RECICLADO DE COMBUSTIBLE NUCLEAR VERSUS EL ALMACENAMIENTO DE LOS RESIDUOS ASPECTOS ECONÓMICOS MORATILLA SORIA, B. Yolanda (1) ; URIS MAS, Maria (1), ECHEVARRIA LOPEZ David (1), VILLAR LEJARRETA Ainhoa (1) ymoratilla@upcomillas.es (1) Universidad P. Comillas, ETSI-ICAI, Cátedra Rafael Mariño de Nuevas Tecnologías Energéticas RESUMEN El presente trabajo compara los costes que supone la alternativa del almacenamiento ciclo abierto, en relación con los asociados a una alternativa de reciclado y reutilización ciclo cerrado, basándose tanto en los estudios existentes en la actualidad a nivel internacional, como en resultados propios. El análisis muestra las tendencias de los costes en ambas opciones. Palabras clave: Reprocesado, AGP, MOX, Combustible nuclear, Residuos nucleares. 1. Introducción 1.1. Estado del arte. La demanda actual de los recursos y el creciente e intenso consumo per cápita de energía han motivado el desarrollo de políticas de formas eficientes de energía en el área de generación eléctrica. La energía nuclear y las renovables desempeñan un papel importante en nuestro futuro energético, contribuyendo a satisfacer la creciente demanda de electricidad, mientras que al mismo tiempo reducen las emisiones de dióxido de carbono [1]. Cada nación al desarrollar su estrategia nuclear, debe tener en cuenta varios aspectos de la energía nuclear como son la sostenibilidad, la ecología, la no proliferación, la economía, las tecnologías disponibles y evaluar todas las posibles opciones del ciclo del combustible nuclear [2-5]. Durante la última década, se han llevado a cabo numerosos estudios [6-15] con el fin de comparar las dos principales estrategias de combustible gastado. Por un lado, el almacenamiento definitivo del combustible nuclear gastado de las centrales nucleares en un depósito geológico profundo-ciclo abierto-o bien, cerrando el ciclo del combustible mediante el reprocesamiento y el reciclado del combustible nuclear gastado-ciclo cerrado. Uno de los últimos análisis de viabilidad realizado por W. Ko y F.Gao [16] muestra que la diferencia en los costes del ciclo del combustible entre ambas estrategias es desdeñable. Por lo tanto, otros factores tales como los aspectos intangibles juegan un papel importante en la determinación del ciclo del combustible nuclear [17]. En el panorama internacional, el estudio llevado a cabo en Reino Unido [18] también considera la estrategia a largo plazo para el reprocesado y almacenamiento definitivo. Los estudios que se desarrollen en los EE.UU. tendrán que comparar cada una de las opciones del ciclo del combustible con respecto a la sostenibilidad, la no proliferación, la viabilidad económica, la gestión de residuos y la seguridad energética con el fin de definir el futuro de la energía nuclear [19-22]. Aunque la industria de la energía nuclear de China es relativamente joven y la gestión de su combustible nuclear gastado aún no es una preocupación, el compromiso de China con la energía nuclear y su ritmo acelerado de desarrollo requiere un análisis detallado de su futura política de gestión. Y. Zhou [23, 24] en sus estudios llegó a la conclusión de que China puede y debe mantener una operación de reprocesado para cumplir con sus actividades de investigación y desarrollo antes de su programa de reactores rápidos en desarrollo. J.Y. Suchitra [25], en su artículo, evalúa los aspectos económicos de reprocesado en la India y el costo de producción de plutonio para el programa de reactores reproductores rápidos, lo que sugiere un - 1 -
