1 Implementación de reactores nucleares tipo PBMR como

Implementación de reactores nucleares tipo PBMR como estrategia energética
alternativa.
Angel Figueroa Soto.
Universidad Nacional Autónoma de México.
Campus UNAM. Juriquilla, Querétaro.
[email protected]
Resumen. Se presenta un análisis de factibilidad en la generación de energía eléctrica mediante la
implementación de reactores nucleares tipo PBMR estimando la potencia que generaría uno y dos
reactores. Se calcularon las tendencias para los próximos 12 meses de la generación de energía
mediante un ajuste lineal de dispersión utilizando los datos de la Secretaría de Energía y de la
comisión Federal de Electricidad. Para la estimación de potencia por reactor se realizó una
estimación utilizando los datos publicados por Valle Hernández (2007) sobre el funcionamiento del
reactor y gastos de construcción. Para este trabajo se consideraron las restricciones marcadas por la
demanda y el consumo actual de energía eléctrica en el País. Se comenta la posible ubicación
geográfica analizando riesgo sísmico y la ubicación de los principales yacimientos.
investigación de reactores nucleares que
tengan ventajas económicas, de
seguridad y ambientales para su posible
implementación a corto tiempo.
1. Introducción
La actual política energética
propicia un alto riesgo en la economía
del país al no promover la expansión y
desarrollo de generación de fuentes
alternativas de energía, por el contrario
se ha dado prioridad al empleo de gas
natural, gasolina y los demás derivados
del petróleo. El descenso actual en la
producción de hidrocarburos es debido
a la no integración de nuevos campos
productores. Es por ello que se analiza
la
posibilidad
de
encontrar
hidrocarburos en la región de aguas
profundas del Golfo de México con
muy pocas expectativas a futuro (Bazán,
2005). Es de primera importancia el
centrar nuestra atención en la
generación de energía de forma
alternativa como lo es la energía
nuclear.
En nuestro país, la CFE y el
CONACYT
han
considerado
conveniente contar con recursos
humanos altamente especializados en la
tecnología de reactores y de una base de
información de estos, ya que la energía
generada por reacciones nucleares es
muy competitiva debido a los costos de
inversión, tiempos de construcción, no
emisión de gases que favorezcan el
efecto invernadero, entre otros.
2. Reactor nuclear tipo PBMR
El reactor tipo PBMR es un reactor
de alta temperatura cuyo enfriamiento
es a base de Helio y están diseñados
para producir en principio entre 110 y
165 MWatts cada uno, lo que significa
que 30 000 hogares pueden ser
abastecidos por un solo reactor. Es
posible contener hasta 10 módulos en
un único parque produciendo así 1100
MWatts en un área no mayor a 3
A nivel mundial están operando 441
reactores nucleares con una capacidad
neta de 368,246 MWatts y se
encuentran 23 mas en construcción con
una potencia total de 18 516 MWatts
(Valle Hernández, 2007). En los países
de occidente el desarrollo de nuevas
tecnologías ha sido enfocado hacia la
1
campos de fútbol (Valle Hernández,
2005).
Para el desarrollo de la industria
nuclear en México contamos con
potenciales reservas probadas de Uranio
susceptibles de ser explotadas y
exploradas. Han sido desarrolladas
parcialmente por la empresa paraestatal
URAMEX en 1984. Hacia el cierre de
esta empresa se hace el descubrimiento
de
los
gigantescos
yacimientos
mesozoicos de Uranio en la cuenca de
Tlaxiaco en Oaxaca.
La comisión nacional de Energía
Nuclear, del Instituto Nacional de
Energía y de Uranio Mexicano, tienen
un estimado de las reservas uraníferas
de 14,522 Toneladas de U3O8 “in situ”
en el año 1981, sin embargo son
difíciles de recuperar comercialmente
por su escaso volumen, por lo que solo
son recuperables alrededor de 10,600
Toneladas (Domínguez Trejo I, et. al.,
2006) Las regiones mas favorables de
México por sus condiciones potenciales
son en primer termino la Cuenca de
Tlaxiaco, la cuenca de Burgos
(Tamaulipas) y la formación Trancas
(Querétaro).
