Generation IV nuclear energy systems. Economical viablity of the most promising reactor

Abstract

La energía nuclear pierde actualmente protagonismo en el mix energético global, debido a las nuevas tendencias para la producción de energía. Tal y como es, este recurso no es apropiado para encajar en el sistema energético global, requiere una evolución el desarrollo de respuestas apropiadas a los tres grandes retos a los que se enfrenta: seguridad, gestión de residuos y efectividad económica. Estos problemas ocultan las ventajas que este recurso presenta para la transición energética, una de la últimas iniciativas para mitigar los efectos del calentamiento global. Algunas de estas ventajas son: las bajas emisiones derivadas de esta tecnología, su probada adaptación a la red, la capacidad de producción base (sustituta de las centrales de carbón), y otras, menos tangibles, como la dispersión de reservas de combustible nuclear, la prevención de la contaminación del aire o la alta densidad energética. En este proyecto, se prueba la necesidad de la energía nuclear el marco de la transición energética, basado en los alarmantes niveles de los indicadores de cambio climático y en la actuación inefectiva de los mecanismos de prevención. El papel secundario de la energía nuclear en el sistema energético global, especialmente en occidente, se cubre también. Este proyecto apuesta como los sistemas de Generación IV como una respuesta a esta situación y a los principales retos de la nuclear actual. De entre los sistemas de Generación IV, se selecciona el VHTR para su análisis económico, debido a las perspectivas de viabilidad técnica de este reactor. En particular, el diseño seleccionado es el MPBR, un diseño del MIT de este reactor. La característica más importante de este rector es la modularidad, que puede llevar a estandarización de su fabricación y reducir su coste de construcción, actualmente el factor más crítico en plantas nucleares. El dise «o es de tamaño medio, 120m MWe pero la motivación de su desarrollo es reducir su tamaño manteniendo la modularidad, para mejorar la flexibilidad frente a la demanda eléctrica. La estrategia para construir el modelo económico de la planta fue de bottom-up. Los costes se categorizan, y se determinan rangos de valores basados en medidas comparativas. La característica innovadora de este reactor hace que la determinación exacta de los costes no sea realista. Por este motivo, los rangos de valores se presentan como una alternativa más robusta. Partiendo de dicho modelo, la valoración económica de la planta se pone a prueba con los parámetros convencionales de rentabilidad: valor actual neto, periodo de retorno y tasa interna de retorno. La extensa vida de la central en comparación con las plantas actuales favorece la satisfacción de los criterios de rentabilidad. Los resultados son favorables exceptuando el escenario más pesimista, donde no se satisfacen, pero llegan a resultados cercanos. En cuanto al coste nivelado de la electricidad, se obtienen valores mayores que los declarados para nuclear en el caso base y en el escenario pesimista, lo que supone un resultado realista teniendo en cuenta la novedad de la tecnología. El análisis de sensibilidad demuestra la robustez del modelo de esta planta frente a incrementos de costes. También muestra la mejora de rentabilidad de la planta lograda con la incorporación de productos secundarios para la cogeneración. En conclusión, la viabilidad queda demostrada ante la mayoría de los escenarios considerados. El coste de construcción se mantiene como el factor más crítico para la viabilidad económica. Los problemas asociados con este coste, como retrasos o sobrecostes, deben ser evitados para asegurar la rentabilidad de los nuevos desarrollos de la energía nuclear

Nuclear energy is currently stepping away from the spotlight in the world's energy mix, due to the new tendencies for energy production. This source is inappropriate to fit in the world's energy system as it is, it requires an evolution, and effective answers to the three main challenges of nuclear power: safety, waste management and cost effectiveness. These three problems overshadow the advantages that NPPs provides for the energy transition, the latest initiative to fight back global warming. Some of these advantages are: the low emission derived from this technology, its proven grid suitability, its capacity for base load production (direct substitute of coal plants), and some other, less tangible features, such as nuclear fuel reserves being more widespread than fossil fuels, lack of air pollution, or its high energy density. In this thesis, the need for nuclear energy in the framework of the energy transition is demonstrated, based on the dangerous levels of global warming indicators and the poor performance of the mechanisms to fight it back. The poor performance of current nuclear energy in global energy system, especially in the west, is also covered. As an appropriate response to this situation, and the three main challenges of nuclear energy, this thesis defends innovative Generation IV nuclear energy systems. Among these Generation IV systems, the VHTR is the one selected for the economic analysis, due to the current feasibility perspective for this reactor. Particularly, the selected design for the case study is the MPBR, a project of the Massachusetts Institute of Technology for this reactor. The most important characteristic of this reactor is the modularity of its elements, which can lead to standardization for manufacturing processes reducing significantly the capital cost of the plant, currently one of the most challenging costs sources of NPPs. The plant is medium size, 120 MWe, but the design is meant to be further developed to smaller sizes while maintaining modularity of the elements, in order to be more flexible against variable energy demand. The strategy to build the economic model of the plant was a bottom-up approach. The costs were categorized and cost ranges were determined based on comparative measures. The innovative characteristics of the plant makes the exact determination of these costs unrealistic and, therefore, the cost ranges meant a more robust approach. Construction and O&M cost are the most challenging cost to determine, due to the innovative characteristics of the plant. These cost are obtained from the economic model as a direct comparison to current NPPs, as it was suggested in studies to determine the cost of nuclear power. As for nuclear fuel, the approach was developed based on the division of cost between material, fabrication, quality assurance and back end to develop an estimation for fuel cycle cost. Th hypothesis taken for this cost source, even in the base case, were not the most optimistic, in order to increase the robustness of the model against a more pessimistic scenario. From this model, the economic assessment of the plant was tested with the conventional parameters of net present value, payback period and IRR. The longer lifetime of this plant compared to current nuclear favours the profitability criteria of this parameters, so the results were favourable except for the most pessimistic scenario, were these criteria was close to profitable but were not accomplished. However, the levelised cost of electricity obtained was higher than this parameter for current nuclear in the base case and in the pessimistic scenario, a realistic result if the novelty of the technology is taken into account. The sensibility analysis demonstrated the robustness of this plant against increases in cost factors, and the improvements in the profitability of the plant with the incorporation of by-products sales. In conclusion, the economic viability of the plant is proven to be achievable under the majority of the considered scenarios. Construction cost remain the most critical factor for the cost e ectiveness of this plant. Therefore, the problems associated with construction of NPPs such as delays and construction over-costs need to be prevented to ensure the profitability of new developments of nuclear technology.