El Programa de Sostenibilidad de Reactores de Agua Ligera es un programa de investigación y desarrollo del gobierno de Estados Unidos . Está dirigido por el Departamento de Energía de Estados Unidos y tiene como objetivo realizar investigaciones y recopilar los datos necesarios para calificar para licencias para extender la vida útil de las 104 plantas de energía nuclear generadoras de electricidad actuales de Estados Unidos más allá de los 60 años. Prácticamente todas las plantas de energía nuclear generadoras de electricidad comerciales que hay actualmente en Estados Unidos son plantas de reactores de agua ligera (LWR), lo que significa que utilizan agua común (ligera) como moderador y refrigerante simultáneamente.
La base del proyecto se basa en el hecho de que en un futuro próximo:
Durante su campaña presidencial , Barack Obama afirmó: " La energía nuclear representa más del 70% de nuestra electricidad generada sin emisiones de carbono. Es poco probable que podamos cumplir nuestros ambiciosos objetivos climáticos si eliminamos la energía nuclear como una opción". [1] El Programa LWRS opera sobre la premisa de que la electricidad de las centrales nucleares, como fuente de cero emisiones de carbono , puede y debe desempeñar un papel fundamental como parte de una solución global para ambas necesidades. El Programa LWRS se centra en cuatro áreas principales: envejecimiento y degradación de materiales, tecnologías avanzadas de instrumentación, información y sistemas de control, combustibles nucleares avanzados para reactores de agua ligera y, por último, caracterización del margen de seguridad basada en el riesgo.
Se espera que la demanda interna de energía eléctrica crezca más de un 30% entre 2009 y 2035. Al mismo tiempo, la mayoría de las centrales nucleares que actualmente funcionan comenzarán a llegar al final de su prórroga inicial de 20 años de su licencia de operación original de 40 años, para un total de 60 años de operación. Según un estudio [2] , la demanda aumentará entre un 30 y un 40% para el año 2030. Otros estudios [3] sugieren un aumento aún mayor en el mundo en general: por encima del 80% para 2035.
El Presidente Obama dejó clara la postura nacional de Estados Unidos sobre las emisiones de dióxido de carbono en el sitio web de la Casa Blanca, donde declaró: "Debemos tomar medidas inmediatas para reducir la contaminación de carbono que amenaza nuestro clima y sostiene nuestra dependencia de los combustibles fósiles ". [4] El Presidente ha establecido el objetivo de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero a un 80% por debajo de los niveles de 1990 para el año 2050.
El Laboratorio Nacional de Idaho (INL), cerca de Idaho Falls, Idaho, y el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) son las principales instalaciones de investigación involucradas. Otros laboratorios y universidades de todo el país participan en partes específicas de la investigación (ver a continuación).
Laboratorios nacionales
El programa Materials Aging and Degradation Pathway lleva a cabo investigaciones para desarrollar la base científica para comprender y predecir el comportamiento de degradación ambiental a largo plazo de los materiales en las centrales nucleares. Proporciona datos y métodos para evaluar el rendimiento de los sistemas, las estructuras y los componentes esenciales para el funcionamiento seguro y sostenido de las centrales nucleares, proporcionando información clave tanto para los reguladores como para la industria.
Los reactores nucleares presentan un entorno de servicio muy exigente. Los componentes dentro del confinamiento de un reactor en funcionamiento deben tolerar agua a alta temperatura, estrés, vibración y un campo de neutrones intenso. La degradación de los materiales en este entorno puede provocar una reducción del rendimiento y, en algunos casos, una falla repentina.
Es evidente que los exigentes entornos de un reactor nuclear en funcionamiento pueden afectar a la capacidad de una amplia gama de materiales para realizar su función prevista durante períodos de servicio prolongados. Las actividades de vigilancia y reparación o sustitución rutinarias pueden mitigar el impacto de esta degradación; sin embargo, aún se producen fallos.
Si bien es posible reemplazar todos los componentes, la decisión de simplemente reemplazarlos puede no ser práctica ni la opción más favorable desde el punto de vista económico. Por lo tanto, comprender, controlar y mitigar los procesos de degradación de los materiales y establecer una base técnica sólida para la planificación a largo plazo de los reemplazos necesarios son prioridades clave para las operaciones prolongadas de las centrales nucleares y las consideraciones de aumento de potencia.
