¿Puede la energía nuclear avanzada ayudarnos a resolver el cambio climático?

Cataratas de IDAHO, Idaho— Dentro de las instalaciones de pruebas de reactores transitorios, un imponente bloque gris sin ventanas rodeado de alambre de púas, los investigadores están a punto de embarcarse en una misión para resolver uno de los mayores problemas de la humanidad con un dispositivo diminuto.

El año que viene comenzarán la construcción del reactor MARVEL. MARVEL significa Validación y evaluación de la investigación de aplicaciones de microrreactores. Se trata del primer generador de energía nuclear de su tipo, enfriado con metal líquido y que produce 100 kilovatios de energía. Para 2024, los investigadores esperan que MARVEL sea el motor de cero emisiones de la primera microrred nuclear del mundo aquí en el Laboratorio Nacional de Idaho (INL).

“Micro” y “pequeño”, por supuesto, son relativos. MARVEL mide 15 pies de alto, pesa 2000 libras y puede caber en el remolque de un camión. Pero en comparación con las plantas de energía nuclear convencionales, que se extienden por acres, producen gigavatios de electricidad para alimentar a estados enteros y pueden tardar más de una década en construirse, es minúscula.

Para INL, donde los científicos han probado docenas de reactores a lo largo de décadas en un área de tres cuartas partes del tamaño de Rhode Island, se trata de una reimaginación radical de la tecnología. Este diseño de reactor podría ayudar a superar los mayores obstáculos a la energía nuclear: seguridad, eficiencia, escala, costo y competencia. MARVEL es un experimento para ver cómo todas estas piezas podrían encajar en el mundo real.

"Es un reactor de prueba de aplicaciones donde vamos a intentar descubrir cómo extraer calor y energía de un reactor nuclear y aplicarlo, y combinarlo con energía eólica, solar y otras fuentes de energía", dijo Yasir Arafat, jefe del Programa MARAVILLA.

El proyecto, sin embargo, llega en un momento en que la energía nuclear está siendo impulsada en direcciones tremendamente diferentes.

Alemania acaba de cerrar sus últimos reactores nucleares. Estados Unidos acaba de poner en marcha su primer reactor nuevo en 30 años. Francia, el país con la mayor proporción de energía nuclear en su red, vio caer su producción de energía nuclear a los niveles más bajos desde 1988 el año pasado. En todo el mundo hay actualmente 60 reactores nucleares en construcción, 22 de ellos sólo en China.

Pero el mundo tiene más hambre que nunca de energía. La demanda general de electricidad está creciendo: las necesidades globales de electricidad aumentarán casi un 70 por ciento para 2050 en comparación con el consumo actual, según la Administración de Información Energética. Al mismo tiempo, las limitaciones son cada vez más estrictas. La mayoría de los países del mundo, incluido Estados Unidos, se han comprometido a reducir a cero su impacto neto sobre el clima para mediados de siglo.

Para satisfacer esta demanda de energía sin empeorar el cambio climático, el informe del Departamento de Energía de EE.UU. sobre energía nuclear avanzada publicado en marzo decía que “EE.UU. necesitará entre 550 y 770 [gigavatios] de capacidad limpia y firme adicional para alcanzar el cero neto; La energía nuclear es una de las pocas opciones comprobadas que podrían lograrlo a escala”.

El gobierno de Estados Unidos está renovando sus apuestas en la energía nuclear para producir un flujo constante de electricidad sin emitir gases de efecto invernadero. La Ley de Infraestructura Bipartidaria incluía 6.000 millones de dólares para mantener en funcionamiento las centrales nucleares existentes. La Ley de Reducción de la Inflación, la mayor inversión del gobierno estadounidense hasta la fecha para contrarrestar el cambio climático, incluye una serie de disposiciones en beneficio de la energía nuclear, incluidos créditos fiscales para la energía sin emisiones.

"Es un punto de inflexión", dijo John Wagner, director de INL.

El sector tecnológico también está interviniendo. En 2021, las empresas de capital riesgo invirtieron 3.400 millones de dólares en nuevas empresas de energía nuclear. También están invirtiendo dinero en ideas aún más extravagantes, como la energía de fusión nuclear. La opinión pública también ha comenzado a moverse. Una encuesta de Gallup de abril encontró que el 55 por ciento de los estadounidenses están a favor y el 44 por ciento se oponen al uso de la energía nuclear, los niveles más altos de apoyo en 10 años.

