Energía nuclear a prueba de fallas

En febrero volé por el interior de una máquina que podría representar el futuro de la energía nuclear. Estaba en un recorrido de realidad virtual en el Instituto de Física Aplicada de Shanghai en China, que planea construir en los próximos años un reactor experimental cuyo diseño hace que una fusión sea mucho menos probable. Dentro del núcleo, un lugar supercaliente e intensamente radiactivo al que ningún ser humano irá jamás, las capas de la planta de energía se desprendieron ante mí: el recipiente exterior de acero inoxidable, la capa interior de una aleación de alta tecnología y, finalmente, el combustible nuclear. en sí mismo, decenas de miles de esferas del tamaño de una bola de billar que contienen partículas de material radiactivo.

Con un acceso sin precedentes al funcionamiento interno del programa avanzado de investigación y desarrollo nuclear de China, fui testigo del nacimiento de una nueva tecnología nuclear. A través del reactor virtual serpenteaba un intrincado sistema de tuberías que transportaban el fluido que hace que este sistema sea especial: una sal fundida que enfría el reactor y transporta calor para impulsar una turbina y generar electricidad. Al menos en teoría, este tipo de reactor no puede sufrir el tipo de falla catastrófica que ocurrió en Chernobyl y Fukushima, haciendo innecesarios los costosos y redundantes sistemas de seguridad que han elevado el costo de los reactores convencionales. Además, las nuevas plantas deberían producir pocos desechos e incluso podrían consumir los desechos nucleares existentes. Podrían funcionar con uranio, que alimenta el 99 por ciento de las plantas de energía nuclear del mundo, o eventualmente podrían funcionar con torio, que es más limpio y abundante. El objetivo final del Instituto de Shanghái: construir un reactor de sal fundida que pueda reemplazar la tecnología de la década de 1970 en las plantas de energía nuclear actuales y ayudar a China a alejarse del carbón que ensucia el aire de Shanghái y Beijing, marcando el comienzo de una era de energía barata. , abundante, energía sin emisiones de carbono.

Esta historia fue parte de nuestra edición de septiembre de 2016

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Durante las próximas dos décadas, China espera construir la la industria de energía nuclear más grande del mundo . Los planes incluyen hasta 30 nuevas plantas nucleares convencionales (además de los 34 reactores que funcionan actualmente), así como una variedad de reactores de próxima generación, incluidos reactores de sal fundida de torio, reactores refrigerados por gas de alta temperatura (que, como -reactores de sal, que son altamente eficientes e intrínsecamente seguros) y reactores rápidos refrigerados por sodio (que pueden consumir combustible gastado de reactores convencionales para producir electricidad). Los planificadores chinos no solo quieren expandir drásticamente la capacidad nuclear nacional del país, sino también convertirse en el principal proveedor mundial de reactores y componentes nucleares, una perspectiva que muchos observadores occidentales encuentran alarmante.

El esfuerzo del Instituto de Shanghái por desarrollar reactores de sales fundidas, una tecnología que ha estado casi olvidada en los Estados Unidos durante décadas, refleja cuán audaces son las ambiciones nucleares de China. El gobierno ya ha invertido unos 2.000 millones de renminbi chinos (300 millones de dólares) durante los últimos cinco años en I+D de sales fundidas. La construcción de plantas reales requerirá decenas de miles de millones más. Al igual que con otras tecnologías nucleares innovadoras en desarrollo en todo el mundo, hay pocas garantías: aunque las personas han operado pequeños reactores experimentales de sales fundidas, nadie ha construido uno a escala comercial y lo ha conectado a la red. Sin embargo, el gobierno chino espera tener una planta de tamaño comercial en funcionamiento dentro de 15 años, lo que ayudará a revivir la asediada industria de la energía nuclear.

