China presenta el reactor de neutrones rápidos CFR 1000 y abre un nuevo capítulo para la energía nuclear

Un salto en el diseño de reactores con repercusiones globales

China ha dado un gran paso hacia la generación comercial de energía con reactores rápidos. La Corporación Nuclear Nacional de China (CNNC) presentó el diseño del CFR 1000, una central de neutrones rápidos con una potencia de hasta 1,2 gigavatios. A la espera de las autorizaciones de seguridad, la CNNC prevé que entre en operación a principios de la década de 2030; 2034 es la fecha que se cita con frecuencia en la planificación. Con una producción suficiente para abastecer a alrededor de un millón de hogares, la unidad sería uno de los reactores avanzados más grandes en desarrollo.

A diferencia de los reactores de agua a presión que constituyen la base de las flotas nucleares actuales, el CFR 1000 no ralentiza los neutrones con un moderador como el agua. Es un reactor de neutrones rápidos. El diseño pertenece a una categoría que suele agruparse bajo la denominación de sistemas de cuarta generación, cuyo objetivo es aprovechar mejor el combustible, reducir los residuos y ofrecer sólidas características de seguridad. La CNNC presenta el CFR 1000 como el primer paso comercial de un plan por etapas que comenzó con una pequeña unidad experimental y continuó con dos centrales de demostración que están en construcción. La empresa presentó el diseño en un simposio sobre energía nuclear avanzada celebrado en Fuzhou, en la provincia de Fujian, con la asistencia de autoridades del sector energético.

El interés va mucho más allá de las fronteras de China. Un reactor rápido comercial de esta escala podría cambiar la forma en que los países planifican la seguridad energética y sus objetivos climáticos. También podría reavivar el debate sobre el reciclaje del combustible, la gestión del plutonio y el comercio de materiales nucleares. El ritmo lo marcarán los reguladores chinos. Otros países observarán el desempeño del diseño mientras impulsan sus propios programas de reactores rápidos.

El CFR 1000 utiliza sodio líquido en lugar de agua para trasladar el calor del núcleo a los equipos de generación de energía. El sodio permite operar a temperaturas más altas y a baja presión, lo que mejora la eficiencia térmica y reduce algunos de los mecanismos de accidente observados en sistemas refrigerados por agua. Esa elección también plantea desafíos de ingeniería específicos. El sodio reacciona con el agua y el aire, por lo que el diseño de la central se basa en entornos sellados, detección de fugas y varios circuitos de transferencia de calor para aislar el metal del vapor y de la atmósfera.

Cómo genera energía un reactor de neutrones rápidos

En el centro de todo reactor hay una reacción en cadena. En una central convencional, las barras de combustible están sumergidas en agua, que cumple varias funciones. El agua modera, es decir, ralentiza los neutrones para que tengan más probabilidades de dividir el uranio 235. También refrigera el combustible y transporta el calor hasta los generadores de vapor. Un reactor rápido prescinde del moderador. Los neutrones conservan una energía más alta y pueden dividir una gama más amplia de núcleos, incluidos los isótopos de plutonio que se forman en el combustible.

Este cambio tiene varios efectos. El combustible puede aprovecharse más antes de agotarse. El entorno rico en neutrones permite un ciclo cerrado del combustible, en el que el reactor genera nuevo material fisible a partir del abundante uranio 238. Cuando ese material nuevo se separa y se recicla, los mismos átomos pueden contribuir a la generación de energía varias veces. El proceso también puede consumir parte de los residuos de larga duración de los reactores convencionales, lo que reduce la carga a largo plazo si se despliega el ciclo completo a gran escala.

Generación de combustible, reprocesamiento y ciclo cerrado

La generación de combustible consiste en crear nuevo combustible fisible dentro del reactor. En una configuración típica, el uranio 238 captura un neutrón y, mediante una serie de desintegraciones, se convierte en plutonio 239. Cuando los diseñadores rodean el núcleo con mantos de material fértil, la central puede producir suficiente combustible nuevo para reemplazar el que consume el núcleo. Esa proporción, denominada tasa de conversión, determina cuánto material nuevo queda disponible para la siguiente carga de combustible.

Para cerrar el ciclo, es necesario reprocesar el combustible. China cuenta con iniciativas piloto y de demostración de reprocesamiento y ha explorado proyectos industriales con socios. El combustible de óxidos mixtos, una combinación de plutonio y uranio, se ha utilizado en reactores rápidos y también en algunas centrales convencionales. La CNNC también ha señalado que prevé usar combustible metálico en etapas posteriores de su programa. Cada opción implica ventajas y desventajas en términos de rendimiento, manejo de materiales y complejidad del proceso de reciclaje.

