Sunday, July 11, 2021

mini-nuclear reactors are coming again?

Breaking Lab - Update Atomkraft: Dual Fluid Reaktor bietet saubere Energie der Zukunft, YouTube, 17.12.2020
Trad. cat. Actualització de l'energia nuclear: el reactor de doble fluid ofereix l'energia neta del futur
  1. Punxa el Play ">" per a veure el vídeo.
  2. Punxa la icona de l'engranatge que es troba a baix a la dreta per seleccionar la traducció automàtica dels subtítols a la llengua que escolleixis.
  3. Selecciona la llengua que prefereixis ... ja està!

Introducció
El mes d'abril del 2020 vaig publicar un article on analitzava un programa del Pentàgon que tenia per objectiu el desenvolupament d'un prototip de "mini-reactor nuclear segur, mòbil i avançat per donar suport a les diverses missions de l'exèrcit dels USA" (1). En aquell article també passava en revista altres iniciatives d'empreses nord-americanes que havien iniciat altres projectes amb el mateix objectiu, en aquest cas aplicats a la fabricació de mini-reactors d'ús civil.

Si en aquell article destacava l'entusiasme del departament d'energia dels USA per l'ús civil d'aquests mini-reactors, també vaig mostrar el meu escepticisme recordant un article publicat el 2011 al prestigiós magazín Phys.org:
Al ritme actual del consum d’urani amb reactors convencionals, el subministrament mundial d’urani viable, que és el combustible nuclear més comú, durarà 80 anys. Escalant el consum fins a 15 TW, el subministrament viable d’urani tindrà una durada inferior a 5 anys. (L'urani viable és l'urani que existeix en una concentració de mineral prou elevada perquè l'extracció del mineral estigui justificada econòmicament).
Del que no parlava en aquell article era d'una nova generació de mini-reactors que, des del 2013, se'ns han presentat com una alternativa als actuals. Entre aquests nous reactors, el Dual Fluid reactor (2).

Mini-reactors nuclears: el projecte Dual Fluid (RFA)
A la RFA, el concepte d'aquests nous reactors va ser desenvolupat per l’Institut für Festkörper-Kernphysik GmbH (3), i el seu projecte de realització està actualment a càrrec de l'empresa Dual Fluid (4). Aquests nous reactors combinarien els avantatges d'un reactor de sal fosa (Molten Salt Reactor-MSR) (5) amb els d'un reactor refrigerat amb metall líquid (Liquid metal cooled reactor-LMR) (6), similar als que equipen els submarins nuclears que, sigui dit de pas, ja fa molts anys que funcionen amb mini-reactors nuclears d'aigua a pressió (cf. 1).
Image by Dirk Rabe from Pixabay

Si les tecnologies utilitzades en els reactors actuals estan lligades a unes barres de combustible sòlid, el més interessant del concepte dels reactors Dual Fluid seria que el combustible que utilitzarien seria una solució de sals foses de clorur d'actini, mentre que el refredament es realitzaria amb plom fos en un circuit separat. Donat que tindria la particularitat de ser un reactor de reproducció ràpida (Fast breeder reactor-FBR) (7), podria utilitzar tant urani natural com tori per produir material fissible, així com reciclar residus radioactius d'alta activitat i plutoni. Altrament, a causa de l’alta conductivitat tèrmica del metall fos, el FBR es presentaria com un reactor segur.
El combustible líquid circularia contínuament i, un cop consumit al reactor, passaria a un dispositiu de preparació, on els residus ja cremats se separarien i el fluid s'enriquiria amb nous radio-nucleids que acabarien  de nou al reactor. A diferència dels residus nuclears actuals, que guardaran la seva radioactivitat durant milers d'anys, els residus nuclears restants d'aquest tipus de centrals conservarien la seva radioactivitat durant un període d'entre 100 i 300 anys (8).
Si vols saber més sobre l'interès pel que fa al cost i a la disponibilitat del combustible que podrien consumir aquestes centrals de nova generació et proposo donar un cop d'ull a la bibliografia que tanca aquest article i consultar les fonts bibliogràfiques que l'alimenten. Molt en particular, els articles que Armin Huke et al. van publicar en 2015 (9) i el que Jan-Christian Lewitz et al. van publicar en 2020 (10).
Image by Trixie Liko from Pixabay

