El futuro de la energía nuclear

28 de noviembre de 2016

por Daniel McGlynn, Universidad de California - Berkeley

A principios de este año, Rachel Slaybaugh asistió a una reunión en el campus sobre innovación tecnológica. Cuando se presentó como profesora de ingeniería nuclear, otros asistentes se detenían y pedían aclaraciones. Ella recuerda: "La gente decía: 'Espera. ¿Qué? ¿Eres de dónde?'".

"No sé si te has dado cuenta", respondía, "pero la industria nuclear está un poco atrasada en términos de innovación".

El sector de la energía nuclear a menudo se percibe como una industria del siglo pasado. Pero eso está cambiando. Un mercado creciente de empresas emergentes respaldadas por empresas indica que estamos al borde de una renovación nuclear.

A pesar de una historia turbulenta, el encanto de la energía nuclear (producción de electricidad a gran escala con emisiones mínimas) sigue siendo atractivo. Su baja tasa de emisión es la razón por la cual el Panel Internacional sobre el Cambio Climático de las Naciones Unidas recomienda duplicar la capacidad nuclear mundial para 2050.

La energía nuclear como estrategia eficaz para combatir el cambio climático, junto con la fascinante física de la fisión nuclear, es lo que atrajo a Slaybaugh al campo en primer lugar. "Sigo volviendo a los números de seguridad e impactos", dice ella. "Incluso sin considerar el cambio climático, basta con mirar el impacto de la contaminación del aire en la salud pública. Simplemente no puedo llegar a ninguna respuesta que no sea nuclear".

Sin embargo, la mayor parte de los 100 reactores nucleares que operan actualmente en los EE. UU., que continúan produciendo alrededor del 20 por ciento de la energía del país, están llegando a la edad de jubilación y las fuerzas del mercado energético no siempre favorecen la energía nuclear.

En junio, la empresa de servicios públicos Pacific Gas and Electric de California anunció planes para cerrar su controvertido reactor Diablo Canyon en una década. La razón citada no fue por problemas ambientales o de seguridad, sino económica: el reactor envejecido no puede competir en precio con otras fuentes de energía. "Es irónico que, a medida que los grupos ambientalistas se vuelven pronucleares o al menos neutrales, las plantas nucleares existentes están cerrando, no debido a una mayor reacción pública, sino a las distorsiones en el mercado de la electricidad", dice Slaybaugh.

“Soy muy partidaria de las renovables, pero se pagan créditos fiscales a la producción a algunos recursos que no emiten contaminación atmosférica y a otros no”, continúa. "Eso no tiene mucho sentido".

Muchos se dan cuenta de que para que la producción de energía nuclear tenga futuro, toda la industria necesita una revisión, incluida la forma en que se construyen las estructuras regulatorias y los mercados de energía, así como la forma en que se diseñan, financian y construyen los reactores nucleares. La necesidad de una modernización en toda la industria es clara incluso en Washington, DC, donde los legisladores de ambos lados del pasillo están en gran medida de acuerdo en que el sector nuclear, una de las industrias más reguladas del mundo, debe ser más complaciente. a nuevos emprendimientos.

Del mismo modo, la capacitación de una nueva fuerza laboral nuclear también necesitará una revisión. Es por eso que, con un sentido de urgencia y vientos de cola políticos favorables, Slaybaugh lanzó un campo de entrenamiento de innovación nuclear. El campamento de entrenamiento de dos semanas, que se llevó a cabo en agosto, acogió a 25 estudiantes universitarios de todo el mundo y los animó a visualizar cómo sería la "nueva energía nuclear". Slaybaugh colaboró ​​​​con Third Way, un grupo de expertos centrista con sede en DC que trabaja en temas relacionados con la energía nuclear, junto con el consorcio industrial Nuclear Innovation Alliance, para desarrollar el plan de estudios para el curso de dos semanas.

"Una de las razones por las que tiene sentido tener este bootcamp en Berkeley", dice Todd Allen, experto en energía nuclear y miembro visitante principal de Third Way, "es porque existe una cultura de innovación. Una de las primeras incubadoras del Departamento de Energía , Cyclotron Road, está ubicado en Berkeley Lab. El Área de la Bahía tiene todas las piezas que podrían soportar algo como esto".

La era dorada de la energía nuclear comenzó inmediatamente después de la Segunda Guerra Mundial, cuando el gobierno federal comenzó a invertir dinero en investigación y desarrollo en diseños de reactores nucleares comerciales.

