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Panamericano de Ingeniería Naval, Costa Afuera e Ingeniería
Portuaria COPINAVAL 2013
1455
Plantas nucleares flotantes para la industria offshore
usando
combustible nuclear tipo VVER y ciclos basados en Torio
Daniel E. Milian Lorenzo, D. Milian Pérez, L. P. Rodríguez
García, J. Salomón Llanes
Instituto Superior de Tecnologías y Ciencias Aplicadas,
InSTEC
Ave. Salvador Allende y Luaces. Quinta de los Molinos. Plaza AP:
6163
La Habana, Cuba. Email: [email protected], [email protected]
Teléfono: (+) 537 873-8214
RESUMEN
Las plantas nucleares flotantes, PNF, se basan en la experiencia
alcanzada en la
operación de los reactores nucleares a bordo de buques por más
de 6000 años-
reactor sin la ocurrencia de accidentes con consecuencias de
radiación y utilizan
reactores nucleares pequeños innovativos con ciclos combustibles
que operan
durante largos períodos de tiempo sin recargar y permutar el
combustible nuclear en
el núcleo del reactor, lo cual impide el desvío clandestino del
material del
combustible nuclear. Ofrecen aplicaciones flexibles con opción
de cogeneración
capaces de suministrar electricidad para la industria offshore y
para regiones
costeras tanto remotas como cercanas a grandes ciudades
independientemente de
su sismicidad, e incluso para situaciones de emergencia debido a
desastres
naturales. El ciclo de vida de las PNF puede implementarse en
diferentes escenarios
respecto a las responsabilidades que el usuario y el productor
asuman,
favoreciendo la reducción de las restricciones políticas y
económicas en el uso de la
tecnología nuclear que en ocasiones están sometidos los países
en desarrollo. La
Federación Rusa construye la primera planta nuclear flotante,
“Académico
Lomonosov”, que utilizará dos reactores nucleares de agua a
presión KLT-40S de 35
MWe diseñado específicamente para este tipo de planta y basado
en los reactores
nucleares utilizados en los rompehielos de propulsión nuclear.
Además, se
encuentra en fase de diseño conceptual el reactor VBER-150 de
110 MWe para una
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FNP con opción de cogeneración, el cual se desarrolla utilizando
la experiencia de
operación de los reactores tipo VVER y los logros en el campo de
la seguridad de
las plantas nucleares. En el presente trabajo se presenta el
estado actual del
desarrollo de las PNF de diseño ruso y se muestran los
resultados obtenidos por los
autores sobre la investigación de los ciclos combustibles
basados en Torio del
reactor nuclear VBER-150.
INTRODUCCIÓN
Los reactores nucleares a bordo de buques han logrado una larga
explotación sin
accidentes, lo cual está avalado por más de 6000 años-reactor
sin la ocurrencia de
eventos con consecuencias de radiación. Los rompehielos de
diseño ruso tales
como el “Arktika”, “Sibir”, “Rossia” y otros más son un ejemplo
[1].
Las lecciones aprendidas de los accidentes ocurridos en las
plantas nucleares han
promovido iniciativas que contribuyen al incremento del nivel de
seguridad de las
que están en operación o en construcción, así como a la
investigación y desarrollo
de sistemas nucleares innovativos y sus ciclos combustibles que
garantizarán el uso
de esta fuente de energía de una manera sostenible [2]. Formando
parte de estas
iniciativas se desarrollan plantas nucleares flotantes, de
interés para regiones con
limitadas infraestructura, países con redes eléctricas pequeñas,
áreas remotas de
difícil acceso o islas aisladas y con aplicación a la generación
de electricidad para
consumidores en tierra y plataformas de perforación y extracción
de petróleo mar
afuera, la desalinización del agua de mar y la calefacción.
Estas plantas se basan en
reactores nucleares y tecnologías innovadoras que garantizan un
alto nivel de
seguridad de la instalación, y en la experiencia de los
reactores nucleares a bordo
de buques [3].
En el trabajo se presentan las características técnicas y de
operación del reactor
nuclear ruso VBER-150 [4], aspectos relacionados con su
seguridad y confiabilidad y
el impacto ambiental referido a su utilización en la industria
offshore del petróleo.
El diseño del reactor nuclear VBER-150 es el resultado de la
evolución de los
reactores modulares a bordo de buques, considerando un
incremento de la potencia
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térmica sobre la base del aumento en las dimensiones del reactor
y de la carga de
combustible nuclear manteniendo en lo posible las soluciones de
diseño aplicadas a
estos reactores a bordo de buques [1]. Fue desarrollado a partir
de la experiencia
de operación de los reactores tipo VVER con más de 1465
años-reactor sin la
ocurrencia de eventos con consecuencias de radiación [5] y los
logros en el campo
de la seguridad de las plantas nucleares de potencia.