Los primeros experimentos con reactores de sales fundidas se llevaron a cabo en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge, en Tennessee, bajo la dirección de su director Alvin Weinberg a fines de la década de 1950. El programa chino de hoy, de hecho, es el fruto de una asociación única y algo controvertida entre Oak Ridge y el Instituto de Shanghái. El programa de investigación de EE. UU. se prolongó durante más de una década, pero finalmente se cerró en favor de la tecnología utilizada en la gran mayoría de las plantas de energía nuclear en la actualidad. En retrospectiva, esa decisión contribuyó no solo a la desaparición de una tecnología nuclear prometedora, sino también al largo estancamiento de la industria.

Hoy, sin embargo, el mundo necesita la energía nuclear más que nunca si queremos limitar el cambio climático. Según la Agencia Internacional de la Energía, la la capacidad nuclear del mundo debe más que duplicarse para mediados de siglo si nos mantenemos dentro de los 2 °C del calentamiento. Tal como está ahora, eso parece poco probable. Varios países, incluidos China e India, se han embarcado en construcciones masivas de energía nuclear, pero la mayoría implicará grandes reactores convencionales, tecnología que es demasiado costosa para gran parte del resto del mundo. Incluso países, como Alemania, que pueden permitirse la energía nuclear la están eliminando gradualmente porque temen otro desastre. Eso hace que las plantas de energía nuclear a prueba de fallas que se están desarrollando en el Instituto de Shanghai sean de suma urgencia.

El mundo necesita la energía nuclear más que nunca si queremos limitar el cambio climático.

Después de mi recorrido virtual, Kun Chen, uno de los principales científicos del programa de sales fundidas, me acompañó de regreso al edificio administrativo principal del instituto. La nieve había caído durante la noche y hacía mucho frío. En el auditorio, una pequeña multitud de empleados se había reunido para una charla de Xu Hongjie, el director del programa de sales fundidas. Era la semana anterior al largo feriado del año nuevo lunar, y esa noche se estaba celebrando el banquete anual del instituto. Xu habló durante más de dos horas sobre la historia de la tecnología de sales fundidas y sus perspectivas para el futuro.

Este ha sido el sueño de China durante medio siglo, dijo. Anteriormente, carecíamos de los conocimientos y habilidades necesarios para hacerlo realidad. Ahora tenemos los recursos, la tecnología y la experiencia. Ahora podemos hacerlo.

reacciones en cadena

Alvin Weinberg llegó por primera vez a Oak Ridge en 1945, justo después de que se construyeran sus laboratorios en las colinas del norte de Tennessee para producir uranio y plutonio aptos para armas. Un veterano del Proyecto Manhattan, Weinberg se convirtió en director del laboratorio nacional de rápido crecimiento en 1955 y ocupó el cargo hasta 1973. Fue un físico nuclear pionero y un filósofo de la energía nuclear que usó la frase trato fáustico para describir la tensión entre la sed de energía abundante de la sociedad industrializada y la vigilancia extrema necesaria para mantener segura la energía nuclear. Para hacer que esta fuente de energía sea limpia y extremadamente barata, creía que el vínculo entre la energía nuclear y las armas nucleares tendría que romperse. Y la forma de romper ese vínculo fue el reactor de sal fundida de torio.

Bajo el liderazgo de Weinberg, un equipo de entusiastas jóvenes químicos, físicos e ingenieros operó un pequeño reactor experimental de sales fundidas entre 1965 y 1969. Ese reactor en Oak Ridge funcionaba con uranio; El objetivo final de Weinberg era construir uno que funcionara exclusivamente con torio, que, a diferencia del uranio, no se puede convertir fácilmente en una bomba. Pero el experimento de la sal fundida se abandonó a principios de la década de 1970. Una gran razón fue que Weinberg logró alienar a sus superiores al advertirles sobre los peligros de la energía nuclear convencional en un momento en que docenas de tales reactores ya estaban en construcción o en las etapas de planificación.

