Un microrreactor nuclear es un tipo de reactor nuclear plug-and-play que se puede ensamblar y transportar fácilmente por carretera, ferrocarril o aire. [1] Los microrreactores son de 100 a 1.000 veces más pequeños que los reactores nucleares convencionales, y su capacidad varía de 1 a 20 megavatios, en comparación con los 20 a 300 megavatios de los reactores modulares pequeños (SMR). [2] Debido a su tamaño, se pueden implementar en lugares como bases militares aisladas o comunidades afectadas por desastres naturales . Puede operar como parte de la red, independientemente de la red, o como parte de una red pequeña para la generación de electricidad y el tratamiento térmico. [3] Están diseñados para proporcionar energía resistente, independiente y sin emisiones de carbono en entornos desafiantes. [4] La fuente de combustible nuclear para la mayoría de los diseños es " Uranio poco enriquecido de alto ensayo ", o HALEU. [5]
Los microrreactores nucleares se originaron en el proyecto de submarino nuclear de la Marina de los Estados Unidos , que fue propuesto por primera vez por Ross Gunn del Laboratorio de Investigación Naval de los Estados Unidos en 1939. [6] El concepto fue adaptado por el almirante Hyman Rickover para iniciar el programa de submarinos nucleares estadounidenses en la década de 1950. El primer submarino nuclear estadounidense que se construyó fue el USS Nautilus , que se lanzó en 1955. Se instaló con el reactor S2W de Westinghouse , un reactor de tipo agua presurizada que generaba una salida de 10 megavatios. [7]
Estos reactores están diseñados para adaptarse a áreas pequeñas en las que sería ineficiente instalar una planta de energía más grande, pero aún así tienen necesidades energéticas que no son adecuadas para los generadores. Los microrreactores nucleares, una subcategoría de los reactores modulares pequeños (SMR), son un tipo de planta de energía nuclear en desarrollo que está diseñada para generar electricidad a una escala menor que los reactores nucleares tradicionales. Estos microrreactores suelen tener una capacidad de 20 megavatios o menos y están diseñados para ser modulares y transportables, lo que los hace adecuados para abastecer a comunidades pequeñas, áreas remotas e industrias como la de desalinización y la producción de combustible de hidrógeno . [8]
Una de las principales ventajas de los microrreactores nucleares es que tienen un menor impacto ambiental que los combustibles fósiles. No emiten gases de efecto invernadero como el CO2 y el metano. Sin embargo, los residuos que producen son radiactivos , lo que plantea un problema de manipulación y eliminación seguras. Uno de los métodos actuales de eliminación es enterrar los residuos en instalaciones de almacenamiento subterráneas profundas como Onkalo , ubicada en Finlandia . [9] Además, pueden funcionar de forma continua durante hasta 10 años sin necesidad de reabastecimiento de combustible. [10]
Los microrreactores utilizan la fisión nuclear para generar calor, que luego se utiliza para producir electricidad a través de una turbina de vapor. El núcleo del reactor está rodeado por un grueso escudo para proteger a los trabajadores y al medio ambiente de la radiación . El núcleo también contiene barras de combustible que contienen uranio u otros materiales fisionables. A medida que el combustible sufre fisión, libera energía en forma de calor, que luego se transfiere a un refrigerante que circula por el reactor. El refrigerante suele ser agua o un metal líquido, como sodio o plomo , que absorbe el calor y lo transfiere a un intercambiador de calor. A continuación, el intercambiador de calor transfiere el calor a un refrigerante secundario, que se utiliza para generar vapor y producir electricidad. [11]
Los microrreactores y los SMR reflejan una amplia gama de tecnologías, incluidos los reactores de agua ligera (LWR), los reactores de gas de alta temperatura (HTGR) y los diseños de reactores avanzados, como los reactores rápidos de metal líquido (FR), los reactores de sales fundidas (MSR) y los reactores de tubos de calor (HP). Los diseños pueden variar en función del combustible, los materiales, los refrigerantes, los inversores, las técnicas de fabricación (como la fabricación aditiva) y los intercambiadores de calor. [12]
El diseño del reactor de tubo de calor es el microrreactor más simple, que mejora la transferencia de potencia y evita el uso de bombas para hacer circular el refrigerante. Los microrreactores basados en la tecnología HTGR utilizan un combustible isotrópico de tres estructuras (TRISO), el mismo que se utiliza en los diseños de HTGR más grandes. Para las tecnologías FR que brindan compacidad y eficiencia energética, están disponibles combustibles de óxido probados, metales más experimentales o combustibles de nitruro. Se espera que el combustible experimental sea más eficiente para los microrreactores, ya que el tiempo de residencia del combustible en el núcleo del reactor es mucho más largo que en los reactores convencionales, lo que conduce a una mayor exposición a la radiación. [12]
Una de las características clave de los microrreactores nucleares es su pequeño tamaño y modularidad. Los SMR se pueden construir en fábricas y enviar a su destino final, lo que reduce los costos y el tiempo de construcción. Se pueden instalar bajo tierra, bajo el agua o en otras ubicaciones remotas, lo que los hace ideales para abastecer a pequeñas comunidades, sitios industriales, instalaciones militares y otras ubicaciones especializadas. Además, el diseño modular permite una fácil escalabilidad , lo que permite agregar microrreactores adicionales para aumentar la producción de energía según sea necesario. [3]
