ATENEO  TEMAS CANDENTES  Energía Nuclear
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Las necesidades energéticas de la población crecen continua y paralelamente al desarrollo económico. Producir una energía barata, libre de efectos indeseables y accesible a toda la población es una necesidad acuciante en todo el Mundo. Se dispone de diversos modos de producir electricidad, pero cada uno de ellos posee sus inconvenientes, bien porque se utiliza una materia prima cuya duración es efímera, como es el caso de los combustibles fósiles, bien porque su consumo presenta un impacto ambiental considerable, como los temidos sulfuros y el dióxido de carbono y su efecto sobre el calentamiento terrestre, bien porque, como en el caso de las energías eólica y solar, poseen un rendimiento que hace difícil su explotación rentable a gran escala. La energía nuclear, desarrollada en la segunda mitad del siglo XX, es probablemente la fuente cuyo uso ha creado más controversia. No en vano, su estreno mundial, el 6 de agosto de 1945, fue aterrador.
Primera bomba atómica de la historia: "Little Boy"
 
     
 El núcleo atómico como fuente de energía 
  Para comprender cómo se puede extraer energía del núcleo de un átomo de uranio, y todos los problemas que ello conlleva, es necesario examinar ciertos aspectos de física nuclear.

En el núcleo de los átomos se hallan protones -de carga eléctrica positiva- y neutrones -carentes de carga-, partículas denominadas conjuntamente como nucleones. Como las cargas eléctricas del mismo signo se repelen, si los núcleos atómicos son estables es debido a que existe una fuerza atractiva de intensidad mayor que la repulsión electromagnética que experimentan los protones. Esta fuerza recibe el nombre de fuerza nuclear fuerte. El balance que se establece entre la atracción nuclear fuerte y la repulsión electromagnética condiciona la estabilidad del núcleo: cuanto mayor sea la repulsión entre protones, mayor inestabilidad, y por lo tanto, manifestará mayor tendencia a desintegrarse.



Fisión nuclear
El isótopo uranio 235, el menos común de este elemento, posee una configuración nuclear especialmente inestable; casi cualquier neutrón que se encuentre en su camino puede provocar su ruptura. Este fenómeno recibe el nombre de fisión, y da lugar a una serie de fragmentos. Dos de ellos son de gran tamaño, y se pueden identificar como núcleos de diferentes especies químicas, uno de los cuales posee aproximadamente el 40% de los nucleones, y el otro el 60%; además, se producen dos o tres neutrones sueltos. Si se suma la masa de los fragmentos y se compara con la masa del núcleo de partida, se observa que ha disminuido. La diferencia, según la célebre fórmula (E=mc2) debida a Albert Einstein, se ha convertido en energía pura. Esta es la energía que se aprovecha en las centrales nucleares; en un reactor se utiliza para convertir cierta cantidad de agua en vapor, que se emplea para mover los álabes de una turbina. Para dar idea de la magnitud de la energía producida, basta con señalar que, con un gramo de uranio 235, se puede obtener la misma energía que con 4,5 toneladas de carbón.
 
     
 La reacción en cadena y los temidos residuos 
  En cualquier porción de uranio se encuentran siempre neutrones libres, pues ciertos núcleos pueden experimentar fisión de forma espontánea. Así, dado que en cada fisión se producen dos o tres neutrones, cabe la posibilidad de que éstos, a su vez, impacten con otros núcleos y los escindan, y así sucesivamente, con lo que se produce un crecimiento exponencial en el número de fisiones, denominado reacción en cadena. Si no se realiza ningún tipo de control sobre ésta, el resultado es un desprendimiento súbito de toda la energía, es decir, una explosión. Pero esta reacción se puede controlar introduciendo elementos que absorban el número suficiente de neutrones, como se lleva a cabo en las centrales nucleares.

Para que la reacción en cadena tenga lugar son necesarias unas condiciones muy específicas. En primer lugar, los núcleos fisibles deben encontrarse lo suficientemente concentrados, en un volumen, para evitar que el número de neutrones que escape por la superficie del material sea elevado y se reste eficacia al proceso. Esto requiere una cierta cantidad mínima de masa, denominada masa crítica. Por otra parte, la pureza del material debe sobrepasar cierto mínimo, pues no todos los núcleos atómicos reaccionan igual ante los neutrones: el uranio 235 se escinde en mayor medida con neutrones de baja energía, pero su isótopo más abundante, el uranio 238, absorbe estos neutrones. El resultado es un núcleo inestable que emite dos partículas beta y se convierte en un núcleo de plutonio 239, átomo que, a su vez, es también fisible si se dan las condiciones apropiadas. Y aquí aparece uno de los principales problemas de la energía nuclear: si el núcleo de plutonio 239 no se fisiona y absorbe un nuevo neutrón, se convierte en plutonio 240, y otro nuevo neutrón aumenta su masa de nuevo, y así, en la muestra inicial van apareciendo elementos cada vez más pesados, los llamados transuránidos, como el californio, el curio, el fermio, el berkelio, y un largo etcétera, todos ellos radiactivos y de largo período de semidesintegración: son parte de los residuos nucleares. Los otros residuos son los fragmentos de mayor tamaño, los llamados productos de fisión, gran parte de los cuales son también radiactivos.
  
