17.4: Consecuencias de la Energía Nuclear

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Melissa Ha and Rachel Schleiger
Yuba College & Butte College via ASCCC Open Educational Resources Initiative

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El uso de la energía nuclear presenta un interesante dilema. Por un lado, la electricidad nuclear no produce emisiones de carbono, una importante ventaja sustentable en un mundo que enfrenta el cambio climático. Por otro lado, existe el riesgo ambiental de almacenar combustible gastado durante miles o cientos de miles de años, el riesgo social de proliferación nuclear y el impacto de las emisiones accidentales de radiación de los reactores operativos. Los científicos reflexivos, los responsables políticos y los ciudadanos deben sopesar estas ventajas y desventajas.

Ventajas de la Energía Nuclear

A diferencia de los combustibles fósiles, la generación de electricidad a partir de la energía nuclear no contamina el aire ni contribuye significativamente al cambio climático (figura\(\PageIndex{a}\)). A medida que seguimos agotando las reservas mundiales de combustibles fósiles, abundan los suministros de combustible nuclear. Se estima que los suministros de uranio durarán más de 200 años, y también existe la posibilidad de utilizar otros isótopos radiactivos. Además, las centrales nucleares son más confiables que cualquier otra fuente, con un factor de capacidad de 93.5% (cifra\(\PageIndex{b}\)). La capacidad es la cantidad de electricidad que un generador puede producir cuando funciona a toda velocidad, y el factor de capacidad es una medida de la frecuencia con la que una planta funciona a máxima potencia. (Una planta de energía con un factor de capacidad del 100% significa que está produciendo energía todo el tiempo).

Gráfico de barras que compara muertes y emisiones de gases de efecto invernadero para carbón, petróleo, gas natural, biomasa, energía hidroeléctrica, nuclear, solar y eólica — Figura\(\PageIndex{a}\): La energía nuclear causa menos muertes y libera minúsculos gases de efecto invernadero en comparación con los combustibles fósiles. Estas gráficas de barras exploran la pregunta: “¿Cuáles son las fuentes de energía más seguras y limpias?”. A la izquierda se encuentra la tasa de mortalidad por accidentes y contaminación del aire medida como muertes por teravatio-hora (Muertes/TWH) de producción de energía. 1 teravatio-hora es el consumo anual de energía de 27,000 personas en la Unión Europea (UE). A la derecha están las emisiones de gases de efecto invernadero medidas en toneladas de equivalentes de CO2 emitidas por gigawatt-hora (tCo ₂ -eq/GWh) de electricidad a lo largo del ciclo de vida de la central eléctrica. 1 gigavatio-hora es el consumo anual de electricidad de 160 personas en la UE. El carbón representó 24.6 muertes/TWH, 25% de la energía global y 820 tCo ₂ -eq/GWh. El petróleo representó 18.4 muertes/TWH, 31% de la energía global y 720 tCo ₂ -eq/GWh. El carbón representó 2.8 muertes/TWH, 23% de la energía global y 490 tCo ₂ -eq/GWh. La biomasa representó 4.6 muertes/TWH, 7% de la energía global y 78-230 tCo ₂ -eq/GWh. La energía hidroeléctrica representó 0.02 muertes/TWH, 6% de la energía global y 34 tCo ₂ -eq/GWh. La energía nuclear representó 0.07 Muertes/TWH, 4% de la energía global y 4 tCo ₂ -eq/GWh. El viento representó 0.04 Muertes/TWH, 2% de la energía global y 4 tCo ₂ -eq/GWh. El carbón representó 0.02 muertes/TWH, 1% de la energía global y 5 tCo ₂ -eq/GWh. El carbón causó 1230 veces más muertes que la solar, y el petróleo causó 263 veces más muertes que la energía nuclear. Las emisiones de carbón fueron 273 veces mayores que la energía nuclear, y las emisiones de petróleo fueron 180 veces mayores que las del viento. Imagen de Hannah Ritchie y Max Roser/Nuestro Mundo en Datos (CC-BY).

