Areva Antares HTGR seleccionado reactor de IV Generación "óptimo"

Los reactores nucleares de alta temperatura permiten los procesos de co-generación. Producción electrica y suministro
de calor a diversos tipos de industrias como el petroquímico o la producción de hidrógeno.

El proyecto de central nuclear de Areva se ha erigido ganador en la competición promovida por la asociación NGNP (Nueva Generación de Plantas Nucleares) entre los tres proyectos que se presentaban a concurso. El diseño del Areva parte de un combustible comprimido en forma de barras prismáticas que provee de un ciclo de vapor a alta temperatura y que está refrigerado por gas Helio (SC-HTGR). Un diseño que se ha considerado óptimo para la próxima generación de plantas nucleares. Además de generar electricidad, estas plantas modulares compuestas por varios reactores de pequeño tamaño pueden producir ciclos de calor a diversas temperaturas para uso industrial. Lo que permite substituir a las plantar térmicas de combustibles fósiles en sectores industriales clave. 

Diseño del reactor nuclear de IV Generación ganador -Areva Antares HTGR-

La Ley de Energía de EE.UU. del 2005 estableció las características técnicas que debía cumplir una nueva generación de Centrales Nucleares (NGNP) a desarrollar, con el objetivo último de construir y operar un prototipo de reactor HTGR para el año 2021 que posea la capacidad de producir simultaneamente hidrógeno junto a electricidad. La legislación estipulaba que el proyecto NGNP iba ​​a ser dirigido por el Laboratorio Nacional de Idaho (INL) compartiendo los costes con el sector privado. Para ello, la Alianza de la Industria NGNP - que incluye los principales proveedores de reactores nucleares y sectores clave de la industria internacional - se estableció en 2009. El costo total del proyecto se estima actualmente en unos 4.000 millones de dólares. 

Tres empresas fueron seleccionadas para presentar alternativas de diseño que cumplieran los requisitos del programa NGNP: General Atomics (USA), Areva (Francia) y Westinghouse-PBMR (USA-Suráfrica). General Atomics presentó configuraciones conceptuales de plantas sobre la base de un reactor modular refrigerado por gas helio (GT-MHR), mientras que Areva presentó su concept en base a su diseño muy parecido denominado Antares HTGR. Mientras tanto, Westinghouse y la Surafricana PBMR presentaron configuraciones conceptuales basadas en el Reactor Modular de Lecho de Bolas (PBMR). Un concepto ingenioso comprado a precio de saldo por Suráfrica a la empresa alemana Siemens hace más de una década, cuando se consideraba que la industria nuclear terminaría extinguiéndose. Una evaluación posterior de los proyectos se llevó a cabo por parte del Instituo Norteamericano INL, tomando en consideración las ventajas comparativas de los distintos proyectos según sus características de diseño, rendimiento, economía, seguridad y operatividad. 

Combustible nuclear de Lecho de Bolas para
los proyectos basados en el PBMR.

Finalmente, la Alianza para la creación de un reactor nuclear de IV Generación llegó a las mismas conclusiones que INL: no hay "ninguna diferencia sustantiva en la tecnología que proporcione una base firme para la selección de un determinado concepto de diseño - ya sea de lecho de bolas o prismática - , tampoco existe una razón para creer a priori que habrá una diferencia sustancial en los costos de las plantas y las evaluaciones económicas posteriores, por tanto el concepto de diseño puede ser igualmente exitoso en los tres casos". Sin embargo, la Alianza señaló que "la única diferenciadores prácticas detectadas se asocian con la diferencia prevista en el costo de capital necesario para la construcción de una planta según la potencia previstas para cada unidad". Los costos de capital para una planta objetivo con una capacidad instalada de 2400-3000 MWt sería un 30% menores si se parte de módulos de reactor prismáticos de 625 MWt que con los reactores de lecho de bolas cuyos módulos de 250 MWt son más pequeños. 

La Alianza comentó que había elegido como diseño "óptimo” un proyecto aún no especificado, pero que estaría basado en el reactor de Areva (Antares). Comentó que "la capacidad tecnológica del Areva HTGR y su diseño modular, cumple con los requisitos de una amplia gama de sectores de mercado, proporcionando una alta eficiencia en la producción de calor para abastecer sectores industrias tan diversos como la generación eléctrica, petroquímico, producción de hidrógeno, recuperación de petróleo y producción de combustibles sintéticos." Areva afirmó que, "tiene las capacidades técnicas y de diseño para desarrollar un HTGR para generar la energía térmica que requiere los procesos industriales de co-generación". 

Combustible nuclear prismático para el proyecto ganador de Areva.

