¿La energía nuclear es esencial para hacer frente al cambio climático?

Gilles Georges, Vice President Content Operations, CAS

Aunque la energía verde es el segmento que ha experimentado un crecimiento más rápido y su protagonismo sigue aumentando en el mix energético global, todavía va muy a la zaga de las opciones energéticas convencionales —con una alta huella de carbono— por sus desventajas en cuanto a eficiencia y capacidad. Estas limitaciones impiden que la energía verde se convierta en la opción energética dominante y generalizada. ¿Qué otra forma de energía escalable que no emite CO2 podría ayudarnos a cubrir nuestras necesidades hasta que la energía verde se convierta en una realidad a gran escala? ¿Podría la energía nuclear, que no emite dióxido de carbono y tiene una eficiencia y una escalabilidad demostradas, ser una buena candidata para facilitar esta transición y, quizás, convertirse en otra opción energética viable y ampliamente aceptada para el futuro? 

Además de no emitir dióxido de carbono, las aproximadamente 450 centrales nucleares existentes funcionan en la actualidad a pleno rendimiento más del 90 % del tiempo, a diferencia de las de carbón, que funcionan el 50 % del tiempo, o de las plantas solares, que solo llegan al 25 %. Sin embargo, solo el 10 % de la demanda eléctrica actual del planeta se cubre con la energía suministrada por las centrales nucleares (figura 1). ¿Por qué no ha crecido más deprisa la energía nuclear a lo largo de los años? 

gráfico que muestra las fuentes de la producción energética en 2021
Figura 1. Cuota de la producción de electricidad de cada fuente en 2021. 

A pesar de ser una opción económica y de eficacia demostrada para producir energía, la energía nuclear se ha visto estigmatizada por los riesgos asociados a la radiactividad y por su impacto en el medioambiente. Los sucesos de Chernobyl y Fukushima nos recordaron que la fisión atómica requiere procedimientos estrictos de vigilancia y control, y que incidentes pequeños pueden convertirse en grandes catástrofes. 

Las reacciones nucleares y la radiactividad

Con más de 18 000 años de experiencia acumulada en todos los reactores, la tecnología de los reactores nucleares está bien establecida y diversificada, y se ha beneficiado de décadas de mejoras tecnológicas que han aumentado la seguridad, la fiabilidad, la durabilidad y la eficiencia de los reactores. 

Para generar electricidad, las centrales nucleares usan una mezcla de isótopos del uranio, principalmente 238U y 235U, como combustible. La mayoría de las centrales nucleares comerciales usan como combustible uranio poco enriquecido (LEU, Low Enriched Uranium) que es uranio con 235U enriquecido entre un 3 % y un 5 %, lo que lo diferencia del uranio altamente enriquecido (HEU, Highly Enriched Uranium), que tiene las concentraciones de 235U de alrededor del 90 % necesarias para las aplicaciones armamentísticas.  

ilustración de la reacción de enriquecimiento del uranio
Figura 2. Enriquecimiento del uranio: la concentración del isótopo uranio 235 aumenta del 0,3 % al 3 %.

Una vez introducidos en el reactor como combustible LEU, el 235U y el 238U siguen dos rutas de transformación atómica diferentes, como se puede ver en la figura 3. Por medio de la captura de un neutrón, el 238U se transforma en el 239Pu, y tanto el 239Pu como el 235U se fisionan en núcleos más pequeños, es decir: productos de fisión. A su vez, cada reacción de fisión libera tres neutrones y una gran cantidad de energía en forma de calor y radiación ionizante.

ilustración de las reacciones de fisión nuclear
Figura 3. Reacciones de fisión del combustible nuclear.

Esta transformación, también conocida como decaimiento atómico, es a la vez una bendición y una maldición. Una bendición porque, en relación con la pequeña cantidad de combustible empleado, genera enormes cantidades de energía que se pueden extraer con la ayuda de intercambiadores de calor y turbinas de agua de alta presión para producir electricidad. Una maldición porque el decaimiento atómico asociado a esta transmutación también genera radiación y partículas ionizantes, conocidas conjuntamente como “radiactividad”. La radiactividad presente en el reactor es deseable para la producción de electricidad, pero persiste en los residuos de combustible, denominados “combustible gastado”, y puede ser perjudicial si no se contiene y se controla. 

Después de entre 3 y 5 años de actividad nuclear continua en un reactor, la concentración de isótopos fisibles del combustible termina por caer por debajo del nivel mínimo necesario para mantener una reacción en cadena que permita producir electricidad. El combustible gastado se descarga del reactor y se clasifica como residuo radiactivo de “alta actividad”. Estos residuos solo representan el 3 % de todo el volumen de residuos radiactivos, pero son responsables del 95 % de su radiactividad total. Por tanto, los residuos radiactivos de alta actividad son una de las principales prioridades de las estrategias de gestión de residuos radiactivos en todo el mundo.   

Una central nuclear media con una capacidad de 1000 MWe (suficiente para cubrir las necesidades energéticas de más de un millón de personas), produce entre 25 y 30 toneladas métricas de residuos de alta actividad al año sin emisiones de carbono. Una central eléctrica de carbón libera 300 000 toneladas de cenizas y más de 6 millones de toneladas de CO2 a la atmósfera cada año. Reducir la huella y la potencia radiactiva de los residuos nucleares mediante el reprocesamiento y la reutilización del combustible gastado permitiría resolver el complejo desafío de la gestión de los residuos peligrosos. 

