Las nuevas tecnologías y los problemas de abastecimiento energético están avivando el interés por la energía nuclear, mientras que los esfuerzos de desmantelamiento en curso requerirán estándares nuevos y revisados. Los comités de ASTM están ayudando a al

By JACK MAXWELL

Aug 20, 2023

La trayectoria global del sector de la energía nuclear ha fluctuado drásticamente desde que la primera central en producir electricidad utilizable mediante fisión atómica, el Reactor Reproductor Experimental n.º 1 (EBR-1), encendió cuatro bombillas de 200 vatios el 20 de diciembre de 1951 en el desierto de Idaho.

En un principio, esta nueva tecnología se consideró como un elemento de cambio que podría “proporcionar abundante electricidad en áreas del mundo carentes de ella”, según las palabras del presidente estadounidense Dwight Eisenhower. Sin embargo, las últimas décadas han sido una historia de altibajos para el sector nuclear.

Mientras tanto, amenazas globales, como las guerras y el cambio climático, han obligado a los responsables de la formulación de políticas a tomar en serio las distintas opciones energéticas disponibles. ¿Un resultado? En muchos círculos, se está volviendo a considerar la energía nuclear como un importante contribuyente potencial a la futura capacidad de generación de electricidad. Y, dentro del sector, los prometedores avances en el diseño de reactores están abordando cuestiones de seguridad, sostenibilidad y viabilidad económica. La cooperación internacional en torno a estas y otras nuevas tecnologías está ayudando a impulsar el avance.

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Para ASTM International, la energía nuclear siempre ha sido un tema relevante. Los comités de larga trayectoria sobre tecnología nuclear y sus aplicaciones (E10, constituido en 1951) y sobre el ciclo del combustible nuclear (C26, constituido en 1969) han servido como apoyo a la industria durante décadas al facilitar el desarrollo de importantes estándares de consenso. Y, como las tecnologías siguen cambiando y evolucionando, su trabajo continúa.

El panorama actual

Incluso, mientras examinamos los últimos avances en tecnología nuclear y los estándares relacionados, es importante señalar que, en muchas partes del mundo, la energía nuclear nunca desapareció realmente. En la actualidad, hay más de 400 reactores en funcionamiento en unos 30 países. Y, según el Organismo Internacional de Energía Atómica (IAEA), casi 60 más están en construcción.

Estas estadísticas refuerzan la posición de aquellos que creen que la energía nuclear, debidamente utilizada, debe seguir formando parte de la ecuación energética. Sin embargo, el hecho de que esta opción, a la que algunos se oponen, esté ganando adeptos quizá tenga que ver tanto con las alteraciones del orden internacional como con el cambio fundamental del sentimiento de la opinión pública.

“El estado actual del sector de la energía nuclear está mejorando, hasta cierto punto, debido a la guerra en Ucrania y a las problemáticas del cambio climático”, comenta Bertrand Morel, que preside el subcomité de especificaciones de combustible y material fértil (C26.02). Morel señala que la energía nuclear sigue contribuyendo en gran medida al sistema energético de algunos países, a la vez que otros países, que hasta ahora no la habían adoptado, están mostrando nuevos niveles de interés.

Naturalmente, hay quienes opinan lo contrario. “La respuesta mundial a esta cuestión es variada”, afirma Pat Griffin, presidente del subcomité de metrología de la radiación nuclear (E10.05) y becario de laboratorio en los Laboratorios Nacionales de Sandia (SNL). “China e India están ampliando considerablemente su capacidad de energía nuclear. Otros países continúan cerrando sus centrales nucleares”.

Para ilustrar la afirmación de Griffin, la base de datos del Sistema de Información sobre Reactores de Energía (PRIS) de IAEA indica que China (21 nuevas unidades), India (8), Turquía (4) y Corea del Sur (3) son los países más activos en términos de construcción de nuevos reactores al 16 de mayo de 2023. Por el contrario, varios países encabezan la lista de los que han cerrado permanentemente reactores: Estados Unidos (41 unidades), Reino Unido (36), Alemania (33) y Japón (27).

IV generación

Para tener una idea más clara de hacia dónde puede dirigirse el sector nuclear, es útil centrarse en dos áreas distintas. La primera, la tecnología de reactores, se refiere a la búsqueda continua de alternativas más seguras y eficaces a los diseños actuales. La segunda, el desmantelamiento, aborda la cuestión de cómo gestionar mejor la eliminación progresiva de las centrales nucleares existentes, así como la previsión de los procedimientos de desmantelamiento que pueden requerirse en las próximas décadas para los reactores de nueva generación que ni siquiera se han construido todavía.

