Aunque la huella de la energía verde sigue aumentando como el segmento de más rápido crecimiento dentro de la combinación energética mundial, todavía se sitúa significativamente por detrás de las opciones energéticas convencionales de alto contenido en carbono debido a los obstáculos de eficiencia y capacidad. Estas limitaciones impiden que la energía verde se convierta en una opción energética predominante y generalizada. ¿Qué otra forma de energía escalable y que no emita CO2 podría ayudarnos a cerrar la brecha hasta que la energía verde se convierta en una realidad a gran escala para nosotros? ¿Podrían el perfil libre de carbono, la eficiencia probada y la escalabilidad de la energía nuclear convertirla en una candidata para la transición y, posiblemente, en otra opción energética viable y ampliamente aceptada para el futuro?
Además de su diseño de cero emisiones, los aproximadamente 450 reactores nucleares que operan hoy en día funcionan a plena capacidad más del 90% del tiempo, en comparación con el 50% de las centrales de carbón y el 25% de las plantas solares. Sin embargo, solo el 10% de la demanda total de electricidad en todo el mundo es suministrada por centrales nucleares (Figura 1). ¿Por qué la energía nuclear no ha crecido más rápido a lo largo de los años?
Aunque es una opción probada y económica para la producción de energía, la energía nuclear tiene una imagen controvertida debido a los riesgos asociados con la radiactividad y su impacto en el medio ambiente. Los sucesos de Chernóbil y Fukushima nos recordaron que la fisión atómica requiere un control y una vigilancia impecables y que los pequeños incidentes pueden convertirse en grandes catástrofes.
Reacciones nucleares y radiactividad
Con más de 18.000 años-reactor de experiencia, la tecnología de los reactores nucleares está bien establecida, diversificada y se beneficia de décadas de mejoras tecnológicas que hacen que los reactores sean más seguros, fiables, duraderos y eficientes.
Para generar electricidad, las centrales nucleares utilizan una mezcla de isótopos de uranio, principalmente 238U y 235U como combustible. La mayoría de las centrales nucleares comerciales utilizan combustible de uranio poco enriquecido (LEU), que es uranio con 235U enriquecido entre un 3 y un 5%, a diferencia del uranio altamente enriquecido (HEU), que tiene las concentraciones de 235U de aproximadamente el 90% necesarias para aplicaciones de grado armamentístico.
Una vez en el reactor como combustible LEU, el 235U y el 238U siguen dos caminos de transformación atómica diferentes, como ilustra la Figura 3. Mediante la captura de un neutrón, y en el caso del 238U que transmuta en 239Pu fisionable, tanto el 239Pu como el 235U se fisionan en núcleos más pequeños, es decir, productos de fisión. Las reacciones de fisión también liberan tres neutrones y una cantidad significativa de energía en forma de calor y radiación ionizante.
Esta transformación o desintegración atómica es una bendición y una maldición. Es una bendición porque, en relación con la pequeña cantidad de combustible involucrada, produce enormes cantidades de energía que se extraerán a través de intercambiadores de calor y turbinas de agua a alta presión para producir electricidad. Es una maldición porque la desintegración atómica asociada a la transmutación también produce radiación ionizante y partículas, denominadas colectivamente radiactividad. La radiactividad en el reactor para la producción de electricidad es deseada, pero esta radiactividad persiste dentro de los residuos del combustible, llamados "combustible gastado", y puede ser perjudicial si no se contiene y controla.
Tras 3-5 años de actividad nuclear continua en un reactor, la concentración de combustible en isótopos fisionables cae finalmente por debajo del nivel mínimo para mantener una reacción en cadena con fines de producción de electricidad. El combustible gastado se descarga del reactor y se clasifica como residuo radiactivo de "alta actividad" (HLW, por sus siglas en inglés). Los HLW representan solo el 3% del volumen total de residuos radiactivos, pero suponen el 95% de la radiactividad total de los residuos. Por lo tanto, los HLW son un foco principal de las estrategias de gestión de residuos radiactivos en todo el mundo.
Una central nuclear media con una capacidad de 1000 MWe (suficiente para abastecer las necesidades de más de un millón de personas), produce entre 25 y 30 toneladas de HLW al año y cero emisiones de carbono. Una central de carbón libera 300.000 toneladas de cenizas y más de 6 millones de toneladas de CO2 a la atmósfera anualmente. Sin embargo, reducir la huella y la potencia radiactiva de los residuos nucleares mediante el reprocesamiento y la reutilización del combustible gastado abordaría un complejo desafío de gestión de residuos peligrosos.
