Central Argentina de Elementos Modulares
Por José M. Iriarte Muñoz
Física de Reactores - Instituto Balseiro
Introducción: CAREM un desarrollo argentino
En más de medio siglo de experiencia en energía nuclear, la Argentina desarrolló un único proyecto de central nuclear totalmente propio y original. Es el CAREM, una central de cuarta generación, con seguridad inherente basada en sistemas pasivos, de construcción, operación y mantenimiento sencillos y con un rango de potencias que va de los 25 o 27 megavatios en las versiones más modestas hasta los 300 en las más complejas.
En las pantallas que siguen sólo se darán las características y detalles de la planta de 27 megavatios eléctricos. Es la que tiene más desarrollo de ingeniería hasta el momento, y permitiría satisfacer la demanda de una ciudad de unos 100.000 habitantes.
El proyecto CAREM tiene un grado importante de avance conceptual y jurídico. Por una parte, la Argentina ya invirtió 30 millones de dólares en testear los combustibles y el núcleo de esta central, sus componentes críticos. Por otra, cuenta con una ley nacional aprobada por el Congreso de la Nación para financiar su construcción.
El Poder Ejecutivo, por ende, sólo tiene que tomar la decisión política de llevar este proyecto a cabo, cuando lo considere necesario, y asegurarle los fondos necesarios.
Los dos escenarios del CAREM
La necesidad existe ya. Hay dos escenarios que justifican que nuestra Argentina construya un primer prototipo de CAREM.
El país todavía abunda en zonas sin provisión de energía eléctrica ni desarrollo económico, desiertos demográficos internos a las cuales resultaría carísimo llegar con líneas de alta tensión. En tales lugares, al crear un “oasis energético” un CAREM puede dar vuelta el panorama social al suministrar electricidad segura (como no la da ninguna fuente alternativa, salvo la geotérmica), y al asegurar la viabilidad de cualquier emprendimiento económico local, sea minero o transformativo. En una de sus varias versiones, el CAREM está incluso pensado para desalinizar agua de mar en desiertos costeros.
La Argentina ya hizo este tipo de cosas. Y con un éxito rotundo.
La necesidad existe ya. Hay dos escenarios que justifican que nuestra Argentina construya un primer prototipo de CAREM.El país todavía abunda en zonas sin provisión de energía eléctrica ni desarrollo económico, desiertos demográficos internos a las cuales resultaría carísimo llegar con líneas de alta tensión. En tales lugares, al crear un “oasis energético” un CAREM puede dar vuelta el panorama social al suministrar electricidad segura (como no la da ninguna fuente alternativa, salvo la geotérmica), y al asegurar la viabilidad de cualquier emprendimiento económico local, sea minero o transformativo. En una de sus varias versiones, el CAREM está incluso pensado para desalinizar agua de mar en desiertos costeros.
La Argentina ya hizo este tipo de cosas. Y con un éxito rotundo.
Puerto Madryn - Chubut - Patagonia Argentina
Mejor aún: Puerto Madryn –que en 1970 estaba desapareciendo por pérdida de población juvenil- ahora es un pujante “oasis económico” en la Patagonia, con cuatro veces más habitantes que en 1970 y uno de los niveles socioculturales más altos de la región. Un contraste notable con otros puertos patagónicos que sólo exportan materia prima, sin mayor valor agregado.
Puerto Madryn - Chubut - Patagonia Argentina
Hoy un CAREM permitiría repetir este pequeño milagro económico en cualquier lugar aislado del país. Pero a un precio mucho menor: sin líneas de alta tensión.
Sin embargo, hay otro escenario que justifica mucho más la erección de un prototipo, independientemente de su asiento geográfico.
Instalaciones de la CNEA en Pilcaniyeu, Provincia de Río Negro, Argebtina; donde se testearon los elementos combustibles de la central CAREM en el reactor RA-8
Es la exportación de la tecnología
Estudios de mercado realizados por la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA) detectan una demanda insatisfecha en la oferta nucleoeléctrica mundial que sólo podría ser atendida por el CAREM.
Esta oferta insatisfecha está, 20 países del Tercer Mundo que necesitan desesperadamente desarrollar diversos “oasis energéticos” dentro de sus territorios. Dichos países carecen de acceso propio a la tecnología nuclear y quieren empezar a familiarizarse con la misma.
Pero se encuentran con que lo único que se puede comprar “de anaquel” en el Hemisferio Norte son centrales de tercera generación de gran tamaño y complejidad, rígidamente pensadas para países ricos, con grandes redes eléctricas, mucha industria propia capaz de proveer insumos, y bolsillos muy profundos. Esta oferta arranca en los 300 megavatios la unidad, y llega a los 1600.
