4.7: Energía nuclear

La energía nuclear es energía en el núcleo (núcleo) de un átomo (véase el capítulo 1 para una revisión de la estructura atómica). Hay una enorme energía en las fuerzas que mantienen unidos protones y neutrones en el núcleo. La energía se libera cuando esas fuerzas se rompen. La energía nuclear puede liberarse de los átomos dividiendo el núcleo de un átomo para formar átomos más pequeños, un proceso conocido como fisión nuclear. Durante la fisión nuclear, una pequeña partícula atómica llamada neutrón golpea el átomo de uranio y lo divide, liberando una gran cantidad de energía en forma de calor y radiación. También se liberan más neutrones cuando el átomo de uranio se divide. Estos neutrones continúan bombardeando otros átomos de uranio, y el proceso se repite una y otra vez. Esto se denomina reacción en cadena (Figura\(\PageIndex{1}\)). Las centrales nucleares utilizan la energía de la fisión nuclear para producir electricidad.

Figura\(\PageIndex{1}\) : Reacción en cadena de fisión — comienza cuando un neutrón bombardea un átomo U-235, dividiéndolo en dos fragmentos de fisión, junto con más neutrones y energía. Los neutrones bombardean otros átomos de uranio liberando más energía y más neutrones y la reacción continúa.

4.7.1: Procesamiento de combustible nuclear

El uranio es un elemento radiactivo natural que se descompone en isótopos hijos (ver capítulo 1 para una revisión de los isótopos), liberando energía de radiación en el proceso. Hay tres isótopos naturales de uranio casi todos (99.27%) de los cuales es uranio-238 (U238); el resto consiste en U-235 (0.72%) y U-234 (0.006%). El U-235 es el combustible nuclear preferido porque cuando sus átomos se dividen (fisionan), no solo emiten calor y radiación de alta energía sino también neutrones suficientes para mantener una reacción en cadena y proporcionar energía para alimentar una central nuclear. El uranio se encuentra en rocas de todo el mundo pero es relativamente raro y el suministro es finito, lo que lo convierte en una fuente de energía no renovable.

El uranio suele ocurrir en combinación con pequeñas cantidades de otros elementos y una vez que se extrae, el U-235 debe extraerse y procesarse antes de que pueda ser utilizado como combustible en una central nuclear para generar electricidad. El proceso comienza con la exploración de uranio y el desarrollo de minas para extraer el mineral descubierto (mineral se refiere a roca que contiene minerales de importancia económica). La minería es convencional (subterránea o a cielo abierto) o no convencional, como la minería en solución in situ o la lixiviación en pilas, que utilizan solventes líquidos para disolver y extraer el mineral. El mineral de uranio extraído (Figura\(\PageIndex{2}\) A) generalmente produce de una a cuatro libras de concentrado de uranio por tonelada de mineral de uranio (0.05% a 0.20%).

Figura\(\PageIndex{2}\) : A) Mineral de uranio B) Torta amarilla (U ₃ O ₈). Imágenes obtenidas del Servicio Geológico de los Estados Unidos (A) y del Departamento de Energía de los Estados Unidos (B).

El mineral de uranio de una mina convencional generalmente se refina para convertirlo en concentrado de uranio en un proceso denominado molienda. El mineral se tritura y se muele en polvo fino que luego se hace reaccionar con productos químicos para separar el uranio de otros minerales. El producto de uranio concentrado es típicamente un polvo amarillo o naranja brillante llamado torta amarilla (U ₃ O ₈) (Figura\(\PageIndex{2}\) B), y la corriente de desechos de estas operaciones se llama relaves de molino. El mineral de uranio en solución también se muele en torta amarilla recuperando el uranio de la solución y concentrándolo.

La torta amarilla luego se convierte en gas hexafluoruro de uranio (UF ₆). Este paso permite la segregación atómica de los tres isótopos de uranio naturales en componentes individuales.. En el gas UF6, las concentraciones originales de isótopos de uranio siguen sin cambios. Este gas se envía luego a una planta de enriquecimiento donde se lleva a cabo la separación de isótopos y la concentración de U-235 se incrementa a aproximadamente un 4% a 5% (en comparación con la concentración original de 0.72%). El producto, llamado UF ₆ enriquecido, se sella en botes y se deja enfriar y solidificar antes de ser transportado a una planta de ensamblaje de combustible.

