Un renacimiento de la energía nuclear en Suecia y el programa SUNRISE

La energía nuclear es un ingrediente clave para un sistema energético globalmente sostenible. En KTH Royal Institute of Technology, existe una larga tradición de investigación, innovación y desarrollo de tecnología de energía nuclear. KTH tiene el único programa de Maestría actualmente en ejecución en Ingeniería de Energía Nuclear en Suecia, que también se imparte conjuntamente como un Máster internacional en el marco de InnoEnergy EMINE y es operado por la división de Ingeniería Nuclear del Departamento de Física de KTH. Ahora se espera un crecimiento tanto de este programa como de las actividades de educación e investigación en ingeniería nuclear en Suecia, impulsado por un renacimiento nuclear acelerado.

La crisis energética en Europa, que se vio fuertemente agravada por la invasión rusa de Ucrania, ha colocado la seguridad energética y la independencia energética en un lugar destacado de la agenda política y social. En Suecia, que ya es casi neutral en carbono en su producción de electricidad, los grandes y ambiciosos proyectos de infraestructura que son el núcleo de la estrategia de electrificación nacional sueca para transformar la industria y el transporte necesitarán cantidades masivas de energía eléctrica, así como energía libre de combustibles fósiles. calor de proceso e hidrógeno. El nuevo gobierno sueco ha anunciado recientemente 25 millones de euros adicionales para investigación en energía nuclear durante los próximos tres años. Han propuesto abandonar la antigua legislación políticamente motivada que limita el número y la ubicación de los reactores de energía nuclear, y están trazando una hoja de ruta para desarrollar un sistema de energía sostenible para el futuro. La atención de este desarrollo industrial se ha traducido en una mayor demanda de desarrollo de competencias, educación avanzada y desarrollo e impulso de programas de investigación de vanguardia.

En los últimos años, la investigación y la innovación en KTH se han dirigido hacia los reactores modulares pequeños (SMR), pero en general, se cubre una amplia gama de temas. La investigación cubierta comprende estudios fundamentales de interacciones radiación-materia, física de reactores, diseño y análisis de seguridad de reactores avanzados, desarrollo de aceros avanzados, ciencia de materiales nucleares y daños por radiación, desarrollo de combustible nuclear, modelado, exposición y caracterización, ensayo y modelado de materiales y componentes en metales líquidos pesados ​​de alta temperatura, desarrollo y optimización de métodos Monte-Carlo avanzados y transferencia de calor en agua hasta el estado supercrítico.

La investigación en energía nuclear tiene una demanda distintiva de infraestructura experimental que es necesaria para progresar. En muchos casos, la infraestructura se puede utilizar junto con otros campos de la ciencia para lograr una sinergia óptima. En KTH, los investigadores de energía nuclear están utilizando varios laboratorios de síntesis y caracterización de materiales, donde la microscopía electrónica, la sinterización por chispas de plasma, la difracción de rayos X y otras herramientas llevan la carga más pesada. La investigación en tecnología de reactores, el estudio de la dinámica de fluidos, la transferencia de calor y la mecánica también pueden beneficiarse de las infraestructuras experimentales centrales. Para los materiales nucleares, y especialmente aquellos que contienen actínidos o muestras que han sido irradiadas, existe una gran necesidad de infraestructura especializada que pueda manejar las particularidades de estos materiales. Para las muestras que contienen uranio, a menudo se puede utilizar equipo estándar después de que se hayan solucionado los riesgos de contaminación, pero para las muestras que pueden activar su entorno o ser de interés radiológico, se deben utilizar instalaciones experimentales dedicadas y blindadas contra la radiación.

KTH alberga uno de los dos laboratorios universitarios en Suecia que trabaja con la fabricación, exposición, caracterización y análisis de combustible nuclear, pero no con materiales que son más activos que el uranio no irradiado. KTH también alberga laboratorios dedicados a accidentes severos que se utilizan tanto para estudios de efectos separados como para pruebas integrales con, por ejemplo, simuladores de corion. En Chalmers, hay un laboratorio de combustible dedicado que puede manejar materiales activos. La Universidad de Uppsala alberga la instalación nacional de haces de iones que se utiliza para la implantación, los estudios de daños por radiación y la caracterización de materiales. La Universidad Tecnológica de Luleå alberga el Tribolab, que cuenta con una amplia gama de instalaciones tribológicas de última generación. A nivel nacional, Suecia está bien situada para hacer avanzar la tecnología de la energía nuclear, pero todavía no existe una estrategia de investigación nacional clara que comprenda el apoyo a infraestructuras críticas para el sector de la energía nuclear.

Actualmente, hay dos importantes centros de investigación de energía nuclear en Suecia donde colaboran las principales universidades técnicas y donde la industria de la ciencia nuclear y de los materiales son partes interesadas activas.

