Construido conjuntamente por el gigante energético estatal China Huaneng Group, la China National Nuclear Corp (CNNC) y la Universidad Tsinghua de Pekín, el reactor de alta temperatura refrigerado por gas (HTR-PM) que está situado en la central nuclear de Shidaowan, en la provincia oriental china de Shandong, es actualmente el único del mundo en funcionamiento comercial.

El reactor está formado por dos pequeñas unidades con una capacidad total de generación de 200 megavatios (MW).

A la conexión a la red de la Unidad 1 del proyecto nacional le seguirá pronto la Unidad 2. Cuando sea comercialmente operativa, como se espera a mediados de 2022, los dos reactores modulares accionarán una única turbina de vapor de 210 MW.

La construcción del proyecto pionero comenzó en diciembre de 2012, dirigida por China Huaneng (que tiene una participación del 47,5% en la demostración), junto con China National Nuclear, filial de China Nuclear Engineering (CNEC, 32,5%), y el Instituto de Tecnología Nuclear y Nuevas Energías de la Universidad de Tsinghua (20%). Chinergy, una empresa conjunta de Tsinghua y CNEC, fue el contratista de ingeniería, compras y construcción de la isla nuclear.

DÉCADAS DE DESARROLLO

Como ha señalado el Instituto de Tecnología Nuclear y de Nuevas Energías de Tsinghua, el proyecto de demostración es el resultado de una serie de desarrollos que marcaron un "salto cualitativo del laboratorio a la aplicación de ingeniería".

La tecnología de los reactores de alta temperatura refrigerados por gas se lleva explorando desde hace décadas.

El programa chino de investigación y desarrollo de este tipo de reactores se inició a mediados de los años 70, haciéndose eco de iniciativas similares impulsadas por el gobierno para desarrollar el módulo HTR de 200 MW de Siemens/Interatom en Alemania, y el reactor modular de alta temperatura refrigerado por gas MHTGR de 350 MW de General Atomics en Estados Unidos.

Las instituciones de investigación chinas acabaron construyendo el reactor de prueba HTR-10 a finales de la década de 1990. En febrero de 2008, China aprobó la planta de demostración HTR-PM de 200 MWe como parte de su lista de Grandes Proyectos Nacionales de Ciencia y Tecnología.

Como señaló la Universidad de Tsinghua, el gobierno anticipó entonces que esto resultaría ser una tecnología de energía nuclear altamente eficiente, como complemento a la tecnología de los reactores de agua presurizada (PWR).

Los investigadores chinos también anunciaron el potencial de alto calor de la tecnología, así como la oportunidad de fomentar la innovación global en tecnologías nucleares avanzadas. Uno de los objetivos principales era mejorar la seguridad nuclear de forma inherente.

EL REACTOR MODULAR

El aspecto destacable del diseño de los reactores HTR-PM es que utiliza un elemento de combustible nuclear esférico de partículas revestido de cerámica resistente al calor.

Las esferas de combustible utilizadas en la demostración del HTR-PM de Shidaowan son bolas recubiertas de grafito (de seis centímetros de diámetro) compuestas por unas 12.000 partículas de cuatro capas dispersas en una matriz de polvo de grafito.

Colocación de combustible esféricos TRISO en los dos pequeños reactores

La carga de combustible en el módulo del reactor de alta temperatura refrigerado por gas de Shidaowan (HTR-PM) comenzó en la primavera de 2021. Se trata de colocar 870.000 elementos de combustible esféricos TRISO en los dos pequeños reactores que impulsarán una única turbina de 210 MWe.

La demostración del HTR-PM comprende dos módulos de reactor de lecho de piedras (pebble-bed reactor), cada uno de los cuales consta de una vasija de presión del reactor, grafito, carbono e interiores metálicos del reactor, un generador de vapor y un soplador de helio.

