Energía para el futuro
El resurgimiento de la energía nuclear
por Jan Waldauer
Como el renacimiento de la industria continúa, la ASTM International sigue teniendo un rol principal en el mantenimiento y el desarrollo de las normas.
La energía nuclear ha evolucionado en los últimos 50 años, con mejoras en el diseño, en la seguridad y en el rendimiento del servicio de cada generación de reactores. El uso principal de la energía nuclear hoy en día es la generación de electricidad; es una manera eficaz de hervir agua para producir vapor que impulse los generadores de las turbinas. Este vapor es limpio, seguro y, por lo general, tiene un costo muy competitivo.
Cerca de 440 reactores de energía nuclear en 30 países y Taiwán, proporciona aproximadamente el 16% de la electricidad mundial actual, un porcentaje que se viene manteniendo bastante estable desde mediados de los ochenta. Debido en gran medida a la demanda cada vez mayor de energía y a las preocupaciones en torno al cambio climático relacionado con los combustibles fósiles, se espera un gran crecimiento en la construcción de reactores en los próximos 15 o 20 años, en especial en Europa Oriental y Asia. El Organismo Internacional de Energía Atómica pronostica que por lo menos se construirán 70 centrales nuevas para el año 2030 en países como China, India, Rusia, Finlandia y Francia. Además, el Departamento de Energía de los EE. UU. espera que la demanda de energía nuclear nacional aumente un 45% en los próximos 20 años. A medida que la construcción de reactores y los cambios tecnológicos vayan se vaya incrementando, será necesario actualizar las normas existentes de la industria y desarrollar otras.
La evolución de la industria
En las décadas de los cincuenta y de los sesenta, la tecnología nuclear estaba considerada una fuente económica de energía eléctrica para reducir la bruma cargada de humo de las centrales eléctricas alimentadas por carbón. Pero como esta industria está aún en pañales, los diseños de la generación I fueron conservadores y los altos costos, los múltiples diseños y el bajo rendimiento dificultaron su éxito en cierto modo. Excepto los del Reino Unido, ninguno de estos reactores están en servicio en la actualidad.
La generación II de reactores se desarrolló en las décadas de los setenta y de los ochenta y son muchos los que siguen en servicio, en particular en los Estados Unidos. Si bien su tecnología es básicamente la misma que los de la generación I, muchas de las mejoras en el diseño y en el rendimiento pueden atribuirse a una mayor experiencia de los operadores, a materiales de alto rendimiento, a la normalización del diseño y a la madurez de toda la industria.
El diseño de la centrales nucleares siempre se concentró en la seguridad, como lo demuestran los diseños de la generación II y los posteriores. “Desde el punto de vista de la seguridad y de la confiabilidad, los incidentes que ocurrieron en Chernóbil y en Three Mile Island fueron desgracias que redundaron en beneficio, porque propiciaron los principales cambios y mejoras de los componentes y de los sistemas de control. El rol de la ASTM en la industria también se volvió más destacado en ese momento, porque la U.S. Nuclear Regulatory Commission (Comisión de Control Nuclear (NRC) de los EE. UU., conocida en aquella época como la Comisión de Energía de Atómica) adoptó oficialmente varias normas de la ASTM. Entre ellas, la E185 de la ASTM sobre las exigencias del programa de vigilancia de las vasijas de los reactores y la E693 de la ASTM sobre la determinación del desplazamiento por átomo", menciona Stephen Byrne, ingeniero de Westinghouse de Windsor, Connecticut, y presidente del Subcomité E10.02 sobre comportamiento y uso de materiales estructurales nucleares, que forma parte del Comité E10 de la ASTM sobre tecnología y aplicaciones nucleares.1
Una distinción importante entre el diseño de la generación II y el de las generaciones anteriores y posteriores era el deseo de aumentar el rendimiento y prolongar la vida de servicio. Los primeros reactores estaban autorizados para funcionar durante 40 años, aunque en la mayoría de los casos se tramitaron autorizaciones de las licencias para una extensión de 60 años. El Comité E10 empezó trabajando con la NRC en la década de los sesenta en lo que concierne a materiales estructurales y la extensión del tiempo de servicio está impulsando gran parte de su trabajo actual.