     
 Centrales nucleares 
  Para utilizar uranio como fuente de energía se requiere, en primer lugar, aumentar la proporción de uranio 235 desde el 0,7 %, que es su abundancia natural, hasta el 4 ó el 5% con el que se logra la reacción en cadena; este proceso se lleva a cabo en plantas especiales. El uranio enriquecido es introducido entonces en una serie de varillas de aluminio que forman el elemento combustible. Con el fin de controlar la reacción en cadena, se disponen estas varillas alternadas con otras, llamadas barras de control, que contienen boro, cadmio y otros elementos que absorben neutrones. Así, retirando paulatinamente las barras de control, se consigue establecer y controlar la reacción en cadena; si el calor que se genera es excesivo se introducen más barras y, si es escaso, se retiran teniendo cuidado de mantener siempre un número mínimo de ellas por cuestiones de seguridad. Conviene señalar que, en caso de que la reacción en cadena se realice sin control, el calor generado puede fundir las barras de combustible, derramándose el producto por el reactor; además, pueden producirse una serie de reacciones secundarias derivadas del contacto entre el elemento moderador, el refrigerante y el combustible, que pueden ocasionar gases peligrosos, aunque nunca podría estallar como una bomba atómica. La fusión del combustible, ocurrido en los reactores de Chernobil (Ucrania) en 1985 y en la Isla de las Tres Millas (EEUU) en 1978, es el accidente más grave que puede ocurrir.

 
  Esquema de una central nuclear  

El conjunto se sumerge en una especie de piscina estanca, llena de un elemento llamado moderador, que regula la energía de los neutrones, y todo él se encuentra en una especie de vasija de acero inoxidable. Este conjunto, una vez que se establece la reacción en cadena, comienza a emitir calor, que se emplea para calentar un circuito secundario de agua -sin ningún contacto físico con el anterior- que, al convertirse en vapor, se emplea para mover una turbina.

Hay muchos diseños posibles de reactores, dependiendo del tipo de combustible que utilicen, del elemento moderador y del refrigerante empleado. Los hay de uranio y de plutonio, moderados con agua desmineralizada, con agua pesada y con grafito, y refrigerados con gas, sodio, agua y otros materiales. De hecho, hay casi tantos diseños diferentes como reactores en funcionamiento.
 

Centrales nucleares en España

 

Una característica que distingue a una central nuclear de los otros medios de producción de energía es la peligrosidad de sus residuos. El combustible que se extrae de un reactor contiene, además una porción importante de material fisible aprovechable, una serie de residuos inservibles, entre los que se encuentran los productos de fisión y una parte no desdeñable de elementos transuránidos, algunos de ellos útiles -como el plutonio- por ser fisibles. El combustible se lleva a una planta llamada de reprocesado del combustible, donde se extraen aquellos elementos que son aprovechables y se pueden volver a utilizar en un reactor. La gestión del resto es uno de los mayores problemas de la tecnología nuclear. De modo harto simplificado, los residuos se dividen, según su período de semidesintegración -magnitud que se define como el intervalo de tiempo que debe transcurrir para que su actividad radiactiva se reduzca a la mitad- en baja, media y alta actividad. Los de baja y media actividad, que en tiempos pretéritos se almacenaban sin ningún cuidado, o eran lanzados simplemente al mar, se encierran en unos contenedores de hormigón y plomo, semejantes a bidones, teóricamente herméticos, y se depositan en una especie de bañeras que se recubren de hormigón y se almacenan en ciertas instalaciones, como El Cabril, en la provincia española de Córdoba. Hay dudas fundadas sobre la viabilidad de estos depósitos, pues debe asegurarse que todo el conjunto esté libre de filtraciones. Sin embargo, más preocupante resulta deshacerse de los residuos de alta actividad; éstos se almacenan, provisionalmente, en instalaciones de la propia central nuclear, en depósitos estancos que deben refrigerarse continuamente para extraer de ellos el calor e impedir su fusión, y se estudia su depósito en minas situadas a gran profundidad, en formaciones geológicas de estabilidad contrastada. Aun en el caso de que éstas se pudieran encontrar y fueran viables, el dilatado período de semidesintegración de estos residuos, en ocasiones superior al millón de años, excede con creces la duración de la vida útil de los recipientes. Una adecuada política de gestión de residuos de alta actividad, a escala internacional, que encuentre soluciones efectivas y seguras es fundamental para impedir que las generaciones futuras -durante milenios- vivan encadenadas a tan peligrosos vecinos.

Tunel de almacén de residuos

Residuos de baja actividad

Para saber más

Para saber menos