Por qué el sodio líquido es fundamental para el diseño

El sodio líquido es un refrigerante preferido para los reactores rápidos porque no ralentiza los neutrones y transporta muy bien el calor. Permanece líquido en un amplio intervalo de temperaturas y hierve a una temperatura muy alta, por lo que el reactor puede funcionar a una presión cercana a la atmosférica. Operar a baja presión reduce la tensión en las tuberías y los recipientes, y elimina el riesgo de grandes explosiones de vapor que intervienen en algunos escenarios de accidente de las centrales refrigeradas por agua.

Según las descripciones públicas de los proyectos chinos de esta línea, el CFR 1000 tendrá una configuración de tipo piscina. El núcleo, las bombas y los intercambiadores de calor estarán dentro de un gran recipiente de sodio. El calor pasará del circuito primario de sodio a un circuito secundario del mismo metal y, después, a un sistema de agua o de dióxido de carbono supercrítico que accionará las turbinas. Este enfoque de tres etapas está diseñado para mantener cualquier fuga de vapor lejos del circuito primario radiactivo.

Manipulación segura del sodio

La manipulación del sodio es una disciplina clave en este tipo de centrales. El metal reacciona con el agua y el oxígeno. Los diseñadores abordan este riesgo mediante sistemas sellados de gas de cobertura, por lo general argón; espacios sin aire; detección rápida de fugas, y equipos que mantienen muy bajo el contenido de oxígeno del sodio para limitar la corrosión. Los generadores de vapor se construyen con materiales resistentes a la corrosión y sistemas de vigilancia capaces de detectar una transferencia mínima de hidrógeno mucho antes de que se rompa un tubo.

La protección contra incendios es distinta a la de una central de agua. Los operadores prevén posibles derrames de sodio que pueden producir humo o arder al entrar en contacto con el aire. Las salas con atmósfera inerte, las bandejas de goteo y los agentes especiales para extinguir incendios son prácticas habituales, basadas en la experiencia de centrales anteriores en Rusia, Francia, Japón y Estados Unidos. El historial mundial incluye enseñanzas de incidentes, y los diseños modernos buscan incorporarlas a la distribución de las instalaciones y los procedimientos operativos.

Cuestiones de seguridad para los reguladores

Los reactores rápidos se basan en principios físicos distintos de los de las unidades convencionales, lo que lleva a los reguladores a centrarse en varias cuestiones recurrentes. Una de ellas es cómo se comporta el reactor si el refrigerante hierve o se interrumpe el flujo. Los diseñadores buscan garantizar una respuesta fuertemente negativa de la reactividad, para que la reacción en cadena se ralentice cuando aumente la temperatura. Otra prioridad es la extracción del calor residual durante muchos días sin intervención de los operadores. Los diseños modernos de reactores rápidos incorporan sistemas pasivos que dependen de la convección natural y de intercambiadores de calor sumergidos en el refrigerante.

Las reacciones entre el sodio y el agua son otra preocupación. Incluso con circuitos separados, una fuga en un generador de vapor puede rociar agua sobre el sodio caliente. Esto produce calor e hidrógeno. Las centrales se construyen con tubos de pequeño diámetro, válvulas de aislamiento que se cierran rápidamente y tanques de descarga que pueden retirar el sodio del generador en cuestión de segundos. Estas medidas reducen la probabilidad de que se rompa un tubo y limitan las consecuencias si ocurre.

La CNNC ha afirmado que la tecnología cumple los objetivos de cuarta generación en materia de seguridad, residuos y economía. El regulador chino evaluará esas afirmaciones durante el proceso formal de autorización. La experiencia del Reactor Rápido Experimental de China, una unidad de 20 megavatios eléctricos cerca de Pekín, y de las unidades de demostración CFR 600 en Fujian contribuirá a sustentar el caso de seguridad de la central de mayor tamaño. Expertos internacionales observarán el proceso y lo compararán con sus propias normas.

La hoja de ruta de China, del experimento a la escala comercial

El trabajo en reactores rápidos en China se remonta a la década de 1960. El Reactor Rápido Experimental de China alcanzó su primera criticidad en 2010 y realizó una serie de pruebas de potencia durante los años siguientes, incluida una operación sostenida a plena potencia. La unidad cumple objetivos de investigación y, en ocasiones, se conecta a la red. El siguiente paso ha sido el CFR 600, un par de unidades de demostración en el condado de Xiapu, en la provincia de Fujian. El suministro de equipos y combustible para esas unidades ha incluido la cooperación con empresas rusas.