Ara m'agradaria presentar-te alguns dels arguments que els defensors dels reactors Dual Fluid utilitzen per a justificar el seu interès, tal i com els trobem resumits al lloc web d'aquesta empresa (cf. 4):
  • Seguretat: En lloc de les barres de combustible, un reactor Dual Fluid contindria dos fluids: un seria el combustible i l’altre extrauria la calor. Aquest disseny tècnic el convertiria en la font d’energia més eficient que mai ha inventat l’home. Una central nuclear Dual Fluid estaria "fora de perill" perquè no hi hauria risc d'un error de funcionament accidental o deliberat.

  • Emissions: Dual Fluid estaria pràcticament lliure d’emissions. La construcció d’una central nuclear Dual Fluid produiria relativament poques emissions a causa de la seva petita mida i dels materials utilitzats. En el moment de la seva posada en marxa, les emissions de CO₂ caurien fins a gairebé zero.

  • Residus: Com es tractaria d'un mini-reactor FBR (cf. 7), podria utilitzar qualsevol material fissible: urani natural, tori o residus nuclears processats. La radiació dels seus residus de fissió baixaria al cap de pocs centenars d’anys, en contrast amb els residus dels reactors convencionals, que romanen radioactius mil vegades més. Així, els residus que han anat produint al llarg dels anys les velles centrals nuclears convencionals, podrien subministrar electricitat durant segles. Per exemple, en el cas de la RFA:
    • Els 27.000 m³ de residus nuclears acumulats podrien generar 220.000 TWh d'electricitat.
    • Com el consum anual d'electricitat de la RFA és actualment de 600 TWh/any, segons l'estat dels residus acumulats (nda. part d'ells probablement sotmesos a tractaments que podrien dificultar el seu ús) la RFA podria disposar del combustible necessari per assegurar el seu consum actual d'electricitat durant més de 365 anys.
  • Eficiència: El mini-reactor de Dual Fluid podria generar molta energia en un espai reduït: sent 10 vegades més eficient que les centrals nuclears actuals i 200 vegades superiors a l’energia eòlica. Un mini-reactor podria subministrar electricitat a una zona industrial o una ciutat mitjana sense haver de construir noves línies elèctriques. Les seves reduïdes dimensions permetrien combinar nombroses unitats estandarditzades per fer una central elèctrica important. Un cop iniciada la producció en sèrie, permetria subministrar energia ràpidament a nombroses ubicacions.
Image by Steve Buissinne from Pixabay

Al vídeo de Breaking Lab amb el que he obert aquest article, Jacob Beautemps ens recorda que tot el que acabem de veure era la teoria tal com es presentava en 2013 i que Dual Fluid no té encara cap patent ni autorització pel desenvolupament dels nous reactors. També ens recordava que encara no hi ha cap tipus d'experiència en aquesta mena de mini-reactors i que les possibles complicacions i problemes de seguretat encara no són fàcils a comprendre.
Ni Dual Fluid ni Jacob Beautemps no mencionen quin seria el cost de les instal·lacions i dels cossos de seguretat necessaris a garantir la seguretat dels centenars o milers de mini-reactors dispersos en la geografia, assegurant que ni el combustible nuclear ni els seus residus no acabin en mans de gent en les que no hauria d'acabar.

Sobre el tema dels residus també m'ha cridat molt l'atenció la cura de Dual Fluid en separar les emissions de CO₂ dels residus del combustible nuclear, dels que no es fa esment sinó per mencionar la capacitat dels nous reactors per processar els residus de les antigues centrals nuclears.

