Tecnología nuclear. Producción de energía nuclear

Transcripción

1 Tecnología nuclear Antonio González Fernández Departamento de Física Aplicada III Universidad de Sevilla Producción de energía nuclear

2 Contenidos del tema Panorámica de la producción de energía nuclear Elementos básicos de un reactor nuclear Principios de producción de la energía nuclear El núcleo de un reactor nuclear Reactores nucleares PWR y BWR Otros tipos de reactores Reactores de nueva generación Principales accidentes en reactores nucleares Otros usos de la energía nuclear 2

3 Tecnología nuclear Antonio González Fernández Departamento de Física Aplicada III Universidad de Sevilla Parte 1: Aspectos generales de la energía nuclear

4 Qué es una central nuclear? Una central nuclear es una central térmica Emplea el calor producido en las fisiones de reacciones en cadena Utiliza como combustible uranio enriquecido o natural Las potencias están en el rango 500MWe a 1000MWe Rendimiento ~33% 4

5 Consumo de energía: varía a lo largo del tiempo El consumo presenta fluctuaciones: Diarias Semanales Estacionales Puede verse en REE La producción (esp. renovables) también fluctúa Es difícil almacenar energía Se necesita un mix de fuentes de energía 5

6 Base load y peak load requieren diferentes fuentes de energía Para la carga base Producción continua Carbón Nucleares Costes: Combustible Capital Para el pico de carga Fácil desconexión Combustible Hidroeléctrica Renovables Ciclo combinado Capital 6

7 El mix energético en los Estados Unidos LLNL 7

8 El mix energético en España FST 8

9 Comparación del poder calorífico de diferentes combustibles Fuel Heat value % carbon CO2 Hydrogen 121 MJ/kg 0 0 Petrol/gasoline MJ/kg 32 MJ/l Diesel fuel 45 MJ/kg 39 MJ/l Crude oil MJ/kg g/mj MJ/l Methanol 20 MJ/kg MJ/L Liquefied Petroleum Gas (LPG) 49 MJ/kg 8159 g/mj Natural gas (UK, USA, Australia) MJ/m g/mj Natural gas (Canada) 37 MJ/m3 Natural gas (Russia) 34 MJ/m3 Natural gas as LNG (Australia) 55 MJ/kg Hard black coal (IEA definition) >23.9 MJ/kg Hard black coal (Australia & Canada) c 25.5 MJ/kg 6790 g/mj Sub-bituminous coal (IEA definition) MJ/kg Sub-bituminous coal (Australia & Canada) c 18 MJ/kg Lignite/brown coal (IEA definition) <17.4 MJ/kg Lignite/brown coal (Australia, electricity) c 10 MJ/kg kg/kwh Firewood (dry) 16 MJ/kg 4294 g/mj Natural uranium, in LWR (normal reactor) 500 GJ/kg 0 0 Natural uranium, in LWR with U & Pu recycle 650 GJ/kg 0 0 Natural uranium, in FNR 28,000 GJ/kg 0 0 Uranium enriched to 3.5%, in LWR 3900 GJ/kg 0 0 WNA 9

10 Comparación entre una central de carbón y una central nuclear Consumo anual de una central de 1000MWe Carbón: Uranio: 3 MTm/año 180Tm/año 10

11 Comparación de los costos de diferentes fuentes de energía (Reino Unido) Costes de capital Créditos Propiedad Construcción Operación y mantenimiento Combustible IEA

12 Comparación de los costos de diferentes fuentes de energía (España) IEA

13 Comparación de los costos de diferentes fuentes de energía (2015) Base load Interés de los créditos 13

14 Comparación de los costos de diferentes fuentes de energía (2015) Renovables Interés de los créditos 14

15 Evolución de la producción mundial de electricidad IEA 15

16 Evolución de la producción de energía nuclear 16

17 La energía nuclear en el mundo: Número de reactores en operación IAEA Country No R. Net Capacity [MW] UNITED STATES OF AMERICA FRANCE JAPAN CHINA RUSSIA KOREA, REPUBLIC OF INDIA CANADA UKRAINE UNITED KINGDOM SWEDEN GERMANY BELGIUM SPAIN CZECH REPUBLIC TAIWAN SWITZERLAND FINLAND HUNGARY PAKISTAN SLOVAKIA ARGENTINA BRAZIL BULGARIA MEXICO ROMANIA SOUTH AFRICA ARMENIA IRAN, ISLAMIC REPUBLIC OF NETHERLANDS SLOVENIA Total

