www.explicame.org - Explicame: Energia Nuclear

Con los precios del petróleo arriba de USD$130/barril, todo el mundo está investigando métodos alternos para generar energía. Uno de ellos ha existido desde hace mas de 50 años. La energía nuclear produce electricidad a través de reacciones a nivel atómico. En su forma mas básica, una planta nuclear no es más que una máquina de vapor moderna: genera calor en grandes cantidades, calienta agua para convertirla en vapor, y utiliza este vapor a alta presión para mover turbinas, las cuales a su vez generan electricidad.

En este artículo, hablaremos un poco sobre la historia de la energía nuclear, cuáles son sus ventajas y desventajas, haremos comparaciones con metodos "renovables" de generación, y explicaremos en detalle cómo funciona una planta nuclear. Finalmente, exploraremos el futuro de la energía nuclear, tomando en cuenta los aspectos políticos, económicos, y las barreras que deben vencerse para lograr una mayor aceptación de esta a nivel mundial.

La energía nuclear se genera en grandes reactores, donde se utiliza la radioactividad del uranio para generar grandes cantidades de calor. Esto a su vez genera vapor de agua, y este vapor se utiliza para darle vuelta a grandes turbinas que generan electricidad, similar a las turbinas utilizadas en hidroeléctricas. A diferencia de las plantas de gas natural y carbón, las plantas de energía nuclear solo usan como combustible pequeñas cantidades de uranio, y no contaminan el medio ambiente. Aunque usualmente se usa en plantas de generación eléctrica, también es utilizada como medio de propulsión para submarinos y barcos de guerra.

La energía nuclear utiliza un proceso llamado fisión, utilizando el isótopo U-235 de uranio, el cual no es más que un átomo de uranio con peso atómico de 235. El 99.3% del uranio es 3 unidades mas pesado (U-238), pero este no es capaz de mantener la fisión nuclear por si solo. Un solo kilogramo de uranio natural, el cual contiene menos de 1% de U-235, puede generar la misma cantidad de energía que 10 toneladas de antracita, un carbón de alto contenido energético.

A pesar que tiene mala reputación, debido a su percibida relación con bombas nucleares, los reactores nucleares generan energía limpia, constante, de forma segura y a un bajo costo. Países como Francia y Japón obtienen la mayor parte de su energía eléctrica de esta manera. De hecho, a nivel mundial, mas del 15% de la energía eléctrica es generada por reactores nucleares. Todo esto, combinado con los altos precios actuales del petróleo y gas natural, propician que en el futuro la energía nuclear sea una de las mejores alternativas de la humanidad para generar energía.

A continuación, haremos una breve reseña de la historia de la energía nuclear, y también explicaremos su funcionamiento en detalle.

La fuerza del átomo se comenzó a utilizar como fuente de energía en 1951, en una estación experimental en Idaho, en Estados Unidos. Este primer reactor nuclear inicialmente generó 100KW (miles de watts) de energía eléctrica. Aunque se comenzaron estudios para comercializar esta tecnología, no fue sino hasta 1954 cuando la Unión Soviética puso en funcionamiento una planta de generación eléctrica por medio de fisión atómica, la cual generaba 5MW (millones de watts) de energía. Esta no se considera viable comercialmente, ya que era subsidiada por el gobierno soviético. La primera planta nuclear comercialmente viable se inauguró en Inglaterra en 1956, la cual producía 50MW . La primera planta de energía nuclear en los Estados Unidos se instaló en Pennsylvania en 1957.

A nivel mundial, se instalaron plantas nucleares en varios países desarrollados, pero después del desastre nuclear de Chernobyl en 1986, la construcción de nuevas plantas nucleares se estancó. Aunque Chernobyl fue la razón principal, la viabilidad económica tampoco era muy buena, ya que el barril de petróleo estaba a precios bajísimos.

No es sino hasta los ultimos años que se ha revivido un interés en las plantas nucleares, no solo debido a los elevados costos del petróleo, sino también por los problemas de calentamiento global y contaminación del medio ambiente. Además de esto, se han hecho grandes avances en materia de seguridad y tecnología, lo cual evitaría desastres como el de Chernobyl. Todo esto ha hecho que los países vean de nuevo con buenos ojos la construcción de plantas nucleares.

A continuación, explicaremos en detalle el funcionamiento interno de un reactor nuclear, así como sus diferentes componentes.

Un reactor nuclear, a pesar de ser tecnológicamente muy avanzado, funciona bajo un sencillo principio: Generar grandes cantidades de calor, calentar agua hasta producir vapor a alta presión, y utilizarlo para mover un generador eléctrico. Este es el mismo principio básico que utilizan las hidroeléctricas para generar electricidad. La principal diferencia estriba en que la hidroeléctrica obtiene la presión del agua con gravedad, mientras que el reactor nuclear la obtiene produciendo vapor de agua.

El calor en un reactor nuclear se genera por la fisión del uranio U-235 en otros componentes. La fisión no es más que el proceso de partir el núcleo del átomo en átomos más livianos, y algunos neutrones sueltos. Un detalle importante es que este proceso es altamente exotérmico, o sea que genera calor. Para comparación, un solo evento de fisión (un átomo de U-285 partiéndose) genera aproximadamente 200,000,000 de eV (electron-Volts) de energía. Un proceso de oxidación química normal, tal como quemar carbón o gasolina, apenas genera menos de 20 eV de energía por evento. De esta manera, vemos que las reacciones nucleares son por lo menos diez millones de veces más eficientes que cualquier combustible químico. En un reactor nuclear, esta energía se genera en forma de radiación electromagnética y rayos gamma. Esta radiación genera una reacción en cadena causada por el exceso de neutrones que se desprenden de previos eventos de fisión, y se controla con grandes barras de grafito. Estas barras de grafito disminuyen la velocidad de los neutrones sueltos, lo que les permite actuar como agentes de control dentro del reactor. Finalmente, y esta es la parte más importante, gran parte de la radiación se convierte en calor al hacerla chocar con los átomos de agua, que se encuentra en los tubos de enfriamiento que rodean al reactor.

