15.9: Energía nuclear
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- Enumerar los beneficios y problemas con la energía nuclear.
La energía nuclear es el uso de reacciones nucleares que liberan energía nuclear para generar calor, que con mayor frecuencia se usa luego en turbinas de vapor para producir electricidad en una planta de energía nuclear. La energía nuclear puede obtenerse a partir de la fisión nuclear, la desintegración nuclear y las reacciones de fusión nuclear. Actualmente, la gran mayoría de la electricidad de la energía nuclear es producida por la fisión nuclear de uranio y plutonio. Los procesos de desintegración nuclear se utilizan en aplicaciones de nicho tales como generadores termoeléctricos de radioisótopos. La generación de electricidad a partir de energía de fusión sigue siendo el foco de la investigación internacional.
La energía nuclear civil suministró 2,563 teravatios hora (TWh) de electricidad en 2018, equivalente a aproximadamente 10% de la generación mundial de electricidad, y fue la segunda fuente de energía baja en carbono más grande después de la hidroelectricidad. A diciembre de 2019, existen 443 reactores de fisión civiles en el mundo, con una capacidad eléctrica combinada de 395 gigavatios (GW). También hay 56 reactores nucleares en construcción y 109 reactores planeados, con una capacidad combinada de 60 GW y 120 GW, respectivamente. Estados Unidos cuenta con la mayor flota de reactores nucleares, generando más de 800 TWh de electricidad de cero emisiones al año con un factor de capacidad promedio de 92%. La mayoría de los reactores en construcción son reactores de generación III en Asia.
La energía nuclear tiene uno de los niveles más bajos de muertes por unidad de energía generada en comparación con otras fuentes de energía. El carbón, el petróleo, el gas natural y la hidroelectricidad han causado cada uno más muertes por unidad de energía debido a la contaminación del aire y accidentes. [10] Desde su comercialización en la década de 1970, la energía nuclear ha impedido alrededor de 1.84 millones de muertes relacionadas con la contaminación del aire y la emisión de alrededor de 64 mil millones de toneladas de dióxido de carbono equivalente que de otro modo habrían resultado de la quema de combustibles fósiles.
Hay un debate sobre la energía nuclear. Proponentes, como la Asociación Nuclear Mundial y Ambientalistas para la Energía Nuclear, sostienen que la energía nuclear es segura y reduce las emisiones de carbono. Los opositores a la energía nuclear, como Greenpeace y NIRS, sostienen que la energía nuclear plantea muchas amenazas para las personas y el medio ambiente.
Hay más de treinta países que utilizan la energía nuclear para generar electricidad (ver Tabla\(\PageIndex{1}\). Había alrededor de 450 reactores de energía nuclear en todo el mundo, produciendo cerca de 400,000 MW (MegaWatts) de capacidad eléctrica. Los reactores nucleares comerciales se pueden encontrar en América del Norte y del Sur, Europa, África y Asia. Estados Unidos tiene la mayor cantidad de reactores de cualquier otro país. Hay alrededor de noventa y ocho reactores en Estados Unidos que proporcionan alrededor del veinte por ciento de la energía eléctrica en Estados Unidos. Otros países, como Francia, emplean alrededor de sesenta reactores nucleares para producir el 70% de su energía eléctrica.
