Por qué los pequeños reactores nucleares modulares no ayudarán a contrarrestar la crisis climática

Construcción del CAREM (Central Argentina de Elementos Modulares), en el sitio Atucha, febrero de 2020. Foto: Comisión Nacional de Energía Atómica.

por Arjun Makhijani y M.V. Ramana

Los pequeños reactores nucleares modulares, o SMR, están diseñados para generar menos de 300 megavatios de electricidad, varias veces menos que los reactores típicos, que tienen un rango de 1.000 a 1.600 MW. Aunque los módulos individuales estandarizados serían pequeños, los planes suelen contemplar la instalación de varios módulos en un mismo emplazamiento de generación de energía.

La industria nuclear y el Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE) promueven el desarrollo de los SMR, supuestamente para evitar los efectos más graves del cambio climático. Pero, ¿son los SMR una tecnología práctica y realista para este fin?

Para responder, hay que tener en cuenta dos factores fundamentales: el tiempo y el coste. Estos factores pueden utilizarse para dividir los SMR en dos grandes categorías:

1. Reactores de agua ligera basados en los mismos principios técnicos y de diseño generales que los actuales reactores de potencia de Estados Unidos, que en teoría podrían certificarse y autorizarse con menos complejidad y dificultad.

2. Diseños que utilizan una gama de diseños de combustible diferentes, como bolas sólidas que se mueven por el núcleo del reactor como la arena, o materiales fundidos que fluyen por el núcleo; moderadores como el grafito; y refrigerantes como el helio, el sodio líquido o las sales fundidas.

En ambos casos, las perspectivas de los SMR son escasas. He aquí el motivo.

Economía y escala

Los reactores nucleares son grandes debido a las economías de escala. Un reactor que produce tres veces más energía que un SMR no necesita tres veces más acero ni tres veces más trabajadores. Esta penalización económica por el pequeño tamaño fue una de las razones del cierre prematuro de muchos reactores pequeños construidos en Estados Unidos en los años 50 y 60.

Los defensores de los SMR afirman que la modularidad y la manufactura en fábrica compensarán la menor rentabilidad de los reactores pequeños. La producción en masa de los componentes del reactor y su fabricación en cadenas de montaje reduciría los costes. Además, un coste comparable por kilovatio, según el argumento, significaría unos costes mucho más bajos para cada reactor pequeño, reduciendo las necesidades de capital globales para el comprador.

El camino hacia la fabricación en masa será difícil. Incluso con suposiciones optimistas sobre la rapidez con la que los fabricantes podrían aprender a mejorar la eficiencia de la producción y reducir los costes, habría que fabricar miles de SMR, que tendrían un precio más elevado en comparación con los grandes reactores, para que el precio por kilovatio de un SMR fuera comparable al de un reactor grande.

Si la historia sirve de guía, es posible que el coste de capital por kilovatio no baje en absoluto. A nivel de flota, la tasa de aprendizaje en Estados Unidos y Francia, los dos países con mayor número de centrales nucleares, ha sido negativa: los reactores más nuevos han sido, en general, más caros que los anteriores. Y aunque el coste por SMR será menor debido a su tamaño mucho menor, normalmente se instalarán varios reactores en un mismo emplazamiento, lo que volverá a elevar los costes totales del proyecto para el comprador.

Aspectos de la fabricación en serie

Si un error en un reactor fabricado en serie diera lugar a problemas de seguridad, habría que retirar todo el lote, como ocurrió con los aviones Boeing 737 Max y 787 Dreamliner. ¿Pero cómo se retira un reactor radiactivo? ¿Qué ocurrirá con un sistema eléctrico que depende de reactores idénticos manufacturados en fábrica que deben ser retirados?

Ni la industria nuclear ni los responsables de la política energética se han planteado estas preguntas. Sin embargo, las retiradas son una característica predecible y constante de la fabricación en masa, desde los teléfonos inteligentes hasta los aviones a reacción.