El HTR-PM es un reactor que se encuentra en la fase más avanzada de desarrollo tecnológico en el marco de los reactores GEN-IV, después de los reactores refrigerados por metal líquido, que ya están operativos.

La potencia térmica de un módulo del reactor es de 250 MWth, las temperaturas del helio en la entrada/salida del núcleo del reactor son de 250/750C, y se produce vapor a 13,25 MPa/567 C en la salida del generador de vapor, comentaron desde Tsinghua.

Uno de los elementos diferenciadores del HTR-PM, en comparación con la tecnología PWR, por ejemplo, es que utiliza helio como refrigerante.

Un HTGR "no utiliza la 'refrigeración por agua' sino la 'refrigeración por aire' para la refrigeración del núcleo y la transferencia de calor, es decir, el refrigerante es un gas. Como gas inerte ideal, el helio tiene propiedades químicas estables, no reacciona fácilmente con otros materiales en el reactor a altas temperaturas y tiene buenas propiedades termodinámicas", explicó.

Además, a diferencia de los reactores de agua ligera y de agua pesada, que utilizan agua y agua pesada como moderadores (materiales que ayudan a reducir la velocidad del movimiento de los neutrones y a mantener una reacción de fisión), los HTR utilizan grafito como moderador, principalmente por su buena resistencia a las altas temperaturas.

El HTR-PM, en concreto, también adopta un diseño modular. "La idea central es dividir un reactor grande (de un megavatio) en 10 módulos pequeños, cada uno de los cuales es un reactor pequeño que puede funcionar de forma independiente", explicó Tsinghua. "Cada módulo pequeño puede utilizar una densidad de potencia muy baja", aproximadamente una trigésima parte de la de una gran central nuclear PWR, dijo.

La modularidad también se traduce en escalabilidad, así como en flexibilidad. En caso de accidente, incluso sin refrigeración activa, el calor residual del núcleo del reactor puede disiparse de forma segura a través de fenómenos básicos, como la conducción del calor y la radiación térmica tras la parada del reactor.

Tsinghua espera que la elevada producción de calor del HTR-PM sea beneficiosa en múltiples niveles. "En la actualidad, cerca del 40% de la energía mundial se utiliza en forma de electricidad, y el resto son aplicaciones no eléctricas, como el calor industrial, el calor residencial y la energía para el transporte utilizada de diversas formas. Hay una gran demanda de calor de proceso de alta temperatura en varias industrias", señaló.

"La temperatura de salida del helio de la demostración HTR-PM de Shidaowan puede alcanzar los 750 °C, produciendo vapor sobrecalentado de 566 °C. Además de la generación de energía de alta eficiencia, el vapor de alta temperatura también puede utilizarse para la cogeneración, la recuperación térmica de petróleo pesado, la industria química, la metalurgia, etc."

Si el desarrollo sigue aumentando las temperaturas hasta los 950 °C, como sugieren las pruebas del HTR-10, el calor de la tecnología podría utilizarse también para la producción de hidrógeno a gran escala, proporcionando soluciones de descarbonización más amplias.

El éxito del proyecto de demostración de Shidaowan podría impulsar varios proyectos similares. La CNNC dijo que tiene previsto reforzar su asociación con la Universidad de Tsinghua para acelerar el despliegue de la tecnología HTGR y establecer una industria nuclear avanzada en el país.

Por el momento, se han propuesto otros 18 proyectos de HTR-PM para el emplazamiento de Shidaowan. Las propuestas también contemplan una versión ampliada, el HTR-PM600, que constaría de seis unidades de reactor HTR-PM que impulsarían una turbina de 650 MWe.

Según la Asociación Nuclear Mundial, se están llevando a cabo estudios de viabilidad sobre la implantación del HTR-PM600 en Sanmen, provincia de Zhejiang; Ruijin, provincia de Jiangxi; Xiapu y Wan'an, provincia de Fujian; y Bai'an, provincia de Guangdong.