Opciones de reciclaje del combustible nuclear gastado
La tecnología de reprocesamiento de combustible nuclear gastado existe desde finales de la década de 1940. Está bien consolidada y técnicamente probada, pero solo unos pocos países han invertido en ella. Francia y Rusia son los dos principales países que reprocesan y reutilizan el combustible gastado. De media, alrededor del 95% de los residuos de combustible gastado es uranio (la mayor parte es 238U), el 1% es plutonio y el resto es una amplia variedad de productos de fisión con un número atómico menor y actínidos menores (Figura 4). La tecnología de reprocesamiento de combustible gastado permite la separación de los isótopos de uranio y plutonio de otros actínidos y productos de fisión.
La opción de reprocesamiento predominante se denomina PUREX (extracción por reducción de plutonio y uranio). PUREX utiliza tecnología de separación hidrometalúrgica para dividir el combustible gastado en tres fases:
- Isótopos de uranio
- Isótopos de plutonio
- Productos de fisión con actínidos menores
Esta tercera fase se considera residuo de alta actividad (HLW, por sus siglas en inglés) debido a la presencia de estos actínidos menores y de los productos de fisión de vida media altamente radiactivos (es decir, 90Sr y 137Cs, con vidas medias radiactivas de unos 30 años). La principal ventaja de PUREX es el reciclaje de grandes cantidades de uranio utilizable que, de otro modo, se consideraría residuo, así como la reducción significativa del volumen de HLW.
Aunque PUREX reduce el volumen de residuos, no aborda su radiactividad. Además, la separación de 239Pu de otros actínidos genera preocupaciones sobre la proliferación de armas nucleares.
Se han propuesto e implementado variantes del proceso PUREX en todo el mundo para abordar la radiactividad de los HLW y los riesgos de proliferación de plutonio. Estas variantes de PUREX consisten en mezclar 239Pu con actínidos menores, lo que impediría su uso armamentístico y crearía una mezcla de combustible de actínidos reprocesados aceptable. Otras variantes consisten en mezclar uranio, plutonio y todos los transuránidos (elementos con un número atómico superior al del uranio), dejando los productos de fisión como único residuo.
El reciclaje de HLW tiene sentido si se considera que más del 90% del uranio está «sin quemar» cuando las barras de combustible gastado se extraen del reactor. El reciclaje de uranio y plutonio no utilizados permite generar entre un 25% y un 30% más de electricidad. A finales de 2020, se habían generado a nivel mundial 400 000 toneladas de combustible usado procedente de reactores nucleares comerciales, de las cuales unas 120 000 toneladas (30%) han sido reprocesadas y reutilizadas como combustible nuclear.
Avances en el diseño de reactores nucleares
Los recientes avances en el diseño de reactores nucleares han mejorado la eficiencia y la seguridad de la producción de energía. La CAS Content Collection™ muestra un aumento significativo en la actividad de patentes y publicaciones desde 2018, lo que indica un interés renovado, impulsado principalmente por organizaciones de Asia (Figuras 5a y 5b).
La Figura 6 muestra el volumen de publicaciones asociado a los nuevos diseños de reactores nucleares avanzados. Los datos confirman una creciente actividad investigadora en torno a estas nuevas tecnologías de reactores nucleares.
Potencial futuro de la energía nuclear
El renacimiento de la energía nuclear ha sido un tema recurrente, pero diversos obstáculos y desafíos siguen dificultando que la energía nuclear cumpla con la esperanza y la promesa que generó hace décadas. El elevado capital inicial, la normativa cambiante, los sobrecostes y la polarización política han convertido la entrega de centrales nucleares en un tortuoso viaje de una década. Esto ha supuesto un serio elemento disuasorio para que gobiernos e inversores consideren la energía nuclear, a pesar de que sus ventajas y potencial están probados y son innegables. Un reciente artículo del Wall Street Journal aborda también algunos de estos desafíos, así como los últimos avances en el campo de las tecnologías de energía nuclear.
La necesidad de fuentes de energía libres de carbono, los avances en las nuevas tecnologías de reactores y las nuevas alternativas de reciclaje y reutilización de combustible gastado podrían impulsar la energía nuclear como una herramienta clave en el arsenal para combatir el desafío global del cambio climático.
Agradecimiento a Elaine McWhirter por su asesoramiento científico.
Referencias para la animación nuclear
AIE, World Energy Outlook. https://www.iea.org/reports/world-energy-outlook-2022 (consultado el 09-01-2023)
World Nuclear Association. https://world-nuclear.org/nuclear-essentials/how-can-nuclear-combat-climate-change.aspx (consultado el 09/09/2022)
NEK. https://www.nek.si/en/longevity-for-sustainability/production-performance/high-energy-density-of-uranium-is-one-of-key-advantages-of-nuclear-energy (consultado el 09/09/2022)
World Nuclear Association. https://www.world-nuclear.org/information-library/nuclear-fuel-cycle/fuel-recycling/processing-of-used-nuclear-fuel.aspx (consultado el 09/09/2022) OIEA,
World Energy Outlook. https://www.iea.org/reports/world-energy-outlook-2022 (consultado el 09/01/2023)
