15.10: Energía Nuclear

La energía nuclear es generada por la fisión inducida por neutrones de núcleos atómicos pesados, más comúnmente los del isótopo de uranio con un número de masa de 235 o plutonio con un número de masa de 239, para producir productos de fisión radiactivos, un promedio de 2.5 neutrones más y una asombrosa cantidad de energía en comparación con una reacción química ordinaria. Un ejemplo típico de tal reacción de fisión es el siguiente:

\[\ce{^{235}_{92}U + ^{1}_{0}n \rightarrow ^{133}_{51}Sb + ^{99}_{41}Nb + 4 ^{1}_{0}n}\]

Un reactor nuclear que opera a un nivel de potencia constante se controla de tal manera que en promedio se absorbe 1 neutrón de cada reacción de fisión para provocar otra reacción de fisión, manteniendo así una reacción en cadena. El exceso de neutrones son absorbidos por material no fisionable. Para provocar la fisión deseada, los neutrones, inicialmente liberados como partículas de rápido movimiento, deben ralentizarse las partículas de alta energía, lo cual es realizado por un moderador, como el agua, en el reactor.

La función básica de un reactor de energía nuclear es servir como fuente de calor para producir vapor utilizado para generar energía mecánica. Los componentes básicos de un reactor de energía nuclear se muestran en la Figura 15.13. El agua sobrecalentada presurizada circula a través del núcleo del reactor caliente en un circuito cerrado (para evitar el escape de contaminantes radiactivos). El calor de esta agua se utiliza para convertir el agua en vapor en un intercambiador de calor. El resto de la central eléctrica es como una planta convencional de combustible fósil con una turbina de vapor acoplada a un generador y el vapor de la turbina de vapor se condensa para proporcionar agua líquida para el intercambiador de calor.

Si bien solo 0.71% del uranio natural es uranio-235 fisionable, y el uranio que se utilizará para la fisión debe enriquecerse en este isótopo, existe un suministro global adecuado de uranio. En principio, el 99.28% restante de uranio que consiste en uranio-238 podría convertirse en plutonio fisionable por absorción de neutrones en reactores criadores. El plutonio en realidad es generado por uranio-238 absorbiendo neutrones en un reactor de energía nuclear convencional, y después de que el reactor ha operado durante algunos meses después de repostar, una gran fracción de su producción de energía proviene del plutonio generado en el reactor.

Figura 15.13. Reactor de fisión nuclear para generación de energía eléctrica.

Una posibilidad interesante para los reactores criadores es el reactor de onda viajera refrigerado por líquido y sodio en el que un segmento relativamente pequeño al final de una masa de uranio contenida en una serie de barras de combustible se enriquece en uranio-235 fisionable. El proceso de fisión se inicia en esta porción del combustible y los neutrones de éste migran al segmento adyacente no enriquecido donde son absorbidos por el uranio-238 para producir plutonio-239 fisionable. Esto construye un sector que contiene suficiente plutonio para sostener la fisión y el proceso de fisión nuclear migra muy lenta y continuamente a la zona con el material recién fisionable. Con un diseño adecuado, dicho reactor puede funcionar durante décadas antes de que la “ola” llegue al final de la masa de uranio y no se produzca más material fisionable para sostener la fisión.

Un problema importante con los reactores de energía nuclear lo plantean los desechos nucleares de alto nivel consistentes en productos de fisión radiactiva generados cuando el núcleo de uranio se divide y los elementos transuránicos radiactivos producidos cuando los núcleos de uranio absorben neutrones. Algunos de los productos de fisión radiactiva pueden durar varios siglos y algunos de los isótopos transuránicos permanecen letales durante miles de años. En la actualidad, los elementos combustibles gastados se almacenan bajo el agua en los sitios del reactor. Esto en realidad es algo bueno porque los productos de fisión de corta duración que son responsables de la mayor parte de la radiactividad en el combustible nuclear recién extraído de un reactor se desintegran rápidamente, y después de algunos años de almacenamiento solo está presente una pequeña fracción de la actividad original. Bajo las regulaciones vigentes en la mayoría de los países, los desechos de este combustible eventualmente tendrán que ser enterrados. Una mejor alternativa es procesar el material en los elementos combustibles gastados para eliminar los productos radiactivos del combustible de uranio. Los productos de fisión de vida relativamente corta se descomponen espontáneamente en varios cientos de años y pueden almacenarse en un lugar seguro durante varios siglos. Los desechos transuránicos nucleares de larga vida pueden ser bombardeados con neutrones en reactores nucleares, proceso de transmutación en el que los elementos se convierten en otros elementos o productos de fisión con vidas medias más cortas que resultan en una producción relativamente rápida de isótopos estables. Los elementos de desecho radiactivos para los que es factible la transmutación incluyen plutonio, americio, neptunio, curio, tecnecio-99 y yodo-129. El plutonio, el americio, el neptunio y el curio son elementos actínidos pesados que son fisionables y agregan valor de combustible en un reactor nuclear.