Com ni Dual Fluid ni Jacob Beautemps no mencionen res sobre el cost de les instal·lacions necessàries al tractament dels residus de les antigues centrals nuclears, ni el cost de les instal·lacions per l'emmagatzemament dels nous residus, entenc que assumeixen que aquestes activitats estarien sota la responsabilitat de l'estat, que assumiria el seu cost. Sobre els residus actualment emmagatzemats, crec que val la pena recordar que han estat sotmesos a diversos tractaments (bidons amb formigó, vitrificació, etc.) que necessitarien un gran esforç pel seu reciclatge, en un entorn d'alta seguretat i protecció a les radiacions, que tindrien un cost que no crec que ningú estigui actualment en condicions d'estimar.
Image by Steve Buissinne from Pixabay

Ara que coneixem les grans línies de les teories del projecte Dual Fluid, seria interessant saber alguna cosa sobre la seva praxi. Al seu lloc web, Dual Fluid ha publicat un full de ruta que es presenta així (Dual Fluid - Home page: Technology):
  • 2023 - Component Testing
  • 2026 - Test Reactor
  • 2028 - Licensing
  • 2029 - Prototype and Pre-Serial Production
  • 2034 - Serial Production
Com hem vist al vídeo presentat per Jacob Beautemps, aquest projecte necessitarà inversions estimades en miliards d'euros i, conseqüentment, trobar els inversors disposats a invertir-los. Com encara no he vist enlloc quines són les necessitats de finançament d'aquest projecte, retindré les xifres avançades per Jacob Beautemps: per a tirar endavant el full de ruta. Les necessitats de finançament s'estimen a 8,5 miliards d'euros. I cada central nuclear Dual Fluid de la sèrie, tindria un cost estimat d'1,5 miliards d'euros. Recordem que estem parlant de les primeres estimacions.

Mini-reactors nuclears: el projecte Astrid (França)
Si el que hem vist fins ara pot portar-nos a creure que estem davant d'una idea revolucionaria, valdria la pena recordar que a França -país on sobre l'energia nuclear en saben més que alguna cosa- en 2010 es va iniciar un projecte que, si fa no fa, tenia uns objectius molt propers als de Dual Fluid: el projecte Astrid (Advanced Sodium Technological Reactor for Industrial Demonstration) (11):
El projecte Astrid, tenia com a objectiu la construcció en 2020 d'un prototip de potència intermèdia (600 MWe) a Marcoule (12), i pretenia demostrar la possibilitat de passar a una fase de producció industrial els reactors de neutrons ràpids de sodi. El prototip estaria equipat amb els millors estàndards de seguretat del moment i produiria cent vegades més energia que la dels mini-reactors desplegats actualment a la flota nuclear francesa, actualment basats en mini-reactors d'aigua a pressió. Per fer-ho, utilitzaria com a matèries primeres, les enormes existències d'U-238 que es troben emmagatzemades a França, així com el plutoni extret dels residus nuclears.

El cost de la construcció del prototip s'havia estimat en més de 5 miliards d’euros però, a diferència del projecte Dual Fluid, que no ho té en compte, Astrid també incloïa la posada en marxa d’una nova unitat especialitzada en la fabricació de combustible a la planta de La Hague (13). I mentre Dual Fluid encara està buscant partenaires per dur a terme el seu projecte, Astrid comptava amb la participació d'empreses com: Bouygues Construction, Alstom Power, Comex Nucléaire, Toshiba i Electricité de France (EDF).

A més d’un objectiu d’independència energètica i d'una nova visió del concepte de sostenibilitat, el projecte Astrid pretenia no només estalviar recursos físsils actualitzant l’urani 238 i reciclant el plutoni diverses vegades, sinó també reduir la quantitat de residus nuclears de llarga vida incinerant actínids menors.
Image by chris s from Pixabay

Probablement sota la pressió de l'increïble cost de construcció del reactor EPR de Flamanville (19 miliards d'euros en 2020) (13), després d'haver invertit prop de 738 milions d’euros a finals del 2017 en aquest projecte, Le Monde publicava en agost del 2019 (14) que el Commissariat à l’énergie atomique (CEA) havia decidit aturar-lo en tota discreció, reconeixent que: "el projecte per construir un prototip de reactor no està previst a curt o a mitjà termini". No es preveia rellançar-lo abans de la segona meitat del segle. El projecte Astrid està mort. Ja no hi dedicarem més recursos ni energia.