El problema no es meramente teórico.

Uno de los grandes problemas económicos de los reactores de agua a presión, el diseño comúnmente elegido para los SMR de agua ligera, incluido el diseño de NuScale, que ha recibido la certificación condicional de la Comisión Reguladora Nuclear, es la necesidad de sustituir prematuramente los generadores de vapor, los enormes y costosos intercambiadores de calor en los que el agua caliente a alta presión del reactor se convierte en el vapor que impulsa los turbogeneradores. En la última década, estos problemas provocaron el cierre definitivo de dos reactores en San Onofre, en el sur de California, y de un reactor en Crystal River, en Florida.

Varios diseños de SMR de agua ligera colocan los generadores de vapor dentro de la vasija del reactor (Figura 1). Su sustitución sería, en el mejor de los casos, excesivamente difícil; los problemas con el generador de vapor podrían provocar la parada permanente del reactor.

Figura 1. Esquema de un diseño de agua ligera SMR con generador de vapor dentro de la vasija del reactor. Fuente: Glaser et al. 2015.

Ya hemos visto problemas con la construcción modular. Era un aspecto central del diseño del reactor AP1000 de Westinghouse, pero los reactores AP1000 construidos en Estados Unidos y China han sufrido importantes sobrecostes de construcción y retrasos en el calendario. En 2015, un antiguo miembro de la Comisión de Servicios Públicos de Georgia dijo a The Wall Street Journal: “La construcción modular no ha resultado ser la solución que las empresas de servicios públicos prometieron”.

La necesidad de fabricación en masa también crea un problema económico de huevo y gallina. Sin las fábricas, los SMR nunca podrán aspirar a lograr las teóricas reducciones de costes que constituyen el núcleo de la estrategia para compensar la falta de economías de escala. Pero sin las reducciones de costes, no habrá un gran número de pedidos que estimulen las inversiones necesarias para establecer la cadena de suministro en primer lugar.

El historial de los SMR hasta ahora

Hasta ahora, el historial de los SMR apunta al mismo tipo de fracaso económico que el de sus primos más grandes. La figura 2 muestra la escalada de costes de capital del reactor NuScale propuesto y los costes reales de dos SMR extranjeros. Como resultado, el coste total de un proyecto propuesto en Idaho con el diseño de NuScale ya ha pasado de unos 3.000 millones de dólares, en 2015, a 6.100 millones, en 2020, mucho antes de que se haya vertido el hormigón.

Figura 2. Escalada de costes estimada por NuScale y realidad de los SMR hasta ahora. Fuente: Ramana 2020.

Este patrón de escalada también puede preverse para otros conceptos de SMR, especialmente los que no se basan en reactores de agua ligera. Por ejemplo, el reactor propuesto por Natrium -de 345 MW, un poco más grande que un SMR- está refrigerado por sodio. A pesar de los cien mil millones de dólares gastados en todo el mundo desde 1950, los reactores refrigerados por sodio han sido un fracaso comercial en todo el mundo.

El proceso de aprobación de la seguridad de estos diseños probablemente será más largo y costoso. En muchos casos, incluso la puesta en marcha del proceso de certificación llevará años, ya que los modos de seguridad y accidente difieren con cada tipo de diseño. Por ejemplo, uno de los riesgos de los reactores de gas-grafito de alta temperatura son los incendios, más que las fusiones. Para dar una idea de la magnitud del gasto, se espera que el SMR de NuScale, que es el diseño conocido de agua ligera, cueste aproximadamente 1.500 millones de dólares sólo para su desarrollo y certificación. Es muy probable que los nuevos diseños de agua no ligera cuesten más y tarden más en desarrollarse desde la fase de concepto hasta la revisión y aprobación de la licencia.

Para que los SMR alcancen sistemáticamente el mismo coste de producción de energía que los grandes reactores actuales sería una tarea monumental, y dados los elevados costes de los grandes reactores, los SMR seguirían siendo un fracaso económico. Los costes de la electricidad eólica y solar han disminuido constantemente y se prevé que lo hagan aún más.

