Sistema de simulación de escenarios de ciclos avanzados de combustible nuclear en transición = Simulation system for advanced fuel cycle transition scenarios

El estudio de los ciclos del combustible nuclear requieren de herramientas computacionales o "códigos" versátiles para dar respuestas al problema multicriterio de evaluar los actuales ciclos o las capacidades de las diferentes estrategias y escenarios con potencial de desarrollo en a nivel nacional, regional o mundial. Por otra parte, la introducción de nuevas tecnologías para reactores y procesos industriales hace que los códigos existentes requieran nuevas capacidades para evaluar la transición del estado actual del ciclo del combustible hacia otros más avanzados y sostenibles. Brevemente, esta tesis se centra en dar respuesta a las principales preguntas, en términos económicos y de recursos, al análisis de escenarios de ciclos de combustible, en particular, para el análisis de los diferentes escenarios del ciclo del combustible de relativa importancia para España y Europa. Para alcanzar este objetivo ha sido necesaria la actualización y el desarrollo de nuevas capacidades del código TR_EVOL (Transition Evolution code). Este trabajo ha sido desarrollado en el Programa de Innovación Nuclear del CIEMAT desde el año 2010. Esta tesis se divide en 6 capítulos. El primer capítulo ofrece una visión general del ciclo de combustible nuclear, sus principales etapas y los diferentes tipos utilizados en la actualidad o en desarrollo para el futuro. Además, se describen las fuentes de material nuclear que podrían ser utilizadas como combustible (uranio y otros). También se puntualizan brevemente una serie de herramientas desarrolladas para el estudio de estos ciclos de combustible nuclear. El capítulo 2 está dirigido a dar una idea básica acerca de los costes involucrados en la generación de electricidad mediante energía nuclear. Aquí se presentan una clasificación de estos costos y sus estimaciones, obtenidas en la bibliografía, y que han sido evaluadas y utilizadas en esta tesis. Se ha incluido también una breve descripción del principal indicador económico utilizado en esta tesis, el “coste nivelado de la electricidad”. El capítulo 3 se centra en la descripción del código de simulación desarrollado para el estudio del ciclo del combustible nuclear, TR_EVOL, que ha sido diseñado para evaluar diferentes opciones de ciclos de combustibles. En particular, pueden ser evaluados las diversos reactores con, posiblemente, diferentes tipos de combustibles y sus instalaciones del ciclo asociadas. El módulo de evaluaciones económica de TR_EVOL ofrece el coste nivelado de la electricidad haciendo uso de las cuatro fuentes principales de información económica y de la salida del balance de masas obtenido de la simulación del ciclo en TR_EVOL. Por otra parte, la estimación de las incertidumbres en los costes también puede ser efectuada por el código. Se ha efectuado un proceso de comprobación cruzada de las funcionalidades del código y se descrine en el Capítulo 4. El proceso se ha aplicado en cuatro etapas de acuerdo con las características más importantes de TR_EVOL, balance de masas, composición isotópica y análisis económico. Así, la primera etapa ha consistido en el balance masas del ciclo de combustible nuclear actual de España. La segunda etapa se ha centrado en la comprobación de la composición isotópica del flujo de masas mediante el la simulación del ciclo del combustible definido en el proyecto CP-ESFR UE. Las dos últimas etapas han tenido como objetivo validar el módulo económico. De este modo, en la tercera etapa han sido evaluados los tres principales costes (financieros, operación y mantenimiento y de combustible) y comparados con los obtenidos por el proyecto ARCAS, omitiendo los costes del fin del ciclo o Back-end, los que han sido evaluado solo en la cuarta etapa, haciendo uso de costes unitarios y parámetros obtenidos a partir de la bibliografía. En el capítulo 5 se analizan dos grupos de opciones del ciclo del combustible nuclear de relevante importancia, en términos económicos y de recursos, para España y Europa. Para el caso español, se han simulado dos grupos de escenarios del ciclo del combustible, incluyendo estrategias de reproceso y extensión de vida de los reactores. Este análisis se ha centrado en explorar las ventajas y desventajas de reprocesado de combustible irradiado en un país con una “relativa” pequeña cantidad de reactores nucleares. Para el grupo de Europa se han tratado cuatro escenarios, incluyendo opciones de transmutación. Los escenarios incluyen los reactores actuales utilizando la tecnología reactor de agua ligera y ciclo abierto, un reemplazo total de los reactores