Otro problema con los reactores nucleares es su desmantelamiento. Una opción es desmontar el reactor poco después de que se apague utilizando aparatos operados por control remoto. Luego se desechan las partes del reactor radiactivo. Otro enfoque es permitir que el reactor permanezca de 30 a 100 años antes del desmantelamiento, momento en el que la mayor parte de la radiactividad ha decaído (y la mayoría de las personas responsables del reactor inicialmente han muerto). Una tercera opción es entomber el reactor en una estructura de concreto.

Dos accidentes han asestado un fuerte golpe al futuro de la energía nuclear. El primero, y mucho menor de ellos, ocurrió el 28 de marzo de 1979, cuando el reactor nuclear de Metropolitan Edison Company ubicado en Three Mile Island en el río Susquehanna, a 28 millas a las afueras de Harrisburg, Pensilvania, perdió gran parte de su refrigerante resultando en sobrecalentamiento y desintegración parcial del núcleo del reactor . Algunos gases radiactivos de xenón y criptón fueron liberados a la atmósfera y algo de agua radiactiva ingresó al río. Se solucionó el problema y se selló el edificio del reactor. Entonces, en abril de 1986, un reactor de diseño soviético intrínsecamente peligroso explotó en Chernóbil, que ahora forma parte de Ucrania. Oficialmente murieron 31 personas, pero el número de muertos probablemente fue mucho más, especialmente cuando se consideran los efectos retardados de la exposición a materiales radiactivos. La comida, incluida la carne de reno en Laponia, estaba contaminada tan lejos como Escandinavia, miles de personas fueron evacuadas y todo el edificio del reactor fue sepultado en una estructura masiva de concreto. El reactor que explotó fue una de las cuatro unidades, ¡la última de las cuales no se apagó permanentemente hasta finales del 2000!

Dados los horrores descritos anteriormente, ¿por qué científicos de renombre incluso abogarían por el desarrollo de la energía nuclear? La respuesta es, sencillamente, el dióxido de carbono. Con enormes recursos mundiales de carbón y otros combustibles fósiles no derivados del petróleo, el mundo tiene al menos suficiente combustible fósil fácilmente disponible para durar un siglo. Pero cada vez hay más pruebas de que el dióxido de carbono de la combustión de combustibles fósiles está llevando al calentamiento global acompañado de efectos como el aumento del nivel del mar que inundará muchas ciudades costeras. Los humanos sí saben cómo diseñar y operar reactores nucleares de manera segura y confiable; de hecho, Francia lo ha hecho durante años y obtiene la mayor parte de su electricidad de la fisión nuclear, y la Marina de los Estados Unidos ha tenido un historial de seguridad ejemplar con reactores en submarinos y portaaviones. Entonces, puede ser que la energía nuclear esté lejos de estar muerta y que la humanidad, de mala gana y con mucho cuidado, tenga que confiar en ella como la principal fuente de energía en el futuro. Se espera construir una nueva generación de centrales nucleares que tengan las características deseables de estabilidad pasiva. Esto significa que medidas como la alimentación por gravedad del refrigerante, la evaporación del agua o el flujo de convección de fluidos que operan automáticamente proporcionan un funcionamiento seguro del reactor y el apagado automático del reactor si algo sale mal. Los nuevos diseños también son mucho más confiables con solo aproximadamente la mitad de bombas, tuberías e intercambiadores de calor que están contenidos en los reactores de potencia más antiguos.

Fusión Nuclear

La fusión de un núcleo de deuterio y un núcleo de tritio libera mucha energía como se muestra a continuación, donde Mev representa millones de electrón voltios, una unidad de energía:

\[\ce{ ^{2}_{1}H + ^{3}_{1}H \rightarrow ^{4}_{2}He + ^{1}_{0}n + 17.6 MeV} \, \text{(energy released per fusion)}\]

Esta reacción es la responsable del enorme poder explosivo de la “bomba de hidrógeno”. Hasta el momento ha eludido esfuerzos de contención para una práctica fuente continua de energía. Y dado que los físicos han estado tratando de que funcione de manera práctica durante los últimos aproximadamente 60 años, probablemente nunca se hará. (Aproximadamente 15 años después del descubrimiento del fenómeno de la fisión nuclear, se estaba utilizando en un reactor de potencia para propulsar un submarino nuclear). Sin embargo, la tentadora posibilidad de utilizar el suministro esencialmente ilimitado de deuterio, un isótopo de hidrógeno, de los océanos de la Tierra para la fusión nuclear todavía da a algunos investigadores la esperanza de un reactor de fusión nuclear práctico.

La fusión nuclear fue objeto de una de las mayores vergüenzas científicas de los tiempos modernos cuando investigadores de la Universidad de Utah en 1989 anunciaron que habían logrado la llamada fusión fría del deuterio durante la electrólisis del óxido de deuterio (agua pesada). El anunciado “descubrimiento” de la fusión fría resultó en una asombrosa oleada de actividad ya que científicos de todo el mundo buscaron repetir los resultados, mientras que otros ridiculizaron la idea. Desafortunadamente, para el logro de una fuente de energía barata y abundante, los escépticos tenían razón, y toda la historia de la fusión fría se erige como una lección en el triunfo (temporal) del pensamiento tecnológico ilustre sobre el buen sentido científico.