Un único reactor PBMR consiste en
un edificio de 1500 metros cuadrados
(56 x 27m) y de altura aproximada de
52 metros, dicho edificio estaría
construido con una parte visible sobre la
superficie
de
31
metros
aproximadamente. El material de
construcción concreto de 40Mpa, con
una respuesta de aceleración sísmica
horizontal de 0.4g.
El concepto fundamental del reactor
tipo PBMR se basa en la idea de no
permitir la fuga de radiación más allá de
los límites del edificio de contención.
El combustible consiste básicamente
en 360,000 esferas de combustible del
tamaño aproximado de una bola de
billar (60mm de diámetro) y dentro
contienen aproximadamente 15,000
diminutas partículas de dióxido de
Uranio con núcleos esféricos de UO2
(0.5mm de diámetro) rodeado de cuatro
capas con céntricas. El reactor se carga
con combustible fresco o reutilizable
desde la parte superior, mientras que el
combustible usado se remueve desde la
parte inferior del reactor.
4. Metodología
Una esfera de combustible alcanza
un grado de combustión de
80,000MWatts Día / Tonelada de
metal de uranio, es retirada y enviada al
almacén de combustible agotado. Cada
esfera pasa a través del reactor
aproximadamente 10 veces y un reactor
necesitará de 10 a 15 cargas de
combustible completas durante su vida
útil. Una esfera de combustible tiene
una vida útil de 3 años y depende del
tipo de grafito empleado para su
utilización.
Se han estimado las tendencias en
las gráficas para: la generación bruta de
energía eléctrica en México, las de
consumo por todos los sectores, el
número de usuarios y costo por KWatthora. La información para este análisis
fue tomada de la página de la Secretaría
de Energía considerando datos a partir
de enero de 2004 (fecha en la que la
secretaría de energía publica la
información en Internet) hasta el año
2004. Para el consumo de energía
eléctrica se consideraron datos desde
1990.
Para el análisis estadístico se
consideraron las tendencias para cada
gráfica mediante un ajuste lineal de
dispersión lo que restringe las
3. Yacimientos de Uranio Probados
en México
2
conclusiones solamente a condiciones
de generación y consumo constante de
energía durante los próximos 12 meses.
poco mas de 32.5 millones de usuarios,
como se muestra en la gráfica 5.2.
Scatterplot (fig28.sta 2v*54c)
y = 2.7006E7+83338.3083*x; 0.95 Conf.Int.
3.2E7
Consumo Final de Energia, total.
3E7
19
Usuarios
PetaJoules
3.1E7
6,000.00
5,000.00
4,000.00
3,000.00
2,000.00
1,000.00
0.00
90 991 992 993 994 995 996 997 998 999 000 001 002 003 004 005 006 007
1
1
1
1
1
1
1
1
1
2
2
2
2
2
2
2
2
2.9E7
2.8E7
Tiempo
2.7E7
2.6E7
-10
0
10
20
40
50
60
Fig. 5.2 Ajuste lineal de dispersión para el
número de usuarios
60,000.00
40,000.00
abr-08
jul-07
oct-07
ene-08
abr-07
ene-07
jul-06
oct-06
abr-06
ene-06
jul-05
oct-05
abr-05
ene-05
jul-04
oct-04
abr-04
20,000.00
0.00
ene-04
MWatts
30
Tiempo
Capacidad Efectiva Total, todas las fuentes: Termoelectrica,Carbo
eléctrica y Nucleo eléctrica
Podemos esperar un consumo final
aproximado de 4635.9 PetaJoules para
el próximo año según el ajuste mostrado
en la gráfica 5.3.
Tiempo
V e nt as de E ner gi a E l e ct r i ca T ot a l e s, M ex i c o
Consumo Final de Energía total
40, 000, 000. 00
30, 000, 000. 00
20, 000, 000. 00
10, 000, 000. 00
0. 00
4800
4600
4400
PetaJoules
T i e mp o
Fig. 4.1 Gráficos obtenidos a partir de los datos
publicados por la Secretaría de Energía.