| País | Número de reactores operados | Capacidad eléctrica neta total [MW] |
Electricidad Nuclear Suministrada [GW.h] |
Participación nuclear [%] |
|---|---|---|---|---|
| ESTADOS UNIDOS DE AMÉRICA | 98 | 99648 | 809358.57 | 19.7 |
| REINO UNIDO | 15 | 8923 | 51032.09 | 15.6 |
| UCRANIA | 15 | 13107 | 78144.26 | 53.9 |
| SUIZA | 5 | 3333 | 25369.65 | 23.9 |
| SUECIA | 8 | 8592 | 64428.86 | 34.0 |
| ESPAÑA | 7 | 7121 | 55856.07 | 21.4 |
| SUDÁFRICA | 2 | 1860 | 13602.57 | 6.7 |
| ESLOVENIA | 1 | 688 | 5532.98 | 37.0 |
| ESLOVAQUIA | 4 | 1814 | 14282.25 | 53.9 |
| RUSIA | 39 | 28448 | 195535.15 | 19.7 |
| RUMANIA | 2 | 1300 | 10368.21 | 18.5 |
| PAKISTÁN | 5 | 1318 | 9065.80 | 6.6 |
| HOLANDA | 1 | 482 | 3700.71 | 3.2 |
| MEXICO | 2 | 1552 | 10880.73 | 4.5 |
| COREA, REPÚBLICA DE | 25 | 23833 | 138809.35 | 26.2 |
| JAPÓN | 38 | 36476 | 65681.92 | 7.5 |
| IRÁN, REPÚBLICA ISLÁMICA DE | 1 | 915 | 5865.73 | 1.8 |
| INDIA | 22 | 6255 | 40740.49 | 3.2 |
| HUNGRÍA | 4 | 1902 | 15414.83 | 49.2 |
| FRANCIA | 58 | 63130 | 382402.75 | 70.6 |
| FINLANDIA | 4 | 2794 | 22914.88 | 34.7 |
| REPÚBLICA CHECA | 6 | 3932 | 28581.12 | 35.2 |
| CHINA | 48 | 45518 | 330122.19 | 4.9 |
| CANADÁ | 19 | 13554 | 94853.85 | 14.9 |
| BULGARIA | 2 | 2006 | 15868.88 | 37.5 |
| BRASIL | 2 | 1884 | 15224.11 | 2.7 |
| BÉLGICA | 7 | 5930 | 41421.66 | 47.6 |
| ARMENIA | 1 | 375 | 2028.96 | 27.8 |
| ARGENTINA | 3 | 1641 | 7926.96 | 5.9 |
| Total | 449 | 392779 | 2586163.02 | N |
Centrales Nucleares
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\(\PageIndex{2}\)). 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\(\PageIndex{2}\)) 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.
La ventaja nuclear: contaminación atmosférica mínima
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.
Problemas con 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.
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.
Accidentes Nucleares
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.
Reactores de Criadores: Hacer Más Combustible del que Queman
Debido a que\(\ce{_{92}^{235}U}\) es solo 0.7 por ciento del uranio natural, su suministro es bastante limitado y bien podría durar solo unos 50 años de uso a gran escala. El otro 99 por ciento del uranio también se puede utilizar si primero se convierte en plutonio por bombardeo de neutrones:
\[\ce{_{92}^{238}U + _{0}^{1}n -> _{94}^{239}Pu + 2 _{-1}^{0}e} \nonumber \]
\(\ce{_{94}^{239}Pu}\)también es fisionable, por lo que podría ser utilizado en un reactor nuclear así como\(\ce{_{92}^{235}U}\).
La producción de plutonio se puede llevar a cabo en un reactor criador que no solo produce energía como otros reactores sino que está diseñado para permitir que algunos de los neutrones rápidos bombardeen el\(\ce{_{92}^{235}U}\), produciendo plutonio al mismo tiempo. Entonces se produce más combustible del que se consume.
Los reactores criadores presentan riesgos de seguridad adicionales a los ya señalados. Operan a temperaturas más altas y utilizan metales líquidos muy reactivos como el sodio en sus sistemas de refrigeración, por lo que la posibilidad de un accidente grave es mayor. Además, habría que salvaguardar cuidadosamente las grandes cantidades de plutonio que se producirían en una economía criadora. El plutonio es un emisor α y es muy peligroso si se toma internamente. Su vida media es de 24,000 años, por lo que permanecerá en el medio ambiente por mucho tiempo si se dispersa. Además, se\(\ce{_{94}^{239} Pu}\) puede separar químicamente (no por la difusión gaseosa mucho más cara utilizada para concentrarse a\(\ce{_{92}^{ 235}U}\) partir de productos de fisión y usarse para fabricar bombas. Dicho material obviamente será atractivo para los grupos terroristas, así como para los países que actualmente no son capaces de producir sus propias armas atómicas.
Hoy en día muchas naciones están considerando ampliar el papel de la energía nuclear en sus carteras energéticas. Esta expansión está impulsada por las preocupaciones sobre el calentamiento global, el crecimiento de la demanda de energía y los costos relativos de las fuentes de energía alternativas. En 2008, 435 reactores nucleares en 30 países proporcionaron el 16% de la electricidad del mundo. En enero de 2009, 43 reactores estaban en construcción en 11 países, con varios cientos más proyectados para entrar en línea a nivel mundial para 2030.