Micro-reactors nuclears: el projecte Oklo (USA)
A finals de juny d'enguany, Catherine Clifford publicava un article a CNBC (15) on presentava un dels darrers projectes de micro-reactors nuclears. Aquest projecte està lligat a una start-up de 22 persones, que ha pres com a nom el d'una mina de Gabon molt coneguda per haver estat l'únic reactor nuclear natural conegut al planeta: Oklo (16).
An artist rendering of Oklo’s Aurora powerhouse
Image credit: Gensler

Sobre el projecte Oklo no tinc gran cosa més a afegir, sinó que també es va iniciar en 2013 i té gairebé els mateixos objectius que el de Dual Fluid, recolzant-se sobre les mateixes bases tecnològiques. Com Dual Fluid, està a l'espera de rebre l'autorització per la construcció del primer prototip i, probablement, també de trobar els partenaires i el finançament necessari per anar endavant.

A diferència de Dual Fluid, Oklo ha rebut una modesta subvenció del Department of Energy (USA) per donar suport a la recerca de les tecnologies necessàries a la producció i el reciclatge del combustible que alimentaria els seus reactors (17). Mentre espera les autoritzacions -probablement també els capitals i el partenariat amb altres empreses- per anar endavant amb el seu projecte,

Si Oklo encara no ha trobat el temps per desenvolupar la seva pàgina Web (18) per explicar el seu projecte a les autoritats, partenaires i inversors, sí que l'ha trobat per presentar el disseny arquitectònic de les futures instal·lacions que acollirien els seus micro-reactors (veure a la imatge de dalt). No sé si tenien la intenció d'impressionar als futurs partenaires i inversors. En tot cas a mi m'ha impressionat molt no veure ni una sola línia elèctrica que arribi a les seves futures instal·lacions. I pel que fa a la seguretat ... Segurament estic parlant sense saber i probablement es tracta d'algunes de les cartes amagades del projecte.
Image by Steve Buissinne from Pixabay

Més enllà del que pugui aportar com a novetat aquest projecte, he trobat molt interessant la lectura d'aquests paràgrafs en l'article de Catherine Clifford (cf. 15)
  • Actualment, hi ha 20 reactors de neutrons ràpids operant arreu del món. Rússia lidera el desenvolupament de tecnologia de reactors ràpids (20).
  • Un report del 2019 elaborat pel Nuclear Energy Institute (19) va definir com a micro-reactors aquells que tenien una potència d'entre 1 i 10 MWe. L'objectiu actual d'Oklo és fabricar micro-reactors en aquesta franja de potències.
  • Es molt important realitzar que, donada la potència dels micro-reactors, aquests no poden assolir l'escala necessària per a una descarbonització àmplia. Els micro-reactors poden ajudar a descarbonitzar les xarxes més petites (zones remotes, com ara les comunitats àrtiques i les explotacions mineres (...) micro-xarxes segures per a infraestructures crítiques, com ara les instal·lacions de defensa i les de resposta a emergències), però només són el primer pas que necessitem en la innovació nuclear per afrontar els grans reptes climàtics. Altrament, com necessitem utilitzar urgentment energies netes, no podem descartar l'estratègia del “fem servir totes les eines que tenim”.
  • El patró de Oklo afegia: A causa de la seva petita mida, els micro-reactors són més ràpids de construir que els reactors convencionals. Menys d'un any per a construir la instal·lació d'un micro-reactor és una estimació conservadora.

Conclusions
Qualsevol ciutadà que disposi d'una petita calculadora pot entrar el consum anual d'electricitat de la RFA, fer les conversions necessàries i dividir-lo per la potència proposada pels micro-reactors de IV Generació (assumint que aquests funcionin sense interrupcions de manteniment o altres). Multiplicar el resultat pel cost de cadascun d'aquests reactors. I també pel seu temps de construcció. Probablement arribarà a la conclusió que els micro-reactors de IV Generació no són la solució.

Altrament, m'agradaria afegir que podria ser interessant que, enlloc de seguir instal·lats en el conflicte, la diplomàcia de la UE intentés tirar endavant un programa de cooperació amb Rússia per ficar en comú els coneixements dels enginyers nuclears d'aquell país i els de França, amb l'objectiu de donar un nou impuls als reactors de IV Generació. Almenys, a l'espera que l'energia de fusió respongui un dia a totes les expectatives i a les grans inversions que s'han fet fins ara. Sincerament, crec que el reciclatge dels residus nuclears actualment emmagatzemats sota terra o a les piscines de les centrals nuclears, i el marge de temps que podria donar a la investigació en altres fonts netes d'energia s'ho valen.