Los documentos públicos de planificación describen el CFR 1000 como la etapa comercial. La información de la Asociación Nuclear Mundial indica que la construcción podría comenzar antes de que termine esta década y que la operación podría iniciarse hacia 2034. La CNNC ha afirmado que ha creado una cadena de suministro nacional para reactores rápidos grandes, que abarca códigos de diseño, herramientas de análisis de seguridad, fabricación de equipos, producción de combustible y gestión de proyectos. La empresa no ha revelado la ubicación definitiva del primer CFR 1000.

La documentación del programa apunta al uso de combustible metálico en la etapa comercial, con un objetivo de quemado de entre 120 y 150 gigavatios-día por tonelada. Esta cifra supera los valores habituales de las centrales térmicas. Un mayor quemado reduce la frecuencia de recarga, disminuye la masa de combustible gastado por unidad de electricidad y permite aprovechar mejor los recursos de uranio.

La hoja de ruta refleja una estrategia de tres etapas que suelen mencionar las autoridades chinas. Primero, los reactores térmicos de agua a presión aportan capacidad a gran escala. Segundo, los reactores rápidos mejoran la eficiencia del combustible y preparan el camino para un ciclo cerrado. Tercero, la fusión se incorporaría a la combinación energética a más largo plazo. La etapa de los reactores rápidos busca prolongar los recursos de uranio, reducir la carga de los depósitos de residuos y ofrecer opciones flexibles para producir calor industrial e isótopos.

Ciclo del combustible, residuos y no proliferación

El reprocesamiento del combustible gastado para extraer materiales aprovechables es fundamental en la propuesta de los reactores rápidos para reducir los residuos. Al separar el plutonio y el uranio restante, y devolver al núcleo los actínidos de larga duración, el sistema puede reducir el volumen y la radiotoxicidad del material destinado al almacenamiento geológico profundo. Para ello se necesitan plantas industriales de separación y líneas de fabricación de combustible capaces de manejar nuevas mezclas y niveles de radiación más elevados.

China ha operado líneas piloto de reprocesamiento y ha explorado grandes proyectos con socios internacionales. El país ya fabrica combustible MOX y desarrolla capacidades para producir combustible metálico, acorde con los núcleos de reactores rápidos de etapas posteriores. Cada paso está sujeto a salvaguardias en virtud del Tratado sobre la No Proliferación de las Armas Nucleares. Los inspectores contabilizan los materiales nucleares especiales y verifican que el combustible se utilice para producir energía y no armas.

Los debates sobre no proliferación suelen centrarse en el plutonio. Los reactores rápidos pueden producir plutonio 239 de alta calidad. Este hecho no convierte un programa de generación eléctrica en un programa de armas, pero exige una contabilidad rigurosa, protección física y un marco normativo sólido. Los acuerdos de suministro de China con socios rusos para obtener combustible enriquecido y tecnología también han suscitado atención en otros países, en un contexto de tensiones geopolíticas más amplias. La presentación transparente de información y la colaboración con organismos internacionales serán parte de cualquier plan para ampliar esta flota.

Cómo encaja el proyecto en la competencia mundial

China no es el único país que vuelve a apostar por los reactores rápidos. Rusia opera el BN 800 en Beloyarsk y desarrolla una unidad BN 1200 de mayor tamaño, con una potencia prevista similar a 1,2 gigavatios. India impulsa un reactor reproductor rápido de 500 megavatios en Kalpakkam, con una estrategia que prevé utilizar torio en una etapa posterior del ciclo. Francia y Japón construyeron varias centrales, que después cerraron tras sufrir problemas técnicos y presiones de costos. Estados Unidos cerró su programa de Reactor Rápido Integral en la década de 1990 y hoy no opera ningún reactor rápido para producir electricidad.

Se están desarrollando nuevos diseños. TerraPower y GE Hitachi construyen en Wyoming un reactor refrigerado por sodio que combina una unidad nuclear de 345 megavatios con almacenamiento de energía en sales fundidas para ofrecer una producción flexible. Varias empresas privadas de Europa, Japón y Norteamérica trabajan en diseños que utilizan plomo líquido, turbinas de dióxido de carbono supercrítico y otras innovaciones. Muchos de estos proyectos buscan crear unidades modulares pequeñas, mientras que China y Rusia se inclinan por centrales de escala gigavatio.

