Perspectivas de la Energía Nuclear de Fisión Hacia una fisión sostenible

Transcripción

1 Simposio Energía y Sostenibilidad Perspectivas de la Energía Nuclear de Fisión Hacia una fisión sostenible Enrique M. González-Romero Div. Fisión Nuclear del CIEMAT Fundación Areces de Junio, 2007

2 La energía se produce por la reacción en cadena de fisiones de U y Pu Su origen físico tiene ventajas e inconvenientes intrínsecos

3 La energía se produce por la reacción en cadena de fisiones de U y Pu Su origen físico tiene ventajas e inconvenientes intrínsecos

4 La energía se produce por la reacción en cadena de fisiones de U y Pu Su origen físico tiene ventajas e inconvenientes intrínsecos

5 La energía se produce por la reacción en cadena de fisiones de U y Pu Su origen físico tiene ventajas e inconvenientes intrínsecos

6 Aspectos tecnológicos específicos en la producción de calor pero comunes en su uso para generar electricidad. Reactor de agua a presión. Gran madurez tecnológica (1969 primera central en operación). Exigencia en los materiales y métodos de fabricación (resistencia a la radiación, barreras de contención de la radiación) Existen distintas soluciones tecnológicas que permiten optimizar la utilización del combustible, la eficiencia o la generación de residuos.

7 Centrales Nucleares en el mundo Distintas tecnologías: Refrigeración: por Agua, agua pesada,gas o metal líquido. Moderación: por Agua, agua pesada,grafito, R.Rápido Tipo Unidades MW(e) Total BWR FBR GCR LWGR PHWR PWR Total:

8 Datos básicos de la Energía Nuclear en el Mundo / UE En el mundo hay un total de 439 centrales nucleares (371 GWe) y 36 más (30 GWe) se encuentran en proceso de construcción. En Europa (EU25), el 31% de la electricidad proviene de la energía nuclear. A nivel mundial, las centrales nucleares producen aproximadamente el 17% de la electricidad que se consume en todo el mundo. China tiene programado construir 24 reactores y hasta 76 propuestos, seguida de EEUU, Japón, India y Rusia con más de 10 programados cada uno. Hay propuestas de construir, al menos, 218 reactores más en un futuro próximo. En Europa nuevos proyectos de plantas de potencia en 10 países: Francia, Finlandia, Bulgaria, República Checa, Hungría, Rumania, Lituania, Eslovaquia, Eslovenia y Suiza. Más nuevos reactores experimentales: un MTR y uno o dos rápidos. El Reino Unido, Italia han anunciado el relanzamiento de su industria nuclear civil. Francia ha demostrado que es posible para un país generar más del 80% de su electricidad a partir de la Energía Nuclear de forma sostenible. EEUU ha extendido la vida de más de 48 centrales de 40 a 60 años y su gobierno está promocionando la construcción de 5 GWe nuevos.

9 Situación en España Actores del sector nuclear En España: - 8 centrales nucleares con una potencia instalada de 7700 MW eléctricos generaron en 2007 el 20% de la electricidad consumida y - de forma segura y predecible, sin fluctuaciones en su coste, - sin producir CO 2 u otros gases de efecto invernadero y sin dispersar residuos radiactivos al medio ambiente Central Nuclear Tipo de reactor Titular Potencia (MWe) Fecha de Autorización Actual Plazo de Validez José Cabrera PWR (W) Unión Fenosa 100% 150,1 15/10/ /04/2006 (*) Sta. María de Garoña BWR (GE) Nuclenor 100% (*) 466 5/07/ años PWR (W) Iberdrola 53% 977 Almaraz I Endesa 36% 8/06/ años Unión Fenosa 11% PWR (W) Iberdrola 53% 980 Almaraz II Endesa 36% 8/06/ años Unión Fenosa 11% Ascó I PWR (W) Endesa 100% 1032,5 1/10/ años Ascó II PWR (W) Endesa 85% 1027,2 Iberdrola 15% 1/10/ años Cofrentes BWR (GE) Iberdrola 100% /03/ años Vandellós II PWR (Si-KWU) Endesa 72% 1087,1 Iberdrola 28% 14/07/ años PWR (W) Iberdrola 48% 1066 Trillo Unión Fenosa 34,5% Hidrocantábrico 15,5% Nuclenor 2% (*) 16/11/ años TOTAL 7877,9 ENRESA: ENUSA: CSN: Empresa nacional encargada de la gestión de los residuos radiactivos. La planta de fabricación de combustibles de Juzbado (Salamanca) El regulador Consejo de Seguridad Nuclear. Ingenierías: Tecnatom, Empresarios Agrupados, Sener, Initec, Socoin, Iberinco, Intecsa, ENSA: Fabricante de equipos pesados y piezas para las plantas. Universidades: Varias universidades con Física nuclear y con estudios de Ingeniería nuclear CIEMAT: El centro nacional de investigaciones energéticas, medioambientales y tecnológicas