Pero la energía nuclear todavía enfrenta algunos obstáculos de larga data. Es la única fuente de energía cuyos costos operativos en realidad han aumentado con el tiempo. Los recientes esfuerzos de construcción llevan años de retraso y miles de millones de dólares por encima del presupuesto. La mayoría de los reactores todavía dependen de uranio enriquecido, un combustible costoso de extraer y procesar. Encontrar un lugar para almacenar residuos nucleares sigue siendo un problema. La fuerza laboral necesaria para construir y operar plantas se ha reducido debido a las décadas que transcurren entre las construcciones de reactores. Y ahora, con el aumento de las tasas de interés, resulta más caro financiar proyectos energéticos ambiciosos.

¿Puede la industria de la energía nuclear inventar una salida a sus problemas más difíciles?

Los defensores ciertamente esperan que así sea, y el potencial de la energía nuclear para enfrentar el desafío del cambio climático es inmenso. Muchas nuevas tecnologías de energía nuclear se encuentran ahora en fases de diseño y prueba. Pero una de las estrategias más prometedoras para la energía nuclear es crecer haciendo algo pequeño.

La división de átomos es la mayor fuente de electricidad libre de gases de efecto invernadero en Estados Unidos y la segunda del mundo, detrás de la energía hidroeléctrica. La fisión nuclear produce el 10 por ciento de la electricidad mundial. Estados Unidos tiene la flota de reactores nucleares más grande del mundo, con 92 reactores en 53 plantas de energía en 28 estados.

La cosecha actual de reactores nucleares utiliza una variedad de enfoques de diseño diferentes, adaptados a sus necesidades específicas. Eso ayudó a que estas centrales eléctricas encajaran mejor en las redes eléctricas cuando se construyeron inicialmente, pero les hizo más difícil adaptarse a las demandas cambiantes y que las plantas más nuevas en otros lugares aprendieran de ellas.

Para comprender qué distingue a los nuevos diseños de reactores, es útil saber cómo funcionaban los diseños anteriores. Generalmente, los reactores nucleares civiles se dividen en “generaciones” que refinaron la tecnología, la economía y la seguridad con cada iteración.

La primera generación de reactores fueron pruebas de concepto, según Jess Gehin, director asociado de ciencia y tecnología nuclear del INL. A partir de ahí, ampliaron su tamaño y agregaron características de seguridad para hacerlos más utilizables en el mundo real, formando la segunda generación. La mayor parte de los reactores nucleares en funcionamiento en el mundo en la actualidad son diseños de segunda generación. También son la base de la mayoría de los modelos comerciales y la base de las regulaciones de energía nuclear.

Los reactores más recientes de tercera generación avanzan en esto con características de seguridad mejoradas. "Se han construido varios de ellos que en realidad comienzan a alejarse de los sistemas de seguridad activos hacia sistemas más pasivos", dijo Gehin. El reactor recientemente inaugurado en la planta de generación eléctrica de Vogtle en Georgia tiene un diseño llamado AP1000. Se considera un reactor de tercera generación o más que utiliza menos piezas móviles que los diseños convencionales y puede enfriarse por sí solo si algo sale mal. "Puedes pasar 72 horas sin ninguna interacción del operador", dijo Gehin.

Actualmente se están trabajando en reactores de cuarta generación. A diferencia de los reactores actuales que utilizan principalmente agua para controlar la reacción y mantenerse fríos, estos diseños utilizan otros materiales como metal líquido, gas presurizado y sal fundida. La ventaja es que pueden alcanzar temperaturas de funcionamiento más altas, lo que puede conducir a una mayor eficiencia. Los procesos industriales como la producción de acero también podrían aprovechar ese calor adicional.

Muchos diseños de cuarta generación también pueden utilizar combustibles nucleares más baratos y de menor calidad. Ése es uno de los enfoques que está desarrollando TerraPower, una empresa nuclear fundada por el inversor Bill Gates. Algunos diseños de cuarta generación pueden incluso utilizar residuos de otros reactores. También pueden integrar equipos que les permitan subir y bajar más fácilmente para adaptarse a las demandas de energía.

Estos efectos combinados mejoran la economía de la energía nuclear, racionalizando el proceso general, desde la reducción de los costos del combustible hasta la generación de energía de manera más efectiva, la reducción de desechos y la mejora de la seguridad.

Sin embargo, es posible que algunos de los avances más importantes en energía nuclear no se produzcan en los propios reactores. Sus mayores beneficios podrían provenir de repensar cómo encajan en la infraestructura energética existente.

El Departamento de Energía ha sugerido que cientos de sitios para centrales eléctricas de carbón, que están cerrando rápidamente en todo el país, podrían reutilizarse para energía nuclear. La ventaja es que ya cuentan con muchos de los permisos necesarios y el equipo para conectarse a la red eléctrica, ahorrando algunos de los costos de puesta en marcha de una nueva planta.