Si primero volvemos al tema del diseño de reactores, uno de los desarrollos más prometedores es la tecnología de IV generación (Gen IV). En 2001, el Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE) encabezó la formación del Foro Internacional de la IV Generación (GIF), un consorcio de países con una considerable capacidad nuclear y convencidos de que esta forma de energía sigue siendo vital para sus intereses. También se han comprometido a compartir la I+D. El número de miembros ha cambiado un poco a lo largo de los años, pero siguen participando los principales miembros fundadores, como Canadá, Francia, Japón, Corea del Sur, el Reino Unido y Estados Unidos.

Tras varios años de debate y análisis de cerca de 100 conceptos, el GIF seleccionó seis tecnologías de reactores para su posterior desarrollo: reactores rápidos enfriados por gas (GFR), reactores rápidos enfriados por plomo (LFR), reactores enfriados por agua supercrítica (SCWR), reactores de sales fundidas (MSR), reactores rápidos enfriados por sodio (SFR) y reactores de gas de muy alta temperatura (VHTR).

En palabras de la Asociación Nuclear Mundial, estas tecnologías “fueron seleccionadas por ser medios limpios, seguros y económicos de satisfacer las crecientes demandas de energía de manera sostenible que, al mismo tiempo, son resistentes al desvío de materiales para la proliferación de armas y seguras frente a los ataques terroristas”. El DOE y sus laboratorios nacionales trabajan actualmente con socios industriales en las tres últimas opciones.

Las nuevas tecnologías han hecho que algunos reconsideren la energía nuclear.

Morel aporta contexto y explica que la mayoría de las instalaciones nucleares actualmente en funcionamiento están provistas de reactores de agua en ebullición (BWR) o reactores de agua a presión (PWR) que utilizan combustible sólido, agua para el enfriamiento y bajas temperaturas. Con los reactores Gen IV, “algunos son de temperatura extremadamente alta, otros utilizan combustible líquido, y otros emplean sodio para el enfriamiento. Estamos hablando de sistemas realmente diferentes”.

Reactores modulares pequeños

Otra evolución tecnológica prometedora son los reactores modulares pequeños (SMR) avanzados. Estas unidades, cuya capacidad de producción puede oscilar entre decenas y cientos de megavatios, no son necesariamente únicas en cuanto al funcionamiento del reactor, ya que algunas se basan en el enfriamiento por agua ligera o en tecnologías bien establecidas. Sin embargo, otros diseños sí incorporan la tecnología Gen IV, como el enfriamiento por gas o sales fundidas. La huella física y la viabilidad económica son diferencias clave.

“El sector de la energía nuclear se encuentra en un estado de transición”, afirma Mike Brisson, presidente del subcomité de métodos de prueba (C26.05). “Se está alejando de las grandes y costosas centrales que tardan décadas en diseñarse y construirse, y se está pasando a centrales más pequeñas que pueden entrar en funcionamiento más rápidamente, con costos más bajos y una gestión de los desechos más sencilla. Los diseños modulares y a menor escala reducen la cantidad de trabajo de instalación in situ que se necesita”.

Griffin destaca las consecuencias financieras de la tecnología SMR. “El costo de la energía nuclear fue muy atractivo en otros tiempos”, nos explica. “Sin embargo, los excesos de costos en la construcción de nuevas centrales nucleares de gran tamaño son un aspecto negativo. El potencial que ofrecen los SMR puede abordar esta preocupación. Tenemos varios diseños diferentes de SMR y estamos esperando a ver cómo superan los procesos de autorización y regulación de la Comisión Reguladora Nuclear de Estados Unidos”.

La generación de energía no es el único uso potencial de los SMR; su menor tamaño los hace también adecuados para aplicaciones industriales como el calor de proceso y la desalinización. También tienen el potencial de suministrar electricidad en lugares remotos y de topografía accidentada en los que una instalación nuclear de mayor tamaño no es viable.

El comité del ciclo del combustible nuclear, del que Brisson es primer vicepresidente, ha organizado una conferencia en San Pablo, Brasil, el próximo mes de septiembre (18-21) que contará con talleres sobre pequeños reactores modulares y microrreactores, avances en los métodos de química analítica y análisis no destructivos. Se esperan asistentes de EE. UU. y Europa.