Características técnicas y de operación del reactor nuclear
VBER-150
Las Plantas Nucleares Flotantes (PNF) con reactores nucleares
VBER-150 [4] son
buques diseñados específicamente para producir energía de origen
nuclear para la
generación de electricidad, la desalinización de agua potable,
la calefacción, y el
suministro de energía a plataformas de perforación y extracción
de petróleo mar
afuera.
El diseño de las PNF rusas se basa en las tecnologías probadas y
en las
experiencias de operación de los reactores nucleares utilizados
en instalaciones
marinas, en especial en los rompehielos (figura 1), y de los
reactores nucleares de
tipo VVER (figura 2).
Figura 1. Nueva generación de rompehielos Figura 2. Planta
nuclear con reactores VVER-
1000
El reactor nuclear VBER-150 (figura 3) es diseñado para una PNF
(figura 4) con una
potencia de salida adaptada a las necesidades del cliente; tiene
un ciclo de
operación largo y no requiere operaciones con el combustible en
el emplazamiento.
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La recarga y gestión de los desechos se proveen en centros
especiales de
mantenimiento.
Figura 3. Reactor VBER-150. Figura 4. Planta Nuclear
Flotante.
El diseño del reactor VBER-150 se basa en la experiencia
acumulada y los logros
actuales en la rama de la seguridad de plantas nucleares y
reactores a bordo de
buques [4]. Los sistemas de seguridad diseñados para el VBER-150
cumplen con
los estándares internacionales.
La instalación del reactor está protegida por una estructura
cilíndrica de acero
presurizada cuyas dimensiones son 12 m de diámetro interno, 15.9
m de altura, un
volumen interno aproximadamente de 1820 m3 y puede resistir
sobrepresiones de 1
MPa. Además, dispone un blindaje biológico externo que consiste
en placas de
acero y concreto. El sistema ha sido diseñado para resistir el
impacto de un avión.
El equipamiento principal del VBER-150 al igual que otros
reactores nucleares de
agua a presión está conformado fundamentalmente por la vasija
del reactor, dos
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generadores de vapor, dos bombas de circulación, y los sistemas
de regulación y
control.
En [4] se reporta que el diseño detallado y construcción de la
PNF se efectúan como
máximo en 3 y 4 años respectivamente. El costo de la
construcción asciende a 180
millones USD con un periodo de amortización desde el comienzo de
la operación de
la PNF de 9-10 años y un costo de la electricidad generada de
2,5 centavos de dólar
por kW h.
Una PNF típica con un solo reactor tendrá dimensiones tales como
105 m de eslora,
46 m de manga; así como un desplazamiento total de alrededor de
12 000
toneladas. Las características del VBER-150 para el modo de
recarga total del
combustible nuclear son: núcleo del reactor compuesto por 85
conjuntos
combustibles del tipo VVER-1000 TVSA-T [6] (figura 5); volumen
del núcleo del
reactor 9.02 m3; 23,3 toneladas de uranio enriquecido a un 4,7%
en peso; y
quemado del combustible nuclear a una densidad de potencia de 39
MW/m3.
Figura 5. Conjunto combustible VVER-1000 TVSA-T.
El concepto de la instalación del reactor VBER-150 proporciona
la posibilidad de la
operación del núcleo con el combustible estándar VVER en los
siguientes dos
modos de operación [4], ver tabla 1:
Ø Recarga parcial, con un ciclo de operación de 320 días
efectivos.
Ø Recarga total, con largos ciclos de operación todavía en
estudio.
Como se observa, el máximo quemado del combustible en el modo de
recarga total
es de 41.6 MW*día/kg U; menor que el valor de 55 MW*día/kg U
probado para el
reactor VVER-1000. Este margen en el quemado del combustible
unido a diseños
avanzados del combustible nuclear propicia la extensión del
ciclo de operación hasta
10-12 años.
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Las opciones del ciclo combustible para el reactor VBER-150
incluyen un ciclo de
uranio de un paso (ciclo básico), un ciclo de Uranio-Torio de un
paso para reducir la
producción específica de plutonio (ciclo combustible de Torio
Radkowsky) y un ciclo
cerrado con combustible MOX.
Tabla 1. Características del VBER-150 en diferentes modos de
operación.
Modo de operación Recarga parcial Recarga total
Potencia térmica, [MW] 440 350
Potencia eléctrica, [MW] 150 110
Altura del núcleo, [mm] 1500 2200
Cantidad de conjuntos combustibles en el núcleo 15 85
Factor de repetición de recarga 5.66 1
Cantidad de uranio a recargar, [t] 2.85 23.3
Cantidad de uranio-235 a recargar, [kg] 142
Enriquecimiento, [% en peso] 4.95 4.7
Duración del ciclo entre recargas, [full power days] 320
2083*
Consumo específico de uranio natural, [g/(MW*día)] 213 339
Quemado del combustible descargado, [MW*día/kg U]
Promedio para un conjunto combustible
Máximo para un conjunto combustible
Máximo para un elemento combustible
50.0
53.0
57.5
31.3
41.6
* Corresponde a más de 7 años a un factor de carga de 0.8.