10 VENTAJAS Características de la Energía Nuclear actual Segura (Industria que inventa el control y garantía de calidad, fácil de detectar contaminaciones, la industria más regulada y controlada) Respetuosa con el medio ambiente no emite CO 2, ni otros gases de efecto invernadero, no produce lluvia ácida, no modifica el paisaje a gran escala, no produce enfermedades respiratorias, ni ruido, no afecta de forma global a la fauna Gran capacidad de generación de forma continua y predecible, que permite garantizar el suministro de electricidad Costes competitivos y predecibles Tecnología madura (Primera central en España 1969) Impone y genera industria de elevado nivel tecnológico y alto valor añadido. Produce residuos radiactivos que, en España, apenas llegan al 0.1% de todos los residuos tóxicos y peligrosos. (Ventaja y dificultad) DIFICULTADES Percepción pública de los riesgos asociados a instalaciones nucleares Para muy largo plazo (>100 años) suministro de combustibles: R. térmicos -> rápidos. Riesgo de inversión para la construcción difícil de asumir Riesgo de proliferación si se generaliza su uso en países con infraestructura deficiente (problema similar al trasporte aéreo).

11 La Energía nuclear se adapta a los retos de la U. E. Garantía de Suministro Reducción de Gases de efecto invernadero Competitividad y a la situación en España Isla Energética Exceso de emisiones de CO 2 en más de un 37% sobre compromisos de Kyoto Dependencia exterior de más de un 85% en nuestras necesidades energéticas 160 Relative CO2 Eq. Emissions Protocolo de Kyoto (1997) La reducción de emisiones de gases de efecto invernadero hasta situarlas, en promedio, un 5,2% por debajo de los niveles de 1990 durante el período (en vigor desde Febrero 2005) Objective = 115% 99,2 101, ,1 105,7 109,9 107, , , , , , , , , , , ,3 2007

12 Garantía de Suministro: La Energía Nuclear reduce la dependencia energética del exterior y del mercado 8% 6% 5% Aprovisionamiento de uranio en España 5% 4% 15% 10% 5% 8% Servicios de Conversión 2% 1.2% 1.3% 23% - Diversificación geográfica de suministradores. - Estabilidad socio-política de los países productores. - No es necesario un aporte continuo de combustible a la central nuclear. - El combustible nuclear (para meses) se tiene acopiado en la central al menos dos meses antes del inicio de la parada de recarga. Tenex(Rusia) 26% Eurodif (UE-Esp 23% Ureico (UE) 16% Usec (EE.UU.) 13% HEU (Rusia) 13% Rep U-MOX(EU) 5% Otros 4% Servicios de Enriquecimiento

13 Garantía de suministro- Disponibilidad de Uranio Los datos más recientes de la AEN/OCDE en Uranium 2007: - Disponibilidad total identificada de U 4.5 MtU (<USD 80/kgU ) y 5.5 con <USD 130/kgU. 17% y 15% más que en Probablemente disponible 10.5 MtU - El incremento en demanda y precio han aumentado en 250% las inversiones en exploración (774 M$ en 2006) - Al ritmo de consumo actual hay Uranio seguro para todo el siglo XXI. Además es muy probable que haya un factor 2-3 más. - El reciclado y nuevos reactores rápidos -> U para miles de años - Hay capacidad de fabricación clara hasta Producción y necesidades mundiales anuales de U ( ) Necesidades Producción y necesidades mundiales de U acumuladas ( ) Producción Producción Necesidades