Gráfico de barras de los factores de capacidad de seis fuentes de energía diferentes. De mayor a menor: nuclear, gas natural, carbón, energía hidroeléctrica, eólica y solar. — Figura\(\PageIndex{b}\): El factor de capacidad de seis fuentes de energía en 2019. La energía nuclear tiene el factor de capacidad más alto con 93.5% seguido del gas natural (56.8%), carbón (47.5%), energía hidroeléctrica (39.1%), eólica (34.8%) y solar (24.5%). Imagen de la Oficina de Energía Nuclear/ Departamento de Energía de Estados Unidos (dominio público).

Impactos negativos de la energía nuclear

A pesar de sus beneficios, la energía nuclear tiene desventajas. Requiere más agua que cualquier otra fuente de energía. El agua utilizada para enfriar se libera de nuevo al ambiente, y aunque no contiene materiales radiactivos u otros productos químicos nocivos, es más cálida que antes. A esto se le llama contaminación térmica, y puede dañar la vida acuática, que se adaptan a temperaturas más frías. La minería de superficie para mineral de uranio degrada el hábitat y libera toxinas del subsuelo (similar a la minería de superficie para carbón). Las centrales nucleares son costosas de construir y mantener, y requieren grandes cantidades de metal y concreto. El uranio enriquecido para combustible nuclear si está en las manos equivocadas se puede utilizar para fabricar armas nucleares (figura\(\PageIndex{c}\)). Si bien los accidentes nucleares son raros, pueden causar grandes daños y sus impactos son duraderos. Además, el problema de la eliminación segura del combustible nuclear gastado sigue sin resolverse. Estas dos últimas preocupaciones se discuten con más detalle a continuación.

Tres gráficos circulares que muestran las proporciones de enriquecimiento de uranio en la naturaleza (< 0.72%), para combustible (< 20%) y para armas (20-85%). — Figura\(\PageIndex{c}\): Gráficos circulares que muestran las proporciones relativas de uranio-238 (azul) y uranio-235 (rojo) en diferentes niveles de enriquecimiento. Las armas nucleares requieren más uranio altamente enriquecido que el necesario para el combustible nuclear. El uranio natural (NU) consiste en más de 99.2% U-238 y 0.72% o menos de U-235. El uranio poco enriquecido (LEU) consiste en menos de 20% U-235, con uranio de grado reactor típicamente 2-5% U-235. El uranio altamente enriquecido (UHE) consiste en 20-85% U-235 con grado de armas al menos 85% U-235. Imagen y subtítulo (modificado) por Fastfission (dominio público).

Residuos Nucleares

El principal desafío ambiental para la energía nuclear son los desechos, incluidos los desechos radiactivos de alto nivel, los desechos radiactivos de bajo nivel y los relaves de uranio. Estos materiales tienen una larga vida media radiactiva y, por lo tanto, siguen siendo una amenaza para la salud humana durante miles de años.

Los desechos radiactivos de alto nivel (HLRW) consisten en combustible usado para reactores nucleares (barras de combustible nuclear gastado). Estos contienen los productos de la fisión nuclear, que son radiactivos ellos mismos. Este HLRW se almacena temporalmente en una alberca en la central nuclear o en un barril seco, cilindros de acero dentro de otro contenedor, hechos de acero u hormigón (figura\(\PageIndex{d}\)). Los barriles secos contienen gas inerte (no reactivo) y pueden estar ubicados en la planta de energía, una planta de energía fuera de servicio o un sitio de almacenamiento separado. Los desechos radiactivos de alto nivel solo pueden trasladarse a un barril seco después de un año de enfriamiento en una piscina. Estados Unidos no tiene almacenamiento a largo plazo para HLRW y, por lo tanto, el combustible gastado sigue siendo almacenamiento provisional.