costo de reprocesamiento aproximadamente $ 600/kg HM con supuestos favorables al reprocesamiento, y cerca de $ 675 / kg HM bajo otros supuestos. El objeto del presente artículo es analizar y comparar los resultados obtenidos por la Agencia para la Energía Nuclear (AEN) de la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico (OCDE) en 1985 [6] (posteriormente actualizado al 1991), por el Boston Consulting Group (BCG) en 2006, de Guillaume De Roo y John E. Parsons en 2011 y por el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) en 2003 [16], por el Electric Power Research Institute (EPRI) en 2010 [12] y compararlos con los resultados obtenidos en los estudios realizados por la Cátedra Rafael Mariño. En los estudios que se presentan se analiza la segunda parte del ciclo del combustible nuclear, es decir, una vez el combustible ha sido extraído del reactor. Se calcula para esta segunda parte del ciclo el coste total para cada alternativa por kilogramo de combustible extraído del reactor. 1.1. La gestión del combustible usado Actualmente, existen dos alternativas para la gestión definitiva de los elementos combustibles. Los elementos se pueden almacenar con seguridad en depósitos geológicos profundos estables (AGP) a fin de ser contenidos y aislados del medio ambiente y los seres humanos durante siglos, mientras se reduce su radiotoxicidad llamado ciclo abierto. O, por el contrario, se pueden aplicar los procesos para separar y reciclar el uranio y el plutonio y aislar los productos de fisión y otros actínidos menores en una matriz de vidrio, llamado ciclo cerrado. En ambos casos, los elementos de combustible están especialmente preparados y almacenados temporalmente hasta que se inicia la fase de gestión final. Solo dos países, Suecia y Finlandia, han adoptado definitivamente el ciclo abierto y están en la fase previa a la construcción de los depósitos geológicos para el almacenamiento de elementos combustibles en cápsulas de cobre con granito del subsuelo. Uno de los principios de cualquier política de gestión de residuos en los países desarrollados es la de la reducción, reciclaje y reutilización de productos de desecho. La aplicación de este principio a los residuos radiactivos requiere: separar el material fisionable sin usar y/o producidos, reutilizando el material en nuevos combustibles, y la reducción de los residuos altamente activo para actínidos menores - productos de fisión que se obtienen en un reactor por transmutación de uranio. En la opción de ciclo cerrado actual, después de enfriar el combustible usado, mediante procesos mecánicos y químicos se separan el uranio y plutonio reciclable, a fin de ser utilizado en la fabricación de nuevos combustibles de URE, y los combustibles MOX (óxidos mixtos con el uranio y el plutonio), que puede ser utilizado en los reactores convencionales. Los productos de fisión y los actínidos menores, que constituyen alrededor del 90% de la radiactividad del combustible utilizado, son vitrificados. 2. Metodología La metodología seguida para la evaluación de los valores presentados en los distintos informes ha sido la comparación de tres conceptos; el coste del uranio como materia prima, el coste del almacenamiento en Almacenamiento Geológico Profundo (AGP) y el coste de reprocesado del combustible gastado. Para trabajar con valores comparables no se tiene en cuenta la tasa de descuento, y el criterio de cada coste es: Coste de Uranio: Durante los últimos años el precio del uranio natural ha llevado una tendencia creciente de $36/lb U 3 O 8 con un máximo histórico de $110/lb U 3 O 8 en 1975-1980. Esta tendencia podemos verla en la Figura 1. - 2 -
Figura 1. Evolución Precios Uranio Coste AGP: El coste de almacenamiento del combustible usado se ha tomado como el coste por kilogramo de metal pesado (kg HM) almacenado. Para ello, no se tiene en cuenta ni los costes de transporte, ni coste de combustible por transporte, ni el coste de encapsulado ni los créditos al uranio. Coste Reprocesado: El coste de reprocesado del combustible gastado incluye los costes de reprocesado propiamente dicho, el coste de vitrificación y el coste de almacenamiento de los residuos. En los distintos informes, se ha llevado a cabo un análisis de sensibilidad de las distintas variables tanto los costes del AGP como los costes de reprocesado se presentan como valor nominal dentro de un rango con unos márgenes inferiores y superiores. El criterio seguido para la elección del valor