A finales de siglo, EE. UU. había construido 104 reactores nucleares, pero la construcción de otros nuevos prácticamente se había detenido y la tecnología permaneció estancada en la década de 1970. Debido a que los reactores convencionales requieren recipientes de contención enormes y costosos que pueden explotar en condiciones extremas, y debido a que utilizan amplios sistemas de enfriamiento externos para asegurarse de que el núcleo de combustible sólido no se sobrecaliente y provoque una reacción desbocada que provoque una fusión, son enormemente caro. Dos nuevos reactores que se están construyendo ahora en Georgia podrían costar $21 mil millones, 50 por ciento más que la estimación original de $14 mil millones. Todo eso por una tecnología de 40 años.

Hoy, sin embargo, a medida que el cambio climático se acelera y los funcionarios gubernamentales y los científicos buscan una tecnología nuclear sin los costosos problemas que han estancado la versión convencional, la sal fundida está disfrutando de un renacimiento. Empresas como Energía Terrestre , Energía transatómica , Moltex , y Energía Flibe están compitiendo para desarrollar nuevos reactores de sales fundidas. Se están llevando a cabo programas de investigación sobre diversas formas de la tecnología en universidades e institutos de Japón, Francia, Rusia y Estados Unidos, además del del Instituto de Shanghái. Además del trabajo que se lleva a cabo para desarrollar reactores de combustible sólido que se enfrían con sal fundida (como el que visité virtualmente en Shanghái), hay diseños aún más radicales que también usan materiales radiactivos disueltos en sal fundida como combustible (como lo hizo el experimento de Weinberg). ).

Como todas las centrales nucleares, Los reactores de sales fundidas excitan los átomos en un material radiactivo. para crear una reacción en cadena controlada. La reacción libera calor que hierve el agua, creando vapor que impulsa una turbina para generar electricidad. Los reactores de combustible sólido enfriados con sal fundida pueden funcionar a temperaturas más altas que los reactores convencionales, lo que los hace más eficientes, y funcionan a presiones atmosféricas, lo que significa que no requieren recipientes costosos como los que se rompieron en Chernobyl. Los reactores de sales fundidas que usan combustible líquido tienen una ventaja aún más atractiva: cuando la temperatura en el núcleo alcanza cierto umbral, el líquido se expande, lo que ralentiza las reacciones nucleares y permite que el núcleo se enfríe. Para aprovechar esta propiedad, el reactor se construye como una bañera, con un tapón de desagüe en el fondo; si la temperatura en el núcleo sube demasiado, el tapón se derrite y el combustible se drena a un tanque blindado, generalmente bajo tierra, donde se almacena de manera segura mientras se enfría. Estos reactores deberían poder aprovechar más de la energía disponible en el material radiactivo que los convencionales. Eso significa que deberían reducir drásticamente la cantidad de desechos nucleares que deben manipularse y almacenarse.

Debido a que no requieren estructuras de contención enormes y necesitan menos combustible para producir la misma cantidad de electricidad, estos reactores son más compactos que las plantas nucleares actuales. Podrían producirse en masa, en fábricas, y combinarse en matrices para formar plantas de energía más grandes.

Todo eso debería hacerlos más baratos de construir. A diferencia de la eólica y la solar, que se han vuelto mucho menos costosas con el tiempo, las plantas nucleares se han vuelto mucho más costosas. Según la Administración de Información Energética de EE. UU., el costo ajustado a la inflación de construir una planta nuclear aumentó de $1500 por kilovatio de capacidad a principios de la década de 1960 a más de $4000 por kilovatio a mediados de la década de 1970. En su último cálculo, en 2013, la EIA encontró que la cifra había aumentado a más de $5500, más cara que una planta de energía solar o un parque eólico terrestre, y mucho más que una planta de gas natural. Ese costo inicial se ve amplificado por el gran tamaño de los reactores; según el promedio citado por la EIA, una planta de un gigavatio costaría 5500 millones de dólares, una inversión arriesgada para cualquier empresa.