18 Qué ha pasado en el último año? Cambios desde 2015: +7 Country Nr R. Net capacity [MW] UNITED STATES OF AMERICA FRANCE JAPAN RUSSIA CHINA KOREA, REPUBLIC OF INDIA CANADA UKRAINE UNITED KINGDOM SWEDEN GERMANY BELGIUM SPAIN CZECH REPUBLIC TAIWAN SWITZERLAND FINLAND HUNGARY SLOVAKIA ARGENTINA PAKISTAN BRAZIL BULGARIA MEXICO ROMANIA SOUTH AFRICA ARMENIA IRAN, ISLAMIC REPUBLIC OF NETHERLANDS SLOVENIA Total Country No R. Net Capacity [MW] UNITED STATES OF AMERICA FRANCE JAPAN CHINA RUSSIA KOREA, REPUBLIC OF INDIA CANADA UKRAINE UNITED KINGDOM SWEDEN GERMANY BELGIUM SPAIN CZECH REPUBLIC TAIWAN SWITZERLAND FINLAND HUNGARY PAKISTAN SLOVAKIA ARGENTINA BRAZIL BULGARIA MEXICO ROMANIA SOUTH AFRICA ARMENIA IRAN, ISLAMIC REPUBLIC OF NETHERLANDS SLOVENIA Total

19 Edad de los reactores en funcionamiento Causas del parón nuclear Crisis del petróleo Movimientos ecologistas Reducción del consumo Moratoria nuclear 19

20 Reactores en construcción Cambios desde 2016: -6 Country No. R Net Capacity [MW] ARGENTINA 1 25 BELARUS BRAZIL CHINA FINLAND FRANCE INDIA JAPAN KOREA, REPUBLIC OF PAKISTAN RUSSIA SLOVAKIA TAIWAN, CHINA UKRAINE UNITED ARAB EMIRATES UNITED STATES OF AMERICA Total

21 Cuota de producción de energía nuclear Country Nº R Capacity [MW] Supplied [GWh] Share ARGENTINA ARMENIA BELGIUM BRAZIL BULGARIA CANADA CHINA CZECH REPUBLIC FINLAND FRANCE GERMANY HUNGARY INDIA IRAN, ISLAMIC REPUBLIC OF JAPAN KOREA, REPUBLIC OF MEXICO NETHERLANDS PAKISTAN ROMANIA RUSSIA SLOVAKIA SLOVENIA SOUTH AFRICA SPAIN SWEDEN SWITZERLAND TAIWAN, CHINA UKRAINE UNITED KINGDOM UNITED STATES OF AMERICA Total % 21

22 Cuota y centrales nucleares en España Name Type Status Location Ref. Unit Power (MW) Gross El. Cap. (MW) Connection JOSE CABRERA-1 PWR Permanent Shutdown ALMONACID DE ZORITA /07/1968 SANTA MARIA DE GARONA BWR Long-term Shutdown SANTA MARIA DE GARONA /03/1971 VANDELLOS-1 GCR Permanent Shutdown VANDELLOS /05/1972 ALMARAZ-1 PWR Operational ALMARAZ /05/1981 ASCO-1 PWR Operational ASCO /08/1983 ALMARAZ-2 PWR Operational ALMARAZ /10/1983 COFRENTES BWR Operational COFRENTES /10/1984 ASCO-2 PWR Operational ASCO /10/1985 VANDELLOS-2 PWR Operational VANDELLOS /12/1987 TRILLO-1 PWR Operational TRILLO /05/1988 Total

23 Instalaciones nucleares en España Juzbado Villar de Cañas 23

24 Industria nuclear en España (2015) Del Libro de la energía 2015 Tipo Prod. (GWh) % del total Combustible Nuclear % 1350 Tm Carbón % ktm Eólica % En trámite la renovación de la licencia de Sta María de Garoña ENUSA ha fabricado 854 elementos combustibles (62% para exportación) Continúan los trámites del ATC ATIs en Garoña y Almaraz (en proyecto) Uranio Almacenado (kg) Central Piscinas ATI José Cabrera Sta. Mª de Garoña Almaraz I Almaraz II Ascó I Ascó II Cofrentes Vandellós II Trillo MINETAD 24