El programa de envejecimiento y degradación de materiales ofrece investigaciones en muchas áreas de la ciencia y la tecnología de los materiales, todas ellas en apoyo de múltiples misiones del Departamento de Energía y que aportan información única para la evaluación de la prolongación de la vida útil de las centrales nucleares, a la vez que complementan los esfuerzos de investigación y desarrollo de la industria nuclear y los organismos reguladores. Los objetivos estratégicos del programa son desarrollar la base científica para comprender y predecir el comportamiento de degradación ambiental a largo plazo de los materiales en las centrales nucleares y proporcionar datos y métodos para evaluar el rendimiento de los sistemas, las estructuras y los componentes esenciales para el funcionamiento seguro y sostenido de las centrales nucleares.
El Departamento de Energía (a través de la Ruta de Envejecimiento y Degradación de Materiales) está involucrado en esta actividad de investigación y desarrollo para proporcionar una mejor comprensión mecanicista de los modos de degradación clave y datos experimentales suficientes para proporcionar y validar límites operativos; proporcionar nuevos métodos de monitoreo de la degradación; y desarrollar técnicas de mitigación avanzadas para proporcionar un mejor rendimiento, confiabilidad y economía.
La ruta de tecnologías de sistemas avanzados de instrumentación , información y control realiza investigaciones para desarrollar, demostrar e implementar nuevas tecnologías digitales para arquitecturas de instrumentación y control y proporciona capacidades de monitoreo para garantizar la operación segura, confiable y económica continua de las plantas de energía nuclear en funcionamiento del país.
Las tecnologías fiables de instrumentación, información y sistemas de control son esenciales para garantizar el funcionamiento seguro y eficiente de la flota de LWR de los EE. UU. Estas tecnologías afectan a todos los aspectos de las operaciones de las centrales nucleares y del resto de las centrales. La instrumentación actual y las interfaces hombre-máquina emplean sistemas analógicos en el sector de la energía nuclear. Estos sistemas, aunque en general otros sectores los consideran obsoletos, siguen funcionando de manera fiable, pero no permiten a las empresas de servicios públicos aprovechar al máximo las tecnologías digitales para lograr mejoras de rendimiento. Más allá de los sistemas de control, se necesitan nuevas tecnologías para supervisar y caracterizar los efectos del envejecimiento y la degradación en áreas críticas de sistemas, estructuras y componentes clave. El objetivo de estos esfuerzos es desarrollar, demostrar e implementar nuevas tecnologías digitales para la información de instrumentación y las arquitecturas de control y proporcionar capacidades de supervisión para garantizar el funcionamiento seguro, fiable y económico continuo de las 104 centrales nucleares del país.
El propósito de la Ruta de Tecnologías de Sistemas Avanzados de Instrumentación, Información y Control es permitir la modernización de los sistemas de instrumentación, información y control heredados de una manera que cree un entorno digital perfecto que abarque todos los aspectos de las operaciones y el soporte de la planta, construyendo una arquitectura de información tridimensional que integre los sistemas de la planta, los procesos de la planta y los trabajadores de la planta en una variedad de tecnologías interconectadas.
El programa Risk-Informed Safety Margin Characterization Pathway lleva a cabo investigaciones para desarrollar e implementar enfoques que respalden la gestión de la incertidumbre en la cuantificación de los márgenes de seguridad con el fin de mejorar la toma de decisiones en las centrales nucleares. Este programa (1) desarrollará y demostrará un método de evaluación de riesgos vinculado a la cuantificación de los márgenes de seguridad y (2) creará herramientas avanzadas para la evaluación de la seguridad que permitan una representación más precisa del margen de seguridad de una central nuclear.
La seguridad es un aspecto central del diseño, la concesión de licencias, el funcionamiento y la economía de las centrales nucleares . A medida que las centrales nucleares de bajo consumo de agua (LWR) actuales superen los 60 años, existe la posibilidad de que aumente la frecuencia de fallos de sistemas, estructuras y componentes que den lugar a sucesos importantes para la seguridad, reduzcan las capacidades de mitigación de accidentes existentes o creen nuevos modos de fallo. Los diseñadores de centrales suelen "sobrediseñar" partes de las centrales nucleares y proporcionar robustez en forma de características de seguridad de ingeniería redundantes y diversas para garantizar que, incluso en el caso de escenarios muy superiores a los de diseño básico , la salud y la seguridad públicas estarán protegidas con un alto grado de seguridad.