Lazard, una empresa de asesoramiento financiero de Wall Street, calcula que el coste de la energía solar y eólica a escala de servicios públicos es de unos 40 dólares por megavatio-hora. La cifra correspondiente a la energía nuclear es cuatro veces mayor, unos 160 dólares por MWh, una diferencia más que suficiente para utilizar tecnologías complementarias, como la respuesta a la demanda y el almacenamiento, para compensar la intermitencia de la solar y la eólica.

Los defensores de los SMR sugieren que la energía nuclear podría ser un complemento adecuado para las fuentes de electricidad variables, como la eólica o la fotovoltaica, cuya participación en la red eléctrica ha ido en aumento. Pero este despliegue supondría una importante penalización de costes.

Los reactores nucleares, ya sean pequeños o grandes, no son muy adecuados para responder a la variabilidad, porque tienen altos costes fijos (capital) y bajos costes variables (combustible y mantenimiento). Por eso las centrales nucleares se han utilizado como fuente de electricidad de carga base: reparten los costes fijos entre el mayor número de kilovatios-hora, lo que hace que cada uno sea más barato. Responder a la variabilidad implicará el funcionamiento a carga parcial durante gran parte del tiempo, lo que aumentará los costes.

Intentar utilizar los SMR para producir otros productos básicos, como agua limpia, desalando agua de mar o utilizando hidrógeno o calor a alta temperatura, tampoco es económico por diversas razones, la más importante, el alto coste del suministro de energía, es decir, la energía nuclear.

Los SMR y la crisis climática

El problema climático es urgente. El IPCC y otros organismos internacionales han advertido que, para detener los daños irreversibles del cambio climático, debemos reducir drásticamente las emisiones en la próxima década. La contribución de los SMR en la próxima década será esencialmente nula. Las perspectivas de los SMR más allá de esa fecha también son sombrías, dado que habría que establecer cadenas de suministro enteras después de que los primeros se hayan construido, probado y comprobado en el campo.

El Departamento de Energía ha estado trabajando en los SMR desde el siglo pasado. En 2001, la Oficina de Energía Nuclear del DOE proyectó que había casi 10 diseños de SMR que “tienen el potencial de ser económicos y podrían estar disponibles para su despliegue antes del final de la década, siempre que se aborden ciertas cuestiones técnicas y de licencias”.

Casi dos décadas después de esa idea optimista, la primera fecha oficial prevista para el despliegue es de 2029 a 2030 para el diseño principal, NuScale. Incluso esa fecha es muy incierta, porque el Comité Consultivo de Salvaguardias de Reactores de la Comisión Reguladora Nuclear ha identificado graves problemas de seguridad que tendrán que ser resueltos antes de que cualquier empresa solicite permiso para construir un SMR. Una de las principales preocupaciones es el generador de vapor, que, como ya se ha dicho, está dentro de la vasija del reactor y es una fuente potencial de problemas económicos y de fiabilidad.

Los SMR también desvían valiosos fondos públicos. Por ejemplo, el gobierno federal ha contribuido con al menos 314 millones de dólares al desarrollo del diseño del SMR de NuScale y, según se informa, ha acordado gastar hasta 350 millones de dólares en nuevos fondos de apoyo. Babcock & Wilcox recibió más de 100 millones de dólares del DOE para su diseño mPower, pero abandonó el proyecto en 2017 porque no había clientes.

Otras preocupaciones

El uso del agua es otra preocupación que se espera que se intensifique en el futuro. Las centrales nucleares tienen unas necesidades de extracción de agua muy elevadas. Un solo reactor de 300 MW que funcione a un factor de capacidad del 90 % retiraría entre 42 y 103 millones de litros de agua cada día, calentándola antes de su descarga. Para reducir la demanda de agua utilizando la refrigeración por aire habrá que añadir una torre y grandes ventiladores eléctricos, lo que aumentará aún más el coste de construcción y reducirá la producción de electricidad hasta en un 7 % de la capacidad del reactor.