Fusión Nuclear
El proceso de fusión más importante en la naturaleza es el que alimenta a las estrellas. La fusión de hidrógeno y helio, que es el principal productor de energía en el sol, ha sido discutida en el Capítulo 11. En esta sección se analiza brevemente el aprovechamiento de la energía de la fusión nuclear para generar electricidad.
La reacción de fusión de gran interés se conoce como fusión deuterio-tritio (fusión D—T) donde un átomo de deuterio y un átomo de tritio se fusionan para producir helio-4 (Figura\(\PageIndex{3}\)).
\[_1^2\textrm H+\,_1^3\textrm H\rightarrow \,_2^4\textrm{He}+\,_0^1\textrm n \tag{21.6.13} \]
La energía de fusión tiene el potencial de proporcionar suficiente energía para satisfacer la creciente demanda, y para hacerlo de manera sostenible, con un impacto relativamente pequeño en el medio ambiente. La fusión nuclear tiene muchos atractivos potenciales. En primer lugar, sus combustibles isotópicos de hidrógeno son relativamente abundantes —uno de los isótopos necesarios, el deuterio, puede extraerse del agua de mar, mientras que el otro combustible, el tritio, sería criado a partir de una manta de litio utilizando neutrones producidos en la reacción de fusión misma. Además, un reactor de fusión prácticamente no produciría CO 2 ni contaminantes atmosféricos, y sus productos de desecho radiactivos serían en su mayoría de vida muy corta en comparación con los producidos por reactores nucleares convencionales (reactores de fisión).
Las reacciones de fusión útiles requieren temperaturas muy altas para su inicio, alrededor de 15.000.000 K o más. A estas temperaturas, todas las moléculas se disocian en átomos, y los átomos se ionizan, formando plasma. Estas condiciones ocurren en un número extremadamente grande de lugares a lo largo del universo: las estrellas son impulsadas por la fusión. Los humanos ya han descubierto cómo crear temperaturas lo suficientemente altas como para lograr la fusión a gran escala en armas termonucleares. Un arma termonuclear como una bomba de hidrógeno contiene una bomba de fisión nuclear que, cuando explota, emite suficiente energía para producir las temperaturas extremadamente altas necesarias para que ocurra la fusión.
Otra forma mucho más beneficiosa de crear reacciones de fusión es en un reactor de fusión, un reactor nuclear en el que se controlan las reacciones de fusión de núcleos de luz. Debido a que ningún material sólido es estable a temperaturas tan altas, los dispositivos mecánicos no pueden contener el plasma en el que ocurren las reacciones de fusión. Dos técnicas para contener plasma a la densidad y temperatura necesarias para una reacción de fusión son actualmente el foco de esfuerzos intensivos de investigación: la contención por un campo magnético y por el uso de rayos láser enfocados (Figura\(\PageIndex{3}\)). Una serie de grandes proyectos están trabajando para lograr uno de los mayores objetivos de la ciencia: conseguir que el combustible de hidrógeno se encienda y produzca más energía que la cantidad suministrada para lograr las temperaturas y presiones extremadamente altas que se requieren para la fusión. El Departamento de Energía de Estados Unidos está financiando varios sitios que realizan investigaciones de fusión como se da en el enlace https://www.usiter.org/fusion/us-fusion-research-sites. Uno de los sitios de investigación es características en el video a continuación Video\(\PageIndex{1}\).
Resumen
- Todavía hay un debate en curso sobre la energía nuclear.
- Proponentes, como la Asociación Nuclear Mundial y Ambientalistas para la Energía Nuclear, sostienen que la energía nuclear es una fuente segura de energía que reduce las emisiones de carbono.
- Los opositores a la energía nuclear, como Greenpeace y NIRS, sostienen que la energía nuclear plantea muchas amenazas para las personas y el medio ambiente.
- Hay más de treinta países que utilizan la energía nuclear para generar electricidad.
Colaborador
- Libretext: Introduction to Environmental Science (Zendher et al.) (CC BY-NC-SA)
- Wikipedia (CC BY-SA)
- Libretext: Chemistry of Global Awareness (Gordon)