¿Cuáles son los objetivos del evento? “La estandarización será necesaria para los reactores modulares pequeños y esperamos identificar las oportunidades que se presentan en este campo”, afirma Brisson. “Se están desarrollando nuevos combustibles que necesitarán métodos de análisis nuevos o actualizados. Por último, esperamos reforzar la participación de ASTM con expertos de Sudamérica”.

Estándares de combustibles

El uranio 235 es el isótopo fisible más utilizado y produce energía durante la reacción en cadena que tiene lugar en el núcleo de un reactor. No obstante, los SMR y otras tecnologías de reactores incipientes, al representar nuevos diseños, necesitarán nuevos combustibles.

La mayoría de estos combustibles entran en la categoría de uranio de alto contenido y bajo enriquecimiento (HALEU). El DOE define el HALEU como enriquecido entre el 5 % y el 20 % y señala que “…es necesario para que la mayoría de los reactores avanzados de EE. UU. logren diseños más pequeños que permitan obtener más energía por unidad de volumen. El HALEU también permitirá a los desarrolladores optimizar sus sistemas para obtener núcleos de mayor duración, mayor eficiencia y mejor utilización del combustible”.

El C26 está revisando los estándares existentes y creando otros nuevos para reflejar la evolución de estos combustibles. Un ejemplo notable es la especificación estándar para el hexafluoruro de uranio enriquecido entre el 5 % y el 8 % de 235U (WK82821). Esta revisión estaba en proceso de votación en el momento de redactar este documento. “En la actualidad, el estándar para los reactores de agua a presión es del 5 %, pero creemos que existen posibilidades de aumentar el enriquecimiento hasta el 8 % en este estándar”, afirma Morel. “Asimismo, actualmente, estamos preparando un estándar para un enriquecimiento de hasta el 20 %”.

El subcomité sobre combustible gastado y residuos de alto nivel (C26.13) también acaba de obtener la aprobación de un método de prueba revisado para la medición de la tasa de disolución del vidrio utilizando condiciones de reactor diluido agitado en muestras monolíticas (C1926). Describe una nueva técnica para medir la tasa de avance de la corrosión del vidrio mediante el análisis de probetas en reactor agitado y se utilizará “para caracterizar los aspectos de la corrosión del vidrio que pueden incluirse en los modelos mecanísticos de la durabilidad a largo plazo de los vidrios, incluidos los vidrios de desechos nucleares”.

Estas nuevas especificaciones se basan en el legado de los estándares ASTM existentes que se utilizan en todo el mundo, incluida la especificación estándar para el hexafluoruro de uranio para enriquecimiento (C787) y la especificación estándar para el hexafluoruro de uranio enriquecido en menos de un 5 % de 235U (C996).

Morel presenta el desafío que supone llegar a una especificación estándar para los combustibles cuando hay tantos tipos diferentes de reactores en desarrollo. Otro obstáculo es la naturaleza inestable del material fisible. “Cuando se enriquece uranio, es muy difícil predecir con exactitud el comportamiento de todas las impurezas. ¿Cómo se puede tomar lo que se conoce en el sector para un enriquecimiento de hasta el 5 % y extrapolarlo a valores superiores como el 8 %?”, pregunta Morel.

Los estándares ASTM suelen establecerse antes de la aplicación real de los procesos industriales para los que están diseñados. El WK82821 es un buen ejemplo de este fenómeno. “En la actualidad, nadie transporta el 6 % o el 8 %, pero nos estamos preparando”, comenta Morel. “Tendremos un estándar que sea un documento de consenso, de manera que se pueda utilizar en el transporte y pueda ser usado por el NRC para otorgar aprobaciones a las plantas. El estándar será absolutamente necesario con antelación, de manera que todo el mundo haya aceptado lo que contiene”.

Aumento de desmantelamientos

A medida que los interesantes desarrollos en las nuevas tecnologías de reactores y en los estándares de combustible avanzan, también se ha producido un aumento sin precedentes en el número de instalaciones nucleares existentes inactivas. Como presidente del subcomité de protección radiológica para la descontaminación y el desmantelamiento de las instalaciones y los componentes nucleares (E10.03), Joe Sinicrope y sus colegas miembros han tenido un protagonismo destacado.