Opciones de reciclaje del combustible nuclear gastado

La tecnología de reprocesamiento del combustible nuclear gastado existe desde finales de la década de 1940. Se conoce bien y su eficacia técnica está demostrada, pero son muy pocos los países que han invertido en el reprocesamiento. Francia y Rusia son los dos principales países que reprocesan y reutilizan el combustible gastado. En promedio, aproximadamente el 95 % de los residuos de combustible gastado son uranio (en su mayoría 238U), el 1 % es plutonio y el resto se compone de una amplia selección de productos de fisión con un número atómico más bajo y actínidos minoritarios (figura 4). La tecnología de reprocesamiento del combustible gastado permite separar los isótopos de uranio y plutonio de los otros actínidos y productos de fisión.  

ilustración del proceso de separación nuclear PUREX
Figura 4. PUREX separa el combustible gastado en tres fases. 


La opción de reprocesamiento predominante se denomina PUREX (las siglas en inglés de “extracción por reducción de plutonio y uranio”). PUREX usa una tecnología de separación hidrometalúrgica para separar el combustible gastado en tres fases:  

  1. Isótopos de uranio
  2. Isótopos de plutonio
  3. Productos de fisión con actínidos minoritarios

Esta tercera fase se clasifica como residuo radiactivo de alta actividad por la presencia de estos actínidos minoritarios y de productos de fisión de alta actividad con periodos de semidesintegración radiactiva medios (es decir, 90Sr y 137Cs con semividas radiactivas de unos 30 años). La principal ventaja de PUREX es el reciclaje de grandes cantidades de uranio utilizable que de no ser por este proceso se considerarían residuos, lo que se traduce en una importante reducción del volumen de residuos de alta actividad. 

PUREX reduce el volumen de los residuos, pero no soluciona el problema de la radiactividad. Además, la separación del 239Pu de otros actínidos preocupa por la posible proliferación del armas nucleares. 

Se han propuesto algunas variantes del proceso PUREX que ya se han implementado en distintos lugares del mundo para hacer frente a la radiactividad de los residuos de alta actividad y a los riesgos relacionados con la proliferación del plutonio. En estas variantes de PUREX se fusiona el 239Pu con actínidos minoritarios que impiden su uso como arma y se genera una mezcla aceptable de combustible de actínidos reprocesado. Otras variantes mezclan el uranio, el plutonio y todos los transuránicos (los elementos con un número atómico superior al del uranio), con lo que los residuos se reducen a los productos de fisión. 

El reciclaje de los residuos de alta actividad tiene sentido, dado que más del 90 % del uranio no se ha “quemado” cuando las barras de combustible gastado se descargan del reactor. El reciclaje del uranio y el plutonio que no se han utilizado permite generar entre un 25 % y un 30 % más de electricidad. A finales de 2020, se habían generado en todo el mundo 400 000 toneladas de combustible usado en los reactores de las centrales nucleares comerciales. De ellas, alrededor de 120 000 toneladas (30 %) se han reprocesado y reutilizado como combustible nuclear.  


Avances en el diseño de los reactores nucleares

Los avances recientes en el diseño de los reactores nucleares han mejorado la eficiencia y la seguridad de la producción energética. CAS Content Collection™ muestra un aumento notable de la actividad de patentes y revistas en este campo desde 2018, lo que refleja un interés renovado impulsado principalmente por organizaciones de Asia (figuras 5a y 5b).  

principales cesionarios de patentes relacionadas con la tecnología de energía nuclear
Figura 5a. Principales cesionarios de patentes relacionadas con la tecnología de energía nuclear desde el año 2000.
organizaciones con más publicaciones en revistas sobre energía nuclear desde el año 2000
Figura 5b. Organizaciones con más publicaciones en revistas sobre energía nuclear desde el año 2000.


La figura 6 muestra el volumen de publicaciones relacionadas con los nuevos diseños avanzados de reactores nucleares. Los datos confirman una creciente actividad investigadora sobre estas nuevas tecnologías de reactores nucleares.  

gráfico de volúmenes de publicaciones para los distintos tipos de diseños de reactores nucleares
Figura 6. Diseños de reactores nucleares avanzados y su relación con los volúmenes de publicaciones

 

El potencial futuro de la energía nuclear

El renacimiento de la energía nuclear es desde hace tiempo un tema recurrente, pero algunos obstáculos y desafíos siguen dificultando la materialización de todas las esperanzas que se pusieron hace décadas en esta energía. La ingente inversión inicial de capital, las regulaciones cambiantes, los sobrecostes y la polarización política han convertido la construcción de centrales nucleares en un proceso tortuoso que se prolonga durante décadas. Esto frena a los gobiernos y los inversores a la hora de plantearse el uso de la energía nuclear a pesar de que sus ventajas y su potencial se han demostrado y son incuestionables. Un artículo reciente del Wall Street Journal aborda también algunos de estos desafíos y avances recientes en el campo de las tecnologías de la energía nuclear.

La necesidad de contar con fuentes de energía sin emisiones de carbono, los avances en las nuevas tecnologías de reactores y las nuevas alternativas de reciclaje y reutilización del combustible gastado podrían impulsar la energía nuclear y convertirla en un arma crucial en el arsenal empleado para combatir el cambio climático. 



Mi agradecimiento a Elaine McWhirter por su asesoramiento científico.

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