Agregó que "inversores adicionales están uniéndose para aprovechar al máximo este proyecto con el fin de construir una conjunto inicial de plantas HTGR para la industria." La Alianza ha señalado que, "la implementación de la tecnología de próxima generación nuclear es un paso crítico en la solución de las necesidades a largo plazo de fuentes seguras de energía, la conservación de los combustibles fósiles y para frenar el crecimiento de las emisiones de gases de efecto invernadero. La energía nuclear limpia y segura que propone el proyecto HTGR aumentará la independencia energética de los EE.UU. y prolongará la vida útil de las reservas de gas y petróleo nacionales.” 

La Alianza señaló que el vapor de referencia basado en el reactor con combustible prismático tiene por objeto "satisfacer una amplia gama de necesidades industriales de calor mientras que confían en las tecnologías existentes y disponibles en la actualidad para la construcción del reactor y la planta". Sin embargo, un reactor que cumpla con rangos de temperatura aún mayores introduciría "mayores desafíos de diseño." 

La Alianza de la Industria NGNP es un consorcio de once empresas, entre las que se encuentran los proveedores de reactores Areva y Westinghouse, Entergy Utility, y los potenciales usuarios finales de electricidad y calor para procesos industriales, tales como Dow Chemical y ConocoPhillips. El plan de licencias NGNP fue presentado al Congreso por el Departamento de Energía y la Comisión Reguladora Nuclear en agosto de 2008.

GRAFENO y BATERÍAS DE LITIO-AIRE

El problema de la implantación de las baterías de Litio-Ion en los vehículo eléctricos
 es su escasa densidad energética. La energía esquivalente de la mayor
batería montada en un automóvil eléctrico, apenas iguala la que
poseen 2.5 litros de gasolina.

El futuro de las baterías para dispositivos móviles parece pasar por la utilización del grafeno en las llamadas baterías de litio-aire. Con su forma parecida al coral, el material poroso del grafeno puede reemplazar a las hojas de grafeno que se han utilizado en los primeros experimentos con este tipo de baterías. Eso permite que los poros puedan servir de alojamiento a pequeñas partículas de elementos escogidos. Eso dota a las nuevas baterías de dos ventajas. Por un lado no necesitan utilizar platino que es un metal precioso sumamente caro y, por otro, conseguir la batería con mayor densidad energética que se haya logrado hasta el momento. Las baterías de litio-aire puede permitir la creación de automóviles eléctricos de autonomía extendida que alcancen los 480 km entre recargas.

“La estructura de auto-ensamblado organizado de hojas de grafeno es un diseño ideal no solo para las baterías de litio-aire, sino también para muchas otras aplicaciones energéticas”, dijo el doctor Xiao Jie, el científico del PNNL (Iniciativa Científica de Transformación de Materiales) que ha dirigido este estudio.

El equipo comenzó con la utilización de un agente de unión para dispersar el grafeno en una solución, del mismo modo que el jabón dispersa la grasa en el fregadero. El grafeno y el agente son entonces añadidos al agua para formar una solución en la que se pueden crear burbujas. Entorno a las mismas se acumula y solidifica el material. El resultado es la obtención de esferas huecas de grafeno de 3 a 4 micras de diámetro, diez veces más pequeñas que un cabello humano.

Grafeno poroso en baterías de Litio-Aire

Los investigadores estudiaron el compuesto utilizando técnicas de microscopía electrónica para analizar la estructura y encontraron que es capaz de almacenar más de 15.000 miliamperios hora por gramo de grafeno, logrando la mayor densidad energética medida hasta el momento. La nueva batería logra la mayor capacidad de almacenamiento energético en presencia d oxígeno puro. Cuando opera en ambiente de aire, la capacidad disminuye porque la humedad ambiental contamina el metal de litio de la batería. Los científicos investigan el modo de interponer una membrana que bloquee el agua pero permita el paso del oxígeno hasta el centro de reacción.

“Muchos catalizadores se estudian ahora para esta tecnología. En nuestro proceso nosotros elegimos no utilizar metales preciosos”, dijo Dr. Ji-Guang Zhang, jefe del grupo de investigación del PNNL. “Esto podría reducir de forma considerable los precios de producción y convertir la tecnología en comercializable”.

Un importante problema que queda por resolver es el de la recarga. Este tipo de baterías no son plenamente recargables. Para ello están trabajando en un nuevo electrodo y un nuevo catalizador para que la batería permita múltiples ciclos de recarga”. Ahora nos toca esperar, hasta comprobar la verdadera eficacia de este nuevo tipo de baterías.

GRAFENO

Descubierto en la década de 1930, no se le bautizó con el nombre de “grafeno” hasta 1994. El estudio detallado de su estructura y sorprendentes propiedades por Andre Geim y Konstantine Novoselov les valió el premio Nobel de Física en 2010.