14 Garantía de suministro- Disponibilidad: La Energía Nuclear proporciona energía de forma continua y predecible Las CCNN funcionan 24h/365d. La generación no depende de la climatología Horas de Funcionamiento Parámetros promedio de funcionamiento en 2007: Factor de carga (88.18%) F. de Operación (90,46%) F. De Capacidad (89,06 %) Perdidas de capacidad imprevistas (4,57 %) Nuclear Coal Combined Cycles Hydraulic Fuel-Gas Biomass Eolic Solar

15 Competitividad Económica: El coste de generación total es similar para la energía nuclear y el carbón, y ambas son más baratas que el resto (datos de 2005 Petróleo a 55$/Barril). Costes de Generación al 5% ($/MWh) Carbón Gas Nuclear Biom. Proyecto EUSUSTEL 2007 Projected Costs of Generating Electricity 2005 Update NEA/OCDE

16 Competitividad Económica y Estabilidad a medio plazo - Los costes son muy poco sensibles al coste del U (supone entre 4% y 6%). - Sin embargo dependen de la tasa de amortización. Impacto de una subida del 50% en el combustible Ciclo Combinado Carbón Gas Natural Nuclear Fuente: World Energy Outlook 2006 Agencia Internacional de la Energía U: Precio de compra U: Precio de mercado instantáneo

17 La Energía Nuclear contribuye a limitar las Emisiones de CO 2 y Gases efecto Invernadero Toneladas CO2 equiv /GWh IAEA Las CC.NN. no generan gases causantes del efecto invernadero ni partículas - Las CC.NN. no emiten CO 2 en su operación. Cada año evitan la emisión de 40 millones de toneladas de CO 2 en España. - La Energía Nuclear evita en la UE25 emisiones equivalentes a 865 Mt de CO 2, más del doble del transporte aéreo y aprox. el 85% del sector del transporte (2004). WEC 2004

18 En España (UE) la explotación de la energía nuclear es segura Las centrales nucleares se diseñan de manera robusta y segura, y se encuentran entre las instalaciones industriales mejor protegidas. El concepto básico de seguridad nuclear se basa sobre el principio de barreras múltiples colocadas en serie entre los productos radiactivos y el medio ambiente. Diseño seguro. Seguridad intrínseca. (Coeficientes de reactividad negativos temperatura, densidad) Seguridad incorporada. (Salvaguardias tecnológicas Sistemas de parada de seguridad, etc, redundantes) Licenciamiento: Principio de licenciamiento por adelantado con publicidad y análisis de seguridad a ultranza. Se necesitan licencias antes de empezar a construir y antes de empezar a operar las instalaciones nucleares. El Consejo de Seguridad Nuclear (CSN), organismo regulador independiente, garantiza la seguridad de las centrales. Probabilidad de fallo muy baja: Se estudian todos los posibles fallos en operación normal, en caso de accidente e incluso en aquellas situaciones peligrosas pero a las que no se conoce una forma de llegar. Para cada situación se evalúan posibles daños y se exige demostrar, por redundancia en sistemas de detección, corrección y contención que las probabilidades sean extraordinariamente bajas. Grandes inversiones en seguridad: El parque nuclear español invierte al año 150 M en la seguridad de sus instalaciones

19 Residuos radiactivos: El Cabril proporciona una solución completa a los residuos de Baja actividad Cada año las centrales nucleares españolas general un total de 160 toneladas de combustible gastado, que es de acta actividad, y toneladas de residuos de baja y media actividad, RMBA. Constituyen menos del 0.1% del total de los residuos tóxicos y peligrosos generados en España. Los RMBA son enviados a El Cabril donde son verificados, compactados y almacenados con supervisión durante el tiempo que siguen siendo radiactivos (vida media < 30 años). EL Cabril es la solución completa y definitiva para los RMBA.