En 1951, en un edificio de concreto ubicado en las llanuras de matorrales de artemisa del este de Idaho, los científicos que trabajaban en la Estación Nacional de Pruebas de Reactores (ahora parte del Laboratorio Nacional de Idaho) accionaron el interruptor del primer reactor diseñado para convertir el calor derivado de la división de átomos de uranio. en electricidad. Durante sus primeros destellos de vida, el reactor encendió cuatro bombillas de 200 vatios, dando inicio a una década de investigación e ingeniería pioneras, seguida de cuatro décadas de controversia y fallas tecnológicas catastróficas.

A fines de la década de 1950, los primeros reactores nucleares comerciales a gran escala se pusieron en funcionamiento en todo el país. En 1960, la Comisión de Energía Atómica estimó que la nación sería alimentada por miles de reactores nucleares para el año 2000.

"En el pasado, la filosofía era que el despliegue comercial debía realizarse lo más rápido posible", dice Per Peterson, profesor de ingeniería nuclear y decano asociado ejecutivo de la universidad. "Nos volvimos competentes en la construcción y operación de reactores enfriados por agua para submarinos. Y luego nos encerramos en ese tipo de tecnología".

A pesar de los primeros desarrollos que utilizaron otros diseños de reactores y configuraciones de combustible, la industria se decidió por ese diseño único (reactores enfriados por agua, también conocidos como reactores de agua ligera) como un estándar universal. El tiempo y el dinero involucrados en el proceso de permisos regulatorios nucleares hicieron que desviarse del diseño aceptado fuera prohibitivamente costoso.

Los reactores de agua ligera producen electricidad creando vapor para hacer girar una turbina. El combustible sólido, generalmente uranio dispuesto en barras que deben reemplazarse aproximadamente cada cuatro años, se enfría con agua a presión. Un accidente en un reactor de agua ligera puede liberar materiales radiactivos en forma de partículas finas. Con vapor a alta presión, estas partículas pueden escaparse del edificio de un reactor, como en los accidentes de alto perfil en Chernobyl y Fukushima.

"El espacio de consecuencias para accidentes severos es bastante importante con este tipo de reactor", dice Peterson. "Por lo tanto, se necesitó mucho esfuerzo para desarrollar sistemas activos extremadamente confiables para proporcionar enfriamiento, estructuras de contención de alta presión y fugas bajas, lo que hace que estos reactores sean más costosos. Por lo tanto, se construyeron cada vez más grandes para lograr economías de escala".

"Al final, eso no pareció funcionar demasiado bien", dice.

En 1979, un reactor en Three Mile Island en Pensilvania se derrumbó parcialmente debido a una falla en la válvula y un error del operador humano, lo que resultó en la evacuación de 140,000 personas. Tras el accidente, los sentimientos antinucleares se convirtieron en la base del incipiente movimiento ecologista del país, lo que generó dudas sobre la seguridad de las instalaciones nucleares y qué hacer con la creciente pila de barras de combustible nuclear gastado.

Durante los próximos 30 años, la visión de los primeros días de la energía nuclear, de miles de reactores bombeando energía libre de emisiones, fue atenuada por la economía y la política.

A pesar de las sombrías perspectivas de crecimiento, Slaybaugh sintió curiosidad por una carrera en ingeniería nuclear como estudiante universitario en Penn State a principios de la década de 2000. Inicialmente se interesó en la física cuando obtuvo una asignación de estudio y trabajo en el reactor de investigación de la universidad.

En la escuela de posgrado de la Universidad de Wisconsin, comenzó a estudiar la ecuación de transporte de Boltzmann, "una sola ecuación que describe dónde están todos los neutrones en un sistema nuclear", explica Slaybaugh. "Cualquier cosa en un sistema nuclear comienza donde están todos los neutrones, por lo que te permite descubrir todo lo demás".

Trabajar con la ecuación puede ser un desafío, por lo que Slaybaugh desarrolló experiencia en la creación de algoritmos y software para resolver la ecuación de manera más rápida y eficiente, lo que en última instancia se puede aplicar al diseño y modelado de nuevas tecnologías nucleares.

"El modelado verdaderamente predictivo terminará haciendo que sea mucho más factible, asequible y práctico hacer preguntas sobre lo que sucederá en los escenarios de diseño de nuevos reactores", dice Slaybaugh. "También tengo esta seria preocupación sobre las mejores prácticas y la calidad: desea asegurarse de que los códigos que está utilizando en los sistemas nucleares funcionen".