El siguiente paso en la producción de combustible nuclear se da en las instalaciones de fabricación de combustible. Aquí, el gas UF ₆ enriquecido se hace reaccionar para formar un polvo de dióxido de uranio negro (UO ₂). Luego, el polvo se comprime y se conforma en forma de pequeñas bolitas de combustible de cerámica (Figura\(\PageIndex{3}\) A). Cada pellet cerámico produce aproximadamente la misma cantidad de energía que 150 galones de aceite. Los pellets se apilan y sellan en tubos largos de metal que tienen aproximadamente 1 centímetro de diámetro para formar barras de combustible. (Figura\(\PageIndex{3}\) B) Las barras de combustible se agrupan juntas para formar un conjunto de combustible (Figura\(\PageIndex{3}\) C). Dependiendo del tipo de reactor, hay alrededor de 179 a 264 barras de combustible en cada conjunto de combustible. Un núcleo de reactor típico contiene 121 a 193 conjuntos de combustible.

Figura\(\PageIndex{3}\) : Proceso de fabricación de combustible. A) Polvo de dióxido de uranio comprimido en pellets de combustible. B) Pellets de combustible apilados y sellados en tubos metálicos formando barras de combustible. C) Las barras de combustible se agrupan en un conjunto de combustible. Imágenes A y B de NRC (dominio público); C del archivo RIA Novosti, imagen #132602/Ruslan Krivobok/CC-BY-SA 3.0

4.7.2: Planta de Energía Nuclear

Después de la fabricación, los conjuntos de combustible son transportados a centrales nucleares donde se utilizan como fuente de energía para generar electricidad. Se almacenan en el sitio hasta que los operadores del reactor los necesiten. En esta etapa, el uranio es solo ligeramente radiactivo, y esencialmente toda la radiación está contenida dentro de los tubos metálicos. Cuando es necesario, el combustible se carga en el núcleo de un reactor (Figura\(\PageIndex{4}\)). Por lo general, aproximadamente un tercio del núcleo del reactor (40 a 90 conjuntos de combustible) se cambia cada 12 a 24 meses.

El tipo más común de reactores son los reactores de agua presurizada (PWR) (Figura\(\PageIndex{4}\)) en los que el agua es bombeada a través del núcleo del reactor y calentada por el proceso de fisión. El agua se mantiene a alta presión dentro del reactor para que no hierva. El agua calentada del reactor pasa a través de tubos dentro del generador de vapor donde el calor se transfiere al agua que fluye alrededor de los tubos en el generador de vapor. El agua en el generador de vapor hierve y se convierte en vapor. El vapor se canaliza a las turbinas. La fuerza del vapor en expansión impulsa las turbinas, que hacen girar un imán en bobina de alambre, el generador, para producir electricidad.

Después de pasar a través de las turbinas, el vapor se convierte de nuevo en agua circulándolo alrededor de tubos que transportan agua de refrigeración en el condensador. El vapor condensado —ahora agua— se devuelve a los generadores de vapor para repetir el ciclo.

Los tres sistemas de agua (condensador, generador de vapor y reactor) están separados entre sí y no se les permite mezclar. El agua en el reactor es radiactiva y está contenida dentro de la estructura de contención, mientras que el agua en el generador de vapor y condensador es no radiactiva.

Figura\(\PageIndex{4}\): Diagrama esquemático de un reactor de agua a presión (PWR), el tipo más común de reactor nuclear. Diagrama de la Autoridad del Valle de Tennessee (dominio público). www.tva.com

4.7.3: Beneficios de la Energía Nuclear

Mediante el uso de la fisión, las centrales nucleares generan electricidad sin emitir contaminantes del aire como los emitidos por las centrales eléctricas de combustibles fósiles. Esto significa que los costos financieros relacionados con problemas crónicos de salud causados por contaminantes del aire como material particulado, monóxido de carbono, óxidos de nitrógeno y ozono entre otros se reducen significativamente. Además los reactores nucleares no producen dióxido de carbono mientras operan lo que significa que la energía nuclear no contribuye al problema del calentamiento global.

Otro beneficio de la energía nuclear sobre los combustibles fósiles, especialmente el carbón, es que el uranio genera mucha más energía por unidad de peso o volumen. Esto significa que menos de ella necesita ser minada y consecuentemente el daño a los paisajes es menos especialmente cuando se compara con el daño que resulta de la minería del carbón como la remoción de la cima de la montaña.