El grafeno no es más que una de las estructuras alotrópicas del carbono, que presenta un teselado hexagonal plano. Su aspecto recuerda vagamente el de la superficie de un panal de abejas. Algunos elementos químicos, como es el caso del carbono, tienden a presentarse con características físicas diferentes que nos lleva a observarlo como grafito, diamante, grafeno o fullereno.

El grafito de nuestros lápices realmente está compuesto por monocapas de grafeno superpuestas. Pero esas capas individuales tienen unas propiedades que las hacen únicas: gran conductividad térmica y eléctrica. Alta elasticidad y dureza, con una resistencia 200 veces superior al acero. Muy ligero y flexible, como la fibra de carbono.

En dispositivos electrónicos, consume menos electricidad que el silicio para una misma tarea y se calienta menos. Esto los convierte en los materiales ideales para los dispositivos electrónicos con circuitos integrados. IBM ha logrado fabricar transistores que operan a 300 GHz, esto es, 100 veces más rápidos que los transistores de silicio de su ordenador. El problema estriba en que el grafeno no tiene una banda de resistividad, no es capaz de dejar de conducir la corriente, a diferencia del silicio, lo que complica mucho su implantación generalizada en los circuitos integrados. Al ser un material conductor y transparente lo hace ideal para crear pantallas flexibles y delgadas de múltiples usos. Ya se está utilizando para la creación de nuevas pantallas OLEDs. Su facilidad para conducir la corriente eléctrica sin sobrecalentarse es lo que puede convertirlo en el elemento central de una nueva generación de baterías. (ver entrada ¡Revolución en Baterías!)

MÉTODOS DE OBTENCIÓN:

Para hacer posible la comercialización a gran escala, se hace imprescindible un método de obtención económico. Para ello hay que concebir procedimientos industriales que permitan fabricar láminas grandes y uniformes de grafeno monocapa y sin impurezas. El caso es que, la producción de pequeñas cantidades de grafeno resulta sorprendentemente fácil, como afirma el Nobel Andre K. Geim. De hecho, todos producimos un poco de grafeno cada vez que deslizamos la punta del lápiz sobre una superficie de papel. La mina del lápiz esta compuesta por una apilación vertical de láminas de grafeno. El procedimiento de laboratorio para obtener grafeno era similar, simplemente se raspaba la superficie del grafito, y con un microscopio se examinaban los restos en busca de las muestras idóneas o se separaban las escamas con una cinta adhesiva.

Para mejorar el procedimiento de laboratorio, se utilizan ultrasonidos para fragmentar el grafeno en capas individuales que se dispersan en un líquido. Posteriormente la suspensión se deseca sobre una superficie. El resultado es que obtenemos una película de láminas parcialmente superpuestas de cristales de grafeno. Al no darse una separación completa de las láminas con este procedimiento, se desconoce todavía si los efectos de borde de cada uno de los copos alterarán las propiedades fundamentales.

La exfoliación química podría lograr muestras de mayor tamaño. Se ha comprobado la solubilidad del grafeno en ciertos disolventes orgánicos. Una vez retirado el disolvente, la sustancia gris que se obtiene es grafeno puro. La empresa Graphene Solutions, confía poder convertir ese grafeno en láminas uniformes y monocristalinas para su comercialización.

Técnicas alternativas de exfoliación química, han demostrado que si se añada ácido a uno solución acuosa de grafito, se obtiene un óxido de grafito que puede emplearse posteriormente para obtener grafeno. Los copos de óxido suspendidos en líquido se depositan por decantación en un sustrato, donde terminan formando una película. Aumentando la temperatura y añadiendo otros compuestos, se elimina el oxígeno obteniéndose grafeno puro.

Uno de los métodos que está logrando superficies mayores de grafeno (muestras de 2 a 3 centímetros cuadrados) es el que se estudia en el Instituto de Tecnología de Masachusetts (MIT) entre otros centros. Se trata de la formación de grafeno mediante disposición química de vapor (DQV). Es un proceso que podría resultar idóneo para la fabricación de  microchips. El método DQV consiste en la creación de elementos volátiles que reaccionan y quedan depositados sobre un sustrato, formando un recubrimiento muy fino. Para lograr la volatilización se utiliza calor procedente de un horno tubular en el que se depositan sustratos con níquel que actúan a modo de catalizadores de la reacción. En un extremo del horno se hace fluir un hidrocarburo gaseoso, que al calentarse, se descompone. Los átomos de carbono terminan depositándose sobre la superficie de níquel formando las películas de grafeno. La calidad del grafeno obtenido depende directamente del sustrato de níquel. Si este es monocristalino (el más costoso) se consiguen los mejores resultados.

El equipo de investigación que logre el procedimiento idóneo para la obtención de grafeno en cantidades industriales se llevará el premio gordo. Por desgracia, ninguno de los equipos de investigación ha querido explicarnos con precisión cómo funcionan sus procedimientos, ¡serán desconfiados los tíos!