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“Desde nuestra perspectiva, se ve este tremendo esfuerzo previsto en el desmantelamiento de instalaciones nucleares”, comenta. “Es posible que en China y en Asia esté ocurriendo un poco lo contrario, ya que todavía se considera una forma bastante viable de satisfacer los requisitos energéticos. Pero, al menos, en Norteamérica y Europa, se está viendo un aumento en el desmantelamiento, no en la puesta en marcha de nuevos reactores”.

E10.03 es responsable de 16 estándares que van desde lo fundacional (guía estándar para el programa de protección radiológica de operaciones de desmantelamiento [E1167]) hasta lo profundamente técnico (especificación estándar para fijadores espumantes permanentes utilizados en la mitigación de la propagación de la contaminación radiactiva [E3191]). Muchos de ellos se desarrollaron en el contexto de diseños de reactores anteriores, pero Sinicrope señala que las nuevas opciones, como las unidades modulares pequeñas, algún día tendrán que cerrarse también.

“Para nuestro subcomité, esos 16 estándares están asociados en su mayoría a los esfuerzos de desmantelamiento de las tecnologías nucleares actualmente en funcionamiento o a punto de caducar”, agrega. Y destaca que su subcomité ha incorporado seis nuevos estándares en los últimos tres años que entran en esta categoría. “Pero es muy posible que los SMR presenten nuevos problemas que requieran la creación, aplicación y actualización de nuevas guías y especificaciones que se ocupen de la parte final del ciclo nuclear: los residuos y los procesos de desmantelamiento”.

Muchos observadores del sector consideran que los residuos son el problema más engorroso al que se enfrenta el sector nuclear. Russell DePriest, presidente del subcomité de dosimetría de la radiación para los efectos de la radiación en materiales y dispositivos (E10.07), considera: “Creo que el problema principal es la eliminación o el reciclaje de los desechos de combustible gastado”. Sinicrope llama a los desechos el “talón de Aquiles” del sector, a la vez que Griffin se pregunta si la capacidad ecológica o de la energía nuclear en términos de emisiones de CO2 es suficiente para compensar las preocupaciones sobre la eliminación de las barras de combustible gastado y otros materiales radiactivos.

Aunque el trabajo de su subcomité se centra en la dosimetría, o sea, en la medición y evaluación de las dosis de radiación absorbidas por un objeto (a menudo, pero no exclusivamente, el cuerpo humano) durante la exposición a materiales radiactivos, DePriest considera que tiene un papel importante a desempeñar en cualquier resurgimiento futuro de la energía nuclear.

“El enfoque del E10.07 tiende más hacia entender el entorno de radiación que experimentan los objetos en una instalación de pruebas”, afirma. “Pero los estándares en nuestro subcomité que podrían ser importantes para una reactivación nuclear son 1) prácticas que proporcionen métricas para entender tanto la irradiación neutrónica como la gamma de los materiales utilizados en los reactores; y 2) prácticas para caracterizar la distribución de energía de las partículas en el campo de radiación. El subcomité mantiene estos estándares desde hace algún tiempo y la mayor parte de nuestro esfuerzo consiste en asegurarnos de que nos mantenemos al corriente de las nuevas tecnologías que podrían mejorar nuestras actividades actuales de caracterización”.

DePriest subraya que la mayoría de los estándares del comité de tecnología nuclear y aplicaciones relacionadas con la energía nuclear están bajo la jurisdicción de los subcomités E10.02 y E10.05. Según él, esto será crucial para planificar los protocolos de dosimetría de los nuevos reactores, que pueden tener una vida útil de hasta 80 años, así como de los que funcionan en la actualidad y que ya han sobrepasado su vida útil original de 40 años.

Independientemente de que el enfoque sea el desmantelamiento de los diseños heredados o la implementación de nuevas tecnologías, una cosa es segura: el trabajo de las personas que trabajan como voluntarios en los comités E10, C26 y otros comités de ASTM será fundamental para su éxito.

Como lo expresa DePriest: “Creo que es especialmente importante desarrollar y fomentar la participación de los ingenieros y científicos más jóvenes en el proceso de desarrollo de estándares. Los miembros del E10 son entusiastas de la tutoría y patrocinan el primer capítulo de estudiantes de ASTM en la Universidad Internacional de Florida. Esperamos que los estudiantes aprovechen la oportunidad de participar y beneficiarse de la experiencia colectiva en el campo nuclear que tenemos en E10”.

Jack Maxwell es escritor independiente y reside en Westmont, Nueva Jersey, EE. UU.