"Fundamentalmente", dice Slaybaugh, "hago las herramientas que otras personas usan para hacer análisis. Así que me emociona mucho hacer mejores martillos para que otras personas puedan hacer mejores casas". Slaybaugh, recientemente designado por el Secretario de Energía para el Comité Asesor de Energía Nuclear, también trabaja con Gateway for Accelerated Innovation in Nuclear (GAIN), un grupo organizado por el Departamento de Energía para brindar orientación sobre cuestiones técnicas, regulatorias y financieras que enfrentan este emergente industria "nuclear avanzada".

Energía nuclear avanzada es el término general que se utiliza para describir investigaciones novedosas sobre diseños de reactores más pequeños que incorporan combustibles nucleares alternativos y sistemas de refrigeración. Algunos diseños avanzados reutilizan desechos nucleares existentes como combustible; o usar combustible que no requiera enriquecimiento, lo que reduce las preocupaciones de seguridad asociadas con la energía nuclear.

"Lo más importante es que el gobierno está poniendo a disposición de las empresas privadas los recursos de laboratorio nacionales de una manera que no estaba antes", dice Slaybaugh. "Si eres una empresa nuclear nueva, solo puedes llegar hasta cierto punto antes de que necesites hacer pruebas, y no vas a construir una instalación de pruebas nucleares, porque eso es difícil y costoso. Pero ahora podrías asociarte con un laboratorio nacional para usar sus recursos experimentales. He estado hablando sobre cómo establecer un camino desde las universidades para este tipo de investigación".

Durante el año pasado, Third Way, un partidario del bootcamp de innovación nuclear de Slaybaugh, publicó una serie de informes y libros blancos que definen la industria nuclear avanzada. Encontraron 48 proyectos y empresas emergentes que trabajan en tecnologías avanzadas de energía nuclear, con un valor de más de $ 1.3 mil millones, en todo EE. UU. y Canadá.

Uno de esos proyectos está dirigido por el grupo de investigación de Per Peterson en Berkeley. Después de su Ph.D. investigación en ingeniería mecánica en Berkeley, Peterson comenzó a diseñar sistemas de seguridad pasiva para reactores de agua ligera, con miras a reemplazar y simplificar en gran medida los sistemas de seguridad activa que la industria había adoptado originalmente.

"En 2002", dice, "Estados Unidos lanzó un esfuerzo internacional sobre tecnologías nucleares avanzadas llamado Generación IV. Esto nos hizo pensar en lo que queríamos ver en tecnologías nucleares avanzadas, más allá de la seguridad pasiva".

Esas experiencias llevaron a Peterson a conceptualizar diseños completamente nuevos. "Ahora, la mayor parte de mi investigación se relaciona con reactores avanzados enfriados por sales de fluoruro fundidas, que han experimentado grandes avances desde que las sales fundidas se estudiaron por primera vez para aplicaciones de reactores a fines de la década de 1950", dice.

Los reactores de sales fundidas se enfrían con sales de fluoruro que se licúan y se mantienen estables a altas temperaturas. No necesitan ser presurizados como los reactores de agua ligera, lo que reduce la probabilidad de accidentes a gran escala.

"Las sales fundidas son fantásticos fluidos de transferencia de calor; tienen una enorme capacidad calorífica volumétrica, lo que significa que son notablemente compactas. Esto lo coloca en posición de diseñar recipientes de reactor para que tengan una vida útil limitada, para ser reemplazados varias veces durante la vida útil de un planta", dice Peterson. "Tan pronto como se enfoca en la vida útil limitada, se encuentra en un espacio muy diferente en términos de innovación y actualización de componentes antiguos".

Nombrado miembro de la Comisión Cinta Azul del Departamento de Energía sobre el Futuro Nuclear de Estados Unidos en 2010, Peterson también contribuye a la discusión nacional sobre los nuevos estándares regulatorios nucleares. "Aquí estamos solo 10 años después de que la NASA lanzara su programa de Servicios de Transporte Orbital Comercial para financiar empresas emergentes como SpaceX, y se ha producido un cambio masivo con la idea de que las empresas emergentes del sector privado pueden ser significativamente más ágiles y seguir trabajando en áreas que requieren altos niveles. de sofisticación técnica".

Inspirándose en los éxitos de otras industrias fuertemente reguladas, dice Peterson, es lo que lo mantiene optimista. "Existe la posibilidad de que ocurra una innovación rápida, y podemos hacer cambios importantes en la tecnología nuclear. Esto es en lo que debemos trabajar en la próxima década".

Proporcionado por la Universidad de California - Berkeley