Resumen de Análisis de sistemas de conversión de potencia en reactores nucleares de generación IV refrigerados por metales líquidos
El reactor rápido refrigerador por sodio (SFR) es considerado en la actualidad como uno de los conceptos de reactor más interesantes para satisfacer a corto plazo los requerimientos impuestos dentro del marco de la Generación IV. La experiencia acumulada tradicionalmente mediante prototipos, plantas demostración e incluso alguna planta comercial ha permitido desarrollar en gran grado la tecnología directamente vinculada al reactor, y por ser esta la prioridad, se ha venido optado siempre por el uso de ciclos convencionales (Rankine subcríticos) para la conversión de potencia. Esta experiencia, las importantes innovaciones tecnológicas y los cambios sustanciales en los parámetros de funcionamiento de los nuevos SFR, así como la propuesta de nuevos y más eficientes ciclos de potencia, pavimentan el camino de los reactores SFR frente a otras opciones barajadas para el futuro inmediato de la energía nuclear.
A lo largo de esta tesis, se analiza la totalidad de ciclos de potencia que puedan ajustarse a las particularidades tecnológicas de un reactor de sodio, buscando así satisfacer el requerimiento de sostenibilidad que deben cumplir los futuros reactores, al elegir finalmente aquel que proporcione mejores prestaciones en cuanto a rendimiento.
Adoptando los parámetros estimados de operación de los próximos reactores SFR, se comienza el estudio mediante el análisis de ciclos Rankine tanto subcríticos como supercríticos, para a continuación investigar posibilidades más novedosas tales como los ciclos Brayton de Helio o de otros gases en principio basados en mezclas de Helio, e incluso ciclos Brayton de recompresión supercrítica de CO2 (S-CO2).
La metodología se basa en el desarrollo de códigos que resuelvan de manera optimizada cada ciclo propuesto, explorando además numerosas configuraciones nunca antes consideradas, basándose algunas en acoplamientos con ciclos orgánicos ORC para el óptimo aprovechamiento del calor de rechazo. Esto supone una importante novedad especialmente interesante en el caso del todavía poco explorado ciclo S-CO2.
El desarrollo de un detallado análisis exergético ayuda a cumplir con el objetivo de concluir, justificadamente y tras un exhaustivo estudio de todas las alternativas, con la elección del óptimo ciclo para el reactor SFR tanto a corto o medio plazo, como en un mayor horizonte temporal.
Así, el esfuerzo realizado en la tesis para el cálculo detallado de los ciclos Rankine optimizados para un reactor moderno SFR, lleva a concluir que esta sería la opción adecuada a corto plazo gracias a que su tecnología es más conocida, y a que se obtiene un considerable rendimiento de aproximadamente un 43% en el caso subcrítico y 45% en el caso supercrítico. Dada su mayor sencillez, concretamente la opción subcrítica sería la más indicada para las primeras plantas.
Por otra parte, mientras que los ciclos Brayton de He no consiguen alcanzar rendimientos superiores al 36% o en el mejor de los casos hasta un 38% utilizando nitrógeno a alta presión, la tesis demuestra tras estudiar multitud de configuraciones, que el ciclo S-CO2 es una opción comparable a los ciclos Rankine en lo referido a la eficiencia, pudiendo incluso sobrepasar el 45% de rendimiento en el caso de utilizar regeneradores de nueva generación. Ello, sumado a su turbomaquinaria de reducidas dimensiones y a la mayor simplicidad del ciclo en cuanto al menor número de componentes comparado con un ciclo Rankine, convierte a esta última opción, a pesar de la inexistente experiencia en su operación real, en la más interesante a más largo plazo.