Estos programas reflejan prioridades distintas. Algunos equipos buscan reducir costos y simplificar la construcción con unidades más pequeñas. Otros consideran ventajosas las centrales de muy alta potencia, capaces de sustituir grandes unidades de carbón y responder a la demanda de la industria pesada. El resultado dependerá del desempeño en materia de seguridad, el control de costos y la rapidez con que cada país pase de los primeros proyectos de su tipo a la construcción en serie. El Foro Internacional de la Generación IV, una alianza de investigación entre gobiernos y laboratorios, incluye los reactores rápidos refrigerados por sodio, plomo y gas entre sus líneas prioritarias de desarrollo a largo plazo.

Economía y papel en la red eléctrica china

Una central de 1,2 gigavatios tendrá un costo elevado, aunque la CNNC no ha publicado una cifra. El costo de capital, las instalaciones del ciclo del combustible y las condiciones de financiación determinarán si el CFR 1000 puede competir con los reactores avanzados de agua a presión, el carbón con captura de carbono y las grandes instalaciones de energías renovables combinadas con almacenamiento. Sus defensores sostienen que, una vez cerrado el ciclo, los costos del combustible pueden bajar y la seguridad del suministro mejorar, ya que buena parte de la energía proviene del uranio 238, que es abundante.

China está construyendo una red eléctrica de gran tamaño, con numerosos centros industriales costeros y ciudades del interior en rápido crecimiento. Las unidades nucleares de alta potencia pueden abastecer a la industria pesada y a la producción de hidrógeno. Un reactor rápido también funciona a temperaturas más altas que uno de agua, lo que puede mejorar la eficiencia de la generación eléctrica y abrir posibilidades para el uso de calor industrial. La integración con emplazamientos existentes que albergan reactores de agua a presión permitiría compartir infraestructuras y contar con un suministro constante de combustible gastado para reciclarlo.

La ubicación será importante. Un emplazamiento costero facilita la evacuación del calor y la logística de los componentes pesados. Los emplazamientos interiores plantean limitaciones en la gestión del agua y consideraciones sísmicas. La selección del lugar también formará parte de la revisión regulatoria, porque la central introduce nuevas cuestiones de seguridad para la planificación de emergencias y las evaluaciones ambientales relacionadas específicamente con el manejo del sodio.

Proceso regulatorio y calendario

La CNNC ha afirmado que el diseño preliminar está terminado y que el proyecto ha entrado en la fase de autorización. En China, un reactor grande debe superar una revisión por etapas que abarca la seguridad de diseño, la gestión de accidentes graves, el impacto ambiental y el aseguramiento de la calidad en toda la cadena de suministro. En el caso de un reactor rápido, los reguladores examinarán la física del núcleo, el comportamiento del refrigerante en condiciones anormales y la solidez de los sistemas de extracción del calor residual.

Las señales sobre el calendario apuntan a una decisión de construcción hacia finales de esta década, con el objetivo de producir electricidad alrededor de 2034 si se cumplen los hitos previstos. Las pruebas en las unidades CFR 600 aportarán datos sobre el comportamiento del combustible, los materiales y los procedimientos operativos. La colaboración internacional puede acortar la curva de aprendizaje, y los equipos chinos ya han trabajado con socios rusos en el combustible y los equipos para la etapa de demostración.

La comunicación pública influirá en la aceptación. Un plan transparente sobre la seguridad del sodio, los flujos de residuos y las salvaguardias ayudará al proyecto a responder a las preocupaciones nacionales e internacionales. Si los reguladores autorizan la construcción, ingenieros e inversionistas seguirán de cerca los primeros años de operación para decidir dónde apostar por la tecnología nuclear de próxima generación.

Puntos clave

• La CNNC presentó el diseño del reactor de neutrones rápidos CFR 1000, con una potencia prevista de hasta 1,2 gigavatios y una operación prevista hacia 2034.
• El reactor utiliza sodio líquido como refrigerante y funciona a baja presión, con temperaturas de salida más altas que las de las unidades refrigeradas por agua.
• La física de los reactores rápidos permite un ciclo cerrado del combustible que genera nuevo combustible a partir del uranio 238 y puede reducir los residuos de larga duración.
• Las principales cuestiones de seguridad incluyen la extracción del calor residual, las reacciones entre el sodio y el agua en los generadores de vapor y una respuesta fuertemente negativa de la reactividad.
• China avanza desde el experimento CEFR a las unidades de demostración CFR 600 y, después, al CFR 1000 comercial.
• El ciclo del combustible y la no proliferación seguirán siendo cuestiones centrales, porque los reactores rápidos producen plutonio que debe estar sujeto a salvaguardias.
• Rusia, India y empresas privadas de Estados Unidos también impulsan proyectos de reactores rápidos, lo que abre un nuevo campo de competencia.
• La financiación, la autorización regulatoria y el control de costos determinarán si esta tecnología se expande en la red eléctrica china.