Sin embargo, los 20 países estudiados por la CNEA necesitarán entre 18 y 34 centrales nucleares chicas, con menos de 150 megavatios eléctricos por unidad. Esto debería suceder de aquí a 15 años. Y lo único pensado para esa oferta y con madurez técnica como proyecto es el CAREM.
Sólo hay que mostrar un prototipo en funcionamiento en la Argentina, y nuestro país terminará inaugurando –y posiblemente dominando, al menos durante un tiempo- un mercado todavía inexistente.
Ventajas comerciales del CAREM
-La Argentina cuenta con cuatro grandes ventajas en el mercado de los países en desarrollo, que a las grandes potencias les resulta marginal. La primera es que ya ha vendido varios reactores de investigación impecables, entregados en tiempo y forma. Como fabricante nuclear, no necesita prestigio mundial. Ya lo tiene.
-La segunda es que, por tradición, la Argentina no está atada a vender únicamente “llave en mano”. Por el contrario, puede darle al país comprador una formación muy intensa de personal experto no sólo en operación sino también en diseño de unidades nucleares, y hasta puede capacitar a la industria local. Los países ricos evitan esto: prefieren que sus clientes no se les vuelvan, a la larga, competidores, o al menos plazas autoabastecidas.
-La tercera ventaja es que pese a las imitaciones conceptuales que el CAREM engendró (en Corea y los Estados Unidos), la Argentina sigue teniendo el proyecto más avanzado. Pero también el más abarcativo, por su gran panoplia de potencias posibles entre los 25 y 300 megavatios.
-La cuarta ventaja es que con un CAREM, el cliente empieza su desarrollo nuclear con una central modernísima de cuarta generación, en lugar de con tecnología que data de los años ’50, como es una central avanzada de tercera generación de tipo APWR (ver animaciones computadas en las siguientes pantallas de la Web: www.invap.net ). Y esto significa seguridad inherente como no la da nadie. Porque no existe ninguna central nucleoeléctrica en oferta capaz de atenderse sola, sin personal, durante las primeras 48 horas posteriores a un accidente grave. Salvo el CAREM.
Además de estas cuatro ventajas, que deberá demostrar con un prototipo, la Argentina tiene muchas razones más para hacer el CAREM.
Además de crear un nuevo oasis energético y económico en su territorio como “showroom” y luego exportar decenas de unidades, el CAREM instalaría al país como competidor en un mercado que hoy mueve 20.000 millones de dólares por año en combustibles nucleares para centrales, y 30.000 millones más en servicios y repuestos.
Nuevamente, un primer CAREM como “showroom” no sería nada que ya no se haya hecho. Con la sola inversión de construir el reactor de investigación RA-6 en Bariloche, durante los años ‘80, la Argentina se volvió el mejor exportador mundial de este tipo de unidades. Con 30 millones de dólares invertidos, ya lleva ganados centenares.
* Pero los premios en el mercado nucleoeléctrico son incomparablemente mayores. Entre 1987 y 1999 se licitaron 4 reactores de investigación, por precios entre los 30 y los 180 millones de dólares (e INVAP ganó 3 de esas compulsas). Pero en ese mismo período se construyeron más de 50 centrales. Hoy en el mundo funcionan 441 centrales, hay 32 en construcción y 30 más pedidas.
En suma, hacer una central es potenciar los recursos técnico s nuestro país a nivel mundial.
Por qué tomar la decisión ahora
El mundo se nucleariza. De hoy al 2050, la oferta mundial de energía debería triplicarse, y de aquí al 2100, quintuplicarse, y eso sólo para que el consumo global per cápita llegue a alrededor de un tercio del del estadounidense tipo de hoy en día.
Con tanto y tan grave infraconsumo eléctrico como el actual en las economías atrasadas, no está garantizado que eso suceda. Pero justamente por ello, la mayor demanda de energía ocurre y ocurrirá donde menos oferta hay: en los países en desarrollo que apuestan a la industria. Y esto no es futurología sino historia: empujados por esa demanda, en la última veintena de años, un puñado de países asiáticos (Corea del Sur, China, Japón y la India) construyeron más de 50 centrales nucleares nuevas.
Esto le abre mercados potenciales muy interesantes al CAREM.
En estas circunstancias, el mejor modo de empezar puede ser una oferta nuclear de bajo costo, que usa tecnologías y materiales absolutamente probados, pero que al mismo tiempo incorpore características de seguridad muy avanzadas, y sea de funcionamiento simple y barato. A cualquier futuro país comprador, el CAREM le facilitaría un desarrollo sensato de sus recursos industriales y tecnológicos, y le abriría el camino para la instalación de centrales mayores hasta cubrir sus demandas de energía.
¿Por qué construir ya el CAREM, entonces? Porque hoy es la única central-escuela en oferta.
Y en el mundo de las próximas décadas sobrarán alumnos.