Barras de combustible largas en un cilindro dentro de otro cilindro, que es aproximadamente tres veces más alto que una persona — Figura\(\PageIndex{d}\): Barriles secos sellan barras de combustible gastado en un bote, el cual está rodeado por un barril de almacenamiento más grande. Los haces de conjuntos de combustible usado están dentro. Imagen de NRC (dominio público).

La montaña Yucca en Nevada se propuso como un sitio de almacenamiento geológico a largo plazo, donde HLRW podría ser enterrado durante cientos de miles de años. Se construyó la instalación de almacenamiento, pero no se ha utilizado debido a la oposición de los residentes locales y la preocupación por la seguridad del transporte de HLNW (figura\(\PageIndex{e}\))

Un paisaje árido con una montaña larga — Figura\(\PageIndex{e}\): La montaña Yucca es el sitio propuesto para el almacenamiento a largo plazo de desechos radiactivos de alto nivel en Estados Unidos, pero no está en uso debido a la controversia política. Imagen de whitehouse.gov (dominio público).

Algunos países reprocesan (reciclan) el combustible nuclear gastado, pero ninguna instalación de reciclaje o reprocesamiento o un depósito federal de desechos actualmente tiene licencia en los Estados Unidos. El reprocesamiento separa la fracción útil del combustible gastado y la recicla a través del reactor, utilizando una mayor fracción de su contenido energético para la producción de electricidad, y envía los residuos de alto nivel restantes al almacenamiento geológico permanente.

La principal motivación para el reprocesamiento es el mayor uso de los recursos combustibles, extrayendo alrededor de 25 por ciento más energía que el ciclo de una vez a través. Una motivación secundaria para el reciclaje es una reducción significativa del espacio de almacenamiento geológico permanente (al 20% o menos de lo que de otro modo se necesitaría) y el tiempo (de cientos de miles de años a miles de años). Si bien estas ventajas parecen naturales y atractivas desde una perspectiva de sustentabilidad, se complican por el riesgo de robo de material nuclear del ciclo de reprocesamiento para su uso en la producción ilícita de armas u otros fines no sostenibles. En la actualidad, Francia, Reino Unido, Rusia, Japón y China se dedican a alguna forma de reprocesamiento; Estados Unidos, Suecia y Finlandia no reprocesan.

Los desechos radiactivos de bajo nivel (LLRW) se refieren a los artículos que fueron expuestos a la radiación, incluyendo ropa, filtros y guantes. Estos pueden estar contenidos con concreto o plomo (a través del cual no puede pasar la radiación; figura\(\PageIndex{f}\)). Los desechos de bajo nivel generalmente se almacenan en la planta de energía nuclear, ya sea hasta que se hayan descompuesto y puedan desecharse como basura ordinaria, o hasta que las cantidades sean lo suficientemente grandes para su envío a uno de los cinco sitios de eliminación de LLRW en Estados Unidos (figura\(\PageIndex{g}\)).

Cuatro partículas en un papel de columna vertical, la mano de una persona, una lámina de metal, un vaso de agua, un bloque grueso de hormigón y plomo vertical y grueso. — Figura\(\PageIndex{f}\): El agua, el concreto grueso, el plomo y el acero (no mostrados) pueden detener varios tipos de radiación liberada de desechos radiactivos. Tenga en cuenta que los rayos gamma pueden penetrar de alguna manera todas estas sustancias, pero el plomo, el concreto y el acero proporcionan un blindaje parcial. Se muestra la capacidad de diferentes tipos de radiación para pasar a través del material. De menor a mayor penetración, son alfa < beta < neutrones < gamma. La partícula superior listada está compuesta por dos esferas blancas y dos esferas verdes que están etiquetadas con signos positivos y están etiquetadas como “Alfa”. Una flecha orientada hacia la derecha conduce de esto al papel. La segunda partícula es una esfera roja etiquetada como “Beta” y es seguida por una flecha orientada hacia la derecha que pasa por el papel y se detiene en la mano. La tercera partícula es una esfera blanca etiquetada como “Neutrón” y es seguida por una flecha orientada hacia la derecha que pasa por el papel, la mano y el metal pero se detiene en el vaso de agua. La cuarta partícula se muestra con una flecha ondulada y pasa a través de todas las sustancias pero se detiene en el plomo. Los términos en la parte inferior decían, de izquierda a derecha, “Papel”, “Metal”, “Agua”, “Concreto” y “Plomo”. Imagen y subtítulo (modificado) de Flores, Teopoldo y Langley/OpenStax (CC-BY). Descárgala gratis en CNX.

