En la conferencia celebrada en octubre, «Nueva Energía Nuclear», altos directivos, científicos e ingenieros de Rosatom hablaron sobre áreas clave en el desarrollo de las tecnologías de reactores de Rusia. Uno de ellos es la mejora de los reactores VVER de tamaño grande y mediano, de eficacia probada. Vamos a contar qué es el VVER-S, el reactor de potencia refrigerado por agua con regulación espectral.
Breve cronología sobre su creación
En la década de 1980, se consideró en todo el mundo el concepto de control espectral de la reactividad suavizando el espectro de neutrones aumentando el volumen del moderador. El volumen se puede aumentar de dos maneras: utilizando desplazadores retirados del núcleo durante el proceso de quemado o diluyendo el refrigerante con agua pesada. La regulación espectral se consideró una de las formas de ahorrar combustible mediante la producción de isótopos fisibles.
Luego la idea fue dejada de lado y retomada en 2005. Bajo la dirección de Vladimir Asmolov (ahora asesor del Director General de la Corporación Estatal), se trabajó en el desarrollo de un «super-VVER». Una de las direcciones era un reactor con regulación espectral. Para ello se consideró un reactor de media potencia de 600 MW(e). El factor de reproducción estimado para VVER-S es 0,7 – 0,8. A modo de comparación, un VVER convencional tiene entre 0,35 y 0,4. Se llevaron a cabo una serie de trabajos, sus resultados formaron la base para la siguiente etapa de investigación. En 2019-2020 se continuó con el desarrollo de este concepto para el desarrollo de VVER. Los resultados de la I+D realizados mostraron que es posible construir una central nuclear con un reactor VVER-S con indicadores técnicos y económicos competitivos.
Actualmente, el desarrollo del proyecto VVER-S tiene como objetivo la resolución de cinco problemas. El primero es reducir el consumo de uranio natural en el ciclo abierto del combustible nuclear. El segundo es garantizar el funcionamiento eficiente del reactor con una carga completa de combustible de uranio-plutonio con un factor de reproducción de 0,7 a 0,8 en un ciclo cerrado del combustible nuclear. El tercero es garantizar el funcionamiento del reactor en el modo de regulación diaria de potencia en el rango de 100-40-100%. El cuarto es la reducción del tiempo y los costos de la construcción de unidades de energía gracias a soluciones de diseño fundamentalmente nuevas. Y el quinto, es reducir el volumen de los residuos radiactivos.
La tecnología VVER-S se basa en la experiencia acumulada en la operación de plantas de reactores VVER. Y aunque no se puede decir que las soluciones que se barajan para VVER-S sean supernovedosas, los científicos, ingenieros y diseñadores han estudiado un amplio abanico de propuestas que mejoran las características del proyecto. La combinación de innovaciones nos permite considerarla como una oferta prometedora para el mercado interno y externo.
La tecnología VVER-S está presente en la Estrategia para el desarrollo de la energía nuclear rusa hasta 2050 y las Perspectivas para el período hasta 2100, aprobadas por el Consejo de Supervisión de la Corporación Estatal en 2021.
¿Cómo funciona esto?
«En la tecnología VVER tradicional, para compensar el margen de reactividad inicial en caso de quemado y regular la reactividad durante el funcionamiento del reactor, se utiliza un sistema de control de boro, cambiando la concentración de ácido bórico en el refrigerante primario«, dice Viktor Mokhov, Director de la Oficina de Gestión de Proyectos de VVER-S.
La regulación espectral en VVER-S se produce debido a los cambios en la relación agua-uranio durante el funcionamiento del reactor a potencia cuando se retiran del núcleo los desplazadores mecánicos de agua ubicados en canales especiales de elementos combustibles. Gracias a los desplazadores sumergidos en el núcleo, el volumen del moderador al inicio de la operación es menor, por lo que el espectro de neutrones en el núcleo es más intenso. Esto conduce a una disminución en la sección transversal de fisión de los isótopos fisionables impares y a un aumento en la sección transversal para la captura resonante del isótopo de uranio-238. Ambos efectos conducen a una disminución de las propiedades reproductivas del núcleo y a un aumento de la acumulación de 239Pu fisionable, lo que ahorra material fisionable en la carga anual de combustible. Un efecto adicional del endurecimiento del espectro es un aumento en la proporción de fisiones en el isótopo uranio-238. Cuando se eliminan los desplazadores, el espectro cambia de la región dura a la región térmica, lo que conduce a un aumento de la reactividad.
