Jornadas “Energía nuclear: fuente imprescindible en la transición

energética” ETSI Industriales, Madrid, 6 y 7 septiembre

Nuevos reactores nucleares

Gonzalo Jiménez

Dpto. de Ingeniería Energética

ETSI Industriales, Universidad Politécnica de Madrid

gonzalo.jimenez@upm.es

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ENERGÉTICA

mailto:gonzalo.jimenez@upm.es

Índice

1. Introducción

2. Reactores nucleares en el mundo

3. Energía nuclear en España

4. Introducción a reactores de Generación III/III+

5. Small Modular Reactors

6. Introducción a reactores de Generación IV

Índice

1. Introducción

2. Reactores nucleares en el mundo

3. Energía nuclear en España

4. Introducción a reactores de Generación III/III+

5. Small Modular Reactors

6. Introducción a reactores de Generación IV

200 Mev

La fisión nuclear

Moderación de neutrones

Chicago Pile (1942)

6

Índice

1. Introducción

2. Reactores nucleares en el mundo

3. Energía nuclear en España

4. Introducción a reactores de Generación III/III+

5. Small Modular Reactors

6. Introducción a reactores de Generación IV

La construcción de reactores nucleares

UN: Uranio Natural (99.3% U-238 y 0.7% U-235)

UE: Uranio Enriquecido (95% U-238 y 5% U-235)

MOX: 95 % U-238 y 5% Pu-239

Tipos de reactores nucleares

Energía Moderador Refrigerante Combustible TIPO

Térmicos Grafito Gas (CO2, He) UN, UEGas cooled reactors

(GCR)

D2O D2O UN, UE

Pressurized Heavy-Water

Moderated and Cooled

Reactor (CANDU)

H2O H2O UE, MOXLight Water Reactors

(PWR, BWR)

H2O +

grafitoH2O UE

Light-Water Cooled,

Graphite Moderated

Reactor (RBMK)

Rápidos no tiene Metales líquidos, gas UE, MOXFast Breeder Reactor

(FBR)

Tipos de reactores.Centrales nucleares en operación por tipo

REACTOR TYPEMAIN

COUNTRIESNUMBER GWe

Pressurised Water Reactor (PWR)

US, France,

Japan, Russia.

Spain, China, etc.301 287.1

Boiling Water Reactor (BWR)US, Japan,

Sweden, Spain70 69.7

Pressurised Heavy Water Reactor (CANDU)Canada,

Romania, India49 24.6

Gas-cooled Reactor (GCR) UK 14 7.7

Light Water Graphite Reactor (RBMK) Russia, Ucraine 13 9.3

Fast Neutron Reactor (FBR) Japan, Russia 3 1.4

TOTAL 450 399.7

Fuente: PRIS IAEA (30/08/2019)

https://pris.iaea.org/PRIS/WorldStatistics/OperationalReactorsByType.aspx

Centrales nucleares en operación por país

Fuente: IAEA (30/08/2019)

Country Number of ReactorsTotal Net Electrical Capacity

[MW]