Sección de una instalación de eliminación de desechos radiactivos de bajo nivel — Figura\(\PageIndex{g}\): Diagrama (arriba) y foto (abajo) de un sitio de eliminación de desechos radiactivos de bajo nivel (LLRW o LLW). En el diagrama, los desechos de bajo nivel están contenidos en botes dentro de bóvedas de concreto. Este está rodeado de arcilla impermeable y relleno. El sistema de drenaje evita que los desechos contaminen las aguas subterráneas. Toda la instalación de eliminación es subterránea, y una capa de suelo superior está por encima de ella. El sitio de eliminación en la foto acepta residuos de Estados que participan en un acuerdo regional de disposición. Los desechos se sellan en botes y se entierran superficialmente. Imagen de NRC (dominio público).

El enriquecimiento de uranio produce hexafluoruro de uranio empobrecido (DUF ₆), o relaves de molino de uranio, como subproducto, el cual no tiene concentraciones suficientemente altas de ²³⁵ U para usarlo como combustible nuclear pero sigue siendo peligroso. Los relaves representan el mayor porcentaje de desechos nucleares por volumen, y hay más de 200 millones de toneladas de relaves de molino radiactivo en Estados Unidos. Los relaves contienen varios elementos radiactivos entre ellos el radio, que se descompone para producir radón, un gas radiactivo. Se almacenan en embalses, fosas forradas en el suelo que se inundan de agua, en zonas remotas. La desconversión implica tratar químicamente los relaves para reducir sus peligros para que puedan almacenarse como LLRW.

Desastres Nucleares

Existen muchas otras precauciones regulatorias que rigen los permisos, la construcción, la operación y el desmantelamiento de centrales nucleares debido a los riesgos de una reacción nuclear incontrolada. El potencial de contaminación del aire, el agua y los alimentos es alto en caso de que se produzca una reacción incontrolada. Incluso cuando se planifica para los peores escenarios, siempre hay riesgos de eventos inesperados. Los accidentes nucleares en Three Mile Island, Chernobyl (ver el Chapter Hook) y Fukushima plantearon preocupaciones sobre la seguridad de la energía nuclear.

El accidente de Three Mile Island ocurrió en Pensilvania en 1979. Fue una fusión parcial que resultó de una falla eléctrica y errores en la operación. No hubo muertes directas. Los estudios investigaron la posibilidad de que la exposición a la radiación del accidente provoque indirectamente muertes a través del aumento de las tasas de cáncer u otra enfermedad, pero no ha habido evidencia de ello. En contraste, la fusión de 1986 en la Central Nuclear de Chernobyl en lo que hoy es Ucrania fue responsable de 50 muertes directas. Este desastre ocurrió a partir de una prueba de los sistemas de emergencia que salió mal. Las estimaciones de muertes indirectas por exposición a la radiación oscilan entre 4 mil y 60 mil.

La discusión global sobre la energía nuclear se ha visto fuertemente impactada por el terremoto de marzo de 2011 y el posterior tsunami que azotó a Japón resultó en la fusión de reactores en la Central Nuclear Fukushima Daiichi causando daños masivos a los alrededores. El desastre deshabilitó el sistema de enfriamiento para un complejo de energía nuclear, lo que finalmente provocó una fusión parcial de algunos de los núcleos del reactor y la liberación de radiación significativa. El diseño de los reactores (reactores de agua hirviendo) dificultó la ventilación del sistema sin liberar radiación. El enfriamiento del combustible radiactivo generó un gran volumen de agua contaminada, y el desastre costó al menos 300 mil millones de dólares. Si bien no hubo muertes inmediatas, una persona murió posteriormente por cáncer atribuido a la exposición a la radiación. Miles murieron como consecuencia del estrés asociado con la evacuación, y alrededor del 20% de los más de 160 mil evacuados aún no habían regresado a sus hogares a partir de 2019.