Por último, los SMR también producirán muchos tipos de residuos nucleares radiactivos, debido a que los reactores son de menor tamaño físico y a las prácticas de recarga adoptadas por razones económicas. Los SMR basados en diseños de agua ligera, como NuScale, también producirán una mayor masa de residuos nucleares por MWh de electricidad generada. El gobierno federal ya está pagando miles de millones de dólares en multas por no cumplir sus obligaciones contractuales de tomar posesión del combustible gastado de los reactores existentes. El plan legislativo de la Ley de Política de Residuos Nucleares de 1982 era que se abriera un depósito geológico profundo en 1998. Después de casi cuatro décadas, ese plan se ha quedado en nada.

Conclusión

No hay ninguna perspectiva realista de que los SMR puedan hacer una mella significativa en la necesidad de una transición rápida hacia un sistema eléctrico libre de carbono. Las perspectivas de que incluso los diseños de agua ligera contribuyan a tiempo, siendo NuScale el más avanzado en el calendario, son sombrías. Las perspectivas de los reactores de otros diseños, como los de combustibles de grafito o de refrigeración por sodio, lo son aún más.

Será un camino difícil para que los SMR alcancen la paridad de costes con los grandes reactores. Y ese coste seguirá siendo demasiado elevado. Hay dos cosas que escasean en el camino hacia un sistema energético respetuoso con el clima: tiempo y dinero. Una evaluación objetiva indica que los SMR son deficientes en ambos aspectos. Sencillamente, no hay perspectivas realistas de que los SMR desempeñen un papel materialmente significativo en la mitigación del cambio climático.

Arjun Makhijani es presidente del Instituto de Investigación Energética y Medioambiental. M.V. Ramana es titular de la Cátedra Simons de Desarme, Seguridad Global y Humana, y director del Instituto Liu de Cuestiones Globales de la Escuela de Política Pública y Asuntos Globales de la Universidad de Columbia Británica, en Vancouver (Canadá).

Recursos de los autores

Makhijani, Arjun. 2013a. “Light Water Designs of Small Modular Reactors: Facts and Analysis.” Takoma Park: Institute for Energy and Environmental Research. https://ieer.org/wp/wp-content/uploads/2013/08/SmallModularReactors.RevisedSept2013.pdf.

2013b. “Traveling Wave Reactors: Sodium-Cooled Gold at the End of a Nuclear Rainbow?” Takoma Park: Institute for Energy and Environmental Research. https://ieer.org/wp/wp-content/uploads/2013/09/TravelingWaveReactor-Sept20131.pdf.

Ramana, M.V. 2020. “Eyes Wide Shut: Problems with the Utah Associated Municipal Power Systems Proposal to Construct NuScale Small Modular Nuclear Reactors.” Portland, OR: Oregon Physicians for Social Responsibility. https://www.oregonpsr.org/small_modular_reactors_smrs.

Ramana, M.V. 2015. “The Forgotten History of Small Nuclear Reactors.” IEEE Spectrum, May 2015. http://spectrum.ieee.org/energy/nuclear/the-forgotten-history-of-small-nuclear-reactors.

Glaser, Alexander, M.V. Ramana, Ali Ahmad, and Robert Socolow. 2015. “Small Modular Reactors: A Window on Nuclear Energy.” An Energy Technology Distillate. Princeton, N.J.: Andlinger Center for Energy and the Environment at Princeton University. https://acee.princeton.edu/distillates/small-modular-reactors/

Fuente:

Arjun Makhijani, M.V. Ramana, Why Small Modular Nuclear Reactors Won’t Help Counter the Climate Crisis, 25 marzo 2021, ewg.

Este artículo fue adaptado al castellano por Cristian Basualdo.