S.C. Bariloche - Febrero de 2007
El CAREM fue pensado como reactor de baja y media potencia basado en conceptos innovadores que definen a los reactores de IV generación. Puede decirse que se trata de una evolución en los PWR Avanzados. Un CAREM es de diseño compacto, más simples que sus antecesores, con mecanismos de seguridad pasivos. Está pensado para dos versiones: con refrigeración por convección natural hasta 150MWe y con convección forzada hasta los 350MWe.
Es ideal para oasis energéticos, desalinización de agua o producción de hidrógeno. Fue inspirado en un viejo reactor para propulsión marina llamado Otto Han, pero el CAREM es un nuevo diseño hecho en la Argentina. Se caracteriza por usar muchos materiales y tecnología nuclear probados. Un primer prototipo de 27MWe (llamado CAREM-25) esta siendo construido, pensado luego para constituir un excelente producto de exportación a países en desarrollo. Emplea como combustible uranio enriquecido al 3.4% y 1.8%, y como moderador y refrigerante utiliza agua liviana.
Características técnicas
Origen
CAREM saca provecho de muchas ventajas comprobadas en la práctica de los PWR (Figura 1). Por ejemplo el trabajar a 120 atm de presión permite manejar agua del primario a casi 400 ºC en fase líquida y sin turbulencias, consiguiendo eficiencias del orden del 33%. El uso del agua es ventajoso dado que no es incendiaria y se conocen muy bien sus propiedades.
El uso de dos circuitos acoplados de refrigeración logra en los PWR que las turbinas trabajen con vapor limpio aunque haya una caída del rendimiento por culpa de esta doble etapa.
Un aspecto relacionado a la seguridad de los PWR es el confinamiento redundante de los combustibles de UO2 que se encuentran dentro de pastillas cerámicas, a su vez dentro de vainas de zircaloy, todo el núcleo dentro de un recipiente de presión (RP), seguido de la isla nuclear y un edificio de hormigón.
Este tipo de reactores funciona desde hace más de 4 décadas y la seguridad reposa con confianza en sistemas de barras de control y enclavamiento, inyección de boro o gadolinio, bombas auxiliares para los circuitos de refrigeración, además de poseer generadores de emergencia para las mismas y circuitos auxiliares para el caso de LOCA (accidente de pérdida de liquido refrigerante).
Reactor Integrado
CAREM busca integrar muchas partes de las recién mencionadas a favor de simplificaciones y mejoras en la seguridad (Figura 2).
Los casos concretos son la integración de los generadores de vapor dentro del RP, haciendo que el primario no cuente con cañerías de gran porte exteriores al RP, eliminación de un presurizador (que se integra en el domo del RP donde se presenta equilibrio bifásico) y de bombas en el primario para el diseño con circulación natural. Los mecanismos de control se integraron al recipiente de presión reformulados en sistemas hidráulicos.
Figura 1. Esquema del funcionamiento de un reactor clásico tipo PWR
Figura 2. Esquema del funcionamiento de un reactor integrado tipo CAREM
Las consecuencias son muy favorables y permiten denominar al CAREM como un reactor de IV Generación. Esta categoría conceptual de reactores tiene como metas fundamentales mejorar seguridad nuclear, aumentar resistencia de la proliferación, reducir al mínimo la utilización del recurso inútil y natural, y disminuir el coste a la estructura y dirección de tales plantas. Cabe señalar el incremento de la seguridad por depender principalmente de sistemas pasivos, los menores requisitos radiológicos por no haber caños del sistema primario emitiendo gammas dispersos por la planta y la autorregulación de la presión por la coexistencia de fases líquida y gaseosa del agua en el domo del RP. De esta manera el reactor se regula a sí mismo, es estable termo-hidráulicamente dada la inercia térmica que infiere el gran volumen de agua en movimiento, que regula pasivamente su caudal según las variaciones de potencia del núcleo. Esa misma cantidad importante de agua protege al material del RP (Figura 3) del daño por radiación neutrónica. El reactor se atendería sin asistencia de operarios ni provisión eléctrica externa las primeras 48hs posteriores a un incidente.
Un CAREM prototipo de 27MWe (100MWth) está pensado para funcionar a 122.5atm con un caudal nominal de 410Kg/s en el primario y una temperatura de 326ºC.
Figura 3. Recipiente de presión, un desafío mecánico
Núcleo
Posee un diámetro equivalente de 131cm y consiste en 61 elementos combustibles (EC) en una configuración hexagonal de 108 tubos de zircaloy cada uno (Figura 4). Es para destacar que usa 3,812.5 Kg de uranio enriquecido al 3.4% y 1.8%, y algunas barras poseen veneno quemable (gadolinio). Esto, que puede pensarse como un auto que viaja con el freno aplicado en cierta medida, conduce a tener un núcleo poco propenso a las “rampas de potencia” y conseguir mejores tasas de quemado que los combustibles de los HPWR. Los EC tienen una longitud activa de 1.4m y se recambian desde el centro del núcleo hacia el exterior, teniendo un ciclo donde se retiran el 50% de los elementos cada 330 días de operación a potencia plena. El reactor debe parar durante un mes cada año para estos recambios.