Se diagraman cuatro reactores en el desastre de Fukushima — Figura\(\PageIndex{g}\): Izquierda: Diagrama (aproximado) de los accidentes de la central nuclear de Fukushima I. (1) Unidad 1: Explosión, techo volado el 12 de marzo. (2) Unidad 2: Explosión el 15 de marzo; agua contaminada en zanja subterránea, posible fuga de cámara de supresión. (3) Unidad 3: Explosión, la mayor parte de edificio de concreto destruido el 14 de marzo, posible fuga de plutonio. (4) Incendio el 15 de marzo; nivel de agua en albercas de combustible gastado parcialmente restauradas. (5) Múltiples trincheras: probable fuente de agua contaminada, en parte subterránea, filtrada detenida el 6 de abril. Derecha: La Central Nuclear de Fukushima I después del terremoto y tsunami de Tōhoku de 2011. Reactor 1 a 4 de derecha a izquierda. Imagen izquierda y subtítulo (modificado) por Sodacan (CC-BY). Imagen derecha y subtítulo por Digital Globe (CC-BY-SA).

Vista aérea de reactores nucleares que ventilan vapor — Figura\(\PageIndex{g}\): Izquierda: Diagrama (aproximado) de los accidentes de la central nuclear de Fukushima I. (1) Unidad 1: Explosión, techo volado el 12 de marzo. (2) Unidad 2: Explosión el 15 de marzo; agua contaminada en zanja subterránea, posible fuga de cámara de supresión. (3) Unidad 3: Explosión, la mayor parte de edificio de concreto destruido el 14 de marzo, posible fuga de plutonio. (4) Incendio el 15 de marzo; nivel de agua en albercas de combustible gastado parcialmente restauradas. (5) Múltiples trincheras: probable fuente de agua contaminada, en parte subterránea, filtrada detenida el 6 de abril. Derecha: La Central Nuclear de Fukushima I después del terremoto y tsunami de Tōhoku de 2011. Reactor 1 a 4 de derecha a izquierda. Imagen izquierda y subtítulo (modificado) por Sodacan (CC-BY). Imagen derecha y subtítulo por Digital Globe (CC-BY-SA).

Elemento Interactivo

Este segmento de tres minutos, What Recovery Looks Like In Japan Almost A Decade After Fukushima Nuclear Disaster, ofrece información actualizada sobre los evacuados del desastre nuclear de Fukushima.

Atribución

Modificado por Melissa Ha de las siguientes fuentes:

Fuentes de Energía No Renovables de Biología Ambiental por Matthew R. Fisher (licenciado bajo CC-BY)
Energía Nuclear, Desafíos Ambientales en Energía, Dióxido de Carbono, Aire, Agua y Uso del Suelo, y Sistemas de Gestión de Residuos desde la Sustentabilidad: Una Fundación Integral por Tom Theis y Jonathan Tomkin, Editores. Contenido del libro de texto producido por Tom Theis y Jonathan (CC-BY). Descárgala gratis en CNX.
Fuentes de Energía No Renovables de AP Ciencias Ambientales por University of California College Prep (CC-BY). Descárgala gratis en CNX.
Etapas del Ciclo del Combustible Nuclear y Residuos de Bajo Nivel. 2020. U.S. NRC. Accedido 16-01-2021 (dominio público).
¿Qué es la Capacidad de Generación? 2020. Mike Mueller. Oficina de Energía Nuclear. Departamento de Energía de Estados Unidos. Accedido 16-01-2021 (dominio público)