Los autores del presente trabajo estudiaron estas y otras
opciones del ciclo
combustible nuclear para el modo de recarga total utilizando el
código computacional
MCNPX [7], basado en la teoría de Monte Carlo. Las seis opciones
del ciclo
combustible estudiadas para este reactor son:
Ø UOX: Ciclo básico. Oxido de Uranio enriquecido al 4.7% en peso
U235.
Ø UPuOX: Ciclo de Oxido de U238 con Pu239 (plutonio
militar).
Ø U233ThOX: Ciclo de Oxido Torio con U233 producto del
reprocesamiento de
otros ciclos basados en Torio.
Ø UThOX: Ciclo de Oxido de Uranio enriquecido al 4.7% en peso
U235 con Torio.
Ø UPuThOX: Ciclo de Oxido Torio con MOX.
Ø PuThOX: Ciclo de Oxido de Torio con Pu239 (plutonio
militar).
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Los cálculos con el código MCNPX se realizaron con un modelo de
distribución
homogénea del combustible dentro del conjunto similar al
reportado en [8].
En la tabla 2 se muestran los resultados obtenidos para cada una
de las seis
opciones relacionados con la duración del ciclo y el quemado
promedio del
combustible descargado.
Tabla 2. Cálculos para las opciones del ciclo de combustible
nuclear para el reactor
VBER-150.
Parámetros Opciones del ciclo combustible para el reactor
VBER-150
UOX UPuOX U233
ThOX UThOX UPuThOX PuThOX
Duración del ciclo, [full power days] 2083 3100 3100 1500 700
2800
Quemado promedio para un conjunto
combustible descargado [MW*día/kg
U]
31,30 46,58 46,58 29,97 17,31 42,07
Como se observa, se obtuvieron resultados idénticos para el
combustible estándar
según lo presentado en [4] (ver tabla 1). Para el resto en
algunas opciones se
alcanzaron resultados superiores de quemado promedio y de la
duración del ciclo.
Este hecho requiere la profundización de los estudios de
seguridad respecto al
comportamiento termomecánico del combustible nuclear.
Impacto ambiental en la industria offshore del petróleo
La tecnología offshore desempeñará un rol importante en las
estrategias energética
y ambiental y se desarrolla velando por la reducción de la
huella medioambiental de
sus operaciones, en el marco de un compromiso a favor del
desarrollo sostenible, de
ahí el interés que muestra el público en el mundo sobre esta
industria y su evolución
como se observa en la figura 6 que reporta los resultados de la
herramienta Google
Trends.
En Cuba, se trabaja en la elevación de la producción nacional de
crudo y gas
acompañante, acelerando los estudios geológicos encaminados a
poder contar con
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nuevos yacimientos, incluidos los trabajos de exploración en la
Zona Económica
Exclusiva (ZEE) del Golfo de México. Se presta atención
prioritaria al impacto
ambiental asociado al desarrollo industrial existente y
proyectado en la industria del
petróleo y se potencia el aprovechamiento de las distintas
fuentes renovables de
energía, priorizando aquellas que tengan el mayor efecto
económico [9].
Figura 6. Términos “offshore oil” y “offshore wind” en la
herramienta Google Trends.
Hasta el presente, los explotadores de las plataformas de
petróleo offshore han
contado con dos opciones para el suministro de energía a toda la
maquinaria local:
generar electricidad in situ con turbinas de gas que impulsen
generadores, o recibir
electricidad desde la costa mediante cables submarinos [10]. Las
proyecciones
indican un crecimiento en la demanda de la potencia offshore,
por lo que fuentes
alternativas de energía como las prometedoras renovables del
tipo eólica, solar y
oceánicas, pudieran contribuir a la reducción del uso de los
fósiles y así de las
emisiones de CO2 y NOx [11,12].
Las fuentes renovables de energía pueden constituir la solución
de principio a la
problemática del cambio climático [13], pero todo parece indicar
que no están listas
en la escala suficiente para asumir ese gran desafío ni para
aplicarse a gran escala
en la industria offshore.
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La energía nuclear, que enfrenta el problema básico de
comprensión y aceptación
por el público en especial relacionado con las plantas nucleares
[14], es la única
fuente disponible ahora con la madurez requerida para, a tiempo
y de forma masiva,
reducir la dependencia del hombre a los fósiles y así revertir
el cambio climático.