Existen 18 tubos guías para control, unos para instrumentación y varios para el sistema de enclavamiento.
Es un núcleo con baja pérdida de carga y puede apagarse en menos de un minuto, según afirman sus diseñadores.
Figura 4. Detalle de de un elemento combustible en el núcleo del reactor
Seguridad
CAREM fue concebido bajo la condición de diseño de falla sin riesgo, o sea que el reactor tiende a apagarse en caso de cualquier tipo de falla, por ej. tras la detección de una válvula que falla. Una filosofía que impregna al CAREM es la idea de defensa en profundidad, señalada cuando se hablaba de la redundante contención del combustible en los PWR sumado ahora a la integración del circuito principal de refrigeración al mismo RP. Esto reduce al mínimo las posibilidades de un LOCA. Todos los sistemas de seguridad están duplicados y actúan solos e inevitablemente ante un evento por sus características de funcionamiento pasivo. Se destaca la presencia de barras de extinción con cadmio y un mecanismo de emergencia para la inyección de boro.
Cuenta con circuitos de remoción de calor residual del núcleo (que también funcionan por convección natural), válvulas de alivio y supresión de presión y la posibilidad de inyectar agua de emergencia desde un depósito siempre a la misma presión que el RP.
Figura 5. Ejemplo de intercambiador de calor y la ubicación en el RP
Figura 6. Circuito secundario
Otros detalles
Cuenta con 12 módulos de generadores de vapor (GV), ubicados dentro del RP (Figura 5). El sistema secundario (Figura 6) recolecta el vapor trabajando a 47 atm y 290ºC. Los GV fueron los elementos que más variaron desde los primeros diseños del CAREM allá por la década de los 80. Los actuales responden a un diseño muy empleado en submarinos rusos. Constituyen un aspecto crítico de los CAREM.
El proyecto CAREM cuenta con ensayos realizados en el reactor RA-8 (Pilcaniyeu, Río Negro) (Figura 8) para medición de parámetros de criticidad, distribución de potencia y validación de cadena de cálculo. Se construyó un circuito de alta presión y convección natural para conocer detalles termo-hidráulicos y verificar que la convección natural puede imponerse. También se ensayaron los mecanismos hidráulicos de control.
Figura 7. Reactor RA-8 en Pilcaniyeu
El CAREM en Formosa
Por otra parte, Nucleoeléctrica Argentina (NA-SA), la empresa estatal encargada de operar las centrales nucleares, acaba de firmar con la CNEA un acuerdo de cooperación para el desarrollo del prototipo de reactor CAREM-25, que será emplazado en los terrenos linderos a Atucha I y II. Se trata de un viejo anhelo de los profesionales del sector nuclear del país, que luego de la aprobación de una ley para su financiamiento en 1999 había sido postergado tras la crisis de 2001 y relanzado recién en 2006.
Además, en mayo de este año la CNEA firmó un convenio con Formosa para instalar allí el primer módulo CAREM. A fin de determinar el lugar de ubicación del reactor, ya se trasladó a aquella provincia un equipo de expertos, que deberán realizar en los próximos meses el estudio correspondiente. Posteriormente se deberá decidir, en base a la infraestructura eléctrica y a las necesidades de la zona, la potencia del reactor que estará en el orden de los 100 a 150 megavatios.
Estos son los futuros mojones de un plan nuclear que se reactivó hace apenas cinco años, tras una década de postergaciones y abandono. La consolidación de la investigación en esta materia y la diversificación de la matriz energética a partir de una fuente de energía confiable aparecen hoy como objetivos más que suficientes para justificar el camino emprendido.
Conclusiones
CAREM es reconocido internacionalmente como un reactor que puede ser implementado antes de 2015 y posee un alto grado de desarrollo, teniendo eficiencia superior a los diseños de III generación perteneciendo a la gama de baja y mediana potencia. Posee ya competidores, que si bien están algunas etapas atrás en desarrollo, vienen avanzando con rapidez. Ellos son el IRIS (de Westinhouse, EEUU), SMART (de KAERI, Corea del Sur), IMR (de Mitsubishi, Japón) y PBMR (Sudáfrica).
CAREM es innovador e inaugura la IV generación de reactores bajo el concepto de integración y seguridad pasiva. Las reducciones de un posible LOCA es una ventaja importantísima, como así también la ventaja de poder atenderse solo las primeras 48hs tras un incidente. Es un reactor barato por simplificar su funcionamiento y poseer combustibles de alto quemado.
Fuentes:
Fuente 1
Fuente 2
Fuente 3
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