Byrne comenta, “Son muchas las sensibilidades al tiempo y a la temperatura que entran en juego cuando se trata de aumentar el ciclo de vida de un reactor nuclear, por lo tanto nuestro trabajo en el comité durante la década de los ochenta se concentró en las evaluaciones del envejecimiento de los materiales. Nuestra investigación ponía toda la atención en cuestiones como la metrología de la radiación (medición de neutrones) y la fragilización de los neutrones (reducción de la ductilidad), con el fin de proporcionar normas nuevas o actualizadas sobre materiales estructurales".
Randy Nanstad, líder del grupo de trabajo de ciencia y tecnología de materiales nucleares del Laboratorio Nacional de Oak Ridge, ubicado en la ciudad del mismo nombre en el estado de Tennessee, y miembro del Comité E10, agrega, "Seguimos actualizando normas para la exposición de materiales a temperaturas e irradiación altas a medida que contamos con nueva información y por las extensiones de las licencias y el diseño de nuevos reactores. Como los modelos de predicción que usamos se basan en 40 años de vida útil, el Comité E10 ahora está viendo cómo prolongar estos modelos para desarrollar normas para ciclos de vida de 60 o incluso 80 años".
Diseños actuales y futuros
Los diseños de los reactores de la generación III y III+, que se vienen creando desde la década de los ochenta hasta el presente, son más avanzados que sus antecesores en varios aspectos. Tienen un diseño más estándar, que ayuda a bajar costos y el tiempo de construcción. Como destruyen más átomos por neutrones, reducen el uso de combustible y los residuos como también los absorbentes consumibles y prolongan el rendimiento del combustible. Algunos están diseñados para el seguimiento de la carga, lo que implica que la extracción puede cambiarse rápidamente para reaccionar a las demandas variables de electricidad durante el día. Tal vez la mayor diferencia entre los diseños de la Generación II y los de la III y III+ está en las características de seguridad inherentes de los reactores más nuevos, ya que no necesitan ningún control activo ni la intervención de ningún operador. Estos reactores más nuevos se usan en la actualidad principalmente en Japón y Corea y otros países los están fabricando o los han encargado.
Byrne resume, “Los diseños de las generaciones III y III+ consumen menos combustible y son más eficaces. Toman lo mejor de las generaciones anteriores junto con una mayor experiencia de las operaciones y mejores herramientas analíticas. Además, ofrecen una fuente de energía segura, confiable y ecológica".
Si bien los diseños de los reactores han cambiado en el transcurso de los años, los componentes involucrados en el ciclo de combustible nuclear siguen prácticamente sin modificarse. El Comité C26 de la ASTM sobre el ciclo de combustible nuclear se concentra en todos los aspectos relacionados con este ciclo, entre ellos, el combustible nuclear consumido, los materiales residuales y el empaquetado y almacenamiento de los residuos.
"El alcance del trabajo del Subcomité C26 viene siendo bastante constante desde 1969, pero la cantidad de subcomités ha aumentado y refleja los cambios de las necesidades de la industria", comenta Dick Blauvelt, JOB TITLE TK, de Navarro Research and Engineering, con sede en Middletown, Ohio, ex presidente del Comité C26 y presidente del Subcomité C26.07 sobre materiales residuales. "El interés inicial del Comité C26 estaba puesto en el sector comercial, pero entre principios y mediados de la década de los ochenta, empezó a apoyar también el trabajo de defensa nacional, principalmente relacionado con los depósitos de residuos. Durante el gobierno de Carter, el reprocesamiento del combustible consumido en los EE. UU. dejó de hacerse para intentar limitar la proliferación de armas nucleares. Esto seguramente impactó en el Subcomité C26.09 (sobre procesamiento nuclear), y desde entonces el grupo estuvo más que nada sin intervenir en el tema del reprocesamiento.”