actuales con reactores rápidos que queman combustible U-Pu MOX y dos escenarios del ciclo del combustible con transmutación de actínidos minoritarios en una parte de los reactores rápidos o en sistemas impulsados por aceleradores dedicados a transmutación. Finalmente, el capítulo 6 da las principales conclusiones obtenidas de esta tesis y los trabajos futuros previstos en el campo del análisis de ciclos de combustible nuclear. ABSTRACT The study of the nuclear fuel cycle requires versatile computational tools or “codes” to provide answers to the multicriteria problem of assessing current nuclear fuel cycles or the capabilities of different strategies and scenarios with potential development in a country, region or at world level. Moreover, the introduction of new technologies for reactors and industrial processes makes the existing codes to require new capabilities to assess the transition from current status of the fuel cycle to the more advanced and sustainable ones. Briefly, this thesis is focused in providing answers to the main questions about resources and economics in fuel cycle scenario analyses, in particular for the analysis of different fuel cycle scenarios with relative importance for Spain and Europe. The upgrade and development of new capabilities of the TR_EVOL code (Transition Evolution code) has been necessary to achieve this goal. This work has been developed in the Nuclear Innovation Program at CIEMAT since year 2010. This thesis is divided in 6 chapters. The first one gives an overview of the nuclear fuel cycle, its main stages and types currently used or in development for the future. Besides the sources of nuclear material that could be used as fuel (uranium and others) are also viewed here. A number of tools developed for the study of these nuclear fuel cycles are also briefly described in this chapter. Chapter 2 is aimed to give a basic idea about the cost involved in the electricity generation by means of the nuclear energy. The main classification of these costs and their estimations given by bibliography, which have been evaluated in this thesis, are presented. A brief description of the Levelized Cost of Electricity, the principal economic indicator used in this thesis, has been also included. Chapter 3 is focused on the description of the simulation tool TR_EVOL developed for the study of the nuclear fuel cycle. TR_EVOL has been designed to evaluate different options for the fuel cycle scenario. In particular, diverse nuclear power plants, having possibly different types of fuels and the associated fuel cycle facilities can be assessed. The TR_EVOL module for economic assessments provides the Levelized Cost of Electricity making use of the TR_EVOL mass balance output and four main sources of economic information. Furthermore, uncertainties assessment can be also carried out by the code. A cross checking process of the performance of the code has been accomplished and it is shown in Chapter 4. The process has been applied in four stages according to the most important features of TR_EVOL. Thus, the first stage has involved the mass balance of the current Spanish nuclear fuel cycle. The second stage has been focused in the isotopic composition of the mass flow using the fuel cycle defined in the EU project CP-ESFR. The last two stages have been aimed to validate the economic module. In the third stage, the main three generation costs (financial cost, O&M and fuel cost) have been assessed and compared to those obtained by ARCAS project, omitting the back-end costs. This last cost has been evaluated alone in the fourth stage, making use of some unit cost and parameters obtained from the bibliography. In Chapter 5 two groups of nuclear fuel cycle options with relevant importance for Spain and Europe are analyzed in economic and resources terms. For the Spanish case, two groups of fuel cycle scenarios have been simulated including reprocessing strategies and life extension of the current reactor fleet. This analysis has been focused on exploring the advantages and disadvantages of spent fuel reprocessing in a country with relatively small amount of nuclear power plants. For the European group, four fuel cycle scenarios involving transmutation options have been addressed. Scenarios include the current fleet using Light Water Reactor technology and open fuel cycle, a full replacement of the initial fleet with Fast Reactors burning U-Pu MOX fuel and two fuel cycle scenarios with Minor Actinide transmutation in a fraction of the FR fleet or in dedicated Accelerator Driven Systems. Finally, Chapter 6 gives the main conclusions obtained from this thesis and the future work foreseen in the field of nuclear fuel cycle analysis.