Esos costos iniciales se equilibran con el hecho de que las plantas nucleares son relativamente baratas de operar: en las plantas nuevas, el costo nivelado de la electricidad, que mide el costo de la energía generada durante la vida útil de la planta, es de $95 por megavatio-hora, según a la EIA—comparable al costo de la electricidad de las plantas a carbón, y menos que la energía solar ($125 por megavatio-hora). Aún así, las plantas de gas natural son mucho más baratas de construir, y el costo de la electricidad que producen ($75 por megavatio-hora, según la EIA) también es más bajo. El endurecimiento de las regulaciones sobre las emisiones de carbono hace que la energía nuclear sea más atractiva, pero la reducción del costo de construcción es fundamental para el futuro de la energía nuclear sin carbono.

Ese es el argumento que está haciendo una nueva cosecha de nuevas empresas que trabajan en reactores nucleares avanzados, varias de ellas financiadas por inversores de Silicon Valley. Transatomic Power, por ejemplo, fue fundada por un par de doctores del MIT, Leslie Dewan y Mark Massie, quienes diseñaron una planta de 520 megavatios (aproximadamente del tamaño de una planta de carbón promedio en la actualidad) que creen que se puede construir por $ 2 mil millones, o $3,846 por kilovatio de capacidad. Eso está en línea con el costo de construir una planta de energía solar, pero tendría la gran ventaja de poder producir energía continuamente, no solo cuando brilla el sol. Terrestrial Energy, que recientemente ganó una subvención de investigación del gobierno canadiense para construir un reactor prototipo, dice que su reactor de sales fundidas podría eventualmente construirse por tan solo $ 2,000 por kilovatio.

Pero a pesar de que los diseños de sales fundidas han energizado a jóvenes tecnólogos ingeniosos, obtener una nueva tecnología de energía nuclear con licencia y construida en los EE. UU. sigue siendo una perspectiva desalentadora. Simplemente solicitar una licencia de la Comisión Reguladora Nuclear puede llevar años y costar cientos de millones de dólares, por lo que es posible que algunas de estas nuevas empresas nunca despeguen. Es más, incluso $ 2 mil millones sería mucho dinero para que los inversores y las empresas de servicios públicos gasten en una tecnología no probada con ventajas financieras cuestionables. Es por eso que el programa más cercano a producir un reactor en funcionamiento está en la República Popular China.

Piensa en grande

A pesar de que el experimento original con la tecnología de sales fundidas estaba llegando a su fin en los EE. UU. en la década de 1970, un pequeño grupo de investigadores del Instituto de Física Aplicada de Shanghái, parte de la Academia de Ciencias de China, estaba lanzando su propia investigación sobre la tecnología alimentada con torio. reactores de sales fundidas. Pero China, que no pondría en marcha su primera planta de energía nuclear hasta 1991, carecía de la experiencia y el dinero para desarrollar maquinaria sofisticada y materiales costosos en reactores avanzados. Para el siglo XXI, como todos los demás países con energía nuclear, China dependía de reactores convencionales. Pero las brasas del concepto todavía brillaban en la mente de los científicos nucleares chinos.

Los plazos son agresivos, al menos según los estándares de la industria nuclear de lento movimiento.

Desde el punto de vista chino, el torio tiene una ventaja particular: mientras que China continental tiene un pequeño porcentaje del uranio mundial, tiene mucho torio. Tener una fuente abundante de energía libre de carbono resolvería varios de los dilemas energéticos de China de una sola vez. A los ojos del gobierno central, no estamos aquí para hacer tecnologías maduras, tenemos que crear algo nuevo, algo estratégico, dice Kun Chen, el científico de sal fundida que dirigió mi recorrido virtual en Shanghái. Tienes que pensar en grande.