20 Residuos radiactivos de Alta Actividad son un problema muy complejo pero con soluciones Los residuos de alta actividad, RRAA, combustibles irradiados de las CCNN: - alta densidad en radioactividad, - larguísima duración de algunos de sus componentes (los actínidos) - contienen materiales susceptibles de su uso militar y - desarrollan suficiente calor como para dañarse o dañar a su entorno. Soluciones actuales y posibles mejoras: 1) Almacenamiento en las piscinas de la central (excepto Trillo) 2) Almacenamiento Temporal Centralizado, ATC, de unos 60 años 3) Almacenamiento geológico profundo, AGP Considerado por toda la comunidad científica una solución viable para el aislamiento de los residuos a muy largo plazo, reduciendo en todo momento (durante la vida del AGP de miles de años) los efectos (dosis) a las personas a niveles inferiores a los de la radiación ambiente natural. Dificultades emplazamiento. Las dos esperanzadoras excepciones son Finlandia y Estados Unidos. 4) Posible reducción por Separación y Transmutación (selección y reciclado)

21 La Energía Nuclear (de fisión) es hoy Una realidad viable, respetuosa con el medio ambiente y adaptada a las necesidades industriales que ya está a nuestra disposición y tal como la conocemos puede suministrar una parte significativa de la electricidad en la UE y el mundo durante todo el siglo XXI, de forma económicamente competitiva y sin generar CO 2 ni otros gases de efecto invernadero.

22 El Futuro de la Energía Nuclear Una de las piezas clave para conseguir un MIX de energías equilibrado, sostenible y respetuoso del medioambiente, disponible progresivamente y sin grandes saltos tecnológicos Renacimiento nuclear Evolución de la tecnología nuclear Desarrollos a corto plazo: Aprovechamiento máximo de la riqueza que significan las centrales actuales. Desarrollos a medio plazo: Transmutación (Reduciendo los residuos al mínimo) Desarrollos a largo plazo: Reactores Rápidos (El residuo convertido en combustible para miles de años)

23 El «Renacimiento de la Energía Nuclear» La sostenibilidad de la energía nuclear (competitividad económica, fiabilidad, independencia del suministro, no emisión de gases de efecto invernadero) y el incremento y variabilidad del coste del petróleo y gas están generando un renacimiento de la energía nuclear. 36 Reactores en construcción Reactores nucleares en construcción o comprometidos (World Nuclear Association, Además, en Estados Unidos 48 Centrales nucleares (30 PWR y 18 BWR) han sido autorizadas a operar hasta 60 años y otras 5 centrales han sido autorizadas a extender su vida en Europa

24 Los organismos internacionales prevén escenarios para con un incremento de la energía nuclear Modelos de la Agencia Internacional de la Energía: World Energy Outlook 2006 Modelos del Instituto Internacional para Análisis Aplicados de Sistemas/ Consejo Mundial de la Energía B C ecologically driven growth (1300GWe) IPCC Panel intergubernamental del Cambio Climático 2007 Dados los costes relativos de otras opciones de suministro, la energía nuclear, que en 2005 suministra el 16% de la electricidad (mundial), podría alcanzar un 18% del suministro total de electricidad en 2030 a los precios de carbón de 50 US$/tCO2 eq Coinciden en que: Será necesario mantener o incrementar la potencia nuclear instalada para limitar las emisiones de gases de efecto invernadero.

25 La Energía Nuclear retos para mejorar su sostenibilidad a largo plazo (más de 100 años) Mejorar el aprovechamiento de los recursos naturales (extenderlos para más de 100 años) Utilización de U238 y/o Torio (Nuevos rectores Gen IV, ADS) Minimización de la generación de residuos radiactivos de alta actividad Separación y Transmutación, nuevos reactores Percepción pública de los riesgos asociados a instalaciones nucleares Uniformidad de regulación a nivel EU / OCDE o Mundial Comunicación y formación Riesgo de inversión para la construcción Aceptabilidad y estabilidad social Riesgo de proliferación si se generaliza su uso en países con infraestructura deficiente (problema similar al trasporte aéreo). Supervisión y formación por organismos internacionales Proyectos GNEP, INPRO y similares Todo lo anterior manteniendo competitividad y seguridad

26 La Energía nuclear ha desarrollado su tecnología durante +40 años y continúa la I+D para nuevas generaciones Generación I Primeros prototipo de reactores Shipping port Dresden, Fermi I Magnox Generación II Reactores comerciales de generación de energía LWR-PWR, BWR CANDU AGR Generación III LWR avanzados ABWR Sistema 80+ Aumento de la Sostenibilidad Generación III+ Diseños evolutivos que ofrecen mejoras económicas a corto plazo ADS Generación IV Gestión Dedicated especializada waste de manageme residuos Muy económico nt Mayor seguridad Estabilización Pu del inventory inventario de Pu stabilization Residuos mínimos Resistente a la proliferación ADS Mejora de: - seguridad, - eficiencia y - economía + Reducción residuos radiactivos de Alta Actividad + Mejora Aprovecham. Rec. naturales (U,Th)