UNITED STATES OF AMERICA 97 98384

FRANCE 58 63130

CHINA 48 45518

JAPAN 37 35947

RUSSIA 36 28355

KOREA, REPUBLIC OF 25 23784

INDIA 22 6255

CANADA 19 13554

UKRAINE 15 13107

UNITED KINGDOM 15 8923

SWEDEN 8 8613

BELGIUM 7 5918

GERMANY 7 9515

SPAIN 7 7121

CZECH REPUBLIC 6 3932

PAKISTAN 5 1318

SWITZERLAND 5 3333

FINLAND 4 2784

HUNGARY 4 1902

SLOVAKIA 4 1814

ARGENTINA 3 1633

BRAZIL 2 1884

BULGARIA 2 1966

MEXICO 2 1552

ROMANIA 2 1300

SOUTH AFRICA 2 1860

ARMENIA 1 375

IRAN, ISLAMIC REPUBLIC OF 1 915

NETHERLANDS 1 482

SLOVENIA 1 688

Total 450 399706

https://pris.iaea.org/PRIS/WorldStatistics/OperationalReactorsByCountry.aspxhttps://pris.iaea.org/PRIS/CountryStatistics/CountryDetails.aspx?current=UShttps://pris.iaea.org/PRIS/CountryStatistics/CountryDetails.aspx?current=FRhttps://pris.iaea.org/PRIS/CountryStatistics/CountryDetails.aspx?current=CNhttps://pris.iaea.org/PRIS/CountryStatistics/CountryDetails.aspx?current=JPhttps://pris.iaea.org/PRIS/CountryStatistics/CountryDetails.aspx?current=RUhttps://pris.iaea.org/PRIS/CountryStatistics/CountryDetails.aspx?current=KRhttps://pris.iaea.org/PRIS/CountryStatistics/CountryDetails.aspx?current=INhttps://pris.iaea.org/PRIS/CountryStatistics/CountryDetails.aspx?current=CAhttps://pris.iaea.org/PRIS/CountryStatistics/CountryDetails.aspx?current=UAhttps://pris.iaea.org/PRIS/CountryStatistics/CountryDetails.aspx?current=GBhttps://pris.iaea.org/PRIS/CountryStatistics/CountryDetails.aspx?current=SEhttps://pris.iaea.org/PRIS/CountryStatistics/CountryDetails.aspx?current=BEhttps://pris.iaea.org/PRIS/CountryStatistics/CountryDetails.aspx?current=DEhttps://pris.iaea.org/PRIS/CountryStatistics/CountryDetails.aspx?current=EShttps://pris.iaea.org/PRIS/CountryStatistics/CountryDetails.aspx?current=CZhttps://pris.iaea.org/PRIS/CountryStatistics/CountryDetails.aspx?current=PKhttps://pris.iaea.org/PRIS/CountryStatistics/CountryDetails.aspx?current=CHhttps://pris.iaea.org/PRIS/CountryStatistics/CountryDetails.aspx?current=FIhttps://pris.iaea.org/PRIS/CountryStatistics/CountryDetails.aspx?current=HUhttps://pris.iaea.org/PRIS/CountryStatistics/CountryDetails.aspx?current=SKhttps://pris.iaea.org/PRIS/CountryStatistics/CountryDetails.aspx?current=ARhttps://pris.iaea.org/PRIS/CountryStatistics/CountryDetails.aspx?current=BRhttps://pris.iaea.org/PRIS/CountryStatistics/CountryDetails.aspx?current=BGhttps://pris.iaea.org/PRIS/CountryStatistics/CountryDetails.aspx?current=MXhttps://pris.iaea.org/PRIS/CountryStatistics/CountryDetails.aspx?current=ROhttps://pris.iaea.org/PRIS/CountryStatistics/CountryDetails.aspx?current=ZAhttps://pris.iaea.org/PRIS/CountryStatistics/CountryDetails.aspx?current=AMhttps://pris.iaea.org/PRIS/CountryStatistics/CountryDetails.aspx?current=IRhttps://pris.iaea.org/PRIS/CountryStatistics/CountryDetails.aspx?current=NLhttps://pris.iaea.org/PRIS/CountryStatistics/CountryDetails.aspx?current=SI

Central de tipo PWR (reactor de agua a presión)

PWRSistema de refrigeración

PWRElementos combustibles

● Sistema de inyección de seguridad (SIS)/ acumuladores (ACC)

Sistemas de salvaguardias tecnológicas

REF: JAEA webpage

Ejemplos de transitorios: LOCA

Central de tipo BWR(Reactor de agua en ebullición)

Índice

1. Introducción

2. Reactores nucleares en el mundo

3. Energía nuclear en España

4. Introducción a reactores de Generación III/III+

5. Small Modular Reactors

6. Introducción a reactores de Generación IV

Las centrales nucleares españolas

Central nuclearPOTENCIA

(MWe)TIPO DE

REACTOR

NSSSSUMINISTRAD

OR

OPERACIÓN COMERCIAL

Fechaautorización

actual

Validezhasta

Almaraz I 1.049,4 PWR Westinghouse 1983 8/06/2010 2020

Almaraz II 1.044,5 PWR Westinghouse 1984 8/06/2010 2020

Ascó I 1.032,5 PWR Westinghouse 1984 1/10/2011 2021

Ascó II 1.027,2 PWR Westinghouse 1986 1/10/2011 2021

Cofrentes 1.092,0 BWRGeneral Electric

1985 10/03/2011 2021

Vandellós II 1.087,1 PWR Westinghouse 1988 26/07/2010 2020

Trillo 1.066,0 PWR Siemens KWU 1988 17/11/2014 2024

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Las centrales nucleares españolas

POTENCIA TIPO DE NSSS

PARADAEN

DESMANTELAMIENTO(MWe) REACTOR SUMINISTRADOR

VANDELLÓS I 500 GCR CEA jul-70

JOSÉ CABRERA 150 PWR Westinghouse abr-06

Sta. María de Garoña 466 BWR General Electric dic-12

Producción energía eléctricapor tipo de central en España

21

Hidroeléctrica Termoeléctrica

Termoeléctrica nuclear Renovables y residuos

Cogeneración y tratamiento de residuos

Hidroeléctrica 6.4%

Termoeléctrica 34.1%Termoeléctrica

nuclear 21.2%Renovables y

residuos 27.7%Cogeneración y

tratamiento de

residuos 10.7%

Fuente: Energía 2018 (Foro Nuclear)

▪ Ingeniería.

