La revolución de los pequeños reactores nucleares

Fuente: https://elperiodicodelaenergia.com/

Los SMR (small modular reactor) son una de las soluciones que propone la Comisión Europea para lograr los objetivos de la transición energética

En los últimos años se está haciendo cada vez más patente el renacimiento de la energía nuclear en todo el mundo. Tanto empresas, como gobiernos y organismos supranacionales son cada vez más conscientes de que, sin el concurso de la energía nuclear, alcanzar los objetivos energéticos y climáticos de la humanidad sería considerablemente más lento y costoso. Este hecho se evidenció en la reciente COP28 mediante dos acciones sin precedentes: una alianza de más de 20 Estados para triplicar la capacidad nuclear mundial hasta 2050 y la aparición de esta tecnología, insisto, por primera vez, en el documento de conclusiones consensuado.

El giro en la opinión pública sobre la energía nuclear ya es patente en todos los países donde se han realizado encuestas y en consecuencia el respaldo político es cada vez más evidente. El Parlamento Europeo incluyó en 2022 a la energía nuclear en sus finanzas sostenibles tras un exhaustivo informe científico del Joint Research Centre. Irónicamente lo hizo acompañada del gas natural, en este caso sin ningún respaldo científico, solo por la presión de Alemania tras sustituir su producción eléctrica de origen nuclear por la de centrales de gas natural de origen ruso. Posteriormente, debido a la Guerra de Ucrania y la escasez de gas ruso, Alemania tuvo que aplazar el cierre de los últimos 3 reactores nucleares. Pocos meses más tarde, reactivó la central eléctrica de lignito de Jänschwalde, de 3000 MW eléctricos (algo menos de la potencia de los esos 3 reactores), que llevaba cerrada desde 2017. 

La Comisión Europea ha lanzado este mes de febrero de 2024 una alianza industrial para liderar la construcción de pequeños reactores modulares (SMR, por sus siglas en inglés), un nuevo paradigma en la tecnología nuclear. Los SMR no son un desarrollo reciente. De hecho, los primeros reactores nucleares comerciales se desarrollaron a finales de la década de 1950 basándose en la tecnología de reactores de agua ligera y al mismo tiempo se diseñaron pequeños reactores (todavía no modulares) de propulsión naval, tanto en la marina de guerra (submarinos y portaaviones) como en la comercial (cargueros y rompehielos).

¿Qué es un SMR?

Por convención, se considera que un reactor nuclear es pequeño cuando es capaz de suministrar una potencia eléctrica de unos 300 MWe, frente a los habitualmente más de 1000 MWe de los reactores comerciales. Las principales ventajas de los SMR frente a los grandes reactores son sus mejoras en seguridad (necesitan menos componentes activos), fabricación en serie, abaratamiento de costes financieros y de construcción, eficiencia y escalabilidad.

Según el Organismo Internacional de la Energía Atómica, en 2022 había nada menos que 83 diseños de SMR en el mundo en diferentes fases de desarrollo (había 72 en 2018): unos en la fase conceptual, otros en la fase final de diseño, otros en construcción y dos en funcionamiento comercial, el primero en 2020 y el segundo en 2023. Un rápido vistazo a las empresas que están detrás de los proyectos más importantes no induce a pensar que se tratan de grupos de jóvenes que desarrollan reactores en los garajes de sus respectivos padres en Estados Unidos.

De igual forma que sus hermanos mayores, los SMR se clasifican en generaciones. La I Generación de grandes reactores corresponde a los primeros prototipos, con diseños muy diversos, de escasa potencia y de los que apenas quedan en funcionamiento. La II Generación, construida entre las décadas de 1970, 1980 y 1990, está formada por la mayoría de los reactores activos actualmente, entre ellos los 7 españoles. Son los que permitieron la explotación comercial a gran escala de la energía nuclear.

Desde finales de la década de 1990 hasta la actualidad, se está desarrollando los reactores de IV Generación, muy similares a los de II, pero con mejoras en la seguridad, más seguridad pasiva (sin necesidad de alimentación eléctrica) y una construcción más modular, menos artesanal. Finalmente, la IV Generación corresponde a reactores con un diseño revolucionario, ideado hace décadas, pero que el avance de la tecnología actual está permitiendo implementar. Entre sus características fundamentales destacan sus mejoras en seguridad y su capacidad para reciclar residuos radiactivos.