El centro ANItA, inaugurado en 2022 y albergado por la Universidad de Uppsala, es un centro de competencia cuyo propósito es reunir competencia en tecnología nuclear académica e industrial en áreas técnicas y no técnicas. El centro está inicialmente financiado por la academia sueca, en la forma de KTH, la Universidad de Uppsala y la Universidad Tecnológica de Chalmers, la industria nuclear sueca y la Agencia Sueca de Energía.

Los objetivos de ANItA son, a través de la investigación y el desarrollo, generar apoyo a la toma de decisiones basado en el conocimiento para la implementación rápida y segura de la nueva tecnología de energía nuclear en Suecia. Esto es para permitir que Suecia se convierta en una nación completamente libre de fósiles. Las áreas de enfoque adicionales están generando nuevos conocimientos técnicos nucleares nacionales para garantizar la operación segura de las instalaciones de energía nuclear existentes y futuras, compartiendo conocimientos basados ​​en hechos en el área de tecnología nuclear, convirtiéndose en una organización de apoyo técnico para la política, las autoridades y la sociedad en general, y creando buenas condiciones para que la industria sueca y la vida social se beneficien de un buen suministro de energía, permitiendo que la industria sueca se convierta en un socio importante para los proveedores internacionales de reactores. El centro ANItA trabaja principalmente con tecnología de reactores modulares pequeños refrigerados por agua.

El centro SUNRISE en KTH en Estocolmo, financiado principalmente por la Fundación Sueca para la Investigación Estratégica, se estableció en 2021 como una plataforma de colaboración enfocada que abarca investigadores de KTH, la Universidad Tecnológica de Luleå y la Universidad de Uppsala. El centro también reúne a socios universitarios internacionales y una gran parte de la industria sueca relacionada con la energía nuclear, la ciencia de los materiales y el desarrollo.

El objetivo principal de SUNRISE es desarrollar y permitir el despliegue de tecnología de reactores rápidos de plomo. Estos sistemas de reactores pueden actuar como la parte central de un ciclo de combustible nuclear cerrado de cuarta generación, lo que reduce drásticamente los desechos de alto nivel y larga duración, al tiempo que proporciona energía segura, limpia y flexible. La investigación dentro del centro SUNRISE se centra en la física y el diseño del reactor, la ciencia de los materiales y la tecnología de procesos, y combina programas experimentales y de modelado para trabajar en el establecimiento de un reactor de investigación y demostración refrigerado por plomo en Suecia. SUNRISE conecta a las tres universidades asociadas con una amplia gama de socios de colaboración. Los más implicados son LeadCold Reactors, Westinghouse Electric Suecia y Alleima EMEA. Sin embargo, SUNRISE también ha visto la participación de Uniper, Jernkontoret, Promation, Outokumpu, Safetech, Vattenfall y Vysus Group, que son partes interesadas industriales, el municipio de Oskarshamns y la Autoridad de Seguridad Radiológica de Suecia, que siguen el desarrollo, y el MIT en los EE. UU., la Universidad de Bangor en el Reino Unido y la UNSW en Australia, que son socios académicos internacionales.

El trabajo en SUNRISE está organizado en cinco paquetes de trabajo. El primero se centra en el diseño y análisis de seguridad del reactor de investigación refrigerado por plomo. El objetivo es, con el apoyo de organizaciones externas, completar un Informe preliminar de análisis de seguridad (PSAR) del reactor que se puede enviar a la Autoridad de seguridad radiológica sueca (SSM) como parte de una solicitud para construir dicho reactor si la financiación de se obtienen otras fuentes.

En el segundo paquete de trabajo sobre el desarrollo y modelado de aceros avanzados, se desarrollan y optimizan aceros formadores de alúmina y materiales para impulsores de bombas, con el apoyo del modelado termodinámico. Se fabrican muestras de prueba y prototipos de componentes para pruebas mecánicas, de erosión y de irradiación. El modelado del rendimiento de la irradiación, la fragilización y la interacción entre el plomo y el óxido de aluminio se lleva a cabo utilizando métodos ab initio y enfoques de múltiples escalas.

En el tercer paquete de trabajo, estamos desarrollando y probando nuevos materiales, recubrimientos y técnicas de fabricación. La tarea principal es calificar materiales y procesos para garantizar la protección de los componentes expuestos al plomo. Las pruebas de rozamiento de aceros formadores de alúmina se realizan en un entorno de plomo líquido a alta temperatura en Tribolab en Luleå. Se desarrolla la sinterización por plasma de chispa de carburos cementados a base de tungsteno con un mínimo de aditivos de unión metálica y los sólidos se expondrán a condiciones adversas, se probarán y analizarán. Está en marcha la soldadura por láser de diferentes revestimientos de acero que forman alúmina en tubos de revestimiento austenítico de grado nuclear avanzado.

El desarrollo de combustible es el foco del cuarto paquete de trabajo, en el que se fabrican gránulos de combustible de nitruro de uranio que incorporan productos de fisión simulados utilizando técnicas de sinterización por chispa de plasma. Se produce una variedad de porosidades para imitar el efecto de la formación de burbujas. Los productos de fisión simulados se introducen utilizando una variedad de métodos, incluidos los desarrollados en el tercer paquete de trabajo. La degradación del rendimiento del combustible con el quemado se evalúa mediante la medición de la capacidad calorífica, la difusividad térmica, la conductividad térmica y la expansión térmica de las muestras de simfuel fabricadas. Se llevan a cabo experimentos de interdifusión de combustible-refrigerante y revestimiento de combustible para determinar el impacto de los productos de fisión, y se realizarán pruebas de fugas de varillas para evaluar el rendimiento en condiciones de accidente. Además, se realizará una serie de evaluaciones termodinámicas de los sistemas de refrigerante de revestimiento de combustible, que se incorporarán al desarrollo de Termodinámica de combustibles avanzados - Base de datos internacional (TAF-ID) organizado por la OCDE / AEN.

El paquete de trabajo final desarrolla instalaciones de prueba experimentales para componentes y materiales en un entorno de reactor rápido de plomo. En este paquete de trabajo, se diseñan, construyen y utilizan varios equipos de prueba experimentales para probar y calificar los componentes del reactor de investigación. Se utilizará una plataforma de erosión para calificar los impulsores de las bombas, así como el revestimiento de combustible y los tubos del generador de vapor en regímenes de flujo de plomo prototípicos a temperaturas de hasta 750 °C. Se llevarán a cabo pruebas de efecto separadas en una instalación de menor escala. Se utilizarán maquetas con líquidos transparentes para la validación de modelos que predicen características de flujo turbulento en instalaciones que utilizan plomo líquido.

Los avances recientes de SUNRISE son el desarrollo de aceros formadores de alúmina tolerantes a la erosión y la corrosión libres de fragilidad para su uso en reactores rápidos de plomo, el desarrollo de marcos de modelado avanzados que se pueden usar para realizar simulaciones de irradiación de alta dosis directamente a partir de los primeros principios atomísticos, y de Pruebas mecánicas y termomecánicas novedosas de estructuras de combustible nuclear avanzadas, aquí nitruro de uranio y combustibles de quemado simulado que contienen simuladores de productos de fisión inactivos. Se están encargando y construyendo infraestructuras dedicadas para la exposición y prueba de materiales en KTH en el marco de SUNRISE. La corrosión/erosión acelerada por el flujo es un fenómeno de importancia para la seguridad en los reactores rápidos de plomo y los investigadores de SUNRISE están construyendo una instalación que se puede cambiar de manera flexible a partir de estudios de efectos separados con velocidades de flujo lineal de 0 a 20 m/s y números de Reynolds de hasta un millón. a pruebas a largo plazo de componentes críticos.

En colaboración con la Universidad de Nueva Gales del Sur en Australia, SUNRISE es un socio fundamental en una aplicación para el tiempo del haz de neutrones en ANSTO, a la que recientemente se le otorgó un acceso al programa de tres años. Esto permitirá una caracterización profunda de las propiedades térmicas, elásticas y mecánicas de nuevos combustibles y materiales estructurales para una amplia gama de condiciones mediante el uso de la dispersión de neutrones.

El segundo paso en el programa de investigación y desarrollo iniciado por SUNRISE, llamado Solstice, es el diseño, la construcción y la operación de una instalación experimental a gran escala calentada eléctricamente que se utilizará para probar materiales, componentes, protocolos de mantenimiento, así como planes y accidentes transitorios que pueden ocurrir en un LFR. KTH, en colaboración con LeadCold y Uniper, recibió fondos para el proyecto Solstice de la Agencia Sueca de Energía para construir la instalación en Oskarshamn en el sitio de la planta de energía nuclear de OKG. La instalación finalizará el estudio de seguridad y rendimiento del reactor de investigación y demostración diseñado en SUNRISE. Los socios industriales en el proyecto Solstice tienen como objetivo asegurar el caso para la futura comercialización de la tecnología de reactores rápidos de plomo. El objetivo estratégico es establecer SMR como una solución sostenible y segura para una base de energía planificable y flexible, para que forme parte de una sociedad circular. Al ser financieramente viable y escalable, el mercado global puede abordarse con productos y servicios como electricidad, calor de alta calidad, hidrógeno, biocombustibles, electrocombustibles y servicios auxiliares.

Los reactores nucleares avanzados y sostenibles, con seguridad pasiva y fabricados en producción automatizada, ofrecen todos los beneficios de los reactores nucleares convencionales pero son sustancialmente más versátiles y flexibles. Los SMR avanzados pueden convertirse en la solución que permita la introducción de una producción de electricidad climáticamente neutra a gran escala y, al mismo tiempo, brindar beneficios adicionales para una sociedad sostenible.

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