El uso de desplazadores para regular la reactividad durante el proceso de quemado permite eliminar el uso del control de boro durante la operación del reactor a potencia. Sin embargo, el abandono total de la regulación del boro en los reactores tipo VVER es difícil de implementar, ya que de acuerdo con los requisitos de seguridad se requieren dos sistemas independientes, basados en principios físicos diferentes, que aseguren la transferencia y el mantenimiento del reactor en un estado subcrítico.
Características del combustible y el equipamiento
Los desarrolladores creen que VVER-S es una evolución de la tecnología VVER, cuyo objetivo es la transición de un ciclo de combustible nuclear abierto a uno cerrado y un funcionamiento eficiente en la energía nuclear de dos componentes.
Para el VVER-S, se están considerando dos diseños de conjuntos combustibles. El primero es clásico, pero con un mayor número de canales para la colocación de varillas absorbentes del sistema de control y protección (CPS), lo que permite destinar parte del CPS “gris” al control de la reactividad. El segundo es evolutivo, con un paso reducido de la red del elemento combustible y canales para colocar desplazadores, que permiten cambiar la relación agua-uranio en el conjunto combustible en el rango de 1,5 – 2,0.
Para los elementos combustibles y el equipo del reactor principal de VVER-S, se utilizarán en la medida de lo posible soluciones de referencia. Las principales soluciones técnicas para los equipos se basan en soluciones probadas de las centrales nucleares 2006 y centrales nucleares con VVER-TOI. La potencia térmica del reactor será de 1600 MW, la eléctrica hasta 650 MW, la eficiencia de 38%. Para el reactor se prevé utilizar una gran vasija diseñada para VVER-1000 para alojar la cantidad necesaria de combustible y propulsores.
En VVER-S, el núcleo estará completamente lleno de combustible de uranio y plutonio, lo que permitirá que las estaciones con esta planta de reactor se ajusten de manera más efectiva al concepto de energía de dos componentes.
En la central nuclear de Kola
Para VVER-S se eligió potencia media para que Rosatom pudiera hacer una oferta competitiva a clientes potenciales para reemplazar centrales térmicas de carbón en desuso, suministrar energía a regiones con infraestructura de red poco desarrolladas y centros energéticos cerrados.
La central nuclear de Kola fue elegida para alojar la primera unidad de energía con una planta de reactor VVER-S, ya que las unidades de energía VVER-440 de primera generación existentes pronto deberán ser desmanteladas. De acuerdo con el Plan General vigente para la Implantación de Instalaciones de Energía Eléctrica en la Federación Rusa, una unidad con VVER-S puede construirse antes de 2035, si las soluciones técnicas de diseño están justificadas y el proyecto resulta competitivo en comparación con los VVER tradicionales y fuentes de generación alternativas. Las centrales nucleares con VVER-S también se pueden ofrecer al mercado exterior, ya que está previsto que en la central nuclear de Kola se prueben las soluciones tecnológicas y se demuestre el rendimiento de la unidad con la nueva planta de reactores.
Etapas de desarrollo
Ya se han completado las etapas de I+D, el diseño del reactor y de la planta del reactor está en pleno desarrollo. Está en marcha el desarrollo de soluciones técnicas básicas para la unidad de energía y la central nuclear en su conjunto. También se están realizando actividades de I+D para fundamentar las soluciones técnicas adoptadas en el proyecto VVER-S. A finales de 2024 se publicará documentación que nos permitirá evaluar el costo, perspectivas de desarrollo, etc. La puesta en servicio de la primera unidad en el nuevo emplazamiento de la etapa 2 de la central nuclear de Kola está prevista para 2035.