La mayoría de los reactores convencionales están optimizados para funcionar a pleno rendimiento, con una producción constante de energía. Pero la demanda de la red eléctrica varía mucho, ya que las luces se encienden por la noche o los calentadores se encienden durante el día. Si bien algunas centrales nucleares pueden subir y bajar, no siempre es fácil. Los días ventosos y soleados también pueden significar que hay un exceso de electrones baratos provenientes de energías renovables y que el precio de la electricidad nuclear está rebajado. Y dado que las plantas nucleares tienen altos costos fijos incluso cuando son rechazadas, prefieren permanecer en funcionamiento y vender la mayor cantidad posible de su electricidad.

Ahora, los ingenieros están planificando reactores nucleares teniendo en cuenta esta caprichosa demanda. "Los nuevos reactores están diseñados para ser despachables y flexibles", dijo Christine King, directora del Portal para la Innovación Acelerada en Energía Nuclear del INL.

Una idea es integrar el almacenamiento de energía. La sal fundida, por ejemplo, se puede utilizar para almacenar el calor de un reactor nuclear durante horas seguidas y distribuirlo según sea necesario. Otro enfoque es utilizar el calor de un reactor no sólo para hervir agua sino también para proporcionar calor industrial a las fábricas. Los investigadores también están diseñando reactores que pueden producir hidrógeno cuando tienen exceso de energía, lo que a su vez puede hacer funcionar pilas de combustible en automóviles o devolver electrones a la red.

Según King, la electricidad procedente de las centrales nucleares tampoco tiene por qué alimentarse necesariamente a la red eléctrica. En cambio, puede impulsar procesos específicos como capturar dióxido de carbono directamente del aire. Sin embargo, capturar este dióxido de carbono es un proceso que consume mucha energía y la energía nuclear podría proporcionar la energía necesaria sin empeorar el problema. Ese carbono capturado podría servir entonces como componente básico de los combustibles sintéticos, particularmente para sectores que son difíciles de electrificar, como la aviación y el transporte marítimo.

Las virtudes de los reactores nucleares avanzados son todas grandes en teoría. En la práctica, construir algo grande es realmente difícil.

Bent Flyvbjerg, profesor de la Universidad de TI de Copenhague y profesor de la Universidad de Oxford, recientemente fue coautor de un libro llamado How Big Things Get Done. Examina por qué tantos proyectos de infraestructura importantes, como trenes de alta velocidad, sistemas de TI e incluso renovaciones de viviendas, se retrasan y exceden el presupuesto. A menudo, estos problemas surgen de una falla en la planificación, experiencia inadecuada, presión política y experiencia limitada.

La energía nuclear plantea desafíos aún más singulares. Una es que la tecnología en sí está evolucionando, por lo que es difícil aprender de los esfuerzos anteriores para construir reactores. Los reguladores nucleares también construyeron sus reglas en torno a diseños de segunda generación. Entonces, a medida que los ingenieros idean nuevas formas de dividir átomos, los observadores nucleares también tienen que idear nuevos estándares para asegurarse de que sean seguros. El intercambio entre desarrolladores y reguladores añade otra capa de complejidad al proceso de diseño.

Y cada vez que hay un problema con una planta de energía nuclear en cualquier lugar, los reguladores intensifican su escrutinio. "Una vez que se hubieran adaptado a un determinado conjunto de estándares, se los aumentaría porque había un incidente o accidente nuclear", dijo Flyvbjerg.

La mayoría de los reactores comerciales existentes tampoco pueden ampliarse o reducirse fácilmente, por lo que tienen que empezar con diseños más grandes y más caros desde el principio. Eso significa que tienen que recuperar ese costo durante décadas, pero si las empresas de servicios públicos se equivocan en sus pronósticos de demanda de electricidad, entonces las plantas de energía nuclear terminarán teniendo que aumentar sus precios o perder dinero. Con la construcción de nuevos reactores por primera vez, hay poca experiencia a la que recurrir. Los constructores a menudo encuentran problemas imprevistos que requieren más dinero y recursos para solucionarlos.

La planta de Vogtle tenía un retraso de casi seis años y su costo era casi el doble de su presupuesto inicial de 14 mil millones de dólares, por ejemplo. Las empresas de servicios públicos de Carolina del Sur abandonaron un esfuerzo de 9 mil millones de dólares para construir dos reactores AP1000 en 2017. Si usted es un inversionista o una empresa de servicios públicos, es suficiente para moler sus molares hasta convertirlos en polvo. El desarrollo de reactores de cuarta generación parece ser un proceso aún más costoso y que requiere más tiempo.