I si trobar una solució a la producció d'electricitat sense emissions és avui una prioritat, potser no hauríem d'oblidar que reduir el seu consum no seria una mala idea. Passar progressivament del corrent alternatiu al corrent directe ens podria permetre estalviar bona part de l'electricitat que avui es perd a les línies d'alta tensió i als transformadors industrials i domèstics (21). Si parlem d'emissions, també estaria molt bé no oblidar que la indústria pesada és responsable de gairebé el 40% de les emissions mundials de CO₂ (22) i que deslocalitzar-la potser no ha fet res d'altre que aguditzar el problema. I pel que fa a la indústria del ciment, responsable del 8% de les emissions de CO₂, potser no seria tampoc una mala idea començar a explorar decididament l'ús les tecnologies que actualment permeten la reducció de les seves emissions (23). Tinc unes quantes idees més, però la llista és llarga i millor deixar-ho aquí.

I mentre aquestes i altres solucions triguen a mostrar la seva viabilitat (el que no les converteix en inviables), veig amb optimisme que hom segueix considerant la importància de seguir invertint en les tecnologies renovables, que han fet les seves proves en la reducció de les emissions i també en les balances de pagaments d'aquells països que les utilitzen. Jo també crec que estem obligats a “fer servir totes les eines que tenim”, i aquesta n'és una de molt important.
  1. Veure Mini-nuclear reactors are coming? publicat en aquest blog el 19.04.2020
  2. Wikipedia: Dual fluid reactor [en] [fr] [es] [ca]
  3. Institut für Festkörper-Kernphysik GmbH: Home page
  4. Dual Fluid: Home page
  5. Wikipedia: Molten salt reactor [en] [fr] [es] [ca]
  6. Wikipedia: Liquid metal cooled reactor [en] [fr] [es] [ca]
  7. Wikipedia: Fast breeder reactor [en] [fr] [es] [ca]
  8. La polémica del primer reactor nuclear ecológico que es capaz de reciclar sus propios desechos, SinEmbargo, 06.09.2013
  9. Armin Huke et al: 25 - Dual-fluid reactor in Editor(s): Thomas J. Dolan: Molten Salt Reactors and Thorium Energy, Woodhead Publishing, 2017, Pages 619-633, ISBN 9780081011263
  10. Jan-Christian Lewitz et al.: The Dual Fluid Reactor - An Innovative Fast Nuclear-Reactor Concept with High Efficiency and Total Burnup, ATW Vol. 65 Issue 3, March 2020 [PDF]
  11. Wikipedia: Astrid (réacteur) || Les réacteurs du futur, CEA, 06.01.2021
  12. Wikipedia: Site nucléaire de Marcoule
  13. Jean Lavalley: Nucléaire : le coût de l'EPR de Flamanville réévalué à 19 milliards par la Cour des comptes !, La Presse de la Manche, 09.07.2020
  14. Nabil Wakim: Nucléaire : la France abandonne la quatrième génération de réacteurs, Le Monde, 29.08.2019 || ASTRID : Où vas-tu, nucléaire du futur ?, CGT-UFICT, 17.07.2019
  15. Catherine Clifford: Oklo has a plan to make tiny nuclear reactors that run off nuclear waste, CNBC, 30.06.2021
  16. Laura Gil: Oklo, el único reactor nuclear natural conocido de la Tierra, de dos mil millones de años de antigüedad, Organismo Internacional de Energía Atómica (IAEA), 10.08.2018
  17. Oklo Awarded a DOE Technology Commercialization Fund Award to Commercialize Advanced Fuel Recycling and Fabrication Capabilities, Business Ware, 25.06.2021
  18. Oklo: Home page
  19. Cost Competitiveness of Micro-Reactors for Remote Markets, Nuclear Energy Institute, 15.04.2019
  20. Fast Neutron Reactors, World Nuclear Association, Updated June 2021
  21. Veure HVDC: a silent revolution (1/2) i HVDC: a silent revolution (2/2) publicats en aquest blog respectivament el 25.02.2015 i el 26.02.2015
  22. Samantha Gross: The challenge of decarbonizing heavy industry, Brookings, June 2021
  23. Veure The decarbonisation of the cement industry, publicat en aquest blog el 03.04.20219

No comments: