La tecnología nuclear, opción para la transición energética en México

La energía nuclear es la más limpia y la segunda más segura después de la solar; esto implica que posee grandes ventajas con respecto a las externalidades de cualquier energía fósil y también en relación con las renovables. El despliegue de la energía nuclear en México puede seguir diferentes rutas que deberán ser evaluadas con base en un análisis de decisión de sostenibilidad que considere indicadores económicos, ambientales y sociales.

La energía nuclear es, en la actualidad, la tecnología que usa el combustible con mayor densidad energética. Esta característica aporta a la energía nuclear incomparables ventajas en términos de sus bajos requerimientos de combustible a usar por unidad de energía producida, y por consiguiente las bajas cantidades de residuos producidos.

En la figura 1 se compara la equivalencia energética de los combustibles fósiles con el uranio usado como combustible nuclear (ONE, 2021). La alta densidad energética se debe a que la energía nuclear se basa en la reacción de fisión nuclear en cadena, la cual se puede producir de manera controlada en los reactores nucleares. En cada reacción de fisión nuclear existe una pérdida de masa que se convierte en energía, y hay que recordar que existe una equivalencia masa-energía dada por la ecuación E=mc2, donde m es masa y c es la velocidad de la luz, la cual en números redondos es 300,000 kilómetros por segundo; c2 es igual 300,000 × 300,000 = 9,000,000,000.

Otra de las grandes ventajas del proceso de fisión nuclear es que no produce gases de efecto invernadero ni gases de lluvia ácida, ni partículas suspendidas. ¿Por qué? Porque la fisión no es una reacción de combustión de carbón o hidrocarburos como la que se produce en las centrales térmicas basadas en combustibles fósiles.

El principal objetivo de un reactor nuclear es producir, de manera controlada y continua, esta reacción de fisión en cadena y extraer la energía adecuadamente.

Existe una gran variedad de tecnologías y tamaños de reactores nucleares, desarrollados por los países que han incorporado esta forma de energía como una opción para cubrir sus necesidades energéticas.

En el mundo existen cerca de 427 reactores nucleares en operación, con 382,796 MWe de capacidad neta instalada – que aportaron 2,616.67 TWh en 2020–, y 56 en construcción, con 57,664 MWe de capacidad neta (OIEA). En la figura 2 se puede observar que en 20 países la energía nuclear aportó más del 10% de su electricidad; tan solo en Francia aportó el 70%. Esto demuestra que es muy factible tener una participación nuclear superior a 10%. Actualmente en México la aportación de este tipo de energía es de aproximadamente 4%, pues tiene un parque de generación poco diversificado con una muy fuerte dependencia de combustibles fósiles.

Después de la hidroenergía, la energía nuclear es la segunda fuente limpia que aporta más energía en el mundo (véase tabla 1).

Francia Ucrania

Eslovaquia

Bélgica

Hungría

Eslovenia

República Checa

Bulgaria

Finlandia

Suecia

Suiza

República de Corea

Armenia

España

Rusia

Ahora, desde la perspectiva de que las energías limpias y renovables sustituyen a los combustibles fósiles, se puede afirmar que dicha sustitución termina por reducir emisiones contaminantes y disminuir la tasa de mortalidad debida a dichas emisiones. Así pues, existen dos puntos a favor, pues las energías más limpias son las energías más seguras en el mix energético. Se ha constatado la coincidencia de que las energías más limpias son también las más seguras, y esa es una excelente base para buscar mayor proporción de energía limpia en el mix de electricidad. En cuanto a seguridad, en la tasa de muertes causadas por accidentes y contaminación están, de menor a mayor: solar, nuclear, hidráulica, gas natural, biomasa, petróleo y carbón. Relativo a gases de efecto invernadero, de más a menos limpias están: nuclear, eólica, solar, hidráulica, biomasa, gas natural, petróleo y carbón. Con esta información puede afirmarse que la energía nuclear es la más limpia y la segunda más segura después de la solar; esto implica que, en promedio, la energía nuclear tiene grandes ventajas con respecto a las externalidades de cualquier energía fósil y también en relación con las renovables, por lo que debería participar en la diversificación energética.

EUA

Rumania

Reino Unido

Canadá

Bielorrusia

Alemania

Pakistán

Argentina

Japón

Sudáfrica

México

China

India

Países Bajos

Brasil

Emiratos Árabes Unidos Rep. Islámica de Irán

0 10 20 30 40 50 60 70

Participación nuclear (%)

Fuente: OIEA.

Tabla 1. Energía limpia a nivel mundial en 2021 (TWh anuales)

Tipo de energía Producción (TWh anuales)

Las plantas de energía nuclear proporcionan grandes cantidades de energía limpia, confiable y asequible. Independientemente del clima, pueden funcionar durante largos periodos sin interrupción. Los nuevos reactores tienen un factor de disponibilidad superior al 90%.

Para los reactores modernos, entre los que se encuentran los reactores modulares pequeños (SMR), el factor de disponibilidad se espera sea superior a 95%, debido a la flexibilidad para realizar las recargas de combustible de manera escalonada en los módulos que componen una central. Para identificar a qué nos referimos con estos reactores, estos tienen las siguientes características:

• Pequeños: físicamente una fracción del tamaño de un reactor nuclear de potencia convencional, con potencia hasta de 300 MW eléctricos.

• Modulares: lo que permite que los sistemas y componentes se ensamblen en fábrica y se transporten como una sola unidad a un lugar para su instalación.

• Reactores: que aprovechan la fisión nuclear para generar calor para producir energía.

Un ejemplo de reactor modular pequeño es el llamado NuScale, de 77 MWe (NuScale Plant Design Overview, 2013). Una central con este tipo de reactor puede estar compuesta por 4, 6 o 12 módulos en una misma instalación.

Contexto internacional y el papel del OIEA Numerosos países recurren a la ciencia y la tecnología nucleares para contribuir a cumplir sus objetivos de desarrollo en ámbitos como la energía, la salud humana, la producción de alimentos, la gestión del agua y la protección del medio ambiente. El uso de estas técnicas contribuye de manera directa a 9 de los 17 Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS). El Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA) brinda apoyo a los países para alcanzar los 17 ODS que se establecen en la Agenda 2030 para el Desarrollo Sostenible.

La energía nucleoeléctrica es una fuente fiable y baja en carbono que muchos países están incorporando –o considerando incorporar– a su canasta energética y a sus iniciativas para cumplir con el ODS 7, el cual busca garantizar el acceso a una energía asequible, fiable, sostenible y moderna para todos.

Mediante la diversidad de sus programas y proyectos, el OIEA trabaja con los países miembros promoviendo el uso de la tecnología nuclear en diferentes campos prácticos, en condiciones seguras y con fines pacíficos. México forma parte del OIEA por medio de la división para América Latina y el Caribe, conformada por 31 países. Dentro de esta división se ha conformado el Acuerdo Regional de Cooperación para la Promoción de la Ciencia y la Tecnología Nucleares en América Latina y el Caribe (ARCAL), cuya finalidad es promover el uso de tecnología nuclear en lo relacionado con alimentación, salud, medio ambiente, energía, industria y seguridad radiológica. En materia de energía, el OIEA cuenta con el Proyecto Internacional sobre Ciclos del Combustible y Reactores Innovadores (INPRO), que presta apoyo para planificación de reactores, ciclos de combustible y actividades de colaboración con el objetivo de impulsar el desarrollo sostenible de la energía nuclear. Dicha asistencia puede generar el desarrollo de recursos humanos, apoyo a la tecnología, operación y seguridad energética. De igual manera, generaliza el uso de diferentes tecnologías de generación eléctrica, por lo cual el diseño de las estrategias de planeación energética cuenta con la posibilidad de incluir o no energía nuclear.

En temas de planeación energética, el OIEA, a través de sus programas y proyectos, ayuda a los países miembros a satisfacer la creciente demanda de energía para el desarrollo, al tiempo que mejora la seguridad energética, reduce los efectos ambientales y en la salud, y mitiga el cambio climático. Un ejemplo es el Proyecto Internacional sobre Ciclos del Combustible y Reactores Nucleares Innovadores (INPRO), del que México es miembro (www.iaea.org).

En 2010, dentro del programa INPRO del OIEA y como iniciativa del Departamento de Energía de Estados Unidos, se comenzó el desarrollo de los SMR. El interés por este tipo de diseños –orientados a producir electricidad y vapor de proceso industrial en cogeneración– radica en el deseo de reducir los costos de inversión directa, simplificar el procedimiento de licenciamiento, acortar los periodos de construcción y hacer posible que las centrales puedan emplazarse

Escenario nuclear AP1000 y SMR como fuente principal de microrredes alejadas de las grandes redes de transmisión de electricidad, o en lugares de acceso difícil.

Debido a las pequeñas potencias unitarias y a su carácter modular, es posible producir estos reactores en fábrica con ventajas en cuanto a calidad de fabricación, facilidad de homologación y estandarización, con envío al emplazamiento ya completos y listos para alcanzar la potencia deseada añadiendo unidades modulares en el sitio. Gran parte del objetivo de los SMR es tener listo refaccionamiento fácil de transportar y fabricar para llegar a tiempo y poner en funcionamiento el reactor.

Los SMR son el complemento ideal para la energía eólica y solar, que son

Esto debido a su

La tecnología nuclear, opción para la transición energética en México tecnología, la cual tiene la capacidad de regulación de frecuencia y servicios conexos; sin embargo, los reactores están diseñados para funcionar de manera más segura en carga base o máxima capacidad. Además, a través de la cogeneración nuclear, el calor generado puede redirigirse a procesos energéticos que actualmente son difíciles de descarbonizar. Son inversiones de largo plazo, pueden operar hasta 80 años. Los reactores nucleares son también un “sistema de almacenamiento de energía” porque contienen la energía para operar por al menos un año y medio sin necesidad de recarga de combustible; los diseños modernos pueden operar por varios años consecutivos dependiendo del enriquecimiento del combustible.

Una fuerte razón para seleccionar NuScale es que está diseñado para aplicar estrategias de seguimiento de carga (Reyes, 2021) para combinarse con renovables.

Contexto nacional

El despliegue de la energía nuclear en México puede seguir diferentes rutas que deberán ser evaluadas con base en un análisis de decisión de sostenibilidad que considere indicadores económicos, ambientales y sociales.

A continuación se presenta, a manera de ejemplo, un escenario de energía nuclear en México con base en AP1000 y SMR-NuScale. Ambos reactores se clasifican dentro de una generación avanzada con respecto a la tecnología de las unidades de Laguna Verde. Utilizan “seguridad pasiva” basada en fuerzas naturales como la gravedad y la convección natural para proporcionar refrigeración en escenarios de accidentes. En un apagón, como sucedió en el accidente de Fukushima, estos reactores se apagarán solos sin alimentación de corriente o acción del operador. Aplican métodos avanzados de “construcción modular” con ventajas sobre tiempos y costos de construcción. Aportan potencia térmica o eléctrica en forma continua para todo tipo de aplicaciones energéticas.

La potencia nuclear que se despliega en el escenario es comparable a la propuesta en el anexo 4.9 del Programa para el Desarrollo del Sistema Eléctrico Nacional 2021-2035. Consiste en el despliegue de 11,642 MW de capacidad en el periodo 2030 a 2050 con base en dos unidades de reactores grandes AP1000, de 1,107 MWe cada uno en el sitio de Laguna Verde, y el resto con reactores de tipo SMR repartidos en siete regiones del país. Se toma en cuenta que la Unidad 1 de Laguna Verde saldrá de operación en el año 2050, y la Unidad 2, en 2055.

El escenario considera que se desea aprovechar que los reactores AP1000 tienen, actualmente, costos ligeramente menores que los SMR y que además cuentan con experiencia en construcción y operación en algún país del mundo (China). Además, se aprovecha que el sitio de Laguna Verde cuenta con la infraestructura básica para albergar dos reactores de gran potencia adicionales a los actuales. Se considera, también, que en Laguna Verde se podrá instalar una central con 12 módulos SMR de u Desde la perspectiva de que las energías limpias y renovables sustituyen a los combustibles fósiles, dicha sustitución termina por reducir emisiones contaminantes y disminuir la tasa de mortalidad debida a dichas emisiones. Se ha constatado la coincidencia de que las energías más limpias son también las más seguras, y esa es una excelente base para buscar mayor proporción de energía limpia en el mix de electricidad. En cuanto a seguridad, en la tasa de muertes causadas por accidentes y contaminación están, de menor a mayor: solar, nuclear, hidráulica, gas natural, biomasa, petróleo y carbón.

77 MWe cada uno, a partir de 2050, y otra más en 2055 para sustituir la capacidad que dejarán de aportar LV1 y LV2 debido a sus salidas por alcanzar en esas fechas sus vidas útiles de 60 años.

La capacidad de los SMR podrá aportar mayor flexibilidad de operación al sistema eléctrico en el tema de continuidad de suministro. Esta mayor flexibilidad se explica tomando en cuenta que la salida de operación de un módulo de 77 MW, en los momentos de las recargas de combustible, causa menor impacto que la salida de

Administración (infraestructura)

Pruebas no destructivas

(tiempo real)

La tecnología nuclear, opción para la transición energética en México posterior en el sitio, módulo a módulo, con lo que se mejora el nivel de calidad y eficiencia del proyecto.

NTE SMR1

OCC SMR3

OCC SMR2

OCC SMR1

NOE SMR3

NOE SMR2

NOE SMR2

PEN SMR3

PEN SMR2

PEN SMR1

BCS- SMR4

BCS- SMR3

BCS-

5. Los SMR otorgan flexibilidad de potencia para adaptarse en regiones con redes menos malladas.

6. Gestión independiente de los módulos de SMR para mantenimiento y parada de recarga, mientras los demás permanecen en servicio.

7. Menores necesidades de agua de refrigeración.

8. Posibilidad de enterrar parcial o totalmente los módulos para mejorar su seguridad, en particular su resistencia a ataques aéreos, y mejorar su integración en el entorno.

9. Dado el menor riesgo, se requiere área de exclusión muy pequeña. Las evaluaciones de riesgos confirman aún más las mejoras de seguridad.

Existen los siguientes retos que puede atender la CFE:

1. Obtener costos confiables de las

1,107 MW, en el caso de la salida de una unidad AP1000 para su recarga de combustible.

El escenario incluye el despliegue progresivo de varios reactores SMR repartidos en siete regiones del país. La figura 3 muestra la evolución de capacidad instalada de este escenario del 2020 al 2050, y en la figura 4 se observa la evolución de la generación anual en este escenario con factores de planta de 88% para LVU1 y LVU2, 92% para AP1000 y 95% para SMR-NuScale, suponiendo que esas tecnologías fueran las elegidas para el despliegue en las regiones consideradas. La tabla 2 muestra la repartición de potencia nuclear al 2050 en las diferentes regiones.

Toda esta energía es limpia y contribuye a la reducción de emisiones cuando se le compara con cualquiera de las tecnologías de generación basadas en energías fósiles.

Comentarios finales

Es posible tener un despliegue de energía nuclear en nuestro país que considere SMR, y, debido a que la CFE tiene la exclusividad para construir y operar los reactores nucleares, pueden tenerse los siguientes beneficios:

1. Incrementar la participación de energía limpia.

2. Reducir el factor de emisión de gases de efecto invernadero del mix de electricidad.

3. En escala nacional, ayudar al cumplimiento de los compromisos de reducción de GEI.

4. La pequeña potencia y el carácter modular de los SMR permiten la casi totalidad de su construcción en el ambiente controlado de una fábrica y su instalación tecnologías SMR y convencionales. Seleccionar la tecnología más adecuada para el despliegue de energía nuclear.

2. Divulgar los beneficios de la energía nuclear entre la población para buscar aceptación pública.

3. Contar con el financiamiento de inversiones necesarias para la construcción.

4. Conseguir convenios de transferencia de tecnología con el proveedor del reactor seleccionado.

5. Tener un plan para la gestión de desechos radiactivos de alto nivel para dar respuesta a la interrogante del público sobre ese tema.

6. Contar con la Comisión Nacional de Seguridad Nuclear y Salvaguardas para la Certificación del Diseño de manera oportuna.

7. No retardar más la decisión de tener un plan nuclear para empezar a gozar de los beneficios de esta tecnología

Referencias

NuScale Plant Design Overview (2013). www.nrc.gov/docs/ML1326/ ML13266A109.pdf

Office of Nuclear Energy, ONE (2021). 3 reasons why nuclear is clean and sustainable. www.energy.gov/ne/articles

Organismo Internacional de Energía Atómica, OIEA. Power Reactor Information System. pris.iaea.org/pris/ www.iaea.org/services/key-programmes/international-project-on-innovative-nuclear-reactors-and-fuel-cycles-inpro/membership).

Reyes, J. (2021). NuScale Power. Oregon Senate Energy and Environment Committee.

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