en un proyecto de demostración en la central nuclear de Point Lepreau . [148] Más tarde se anunció que los promotores de SMR, Advanced Reactor Concepts [149] y Moltex [150], abrirían oficinas allí. Está previsto que se construya una unidad en la central nuclear de Point Lepreau , Canadá, en julio de 2018. Tanto Moltex como ARC Nuclear están compitiendo por el contrato. [151] [152]
El 1 de diciembre de 2019, los primeros ministros de Ontario , Nuevo Brunswick y Saskatchewan firmaron un memorando de entendimiento (MoU) [153] "en el que se comprometen a colaborar en el desarrollo y despliegue de reactores nucleares innovadores, versátiles y escalables, conocidos como reactores modulares pequeños (SMR)". [154] A ellos se unió Alberta en agosto de 2020. [155] Con el apoyo continuo de los ciudadanos y los funcionarios gubernamentales, se ha logrado la ejecución de un SMR seleccionado en el Laboratorio Nuclear Canadiense. [32]
En 2021, Ontario Power Generation anunció que planeaba construir un SMR BWRX-300 en su sitio de Darlington , que se completaría en 2028. Todavía se debía solicitar una licencia para la construcción. [156]
El 11 de agosto de 2022, Invest Alberta, la corporación de la corona del Gobierno de Alberta, firmó un memorando de entendimiento con Terrestrial Energy sobre IMSR en el oeste de Canadá a través de un memorando de entendimiento interprovincial al que se había adherido anteriormente. [157]
En julio de 2019, China National Nuclear Corporation anunció que construiría un SMR ACP100 en el lado noroeste de la planta de energía nuclear existente de Changjiang en Changjiang , en la provincia de Hainan , para fines de año. [158] El 7 de junio de 2021, el proyecto de demostración, llamado Linglong One , fue aprobado por la Comisión Nacional de Desarrollo y Reforma de China. [159] En julio, China National Nuclear Corporation (CNNC) comenzó la construcción, [160] y en octubre de 2021, se instaló el fondo del recipiente de contención de la primera de las dos unidades. Es el primer prototipo de SMR terrestre comercial del mundo. [26]
En agosto de 2023 se instaló el módulo central, que incluye un recipiente de presión integrado , un generador de vapor y un receptor de bomba primaria. La capacidad prevista del reactor es de 125 MWe. [161]
A principios de 2023, Électricité de France (EDF) creó una nueva filial para desarrollar y construir un nuevo reactor de agua ligera de pequeño tamaño llamado Nuward. Se trataba de un diseño de 340 MWe con dos reactores de agua ligera independientes de 170 MWe. Los reactores gemelos estaban protegidos en un único edificio de contención que compartía la mayor parte de su equipamiento. [162] En agosto de 2023, EDF presentó un expediente de seguridad para Nuward a la autoridad de seguridad nuclear (ASN), la autoridad de seguridad francesa. [163]
En julio de 2024, EDF anunció que interrumpiría el proceso de diseño existente para Nuward y que trabajaría en un diseño de SMR basado en tecnologías existentes en lugar de innovadoras, luego de conversaciones con posibles clientes de SMR. [112] [113]
La empresa química polaca Synthos declaró sus planes de instalar un reactor Hitachi BWRX-300 (300 MW) en Polonia para 2030. [164] En diciembre de 2020 se completó un estudio de viabilidad y se inició el proceso de concesión de licencias ante la Agencia Nacional de Energía Atómica de Polonia. [165]
En febrero de 2022, NuScale Power y el gran conglomerado minero KGHM Polska Miedź anunciaron la firma de un contrato para construir un primer reactor operativo en Polonia para 2029. [166]
Con motivo de la Conferencia de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático de 2021 , la empresa estatal rumana de energía nuclear Nuclearelectrica y NuScale Power firmaron un acuerdo para construir una central eléctrica con seis reactores nucleares de pequeña escala en la central eléctrica de Doicești , en el sitio de una antigua central eléctrica de carbón , ubicada cerca del pueblo de Doicești , condado de Dâmbovița , a 90 km al norte de Bucarest . Se estima que el proyecto se completará entre 2026 y 2027, lo que convertirá a la central eléctrica en la primera de su tipo en Europa. Se espera que la central eléctrica genere 462 MWe, asegurando el consumo de unos 46.000 hogares y ayudaría a evitar la liberación de 4 millones de toneladas de CO 2 al año. [167] [168] [169]
Rusia ha comenzado a desplegar en su costa ártica pequeños reactores nucleares embarcados a bordo de rompehielos . En mayo de 2020, el primer prototipo de una central nuclear flotante con dos reactores de 30 MW e –el tipo KLT-40– comenzó a funcionar en Pevek , Rusia. [9] Este concepto se basa en el diseño de rompehielos nucleares. [25]