25 Cronología de la industria nuclear española Vandéllós II 1990 Vandellós I Garoña Almaraz I Vandellós I Lemóniz El Cabril Almaraz I y II Almaraz II Ascó I Garoña 1965 José Cabrera Garoña 1975 Ascó I Ascó II Cofrentes Valdecaballeros 1985 Cofrentes Moratoria* Ascó II Fábrica de Juzbado José Cabrera 2015 Vandéllós II Vandellós I José Cabrera Trillo I Trillo I Inicio de la construcción Puesta en red Parada de la central Moratoria: Lemóniz I y II, Valdecaballeros I y II, Trillo II 25

26 Centrales nucleares en Europa 26

27 Externalidades Una externalidad es un coste no considerado en el precio de un bien negativas (p.ej. contaminación) positivas (p.ej. infraestructuras) Coste y beneficio Coste para la sociedad Se internalizan mediante: Equilibrio ideal Despilfarro Coste real Equilibrio real Coste para el individuo Multas Tasas Subvenciones Demanda Cantidad Cuotas de producción 27

28 Costes de operación para el medio ambiente y otras externalidades /MWh e Ecofys 28

29 La mortalidad de las diferentes fuentes de energía Energy Source Coal global average Coal China Coal U.S. Oil Natural Gas Biofuel/Biomass Solar (rooftop) Wind Hydro global average Hydro U.S. Nuclear global average Nuclear U.S. Mortality Rate (deaths/trillionkwhr) (50% global electricity) (75% China s electricity) 10000(44% U.S. electricity) 36000(36% of energy, 8% of electricity) 4000(20% global electricity) 24000(21% global energy) 440(< 1% global electricity) 150(~ 1% global electricity) 1400(15% global electricity) 0.01(7% U.S. electricity) 90(17% global electricity w/chern&fukush) 0.01(19% U.S. electricity) Forbes 29

30 Disponibilidad y capacidad de una central eléctrica Maximum electrical capacity REG Available capacity Total unavailable capacity Generation supplied EG Available but not supplied Under plant management control (internal) XEL Not under plant management control (external) Load following, frequency control and grid adjustments IAEA Reserve shutdown Long term Planned Short term PEL Testing UEL Unplanned Advance of plan Plan overrun (outage extensión) Breakdown, restrictions and others 30

31 Capacity Availability Disponibilidad y capacidad de una central nuclear REG (T) UEL Unplanned energy losses PEL Planned energy losses 100% Tiempo Operation factor OF % = 100 t T Energía Load factor LF % = 100 EG REG XEL External energy losses Available but not supplied Unit capacity factor REG PEL UEL UCF % = 100 REG EG Actual production (t) 0% Energy availability factor REG PEL UEL XEL EAF % = 100 REG LF < EAF < UCF 31

32 La capacidad de las centrales nucleares en España (2016) Reactor Tipo Suministro (GWh) Potencia Nominal (MW) Tiempo anual (h) OF (%) EAF (%) LF (%) Anual Acumulado Anual Acumulado Almaraz I PWR Almaraz II PWR Ascó I PWR Ascó II PWR Cofrentes BWR Trillo I PWR Vandellós II PWR IAEA 32

33 Comparación de varias capacidades Central nuclear de Palo Verde (USA). Capacidad nominal: 3942MW. Producción en 2010: 31.2TWh MWh = 0.904% = 90.4% 365d 24h/d 3942MW Parque eólico Horns Rev 2 (Dinamarca). Capacidad nominal: 209.3MW. Producción media anual: 875GWh MWh = 0.477% = 47.7% 365d (24h/d) 209.3MW Parque solar Agua Caliente (USA). Capacidad nominal: 290MW. Producción media anual: 740GWh MWh = 0.291% = 29.1% 365d (24h/d) 290MW 33

34 Carbón Nuclear Gas Eólica Solar FV Combustible Barato Barato Caro Gratis Gratis Gastos de capital Comparación entre diferentes tipos de centrales Elevados Elevados Moderados Elevados Moderados Eficiencia Media-alta Media Alta Baja Baja Capacidad Alta Muy alta Alta Media-baja Baja CO2 Alto No Medio No No Polución térmica Residuos Riesgos potenciales Media Alta Media Baja Baja Ceniza+gases Residuos nucleares Gases No No Medios Altos Medios Bajos Bajos Alarma social Media Alta Baja Baja Baja 34