Pero existen algunas formas potenciales de reducir estos desafíos monumentales. Una forma es que los gobiernos intervengan y brinden apoyo a la investigación de estos nuevos diseños y los prueben.

Para la industria nuclear, la nueva estrategia candente es reducir la escala con pequeños reactores modulares, o SMR. En lugar de construir reactores enormes y personalizados in situ, empresas como NuScale están desarrollando reactores más pequeños, del orden de 10 a 50 megavatios, que pueden construirse en fábricas y transportarse en camiones o enviarse a todo el mundo. Los diseños estandarizados podrían ahorrar costos. Y al comenzar con algo pequeño y ampliarlo, podrían satisfacer una variedad de casos de uso.

Este enfoque ya ha llamado la atención en todo el mundo. La Armada estadounidense ya opera más de 200 pequeños reactores nucleares para alimentar submarinos y portaaviones. La prueba es ver si el caso de negocio tiene sentido en tierra. China y Rusia ya están ejecutando SMR y 19 países los están desarrollando. El primer ministro canadiense, Justin Trudeau, dijo en abril que Canadá está “regresando a la energía nuclear, algo que nos tomamos muy en serio, e invirtiendo en algunos de los pequeños reactores modulares”. Una de las primeras plantas SMR comerciales de NuScale en el mundo está prevista en Rumania en 2028.

"Éste es el experimento correcto", afirmó Flyvbjerg.

Y con diseños como MARVEL, los investigadores están investigando reactores aún más pequeños que pueden alimentar a comunidades remotas, respaldar las energías renovables o proporcionar energía de emergencia después de un desastre. Sin embargo, a medida que los reactores se hacen más pequeños, la pregunta es cuántos se necesitarán para lograr economías de escala.

"Gran parte del aprendizaje tiene que ver con cuántos se construyen", dijo Gregory Nemet, profesor de la Universidad de Wisconsin Madison y autor de How Solar Energy Became Cheap.

Tecnologías como las turbinas eólicas, los paneles fotovoltaicos y las baterías de iones de litio experimentaron enormes caídas de precios en parte porque era fácil construir muchas de ellas, por lo que pequeñas mejoras en el rendimiento tuvieron grandes efectos dominó. Si los reactores nucleares más pequeños pudieran lograr al menos una fracción de estas reducciones de costos, finalmente podrían empujar la curva de costos de la energía nuclear en la otra dirección.

Equilibrar las cuentas puede resultar un obstáculo mayor para la energía nuclear que dividir el átomo.

Un nuevo informe de la Academia Nacional de Ingeniería dice que la economía de la energía nuclear "es quizás el mayor desafío para el éxito comercial de los reactores avanzados". Los reactores nucleares avanzados son especialmente difíciles de resolver.

"Permítanme decir simplemente que cualquiera que haga estimaciones de lo que costará producir electricidad a partir de estas centrales tiene que tener toda una serie de suposiciones implícitas; hay mucha incertidumbre", dijo Richard Meserve, ex presidente del regulador nuclear. comisión y coautor del informe, durante una sesión informativa sobre el informe.

Otro gran problema es que la mayoría de los países aún no tienen una solución a largo plazo para lidiar con los desechos nucleares, que pueden seguir siendo peligrosos durante cientos de años. Es un enorme problema técnico y político.

Y si bien hay una mayor demanda de energía limpia, las tasas de interés están aumentando, lo que hace más costoso pedir dinero prestado para construir cualquier cosa, y mucho menos nuevos reactores financieramente riesgosos. Wagner, del INL, señaló que la construcción de reactores en Estados Unidos se detuvo en los años 80 debido en parte a las altas tasas de interés de la época. “Cuando las tasas de interés suben al 10, 12, 15 por ciento, ¿qué sucede? Hay sobrecostos”, dijo.

Al mismo tiempo, el mundo está a punto de sobrepasar su presupuesto de carbono y superar el objetivo de limitar el calentamiento a menos de 2,7 grados Fahrenheit (1,5 grados Celsius) este siglo.

Estados Unidos se ha comprometido ahora a reducir sus emisiones de gases de efecto invernadero a la mitad para 2030 en comparación con los niveles de 2005. Es poco probable que las nuevas centrales nucleares logren grandes avances hacia ese objetivo, al que ahora faltan menos de siete años. Pero Estados Unidos y más de 130 países en el mundo quieren eliminar por completo sus contribuciones al cambio climático para 2050. Ese objetivo exige energía mucho más limpia, más abundante y confiable que la que tenemos ahora.

La energía nuclear podría ayudar al mundo a lograrlo. Es una inversión costosa y arriesgada, pero las bases de este futuro deben sentarse ahora.

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