nominal está descrito con detalle en cada informe. En el estudio A [28] llevado a cabo por la Cátedra, se analiza la segunda parte del ciclo del combustible nuclear y la metodología utilizada para realizar el estudio económico es la denominada Levelized Fuel Cycle Cost que se explica de manera detallada en el proyecto. Posteriormente, una vez se tiene el cálculo económico se llevan a cabo dos análisis. El primero es un análisis de incertidumbre mediante la aplicación del Método de Montecarlo que proporciona un rango de valores entre los que se encuentra el coste de cada alternativa con un nivel de confianza dado. El segundo es el análisis de sensibilidad con el que se pretende encontrar aquellos factores cuya variabilidad suponga un mayor cambio en el resultado final. Los valores presentados están expresados en $ del 2010. En el estudio B [29] llevado a cabo por la Cátedra, se ha realizado un análisis económico del coste total de la gestión completa del combustible nuclear para cada alternativa: Ciclo abierto y ciclo cerrado. Los costes tenidos en cuenta para el cálculo del coste unitario total de gestión del Ciclo Abierto son el coste del uranio natural, los procesos de conversión y enriquecimiento del mineral, así como la fabricación del combustible UOX y el almacenamiento temporal del combustible UOX usado. En el caso del Ciclo Cerrado se considera, además de los del Ciclo Abierto, el coste de reprocesamiento del combustible UOX usado, los costes de fabricación del combustible MOX a partir del Plutonio obtenido del reprocesamiento y el coste del Resumen almacenamiento temporal de los RAA derivados del reprocesado y del MOX usado una vez extraído del segundo reactor. No se tiene en cuenta el coste de almacenamiento geológico profundo de los residuos en ninguno de los ciclos ya que este coste introduce un elevado grado de incertidumbre y se incurrirá en él a muy largo plazo y fuera del marco temporal del estudio. En la segunda parte del estudio económico se realiza el análisis de viabilidad económica específico para España para un horizonte temporal que comprende los años 2013 a 2028. En el escenario nuclear español se deben tener en cuenta una serie de factores determinantes para el estudio de las dos estrategias. Estos factores son: La vida útil de las centrales nucleares programada hasta la fecha. El historial de combustible UOX usado almacenado temporalmente en las piscinas de dichas centrales El proyecto del Almacén Temporal Centralizado (ATC) - 3 -
La entrada en vigor en 2013 de la Ley de Medidas Fiscales en Materia Medioambiental y Sostenibilidad Energética En la Tabla 1 se recoge los valores tomados de cada estudio en su valor nominal en dólares del año de cada informe. Precio Uranio ($/kg U) Coste AGP ($/kg HM) Coste Reprocesado ($/kg HM) NEA- OCDE (1985) Tabla 1. Resultados de los informes NEA- MIT BCG EPRI OCDE (2003) (2006) (2010) (1993) Estudio A (2012) Estudio B (2012) 83.2 50 30 68.8 260 125 80 150 190 400 320 354 533-750 720 1000 525 1000 845.5 800 Para poder hacer una comparación apropiada de los costes, se ha procedido a la actualización de precios todos ellos al año 2012 según la siguiente conversión: C C 2 1 I I 2 1 Siendo C 2 e I 2 respectivamente el coste y el índice de coste que se pretende estimar en el momento actual, y C 1 e I 1 el coste y el índice de coste del que tenemos la información referida a años anteriores. Para ellos utilizamos los valores según los índices CEPCI (Chemical Engineering Plant Cost Index). 3. Resultados. 3.1. Valores Económicos. Una vez actualizados los valores de la Tabla 1 según los índices de precios de la CEPCI, obtenemos la Tabla 2 con valores comparables al año 2012: Precio Uranio ($/kg U) Coste AGP ($/kg HM) Coste Reprocesado ($/kg HM) Tabla 2. Resultados de los informes actualizados al año 2012. NEA- NEA- MIT BCG EPRI Estudio A OCDE OCDE (2003) (2006) (2010) (2013) (1985) (1993) Estudio B (2013) 150.6 81.5 43.9 81.1 277.9 133.6 80 271.2 309.6 585.9 377.1 378.4 569.8-1429.9 1254.8 1611.1 854.4 1175.9 903.8 800-4 -