El impacto ambiental de la reducción de los gases de efecto invernadero y la capacidad de producir energías bajas de menos de 100 MWth han provocado un interés mundial en los microrreactores nucleares, lo que podría beneficiar potencialmente a las empresas con menores necesidades de control. Los beneficios adicionales podrían incluir una mayor adaptabilidad en lo que respecta a la ubicación, un mayor rendimiento de la seguridad, tiempos de desarrollo reducidos y menores requisitos iniciales de inversión. [13]
A pesar de estas ventajas, los microrreactores nucleares aún enfrentan desafíos. Uno de los principales es la aprobación regulatoria. Los SMR deben pasar por pruebas y certificaciones exhaustivas antes de que puedan implementarse, y muchos países tienen regulaciones estrictas para regular el uso de SMR, como las dictadas por la Comisión Reguladora Nuclear (NRC) de los Estados Unidos. [14] El problema más profundo para los microrreactores es el costo por kWh, ya que los microrreactores pierden las ventajas de potencia de escala para la eficiencia económica. Los costos de diseño, operación y mantenimiento pueden hacer que estos reactores nucleares de baja potencia sean prohibitivamente caros. [13] El análisis económico muestra que, a pesar de los menores costos de capital, los microrreactores no pueden competir en costo con las grandes plantas de energía nuclear debido a las economías de escala. Aun así, pueden competir con tecnologías de tamaño y aplicación similares, como los generadores diésel en redes pequeñas y las energías renovables. [3]
Además, la percepción pública de la energía nuclear es a menudo negativa, con preocupaciones sobre la seguridad y la eliminación de los residuos nucleares. La disponibilidad de combustible de uranio poco enriquecido de alto ensayo ( HALEU ) en el mercado comercial es baja, lo que plantea un problema para la viabilidad de operar microrreactores incluso si se obtiene la aprobación regulatoria. Otros problemas incluyen los mayores riesgos de seguridad y proliferación en comparación con las grandes centrales nucleares y los requisitos de licencia para reactores pequeños que aún no se han establecido. [3] Además, el tamaño más pequeño de un microrreactor nuclear y su uso de combustibles HALEU también lo coloca en mayor riesgo de robo. El uranio en un microrreactor nuclear es más fácil de convertir a grado armamentístico, lo que lo convierte en un activo ideal para el terrorismo nuclear y la proliferación. [15]
Los microrreactores para uso civil se encuentran actualmente en las primeras etapas de desarrollo, con diseños individuales que varían en varias etapas de madurez. Estados Unidos ha apoyado el desarrollo de cualquier forma de reactores pequeños o medianos (SMR) desde 2012. El presente trabajo se centra en la viabilidad de combinar refrigerantes comúnmente considerados para aplicaciones de reactores rápidos, como sodio, sal fundida y refrigerantes a base de plomo, con intermedios y especial atención a la sal fundida, desde una perspectiva de diseño básico. El trabajo futuro se centra en optimizar el diseño básico y realizar cálculos 3D acoplados, como termohidráulicos, rendimiento del combustible y neutrónica para determinar el comportamiento y el funcionamiento detallados. [13]
A partir de 2010, también ha habido un creciente interés en las centrales nucleares flotantes móviles, consideradas microrreactores nucleares. Dos ejemplos recientes notables son: la planta rusa Akademik Lomonosov, que utiliza dos reactores de 35 MWe, y la planta china ACPR50S, que utiliza un reactor de 60 MWe, clasificado como reactor de agua presurizada marina. Además de la planta Akademik Lomonosov, en Rusia se están estudiando varios diseños nuevos de fuentes de energía autónomas. [13]
En 2018, la NASA demostró con éxito un microrreactor a escala de kilovatios basado en su tecnología Kilopower . [16] [17] Se está desarrollando para apoyar la exploración humana de las misiones a la Luna y Marte. [18] Utiliza un enfoque tecnológico único para enfriar el núcleo del reactor (que es aproximadamente del tamaño de un rollo de toalla de papel): los tubos de calor herméticos transfieren el calor del reactor a los motores que convierten el calor en electricidad. [19] El enfoque para descubrir el combustible refrigerante utilizado para los núcleos de los reactores se encontró a través de una serie de cálculos de alcance, que utilizan el recipiente del reactor y las dimensiones internas, seguido del cálculo de vibraciones y accidentes hipotéticos que alteran el núcleo. [13]
En abril de 2022, el Departamento de Defensa de Estados Unidos anunció su aprobación del Proyecto Pele , una iniciativa del Departamento de Defensa para reducir las emisiones de carbono mediante la inversión en tecnologías nucleares. El proyecto tiene un presupuesto de 300 millones de dólares para desarrollar un reactor miniaturizado capaz de generar 1,5 megavatios durante un mínimo de tres años. [20] El Departamento de Capacidades Estratégicas de Estados Unidos se asoció con BWXT Technologies en junio de 2022 para lograrlo. BWXT Tech desarrolló un reactor refrigerado por gas de alta temperatura (HTGR) que generará entre 1 y 5 MWe y será transportable en contenedores de envío. Estará propulsado por combustible TRISO , un diseño específico de combustible de uranio poco enriquecido de alto ensayo ( HALEU ) que puede soportar altas temperaturas y tiene riesgos ambientales relativamente bajos. [21]
El Departamento de Energía de los EE. UU. (DOE) también está planeando actualmente desarrollar un reactor de 100 kWt en Idaho llamado reactor "Microreactor Applications Research Validation and Evaluation" (MARVEL). [22]
El Departamento de Defensa de Estados Unidos prevé plazos y desafíos para el despliegue del primer reactor pequeño para fines de 2027. El tiempo nominal desde la solicitud de licencia hasta la comercialización se estima en 7 años. [3]
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