4200
4000
3800
3600
3400
5. Resultados
0
2
4
6
8
10
12
Tiempo (años)
14
16
18
20
Fig. 5.3 Ajuste lineal de dispersión para el
consumo final de energía.
A partir del análisis estadístico se
estima que la capacidad efectiva por
todas las fuentes, en los próximos 12
meses será de aproximadamente 52
290MWatts (Fig. 5.1).

Análisis en caso de utilizar un
solo reactor.
Potencia generada por un solo reactor tipo PBMR
1400
Scatterplot (fig32.sta 2v*54c)
Var2 = 1.3874E7-10323.2171*x; 0.95 Conf.Int.
1.6E7
1200
1000
MWatts
1.5E7
V ar2
1.4E7
800
600
1.3E7
400
200
1.2E7
0
1.1E7
-10
0
10
20
30
40
50
0
10
20
30
40
50
60
70
Tiempo
60
Fig. 5.4 Gráfica de contribución de un solo reactor
tipo PBMR.
Var1
El número de usuarios que en los
próximos 12 meses ascendería a un
3
Esperamos una contribución total a
la capacidad efectiva total según la
gráfica 5.5:
4
Partiendo de los publicados sobre el
funcionamiento y eficiencia del reactor,
del análisis estadístico de las gráficas y
de la bibliografía consultada, podemos
hacer las siguientes conclusiones:
Contribución de dos reactores a la Capacidad Efectiva Total
x 10
5.4
6. Conclusiones
5.2
MWatts
5
o Considerando el hipotético caso en
el que se instalara uno o dos
reactores tipo PBMR a partir del
mes de junio y durante los próximos
12 meses, el aporte se vería
reflejado en 54000MWatts a la
capacidad efectiva total para el
caso de un solo reactor, y de
56000MWatts
si
se
implementaran dos reactores.
4.8
4.6
4.4
4.2
0
10
20
30
40
50
60
70
Tiempo
Fig. 5.5 Gráfica de contribución de un solo reactor
tipo a la capacidad efectiva total.

Análisis en caso de utilizar dos
reactores.
o Comparando
los
1320MWatts
mensuales generados con 1.645Kg
de combustible de un reactor tipo
PBMR con 8 módulos, contra los
54.4Kg de combustible que
proporcionan
1365MWatts
de
potencia mensual por la planta
actual de Laguna Verde con 2
unidades, es evidente un aparente
mayor aporte.
Potencia generada por dos reactores tipo PBMR
3000
2500
MWatts
2000
1500
1000
500
0
0
10
20
30
40
50
60
70
Tiempo
o Podemos considerar un valor de
2640 MWatts de potencia mensual
para dos centrales núcleo eléctricas
tipo PBMR con una vida útil de
aproximadamente 45 años.
Fig. 5.6 Gráfica de contribución de dos reactores
tipo PBMR.
En este caso esperamos una
contribución total a la capacidad
efectiva total según la gráfica 5.7:
4
5.6
x 10
o El
reactor
aproximadamente
combustible al mes.
Contribución de dos reactores a la Capacidad Efectiva Total
necesitaría
4Kg
de
5.4
Sin embargo la generación de energía
eléctrica está restringida por los
siguientes puntos:
MWatts
5.2
5
4.8
4.6
o La capacidad efectiva por todas
las fuentes actuales, en los
próximos 12 meses tiene una
tendencia de aproximadamente
52,290 (  1419.4) MWatts de
potencia.
4.4
4.2
0
10
20
30
40
50
60
70
Tiempo
Fig. 5.7 Gráfica de contribución de dos reactores
tipo PBMR.