Para poder hacer un análisis de los valores ya actualizados al año 2012 de los distintos informes, hemos procedido a construir una gráfica de la tendencia de los costes del AGP como puede verse en la Figura 2. Figura 2. Tendencia costes AGP Es de destacar las diferencias entre la tendencia de los costes del AGP publicados por la OCDE y EPRI con aplicación en Europa (tendencia cada vez mayor) y el MIT y BCG con aplicación en EE.UU. (tendencia decreciente). Como se señala en un estudio de la OCDE de 1993 dedicado al AGP, "el almacenamiento permanente de combustible nuclear usado y RAA no se ha probado todavía, y las opciones de gestión de los residuos varían considerablemente entre países, lo que conlleva altas incertidumbres en la estimación de los costes " [30]. Suecia por ejemplo, según un estudio del 2003 de Harvard, publicó, una estimación de los gastos en 1998 de 300-350 US $/KgHM [31]. Un segundo análisis llevado a cabo para comparar la tendencia para el coste de reprocesado puede verse en la Figura 3. Los costes de reprocesado muestran una tendencia decreciente desde 1985. Figura 3. Tendencia costes reprocesado La tendencia a la baja se explica por las mejoras técnicas y económicas de la tecnología de reprocesamiento, que lo han convertido en una tecnología madura. Esto también se aplica a la tecnología del AGP, en un medio-largo plazo, debido al alto nivel de incertidumbre de las estimaciones sobre la base de estudios de diseño, como se indica en el estudio de la OCDE de 1993 [30] En la Figura 4 puede observarse la aplicación del método de Montecarlo al modelo. Este análisis es interesante ya que proporciona un rango de valores entre los que se encuentra el coste de cada alternativa con un nivel de confianza dado. Esto es muy importante ya que los costes de los distintos - 5 -
factores que intervienen pueden variar de manera considerable debido a su propia variabilidad y debido al largo periodo de tiempo para el cual se realiza el análisis. Figura 4. Aplicación del Método Monte Carlo al Modelo ($/KgHM) [28] 3.1.1. Valores no Económicos. Estos factores económicos no cuantificables son los denominados intangibles y deben ser tenidos en cuenta para la elección de la estrategia a seguir como ya se comentó al comienzo. El reprocesado y posterior reciclado supone una opción sostenible, que reduce ampliamente el volumen real de los residuos finales que deben ser almacenados. Los aspectos intangibles más destacados son: Reprocesar y reciclar ahorra hasta el 25% del uranio natural, así como reduce el volumen de residuos nucleares en un factor de 5 y la carga térmica. La separación del plutonio 239 del combustible usado y posterior reciclado en combustible MOX, contribuye a la no proliferación asociada al plutonio. La disminución de la radiotoxicidad y del tiempo de decaimiento radiactivo, supone unos intangibles difíciles de valorar cuantitativamente pero que presentan un valor adicional indiscutible frente al ciclo abierto, desde el punto de vista de la opinión pública. Una encuesta de opinión llevada a cabo en siete países en el 2010, mostró que casi el 80% de los encuestados aconsejaría a sus gobiernos comenzar a reciclar el combustible nuclear usado de inmediato como puede verse en la Figura 5[31]. - 6 -
Figura 5. Encuesta de opinión. (Fuente: Adaptado de [32]) 4. Conclusiones. En los informes económicos analizados se aprecia una tendencia creciente en los costes asociados al AGP mientras que, los datos económicos relativos a la tecnología del reprocesado del combustible nuclear van disminuyendo, debido a que es una tecnología madura en constante búsqueda de optimización. Los estudios llevados a cabo en la Cátedra corroboran estas tendencias de ambas estrategias poniendo de manifiesto que la elección de la gestión del combustible nuclear usado mediante ciclo cerrado, no debe ser rechazada por motivos únicamente económicos por su coste actual. - 7 -
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