27 Desarrollos a corto plazo: Aprovechamiento máximo de la riqueza que significan las centrales nucleares actuales Extensión n de vida Validación n de seguridad, materiales e instrumentación Añade años a de operación Reduce los residuos de desmantelamiento Costes de generación n de electricidad fuertemente reducidos Requiere confirmar la seguridad de cada planta, No agrava significativamente el problema de los residuos radiactivos ivos Precedentes en EEUU (48 plantas años), a 5 Suiza, 1 Holanda Uprating (elevación) de Potencia Incrementa la potencia nominal, el factor de disponibilidad y la eficiencia térmica utilizando mejores tecnologías en general y del combustible. Reduce ligeramente los residuos. Alto quemado De 33 GWd/T HM a GWd/T HM y preparando los 60 GWd/T Mejora el aprovechamiento del U Reduce la producción n de residuos de alta actividad y vida larga /T HM

28 Desarrollos a corto plazo: Reactores avanzados (Gen III y III+) = Mejora de seguridad, eficiencia y economía Entre otros: Agua: EPR, AP1000, ABWR Gas: GT MHR, PBMR Listos para ser licenciados o ya prelicenciados. Con seguridad pasiva o de riesgo probabilista reducido Mejor utilización de U con generación reducida de residuos actínidos Mayor eficiencia térmica, menores costes de construcción y mantenimiento Mejor competitividad económica + H 2 Reactor europeo de agua a presión (EPR) De próxima construcción en: Finlandia, Francia Reactor Modular de Gas con acoplamiento directo Turbina Helio (GT-MHR)

29 Desarrollos a medio plazo: Transmutación = Reducción de residuos de Alta Actividad U + Otros res. media y baja activ. 2) U: Aislar o reutilizar Combustible Usado Separación (Química) Residuos alta actividad 1) Dividir Residuo Final Actínidos TRU Pu, Am, Cm, Desintegración exponencial de fragmentos de fisión años Fragmentos de Fisión: 3) Aislar y esperar 5) Repetir el ciclo Actínidos transuránicos: 4) Reciclar Convertido a energía Transmutación (Física) + Sep

30 Transmutación extensiva: Reactores Rápidos de Gen IV Transmutación intensiva: ADS = Accelerator Driven Subcritical System La transmutación intensiva necesita reactores de alta potencia y de espectro neutrónico rápido, con bajo contenido en Uranio y alto contenido en Pu y A.M. pero, este tipo de sistemas presentan deficiencias de seguridad intrínseca y necesitan gran flexibilidad de operación. Los ADS proporcionan la flexibilidad para la transmutación manteniendo la seguridad. Suficientemente flexibles para aceptar combustibles dedicados, ricos en Pu y A.M. Combinado con combustibles de matriz inerte o bajo contenido en Uranio permiten optimizar la transmutación de A.M. sin comprometer la seguridad ADS = Accelerator Driven System también conocido como ADSS = Accelerator Driven Subcritical System Un ADS es un conjunto nuclear multiplicativo subcrítico cuya operación está mantenida por un acelerador de protones que genera una fuente externa de neutrones en un blanco de esplación. Barras con los residuos (actínidos) actuando como combustible Acelerador de partículas protones neutrones Blanco de espalación Conjunto nuclear subcrítico Fisiones

31 Efecto de la transmutación en la gestión de Los Residuos Radiactivos de Alta Actividad Reducir el inventario de radiotoxicidad a largo plazo Reducir el tiempo necesario para alcanzar cualquier nivel de referencia en el inventario de radiotoxicidad (factor 1/100 1/1000) Eliminar el riesgo de proliferación del almacenamiento final Reducir el volumen necesario para almacenar los residuos de alta actividad Posible simplificación del almacenamiento definitivo Aprovechar la energía de fisión contenida en los elementos transuránicos Ref: European ADS Roadmap Reduce legado a largo plazo: La masa de los residuos de alta actividad (1/20 1/1000) La radiotoxicidad (1/100) Materiales de posible uso militar (1/100) Produce: Más electricidad (30%) Aumento de la capacidad de los Almacenamientos finales (x5-100) Aumenta la capacidad de predicción a largo plazo Necesita: Tecnologías avanzadas potencialmente costosas y peligrosas I+D+I para Conseguir las ventajas sin costes inaceptables