▪ Fabricación y suministro de equipos.

▪ Construcción y montaje.

▪ Fabricación de combustible.

▪ Puesta en marcha de instalaciones.

▪ Operación y mantenimiento de instalaciones.

▪ Desmantelamiento y clausura.

▪ Participa en el desarrollo nuclear internacional

▪ Cuenta con unos 27 500 profesionales en España

Industria nuclear española

22

23

FABRICA DE ELEMENTOS COMBUSTIBLES DE ENUSA

EN JUZBADO (Salamanca)

24

FABRICA DE GRANDES EQUIPOS DE ENSA

EN SANTANDER

Índice

1. Introducción

2. Reactores nucleares en el mundo

3. Energía nuclear en España

4. Introducción a reactores de Generación III/III+

5. Small Modular Reactors

6. Introducción a reactores de Generación IV

Reactores nucleares en operaciónClasificación por años operacionales

26

Ref: https://pris.iaea.org/PRIS/WorldStatistics/OperationalByAge.aspx

80’s90’s-00’s10’s

Datos del 30/08/2019

https://pris.iaea.org/PRIS/WorldStatistics/OperationalByAge.aspx

Condiciones para la construcción de CCNN en los años 2000-2010

• Alto crecimiento de lademanda energética.

• Precio del petróleo .

• Preocupaciones sobre elsuministro de energía.

• Rentabilidad de las centralesnucleares en operación.

• Experiencia operativa de lasCCNN.

• Cambio climático.

• Lenta implementación de lasenergías renovables.

https://elpais.com/diario/2009/01/08/internacional/1231369201_850215.html

https://es.wikipedia.org/wiki/Petr%C3%B3leo_Brent

27

https://elpais.com/diario/2009/01/08/internacional/1231369201_850215.htmlhttps://es.wikipedia.org/wiki/Petr%C3%B3leo_Brent

Reactores en construcción en el mundo

Fuente: Organización Internacional de Energía Atómica

(https://www.iaea.org/pris/ ), 30/08/2019

• 52 reactores en

construcción en 18 países.

• 158 reactores más

programados

• 330 reactores propuestos

28

https://www.iaea.org/pris/

29

Reactores de Generación III/III+Características

Reactores de Generación III/III+Características

• Evolución de los reactores de Generación II: tecnologíasprobadas

• Más seguros: sistemas pasivos y mayor grado deredundancia

• Simplicidad: menos sistemas, menos costes de operación ymantenimiento y menos costes de construcción

• Altos factores de capacidad: ciclos más largos• Diseño a 60 años de vida operacional• Procesos de licencia estandarizados• Menos residuos por Mwe producido• Menos dosis operacionales

30

Reactores de Generación III/III+ más relevantes

31

AP1000

ABWR

EPR

ESBWR

APR1400

AES2006

AP1000 de Westinghouse

• Potencia:1117 MWe

• Licenciadoen EEUU,China yReinoUnido.

32https://aris.iaea.org/PDF/AP1000.pdf

https://aris.iaea.org/PDF/AP1000.pdf

AP1000Sistema de refrigeración del reactor

33

34

AP1000Sistema de refrigeración de seguridad del reactor

AP1000Sistema de refrigeración pasiva de la contención

Edificio de protección

Air Baffle Entrada Entrada

Liner -

Contención de acero

Salida

35

AP1000Construcción modular

36

AP1000Sanmen y Haiyang (China)

37http://www.world-nuclear-news.org/Articles/Fourth-Chinese-AP1000-enters-commercial-operation

• 4 unidades en China:

– Sanmen (2)

– Haiyang (2)

http://www.world-nuclear-news.org/Articles/Fourth-Chinese-AP1000-enters-commercial-operation

AP1000 Construcción

• 4 unidades en Estados Unidos:

– Votgle (2)

– VC Summer (2) (construcción parada el 31/07/2017)

• 6 unidades en la India (¿?)

38

EPR

• Potencia:1770 MWe

• Licenciadoen Alemania,Francia,Finlandia,China y ReinoUnido.