Los países con mayor número de diseños de SMR son Estados Unidos (21), Rusia (17), China (10),  Japón (9), Canadá (5), Reino Unido (4), Corea del Sur (4), Sudáfrica (4). Otros países también tienen sus propios diseños, como Francia, Italia, República Checa, Luxemburgo, Dinamarca, Suecia, Arabia Saudí o Indonesia. Es especialmente reseñable el caso de Argentina. Aunque acumula notables retrasos y sobrecostes, su reactor SMR CARAM ya está en fase de construcción.

SMR terrestres refrigerados por agua

Existen 25 diseños de SMR convencionales de agua ligera (PWR de agua a presión o BWR de agua en ebullición) o de agua pesada (PHWR), que utilizan combustibles habituales y adecuados para reemplazar centrales de combustibles fósiles o para la generación distribuida. Pueden disponer de un solo módulo o de múltiples, haciendo escalables las instalaciones. Son los que tendrán un despliegue comercial más rápido por motivos obvios: ya disponemos de la tecnología y una amplia experiencia en su operación, así que el proceso de licenciamiento por parte de los reguladores nucleares nacionales será más rápido.

El primer SMR licenciado por la NRC, el regulador nuclear estadounidense, es el de NuScale (77 MWe), que ya cotiza en bolsa con la muy bien escogido código de «SMR». La empresa ya dispone de preacuerdos en en EEUU para diversos centros de datos (24 unidades) y varios países europeos, entre ellos Polonia, para sustituir a calderas de centrales de carbón, reciclando el resto de las instalaciones. GE-Hitachi tiene en fase de licenciamiento por la NRC su BWRX-300 de 300 MWe y acuerdos para construir 2 unidades en Estonia, 4 en Canadá y nada menos que 24 unidades en Polonia (sumando 7200 MWe).

Dentro de los más destacados de esta categoría se encuentra el SMR de Rolls-Royce (con unos atípicos 470 MWe), en fase de licenciamiento en el Reino Unido. Y finalmente, Westinghouse también tiene su AP300 de 300 MWe en fase de licenciamiento y ha firmado en enero de 2024 un acuerdo con una empresa privada británica para construir 2 unidades. El desembarco de estas grandes compañías en el mercado de los SMR supone un claro síntoma de que esto va totalmente en serio. No en vano, la propia Westinghouse ha sido comprada recientemente por Cameco, el gigante productor de uranio de Canadá, y un fondo de inversión en renovables de Estados Unidos.

SMR marinos refrigerados por agua

Un total de 8 diseños de SMR instalados en plataformas flotantes, tanto para la propulsión naval como para el suministro de electricidad y calor, están en fases de funcionamiento y desarrollo. Rusia dispone desde 1959 de una importante flota de barcos comerciales nucleares. En la actualidad, consta de 8 rompehielos y un carguero activos, así como 2 rompehielos más en su fase final de construcción y otros más en proyecto. Además, Rusia dispone de la primera central nuclear flotante y el primer SMR que entró operación comercial del mundo. Desde 2020, el Akademik Lomnosov (con 2 reactores KLT-40S con una capacidad total 77 MWe) proporciona electricidad y calor para calefacción y procesos industriales en Pavek, en el ártico. Rosatom tiene previsto construir 4 centrales nucleares flotantes de 100 MWe cada una y 60 años de vida de diseño con su nuevo reactor RITM-200M.

SMR de alta temperatura refrigerados por gas

Nada menos 17 diseños de SMR de alta temperatura refrigerados por gas (HTGR), incluyendo el HTR-PM chino que ya está operando comercialmente desde 2023. Las temperaturas mayores de 750ºC permiten una generación de electricidad más eficiente, además de aplicaciones industriales y cogeneración. Concretamente, el HTR-PM no funciona con combustible sólido instalado en la vasija del reactor, sino con un lecho de bolas llamadas TRISO.

Son unas esferas del tamaño de una bola de billar que contienen microesferas de 1 milímetro que contienen óxido de uranio. En le reactor se está produciendo una carga y descarga continua de bolas TRISO. Las agotadas se desechan, el resto vuelven al núcleo. El reactor está refrigerado por helio a una presión de 70 kg/cm², que entra a 250ºC y sale a 750ºC. El combustible resiste 1800 ºC. Los dos reactores gemelos aportan una potencia total 210 MWe a la red. China planea construir cuatro reactores HTR-PM600S de mayor potencia en una de las mayores refinerías del mundo, cada uno de 650 MWe.