Para evaluar la utilización de las PNF desde el punto de vista
ambiental para la
industria offshore, los autores del presente trabajo realizaron
una comparación con
el impacto ambiental que producen los sistemas de suministro de
electricidad para
plataformas más difundidos a nivel mundial, que se basan en
turbinas de gas y
cables submarinos desde redes terrestres usando motores diesel.
La metodología
de cálculo y los datos utilizados para la comparación se
reportan en [10,15].
Para realizar la comparación se calcula el costo evitado de
emisión de CO2 en el
supuesto de que se sustituyen los sistemas de suministro de
electricidad
convencionales de una plataforma offshore de petróleo por una
PNF que utiliza un
reactor nuclear VBER-150. La tabla 3 [15] muestra las emisiones
específicas según
la fuente de energía y la tecnología de generación eléctrica, de
esta tabla se toman
los datos referidos a la energía nuclear y al petróleo, y de
[10] los datos de una
turbina de gas de las que se utilizan en las plataformas
offshore de petróleo que
alcanzará a lo sumo eficiencias de entre 25-30%; por tanto, por
cada metro cúbico
de gas natural quemado se emiten 2 kg de CO2 para producir solo
3 kWh de
electricidad, entonces esta tecnología emite 667 kg
CO2e/MWh.
En la tabla 4 se muestran los resultados obtenidos, a partir del
calculo de la
producción de electricidad de la PNF durante un año y las
emisiones de CO2e
evitadas. Hay que destacar, que los resultados alcanzados son
conservadores ya
que se tomó las emisiones reportadas en [15] para un reactor de
agua ligera
emplazado en tierra.
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Tabla 3. Emisiones de CO2e según fuente de energía y tecnología
aplicada*.
* Fuente: [15].
Una vez obtenidas las toneladas TM de CO2e evitadas, el paso
siguiente es su
valoración en términos económicos teniendo en cuenta el precio
de la tonelada de
CO2e en el mercado internacional de emisiones. Se han supuesto
tres escenarios de
precios, uno bajo (25 USD/ TM CO2e), uno medio (50 USD/ TM CO2e)
y otro alto
(75 USD/ TM CO2e), aunque la tendencia es al aumento de los
precios [15]. En la
tabla 5 se muestra la valoración económica según los escenarios
considerados para
la sustitución de la generación de electricidad basada en
combustible fósil con una
PNF.
Teniendo en cuenta que el costo de construcción de una PNF con
reactor nuclear
VBER-150 asciende a 180 millones de USD [4], los valores del
costo evitado debido
a la sustitución del empleo de combustibles fósiles son
significativos, por lo que
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desde este punto de vista parece factible la utilización de la
energía nuclear para la
demanda de potencia offshore.
Tabla 4. Emisiones de CO2e evitadas por la utilización de una
PNF en un año de
operación.
Potencia nuclear (MWe) 110
Horas/año 8760
Factor de disponibilidad 0.85*
Energía producida (MWh) 819060
(Emisiones de la Turbina de Gas) – (Emisiones de la PNF) =
(667-15
kgCO2e /MWh) 652
Emisiones evitadas (TM CO2e/año) 534027.12
Emisiones del Motor Diesel) – (Emisiones de la PNF) = (550-15
kgCO2e
/MWh)
535
Emisiones evitadas (TM CO2e/año) 438197.1
*Fuente: 0.85-0.9 [4]. Se tomó el valor más conservador.
Tabla 5. Valoración del CO2 evitado en un año mediante la
utilización de la PNF.
Escenario Precio (USD/TM) Costo evitado (millones USD/año)
Sustitución de la turbina de gas en la plataforma
Bajo 25 13.35
Medio 50 26.70
Alto 75 40.05
Sustitución del cable submarino desde la costa
Bajo 25 10.95
Medio 50 21.91
Alto 75 32.86
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CONCLUSIONES
1. Las PNF constituyen una unidad móvil y autónoma de energía y
contribuyen a
enfrentar los desafíos energéticos-ambientales con múltiples
aplicaciones para el
suministro de electricidad y la desalinización del agua de mar a
regiones e islas
aisladas y el desarrollo de la industria offshore sin
preocupaciones de que sus
emisiones empeoren la problemática del cambio climático.
2. Representan una opción atractiva para dar respuesta a la
demanda de
potencia offshore, sobre la base de las reducciones
significativas de emisiones de
gases de efecto invernadero al sustituir las tecnologías
convencionalmente
utilizadas por la industria offshore basadas en combustibles
fósiles.
3. El diseño innovador del reactor nuclear modular y ciclos
combustibles
basados en Torio pudieran contribuir a enfrentar los problemas
de la aceptación de
la energía nuclear relacionada con la no proliferación y la
gestión de los desechos
nucleares.
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