39

https://aris.iaea.org/pdf/epr.pdf

https://aris.iaea.org/pdf/epr.pdf

EPRSistema de refrigeración del reactor

40

EPRSistemas activos de seguridad

4 trenes de inyección de seguridad independientes

41

EPRSistema de retención del núcleo fundido

42

EPRDoble contención

43

5 unidades EPR™ en construcción

Flamanville 3

Taishan 1&2

Olkiluoto 3

Hinkley Point C44

En operación comercial desde 14/12/2018

https://www.edfenergy.com/energy/nuclear-new-build-projects/hinkley-point-c/about/virtual-tour

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1. Introducción

2. Reactores nucleares en el mundo

3. Energía nuclear en España

4. Introducción a reactores de Generación III/III+

5. Small Modular Reactors

6. Introducción a reactores de Generación IV

Small Modular Reactors

46

Small Modular Reactors

47

48

https://www.eastidahonews.com/2019/08/a-comprehensive-look-at-the-nuscale-small-modular-reactor-project/

https://www.eastidahonews.com/2019/08/a-comprehensive-look-at-the-nuscale-small-modular-reactor-project/

• Oregon State University (USA)• 45 MWe• 90% Capacity Factor• Integral reactor• Modular, scalable• Passive safety• Online refueling

12-module, 540 MWe NuScale Plant

Reactor and containment are

submerged in underground steel-

lined concrete pool with 30-day

supply of cooling water.Any hydrogen released is trapped in

containment vessel with little to no oxygen

available to create a combustible mixture.

News (May 2014): NuScale will receive up to $217 million in funding over five years todevelop its small modular reactor (SMR) under an agreement finalized with the USDepartment of Energy (DoE).

Índice

1. Introducción

2. Reactores nucleares en el mundo

3. Energía nuclear en España

4. Introducción a reactores de Generación III/III+

5. Small Modular Reactors

6. Introducción a reactores de Generación IV

Objetivos

Sostenibilidad

◼Mejor aprovechamiento del combustible

◼Menor radiotoxicidad de los residuos generados

◼Mejores rendimientos de conversión térmica

Economía

Seguridad y fiabilidad

◼Mayor seguridad (intrínseca y pasiva)

Resistencia a la proliferación

Aplicaciones secundarias (H2,cogeneración…)

Replanteamiento

Cambios principales respecto a Gen III/III+:

Refrigerantes: metales líquidos, gases alta temperatura, agua supercrítica, sales fundidas

Combustible: metales, carburos, esferas de grafito

Conversión de energía: ciclos de gas, vapor o ciclos combinados

Selección de sistemas por el GIF

Sistemas de IV generación

Reactores rápidos de Generación IV

Espectro rápido

Reproducción de combustible (Breeding)

Los reactores consumen material físil (CF) 233U, 235U ó 239Pu

Pero además pueden generarlo mediante la transformación del material fértil (PF) :

238U ⇨ 239U ⇨ 239Np ⇨ 239Pu

232Th ⇨ 233Th ⇨ 233Pa ⇨ 233U

Sólo los reactores rápidos consiguen factores de reproducción significativos.

Reservas mundiales de Uranio

1 Reservas Identificadas = Garantizadas + Reservas Inferidas = 4.74 MtU

2 Reservas Convencionales Totales = Garantizadas + Inferidas + Extrapoladas + Reservas Especuladas = 14,8 MtU

3 Fosfatos = Uranio contenido en fosfatos = 22 MtU

Datos en años de producción de electricidad (referencia 2004)

Fuente: Uranio 2005: recursos, producción y demanda. NEA-OCDE/OIEA 2006

RI 1 RCT 2 RCT + Ph 3

Reactores actuales 85 270 675

Nuevos reactores 2.550 8.000 20.000

Las reservas de torio y los stocks de plutonio contribuyen al alargamiento de recursos de

combustible nuclear para las nuevas centrales nucleares

Transmutación de actínidos minoritarios

MA: Actínidos Minoritarios (Np, Am y Cm) Fisión favorable frente a captura → mayor eliminación

de productos pesados

cf

Consecuencias: minimización de los residuos

Source: Handbook of Nuclear Engineering. D.N. Cacuci (editor). Springer, 2010.

BN-800 (Rusia)

66Desde 2016

Estudio escenario español con reactores de Gen IV

In case of using only resources from national uranium mines, there would not be enough uranium to feed the required fleet for the most demanding energy scenarios. Nevertheless, if reprocessing is possible and the operational life is extended to 60 years, there would not be any limitation to feed the required fleet by any of the postulatedscenarios.

Regarding plutonium, it can be concluded that as the only way to obtain Pu is from the reprocessing of the spent fuel, there is not enough plutonium to feed the complete fleet. However, thanks to the breeding properties of the ESFR-like reactors, a strategy involving the continuous reprocessing of plutonium has been proposed in order to obtain enough plutonium to feed reactors’ cycles until the desired production level is achieved.

Analysis of a Spanish energy scenario with Generation IV nuclear

reactors. R. Ochoa, G. Jimenez, S. Perez-Martin, 2014, Energy

Conversion and Management. VOLUMEN: 77, PÁGINAS: 389-397

¡Gracias por vuestra atención!

gonzalo.jimenez@upm.es

mailto:gonzalo.jimenez@upm.es