4.7.4: Los inconvenientes de la energía nuclear

La principal preocupación ambiental relacionada con la energía nuclear es la creación de desechos radiactivos como relaves de uranio, combustible de reactor gastado (usado) y otros desechos radiactivos. Estos materiales pueden permanecer radiactivos y peligrosos para la salud humana durante miles de años. Los desechos radiactivos se clasifican como de bajo nivel y alto nivel. Por volumen, la mayor parte de los residuos relacionados con la industria de energía nuclear tienen un nivel relativamente bajo de radiactividad. Los relaves de molino de uranio contienen el elemento radiactivo radio, que se descompone para producir radón, un gas radiactivo. La mayoría de los relaves de uranio se colocan cerca de la instalación de procesamiento o molino de donde provienen. Los relaves del molino de uranio se cubren con una barrera de material como arcilla para evitar que el radón escape a la atmósfera, y luego son cubiertos por una capa de tierra, rocas u otros materiales para evitar la erosión de la barrera de sellado.

Los otros tipos de desechos radiactivos de bajo nivel son las herramientas, la ropa protectora, los paños de limpieza y otros artículos desechables que se contaminan con pequeñas cantidades de polvo o partículas radiactivas en las instalaciones de procesamiento de combustible nuclear y plantas de energía. Estos materiales están sujetos a regulaciones especiales que rigen su manejo, almacenamiento y disposición por lo que no entrarán en contacto con el ambiente exterior.

Los desechos radiactivos de alto nivel consisten en combustible gastado para reactores nucleares (es decir, combustible que ya no es útil para producir electricidad). El combustible gastado del reactor está en una forma sólida que consiste en pequeñas pastillas de combustible en tubos largos de metal llamados barras. Los conjuntos de combustible de reactor gastado se almacenan inicialmente en piscinas de agua especialmente diseñadas, donde el agua enfría el combustible y actúa como un escudo contra la radiación. Los conjuntos de combustible de reactor gastado también se pueden almacenar en contenedores de almacenamiento en seco especialmente diseñados. Un número creciente de operadores de reactores ahora almacenan su combustible gastado más antiguo en instalaciones de almacenamiento en seco utilizando contenedores especiales de concreto o acero al aire libre con refrigeración por aire. Actualmente no existe ninguna instalación de eliminación permanente en Estados Unidos de desechos nucleares de alto nivel.

Cuando un reactor nuclear deja de funcionar, debe ser dado de baja. Esto implica retirar del servicio de manera segura el reactor y todos los equipos que se hayan vuelto radiactivos y reducir la radiactividad a un nivel que permita otros usos de la propiedad. La Comisión Reguladora Nuclear de Estados Unidos tiene reglas estrictas que rigen el desmantelamiento de centrales nucleares que implican la limpieza de sistemas y estructuras de plantas contaminadas radiactivamente, y la remoción del combustible radiactivo.

Una fusión nuclear, o una reacción nuclear incontrolada en un reactor nuclear, puede potencialmente resultar en una contaminación generalizada del aire y el agua. Algunos accidentes nucleares y radiológicos graves han ocurrido en todo el mundo. El accidente más grave fue el accidente de Chernobyl de 1986 en la entonces Unión Soviética (ahora Ucrania) que mató a 31 personas directamente y enfermó o causó cáncer en miles más. El desastre nuclear de Fukushima Daiichi (2011) en Japón fue causado por un terremoto de magnitud 9.0 que apagó el suministro de energía y un tsunami que inundó el suministro de energía de emergencia de la planta. Esto resultó en la liberación de radiactividad aunque no resultó directamente en ninguna muerte al momento del desastre. Otro accidente nuclear fue el accidente de Three Mile Island (1979) en Pensilvania, Estados Unidos. Este accidente resultó en una fusión central casi desastrosa que se debió a una combinación de error humano y falla mecánica pero no resultó en ninguna muerte y no se han encontrado cánceres o de otra manera en estudios de seguimiento de este accidente. Si bien hay consecuencias potencialmente devastadoras en una fusión nuclear, la probabilidad de que ocurra una es extremadamente pequeña. Después de cada crisis, incluido el desastre de Fukushima Daiichi de 2011, se implementaron nuevas regulaciones internacionales para evitar que tal evento vuelva a ocurrir.

Los procesos para extraer y refinar mineral de uranio y hacer combustible para reactores requieren grandes cantidades de energía. Las centrales nucleares cuentan con grandes cantidades de metal y concreto, que también requieren grandes cantidades de energía para su fabricación. Si se utilizan combustibles fósiles para extraer y refinar mineral de uranio o en la construcción de la planta nuclear, entonces las emisiones de la quema de esos combustibles podrían estar asociadas con la electricidad que generan las centrales nucleares.