Educado en la prestigiosa Universidad de Ciencia y Tecnología de China, en Hefei, Chen obtuvo un doctorado de la Universidad de Indiana y trabajó durante varios años en el Laboratorio Nacional de Argonne (que, al igual que Oak Ridge, forma parte del Departamento de Energía de EE. UU.). Pero regresó a China para construir un reactor que cambiaría el mundo.

Se enteró en 2009, cuando visitó Shanghái para presentar un seminario en el Instituto de Física Aplicada. Un científico allí le habló sobre el reactor de sal fundida de torio, un proyecto que aún no ha sido financiado ni anunciado. Nuestro equipo obtuvo la mayoría de los documentos técnicos de la Web; fueron publicados por el equipo de Oak Ridge, recuerda Xu Hongjie, el director del programa de sal fundida, sacudiendo la cabeza con admiración o asombro ante la franqueza de los estadounidenses. Publicaron todo allí de forma gratuita.

A instancias de Xu, Chen se unió a la Instituto de Shanghái en 2010, y hoy es el encargado de colaborar con Oak Ridge. El laboratorio de EE. UU. está contribuyendo con investigaciones sobre materiales, sistemas de control y simulaciones por computadora al proyecto y ha construido una gran instalación de prueba de sal fundida que fue financiado por la Academia China de Ciencias. Mientras que algunos científicos y defensores de la energía nuclear se oponen con vehemencia a la idea de ayudar a China a construir una industria nuclear líder en el mundo, muchos ingenieros de Oak Ridge simplemente están ansiosos por ver reactores de sales fundidas construidos en alguna parte. Una de las cosas importantes a tener en cuenta es que varias personas clave en los reactores de sales fundidas se están jubilando muy rápido o falleciendo, dice David Holcombe, quien dirige la colaboración de Oak Ridge con el Instituto de Shanghái. No puede simplemente importar un nuevo conjunto de personal si vamos a mantener esta capacidad. China está proporcionando la financiación que nos permite transferir ese conocimiento, para adquirir experiencia práctica en la construcción y operación de estos reactores.

Me impresionó la confianza y el idealismo de los jóvenes científicos que trabajaban en el instituto, un optimismo que no se había visto en los círculos nucleares estadounidenses en décadas.

Para empezar, el Instituto de Shanghái planea adoptar un enfoque híbrido, utilizando sales fundidas para enfriar un núcleo de combustible sólido similar al de las plantas nucleares convencionales. Luego, dice Chen, el equipo avanzará hacia los combustibles líquidos para aprovechar completamente el potencial de seguridad y eficiencia de la tecnología. Al principio, el combustible será uranio, pero los ingenieros chinos planean cambiar más tarde a torio.

Los plazos son agresivos, al menos según los estándares de la industria nuclear. El Instituto de Shanghái tiene como objetivo poner en marcha una planta de combustible sólido a escala comercial para 2030 y un reactor de demostración de combustible líquido de 100 megavatios para 2035. Gran parte del trabajo actual, me dijo Chen, se centra en resolver los complejos desafíos de plomería asociados con la sal fundida altamente corrosiva. Me impresionó la confianza y el idealismo de los jóvenes científicos que trabajaban en el instituto, un optimismo que no se veía en los círculos nucleares estadounidenses desde la época de Weinberg.

En mi último día en Shanghái, Kun Chen y yo paseamos por los terrenos del instituto. La nieve casi se había ido, pero el viento helado seguía siendo fuerte. Me mostró el último proyecto de construcción del campus: un edificio del tamaño de un almacén de tres pisos de altura para albergar el programa de sales fundidas de torio. Todos los laboratorios de química, todos los talleres mecánicos, todas las computadoras, todas las oficinas y los circuitos de prueba, bombas y prototipos estarán alojados aquí cuando el edificio abra sus puertas a finales de este año. Era solo un caparazón en ese momento, pero era un símbolo del compromiso de China con la próxima era nuclear. El sueño de los científicos estadounidenses en Oak Ridge, hace medio siglo, está tomando forma aquí, a miles de kilómetros de distancia.

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