Los diseños de los reactores de la generación IV se encuentran en las etapas conceptuales y por temprano que se empiecen a comercializar no se espera que sea antes del 2020. Un grupo de trabajo internacional denominado GIF (siglas en inglés de Foro Internacional de la Generación IV) se encuentra en la actualidad desarrollando seis tecnologías, que representan otros avances en seguridad, confiabilidad, sustentabilidad, economía y resistencia a la proliferación de armas nucleares. Todas las tecnologías funcionarán a temperaturas superiores a las actuales y muchas estarán destinadas a la producción de hidrógeno, lo que eliminaría la necesidad de combustibles fósiles.
Aunque los diseños de la generación IV todavía están en el tablero, los comités de la ASTM ya están mirando hacia esos horizontes.
"El comportamiento de los materiales en esta nueva generación de tecnología será muy diferente al actual", comenta Roger Stoller, gerente del programa para materiales de reactores de fusión del Laboratorio Nacional de Oak Ridge, ex presidente del Comité E10, presidente del Subcomité E10.08 sobre procedimientos para simulación de daños por irradiación de neutrones y vicepresidente de la junta de directores de la ASTM. “Los reactores de la generación IV requerirán materiales compuestos que puedan resistir a temperaturas muy altas y vendrán con cambios en los tipos de combustibles y en los refrigerantes. Todos estos avances exigirán el desarrollo de nuevas normas para los materiales estructurales; y ya estamos estudiando qué diseño y criterios de pruebas podrían ser.
Los diseños de la generación IV impactarán en forma directa en el trabajo del Comité C26, ya que los diseños están centrados en el cierre del ciclo de combustible para optimizar el uso de los depósitos para la residuos de gran radioactividad. Si bien es posible reprocesar todos los residuos nucleares (para recuperar radionúclidos reutilizables), todos tendrán residuos de gran radioactividad residual que deben colocarse en un depósito adecuado. Las diferentes etapas de reprocesamiento proporcionan distintas opciones para manejar los flujos de residuos, que se evalúan en relación con las reglamentaciones y el posible ahorro de costos. El Comité C26 está siguiendo estas opciones de cerca, para desarrollar normas a medida que aparezcan formas de desperdicios más adaptadas para los diseños de la generación IV.
Expansión internacional
La globalización de la industria nuclear es evidente. Muchas de las cuestiones relacionadas con la energía nuclear, demostradas por la participación del GIF, son globales. Por lo tanto, es importante que las normas de la industria se desarrollen con un modo de pensar internacional.
Durante los últimos 15 años, la participación de los miembros del Comité E10 se ha vuelto más internacional. "Las normas de la ASTM han sido siempre internacionales porque se usan en forma generalizada en todo el mundo. Como consecuencia, hemos solicitado resueltamente aportes para la actualización y el desarrollo de nuestras normas. La ASTM tiene una gran cantidad y diversidad de miembros y recibe una importante contribución de los miembros de otros países", comenta Stoller.
La eliminación de los residuos nucleares puede estar influenciada por el clima, los entornos y las geologías. por lo que en consecuencia, el rendimiento a largo plazo de varias formas de residuos y materiales de ingeniería no será el mismo en entornos diferentes. El trabajo de las normas del Comité C26 tiene en cuenta estos factores y resulta muy beneficioso contar con una representantes internacionales con puntos de vistas internaciones en el comité.
Nanstad resume sus ideas sobre la ASTM y su reputación internacional. “Las normas de la ASTM son muy respetadas en muchos países porque se crean por consenso. Los países que recién empiezan en la industria nuclear, podrán lograr credibilidad inmediata si siguen las normas de la ASTM ".
Referencias
1. Los títulos completos de las normas de la ASTM son E185, método para el diseño de programas de vigilancia de vasijas de reactores de energía nuclear moderados de agua liviana, y E693, método para calificar las exposiciones a neutrones en hierro y aceros de baja aleación en términos de desplazamientos por átomo (DPA, por sus siglas en inglés), E 706(ID).
Jan Waldauer es un profesional de las comunicaciones que trabaja en el área de Filadelfia.