La capacidad de caracterizar y cuantificar mejor el margen de seguridad es la clave para una mejor toma de decisiones sobre el diseño, el funcionamiento y la prolongación de la vida útil de los reactores de agua dulce. Un enfoque sistemático para la caracterización de los márgenes de seguridad representa un aporte vital para el análisis y la toma de decisiones de los titulares de licencias y las autoridades regulatorias que se verán involucradas. Además, a medida que la investigación y el desarrollo en el marco del Programa de Reactores de Agua Dulce y otros esfuerzos de colaboración produzcan nuevos datos y una mejor comprensión científica de los procesos físicos que rigen el envejecimiento y la degradación de los sistemas, las estructuras y los componentes de las plantas (y que al mismo tiempo respalden los avances tecnológicos en combustible para reactores nucleares y en los sistemas de instrumentación, información y control de las plantas), se conocerán las necesidades y oportunidades para optimizar mejor la seguridad y el rendimiento de las plantas.
El objetivo de la Ruta de caracterización del margen de seguridad basada en el riesgo es desarrollar e implementar enfoques que respalden la gestión de la incertidumbre en la cuantificación de los márgenes de seguridad para mejorar la toma de decisiones en las centrales nucleares. La gestión de la incertidumbre implica la capacidad de (a) comprender y (b) controlar los riesgos relacionados con la seguridad. En consecuencia, la Ruta RISMC está dedicada a mejorar ambos aspectos de la gestión de la seguridad.
El programa Advanced Nuclear Fuels Pathway lleva a cabo investigaciones para mejorar la base de conocimientos científicos para comprender y predecir el rendimiento fundamental del combustible nuclear y de las vainas en las centrales nucleares. Aplique esta información al desarrollo de combustibles de alto rendimiento y alto grado de quemado con mayor seguridad, integridad de las vainas y mejor economía del ciclo del combustible nuclear.
El rendimiento del combustible nuclear es un factor importante en el rendimiento operativo, la seguridad, la economía operativa y los requisitos de eliminación de desechos de las centrales nucleares (en las últimas dos décadas, la industria de la energía nuclear ha mejorado los factores de capacidad de la planta con mejoras incrementales logradas en la confiabilidad y el uso o quemado del combustible). Sin embargo, estas mejoras están alcanzando su máximo impacto alcanzable para lograr mejoras significativas en el margen de seguridad al tiempo que mejoran los márgenes operativos y la economía, se requieren pasos significativos más allá de las mejoras incrementales en la generación actual de combustible nuclear. Se requieren cambios fundamentales en las áreas de composición del combustible nuclear, integridad de las vainas e interacción combustible/vainas para alcanzar los siguientes niveles de rendimiento del combustible. Las mejoras tecnológicas que se están desarrollando en la Ruta de Combustibles Nucleares Avanzados para LWR se centran en el desarrollo de materiales de vainas revolucionarios respaldados por diseños mecánicos de combustible mejorados y composiciones de combustible alternativas. Si se realizan, los cambios tendrían mejoras beneficiosas sustanciales en la economía, el funcionamiento y la seguridad de las centrales nucleares.
El programa de combustibles nucleares para reactores de agua ligera avanzados realiza investigaciones para mejorar la seguridad de los reactores, aumentar la economía del combustible, producir diseños avanzados de vainas y desarrollar modelos computacionales mejorados para predecir el rendimiento del combustible. Los objetivos estratégicos de investigación y desarrollo están dirigidos a mejorar la base de conocimiento científico para comprender y predecir el rendimiento fundamental del combustible nuclear y las vainas en las centrales nucleares, y aplicar la información al desarrollo de combustibles de alto rendimiento y alto grado de quemado con mayor seguridad, vainas, integridad y economía del ciclo del combustible nuclear. Esta investigación está diseñada además para demostrar cada uno de los avances tecnológicos al tiempo que se satisfacen todos los límites de seguridad y reglamentarios mediante pruebas y análisis rigurosos.
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