En 2016, se informó de que el Gobierno del Reino Unido estaba evaluando los sitios de SMR en Gales , incluida la antigua central nuclear de Trawsfynydd , y en el sitio de antiguas centrales nucleares o de carbón en el norte de Inglaterra . Se afirmó que los sitios nucleares existentes, incluidos Bradwell , Hartlepool , Heysham , Oldbury , Sizewell , Sellafield y Wylfa , eran posibilidades. [170] El coste objetivo de una unidad SMR de Rolls-Royce de 470 MWe es de 1.800 millones de libras esterlinas para la quinta unidad construida. [171] [172] En 2020, se informó de que Rolls-Royce tenía planes de construir hasta 16 SMR en el Reino Unido. En 2019, la empresa recibió 18 millones de libras esterlinas para empezar a diseñar el sistema modular. [173] El gobierno británico otorgó a Rolls-Royce 210 millones de libras adicionales en 2021, complementados con una contribución de 195 millones de libras de empresas privadas. [174] En noviembre de 2022, Rolls-Royce anunció que los sitios de Trawsfynydd , Wylfa, Sellafield y Oldbury serían prioritarios para su evaluación como posibles ubicaciones para múltiples SMR. [175]
El gobierno británico lanzó Great British Nuclear en julio de 2023 para administrar un concurso para crear SMR y cofinanciará cualquier proyecto viable. [176]
El Departamento de Energía de Estados Unidos había estimado que el primer reactor modular pequeño en Estados Unidos sería completado por NuScale Power alrededor de 2030, [177] pero este acuerdo ha fracasado desde entonces después de que los clientes se echaran atrás debido al aumento de los costos. [178] [7] Estados Unidos tiene planes para varios reactores modulares. Dominion Energy Virginia está aceptando propuestas. [179] Estados Unidos tiene casi 4 gigavatios en proyectos de reactores modulares pequeños anunciados, además de casi 3 GW en etapas tempranas de desarrollo o predesarrollo, según Utility Dive. [180]
Los SMR difieren en términos de personal, seguridad y tiempo de despliegue. [181] Se afirma que los estudios del gobierno de los EE. UU. para evaluar los riesgos asociados a los SMR han ralentizado el proceso de concesión de licencias. [115] [182] [183] Una de las principales preocupaciones con los SMR y su gran número, necesario para alcanzar una rentabilidad económica, es prevenir la proliferación nuclear . [55] [184]
Standard Power, un proveedor de infraestructura como servicio para empresas de procesamiento avanzado de datos, ha decidido trabajar con NuScale Power y ENTRA1 Energy para desarrollar instalaciones alimentadas por SMR en Pensilvania y Ohio que juntas producirán casi dos gigavatios de energía limpia y confiable. [185]
NuScale Power está trabajando con Dairyland Power de Wisconsin para evaluar las plantas de energía SMR VOYGR para su posible implementación. El líder estadounidense en tecnología SMR cree que sus capacidades de seguimiento de carga se pueden utilizar para respaldar la cartera de energías renovables existente de Dairyland, así como para facilitar el crecimiento. Además, las plantas VOYGR son adecuadas para reemplazar las plantas de carbón que se están retirando de Dairyland, preservando puestos de trabajo críticos y ayudando a las comunidades a realizar la transición a un sistema de energía descarbonizado. [186]
NuScale Power está trabajando con Associated Electric Cooperative Inc. (Associated) en Missouri para evaluar la implementación de plantas de energía SMR VOYGR como parte de la debida diligencia de Associated para explorar fuentes de energía confiables y responsables. [187]
Los Sistemas de Energía Municipal Asociados de Utah (UAMPS) se habían asociado con Energy Northwest para explorar la ubicación de un reactor de NuScale Power en Idaho , posiblemente en el Laboratorio Nacional de Idaho del Departamento de Energía . [188] [76] Conocido como el Proyecto de Energía Libre de Carbono , el proyecto fue cancelado en noviembre de 2023 por razones de costo. [76] NuScale dijo en enero de 2023 que el precio objetivo de la energía de la planta era de $ 89 por megavatio hora, un 53% más que la estimación anterior de $ 58 por MWh, lo que generó preocupaciones sobre la disposición de los clientes a pagar. [189] Aún así, las estimaciones de costos aumentadas siguen estando muy por debajo de la energía nuclear tradicional utilizada para instalaciones comerciales y la mayoría de las otras formas de producción de energía menos confiables y más peligrosas para el medio ambiente. [190]
La planta de energía nuclear de Galena , en Galena, Alaska , era una instalación propuesta para un reactor nuclear de pequeño tamaño. Era un posible despliegue del reactor Toshiba 4S . [191] El proyecto quedó "efectivamente estancado". Toshiba nunca inició el costoso proceso de aprobación que exige la Comisión Reguladora Nuclear de los Estados Unidos.
Aunque el SMR que se está considerando todavía no ha obtenido la licencia de la NRC, la Autoridad del Valle de Tennessee recibió un Permiso Anticipado de Emplazamiento (ESP, por sus siglas en inglés) de la Comisión Reguladora Nuclear para ubicar un SMR en su emplazamiento nuclear de Clinch River en Tennessee en diciembre de 2019. [192] Este ESP es válido por 20 años y aborda la seguridad del emplazamiento, la protección ambiental y la preparación para emergencias. Este ESP es aplicable a cualquier diseño de SMR de reactor de agua ligera en desarrollo en los Estados Unidos. [193]
Alexey Likhachov, director general de la corporación nuclear estatal Rosatom, dijo que Akademik Lomonosov se había convertido así en la primera planta de energía nuclear del mundo basada en tecnología SMR para generar electricidad.
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