32 Desarrollos a largo plazo: Reactores rápidos de Gen IV = Máximo aprovechamiento del los recursos naturales (U,Th) Reactores rápidos: Refrigerado por Plomo fundido Refrigerado por Sodio fundido Refrigerado por Gas (He) Puede convertir eficazmente 238 U en 239 Pu ( 232 Th en 233 U) que actúa como nuevo combustible Máximo aprovechamiento del U (x50 = varios miles de años) Posibilidad de ser transmutadores (reducción significativa de residuos) Pb y He de alta temperatura (Alta eficiencia y H 2 ) Máxima seguridad desde el diseño

33 Visión del despliegue de generaciones de reactores Número de reactores construidos por año en el mundo: La mayor parte tienen entre 20 y 30 años de operación En los años 80 se construyeron más de 30 reactores por año

34 Otras aplicaciones de la Energía Nuclear (HTR, VHTR,...) Origen emisiones de Gases de efecto invernadero en España % 10% 3% 29% Además de la electricidad se exploran aplicaciones directas del calor de proceso y/o la presión del secundario. Contribución de la Energía Nuclear al transporte: Producción de Hidrógeno (reactores de alta temperatura): Electrolisis de alta temperatura Ciclos químicos 9% 24% 17% Producción de Combustibles sintéticos Electrificación (ferrocarril) del transporte de mercancias Combustión Sector Energético Combustión manufactureras y construcción Combustión Transporte Combustión Otros sectores Procesos Industriales Aplicaciones a la desalación: - Electricidad - Calor de proceso - Presión Agricultura Tratamiento y eliminación de residuos

35 Coordinación de la I+D La SNETP (The Sustainable Nuclear Energy Technology Platform) una plataforma para la energía nuclear (de fisión) sostenible en la UE El CEIDEN la plataforma para la energía nuclear (de fisión) española Además: el OIEA, la AEN/OCDE y los programas marco de la UE

36 [1] Energía 2007, Foro Nuclear (2007) Referencias [2] IAEA- PRIS Power Reactor Information System Database. International Atomic Energy Agency. [3] World Energy Outlook International Energy Agency (2006) [4] Climate Change 2007: Mitigation of Climate Change. Working Group III contribution to the Intergovernmental Panel on Climate Change Fourth Assessment Report. Summary for Policymakers. Formally approved at the 9th Session of Working Group III of the IPCC, Bangkok, Thailand 30 April 4 May IPCC (2007) [5] Advanced Nuclear Fuel Cycles and Radioactive Waste Management. NEA 5990, Nuclear Energy Agency, OECD (2006) [6] Accelerator-driven Systems (ADS) and Fast Reactors (FR) in Advanced Nuclear Fuel Cycles, A Comparative Study. Nuclear Energy Agency, OECD (2002) [7] A Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systems. GIF U.S. DOE Nuclear Energy Research Advisory Committee and the Generation IV International Forum (2002) [8] Libro Rojo. Uranium Resources, Production and Demand Nuclear Energy Agency, OECD (2008) [9] The Sustainable Nuclear Energy Technology Platform. A vision report. EUR (2007)

37 La Energía Nuclear (de fisión) es hoy Una realidad viable, respetuosa con el medio ambiente y adaptada a las necesidades industriales que ya está a nuestra disposición y tal como la conocemos puede suministrar una parte significativa de la electricidad en la UE y el mundo durante todo el siglo XXI, de forma competitiva y sin generar CO 2. Los nuevos desarrollos en Energía Nuclear permitirán mejorar su sostenibilidad a largo plazo: Optimizando el uso de los recursos naturales: Combustible económico para varios miles de años, Reduciendo la generación de residuos de vida larga en más de un factor 50, Contribuyendo a la desalación, producción de hidrogeno y hidrocarburos sintéticos, Manteniendo la seguridad, competitividad y no emitiendo gases de efecto invernadero.