La escalera de caracol con ojo a finales del S.XV y comienzos del S.XVI: el caso de la ciudad y tierra de Segovia

Este trabajo de investigación se ha centrado en la escalera de caracol con ojo también denominado caracol de mallorca, en sus primeras apariciones a finales del s.XV y comienzos del s.XVI durante el llamado periodo tardogótico. Este elemento aparentemente sencillo presenta, sin embargo, una gran diversidad de esquemas geométricos. Todavía a día de hoy, no hay explicación del por qué de la mayor difusión de unos con respecto a otros. El objetivo de este trabajo ha sido valorar el papel que el confort/seguridad de uso así como la economía en el trabajo –sencillez de ejecución y coste económico– tuvieron en el contexto de la difusión de este elemento arquitectónico. Este estudio ha analizado en base a estos criterios objetivos, la geometría de cada uno de los esquemas tipo que resuelven la formación del hueco central característico este tipo de escaleras, con la intención de determinar las causas objetivas que pudieron motivar la desigual expansión de los mismos. Una vez determinado el marco teórico, se han establecido dos líneas para abordar el problema. Por un lado se ha planteado el análisis de los modelos teóricos recogidos en los distintos textos de cantería escritos por autores españoles desde finales del s.XVI. Si bien en la época en que se escribieron, la arquitectura gótica como sistema había desaparecido, alguno de sus elementos más característicos, como la escalera de caracol, continuaban empleándose. Las trazas del caracol con ojo recogidas en estos textos, describen habitualmente las soluciones geométricas más frecuentes e incluso los ejemplos construidos más conocidos, los cuales fueron levantados en su mayoría en el período en el cual se desarrolla esta investigación. Por otro lado, este estudio se plantea el análisis de modelos construidos existentes en la Ciudad y Tierra de Segovia. La razón que justifica dichos límites geográficos, la encontramos en que la mayor parte del patrimonio gótico existente en este área fue construido entre finales del s.XV y comienzos del s. XVI. Ambos grupos, modelos teóricos y modelos construidos, recogen la herencia gótica heredada en la construcción de este elemento arquitectónico. Cada una de estas dos líneas establecidas han seguido una metodología específica adaptada al objeto de análisis, si bien ambas se basan en un primer análisis individual y posterior análisis comparativo de los modelos seleccionados. Estos análisis han permitido identificar los distintos esquemas empleados para resolver el hueco central, lo que ha posibilitado establecer una clasificación general de los mismos en tres grupos: caracol con ojo de solución radial, el caracol con ojo de solución no radial y el caracol con ojo de solución tangencial. A partir de los datos y resultados obtenidos del análisis comparativo de los parámetros geométricos que afectan al confort/seguridad de uso y economía en el trabajo de dichos esquemas, podemos concluir que a pesar que los tres esquemas identificados resuelven el caracol con ojo de forma muy similar, el predominio de la solución radial y la caída en el olvido de las soluciones tangencial y no radial estuvieron justificados. ABSTRACT This work focused on the helical staircase, also known as mallorca staircase, in the late 15th and the early 16th centuries. This seemingly simple element, presents however a wide variety of geometrical designs. Still to date, there is no explanation of why some of them were limited use, while others had a wide impact. The aim of this study was to assess the influence which comfort, safety and work economy –ease of construction and financial cost– had on their widespread. This study analysed, following these objective criteria, the geometry of the different designs, which solve the characteristic inner aperture of this type of staircase. And thus, find the reasons, which motivated their uneven spread. Once the theoretical framework was developed, two research lines were set up to address the problem. On one hand, this study analysed the theoretical helical staircases described in the early Spanish texts, which were written since the end of the 16th century. Although these texts were written after the Gothic Architecture system had already disappeared, some of its more representative elements like the helical staircase were still in use. The traces of the helical stair, which are included in these texts, describe the most frequently-used designs and even the most famous real examples which were usually constructed in the Late Gothic period. On the other hand, this study analysed some real helical staircases, which were constructed in the Ciudad y Tierra de Segovia. The reason for choosing these geographical limits is that most of the Gothic buildings of this area were constructed between the end of the 15th and the early 16th centuries, during the Late Gothic period. Both groups, theoretical and constructed samples, collect the Gothic construction tradition of the helical stair. Each of these research lines followed a specific methodology, which was adapted to the research object. Nevertheless, both are based on a first individual analysis of each selected example and a later on comparative one. These analysis allowed the identification of the different layouts which solve the inner aperture of the helical staircase, what made possible to set up a broad classification in three groups, according to the geometrical design strategy that solves the central aperture: the helical staircase by radial solution, the helical staircase by non-radial solution and the helical staircase by tangent solution. The research findings of the comparative analysis of their geometrical parameters, which have an impact in the comfort, safety and work economy, have shown that although all of them solve the helical staircase in a really similar way, the fade into oblivion of the non-radial and tangent approaches was objectively motivated.