SMR de neutrones rápidos

También se están desarrollando 8 diseños que utilizan neutrones rápidos (sin usar un moderador para causar nuevas fisiones, como es el agua en los PWR y BWR) con refrigerantes que podríamos calificar de exóticos, como el sodio, el plomo o el helio. Son reactores de IV Generación, capaces de reciclar residuos radiactivos. Rusia está construyendo desde 2021 el BREST-OD-300, un reactor de neutrones rápidos de 300 MWe enfriado con plomo, en Seversk. La operación comercial esta programada para finales de 2026. Rusia ya dispone de un reactor de neutrones rápidos de IV Generación refrigerado por sodio, el BN-800 de 800 MWe de potencia, en operación comercial desde 2016.

SMR de sales fundidas

Otro grupo dentro de los SMR está formado por 13 diseños de MSR (Molten Salt Reactor), que también son diseños de reactores de IV Generación. Seguridad mejorada, refrigerante de baja presión y monofásico, sin necesidad de gran contención, alta temperatura, alta eficiencia y combustible flexible, entre el que se incluyen los residuos radiactivos. Moltex, con participación española de Idom (inversión e ingeniería) tiene previsto construir su primer reactor de 300 MWe en Canadá y terminarlo antes de que termine la presente década. Reciclará el combustible usado de otros reactores.

Micro SMR

Y finalmente existen 12 diseños de microrreactores de hasta 10 MWe (ampliables) especializados de electricidad y calor de distrito en regiones remotas, minería, industrias y pesquerías que durante décadas han sido abastecidas por generadores diésel. Uno de los más destacados es el eVinci de  Westinghouse, que está en fase de licenciamiento por la NRC estadounidense. Tendrá una potencia de 5 MW eléctricos (MWe) y 13 MW térmicos (MWt), recargará el combustible cada 8 años y no necesitará agua para refrigerarse ni para mover la turbina.

En su lugar, usa un ingenioso sistema muy similar al de los motores de reacción en los aviones, un ciclo Brayton abierto. Se capta el aire del ambiente, se aumenta la presión con un compresor, el reactor lo calienta (de esta forma el propio reactor se refrigera) y el aire resultante impulsa la turbina. También está en fase de licenciamiento el reactor Aurora de Oklo, que inicialmente tenía 1,5 MWe, pero que podría alcanzar los 30 MWe, operando 20 años seguidos con una sola carga, reciclando residuos y también sin necesidad de refrigerarse con agua.

Conclusión

En definitiva, la energía nuclear tiene un enorme potencial para contribuir a las cero emisiones netas. Para ello, es necesario alargar la vida útil de los reactores actuales hasta los 80 años (siempre que el regulador nuclear garantice su seguridad), continuar construyendo grandes reactores y apostar por los pequeños reactores modulares.

El amplio rango de temperaturas de los SMR permitirá, no solo producir energía eléctrica constante y baja en emisiones allá donde se necesite, sino múltiples usos adicionales, como calefacción de distrito, desalinización del agua del mar, manufactura de papel, producción de metanol, refinado de petróleo, producción por electrólisis y termoquímica de hidrógeno, gasificación del carbón o fabricación de acero en altos hornos.

Canadá dispone de siete emplazamientos donde tiene previsto instalar diferentes tecnologías de SMR, hemos visto que Polonia tiene varios preacuerdos y en Estados Unidos, el Departamento de Energía (DOE) dice que cientos de centrales de carbón se pueden reciclar (80%, unos 250 GW) y reconvertirse en centrales nucleares sustituyendo sus calderas por SMR.

En España, aunque no tenemos un diseño propio de SMR y el Gobierno pretende cerrar los 7 reactores nucleares actuales, que proporcionan el 20% de la energía eléctrica que consumimos, un total de 20 entidades han creado un grupo de trabajo para unirse a la carrera de los SMR. Entre ellas están las mayores eléctricas (Endesa e Iberdrola), empresas de ingeniería (Idom o Tecnatom, actualmente Westinghouse), universidades politécnicas (Madrid, Barcelona, Valencia) y empresas públicas del sector nuclear (ENSA, ENUSA).

Alfredo García es un divulgador sobre energía nuclear, conocido como @OperadorNuclear en las redes sociales, y posee licencia de supervisor en la central nuclear de Ascó.