4
o El precio promedio mensual
ascendería, en los próximos 12
meses, a 1.60 Pesos por KWatt –
hora.
o La generación actual de energía se
presenta en la gráfico 6.1:
o El costo de un reactor tipo PBMR
oscila entre 33cUSD / KWatt Hora
lo que equivale aproximadamente
a $4 pesos por KWatt-hora
generado (sin subsidio)
20000000
15000000
10000000
5000000
0
1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52
Tiempo
o Los principales Yacimientos se
encuentran en: Las regiones más
favorables de México por sus
condiciones potenciales son en
primer término la Cuenca de
Tlaxiaco, la cuenca de Burgos
(Tamaulipas) y la formación
Trancas (Querétaro). (BazanPerkins, 2005)
Fig. 6.1 Generación bruta de energía actual.
Mediante un ajuste lineal de
dispersión con 95% de confiabilidad se
estima que en los próximos 12 meses la
generación bruta descendería a
13.19x10 6 MWatts-hora y sería
subsanada por un solo reactor tipo
PBMR.
La ubicación de una o dos plantas
tipo PBMR se proponen en la figura
6.3. Los criterios para esta selección han
sido las de menor distancia de
transporte entre los yacimientos y zonas
con un menor riesgo sísmico.
Fig. 6.2 Ajuste lineal de dispersión para la
generación bruta de energía.
Scatterplot (fig32.sta 2v*54c)
Var2 = 1.3874E7-10323.2171*x; 0.95 Conf.Int.
1.6E7
1.5E7
1.4E7
Var2
MWatts-hora
Generacion Bruta
1.3E7
1.2E7
1.1E7
-10
0
10
20
30
40
50
60
Var1
o Por otra parte las ventas de energía
para los próximos 12 meses,
ascendería a 18.2 x106 MWattshora manteniendo constante las
demás variables.
o El número de usuarios en los
próximos 12 meses ascendería a un
poco mas de 32.5 Millones de
usuarios entre usuarios Domésticos,
Comercial, Servicios, Agrícola e
Industrial.
Fig. 6.3. Ubicación de los yacimientos probados en
México (contornos color verde) y posible ubicación
de dos plantas de generación nucleoeléctrica (círculos
Verdes) en zonas sismogénicas con mayores periodos
de recurrencia para grandes sismos.
5
basado en modelos de orden reducido.
Tesis. Facultad de Ingeniería, UNAM.
7. Discusión
La implementación a corto plazo de
una sola planta tipo PBMR es sin duda
un complemento para compensar el
descenso actual en la generación de
energía eléctrica y mantener una
constante tasa de generación de
electricidad dada la tendencia
Bazán-Perkins, S.D., 2005. La energía
nuclear,
una
alternativa
de
sustentabilidad para resolver la
demanda
eléctrica
de
México.
INGENIERIA, UNAM. Investigación y
Tecnología VI, 281-298.
Los costos de generación de energía
reciben un subsidio de 70.1% lo que
implicaría un costo real de generación
de energía nuclear de 1.19 pesos por
KWatt-hora valor muy competitivo con
el actual y menor que el esperado en 12
meses según la estadística presentada.
Domínguez Trejo, I., et.al., 2006.
Yacimientos de Uranio en México.
Boletín de Mineralogía, 17, 45-54.
Secretaría de Energía
www.sener.gob.mx
Comisión Federal de Electricidad
www.cfe.gob.mx
Limitantes
Falta analizar, en caso de ser
posible, los costos de traslado de
material y de explotación para hacer un
análisis de costos de manera más
rigurosa. El precio por KWatt-hora ya
se ha estimado para una planta PBMR
basándose en su diseño-construcción,
sin embargo la explotación de
yacimientos propios así como el
mantenimiento del reactor y la
contribución de las diversas fuentes de
energía alternas podría agravar o
disminuir el precio haciendo factible su
instalación o desechar esta posibilidad.
Es
necesario
considerar
la
contribución de las demás fuentes de
energía renovables ya que para este
análisis se han considerado variables
constantes y están incluidas en las
estadísticas de generación bruta de
energía eléctrica y de capacidades
efectivas por fuente.
8. Referencias
Valle Hernández, J., 2007. Diseño y
Construcción de un simulador de
Núcleo Eléctrica con reactor PBMR
6