Como residuos secundarios, en los reactores nucleares van quedando otros elementos pesados, tales como plutonio, curio y otros, que a su vez son radioactivos, pero ya no son útiles como combustible nuclear. Esto es lo que se conoce como deshechos nucleares, y lo discutiremos más adelante.

En la siguiente sección, hablaremos de los componentes que existen dentro de un reactor nuclear, y como colaboran para obtener energía eléctrica constante y limpia partiendo de uranio radioactivo.

Un reactor nuclear con uranio es el elemento principal dentro de una planta nuclear, pero no es el único. Hay muchos otros elementos que contribuyen para que la planta nuclear pueda generar energía eléctrica de manera continua y segura. A continuación listaremos estos componentes, y su función:

El moderador de neutrones rodea a los pellets de uranio. Su función es desacelerar los neutrones que acaban de generarse por fusión. Estos neutrones van demasiado rápido para que sean útiles en el proceso de fisión. Debido a esto, usualmente se utiliza agua o grafito para desacelerar estos neutrones (de un 10% de la velocidad de la luz, a unos cuantos kilometros por segundo), de tal manera que colaboren a la reacción en cadena. Este moderador también sirve como un desacelerante, en caso se necesite "apagar" el reactor. Para esto, los operadores de una planta nuclear controlan grandes barras de grafito sólido dentro del reactor, para mantenerlo al nivel de calor deseado.

El refrigerante es un líquido que fluye a traves de tubos rodeando el reactor, absorbiendo el calor generado. Aunque casi siempre se utiliza agua, en algunos casos se utiliza metal liquido, tal como sodio o potasio, para poder manejar temperaturas más altas. Al calentarse este refrigerante, se genera vapor (de agua, sodio o potasio, según sea el caso), y este vapor se transporta donde se encuentran las turbinas de generación.

Despues de haber sido utilizado por las turbinas, el vapor debe condensarse de nuevo, convertirlo en agua, sodio o potasio de nuevo, para volver a ser bombeado hacia el reactor. Para condensarlo, se utilizan grandes cantidades de agua fría, que usualmente se extraen de un cuerpo de agua contiguo a la planta nuclear (un lago o río). Esta agua nunca entra en contacto con el vapor radioactivo que proviene del reactor, por lo que es segura para volver a regresarla a la naturaleza. Pero, antes de regresarla, hay que enfriarla de nuevo a temperatura ambiente, o podria afectar la fauna y flora del area.

Las torres de enfriamiento son las que se encargan de enfriar el agua, antes de ser regresada a la naturaleza. Estas son las grandes torres que usualmente se pueden ver en fotos, con nubes de vapor escapando a la atmósfera por la parte superior. Cabe mencionar que esto no es mas que vapor de agua generada por el enfriamiento. Este vapor no es radioactivo ni dañino para el medio ambiente o seres humanos.

En la siguiente sección, hablaremos un poco sobre las desventajas que tiene la generación de energía nuclear.

La generación de electricidad por medio de reactores nucleares tiene bastantes ventajas:

Predecible - A diferencia de otras tecnologías como energía solar o eólica, los reactores nucleares pueden funcionar de forma confiable y segura 24 horas al día, y no dependen del sol o del viento.
Eficiente - Un reactor nuclear puede funcionar perfectamente durante un año completo con unas cuantas toneladas de material radioactivo como combustible. Una planta de carbón o búnker, sin embargo, necesita cientos de miles de toneladas de combustible al año, lo cual incurre en gastos de transporte y contaminación adicional. A largo plazo, el costo por kilovatio/hora de electricidad es significativamente más barato q
Limpia - Durante el proceso de generación de electricidad, lo único que el reactor nuclear expele es vapor de agua, a traves de las grandes torres de enfriamiento. Este vapor no es radioactivo ni tiene químicos dañinos, y eventualmente se condensa de nuevo en agua pura. Esto es muy diferente a una planta normal de generación eléctrica, donde constantemente se queman grandes cantidades de carbón, búnker o gas natural, lo que produce humo y contaminación en la atmósfera.
Segura - Aunque la palabra "nuclear" evoca imágenes de bombas y guerra, un reactor nuclear es muy diferente a una bomba atómica. Están diseñados de manera que se pueden desactivar automáticamente cuando existan situaciones de peligro, tienen una combinación de material radioactivo mucho más seguro, y nunca podría explotar por sí solo. Además, están construídos de tal manera que pueden aguantar incluso el choque de un avion en la estructura principal, sin daños significativos al reactor central.

Deshechos nucleares - Un reactor nuclear grande puede llegar a producir entre 25 y 30 toneladas de material radioactivo cada año. En su mayoría, este material es uranio que ya se no utilizará, asi como también derivados del proceso de fisión, en su mayoría plutonio y curio. Estos materiales son altamente radioactivos, y usualmente mantienen una temperatura elevada. Estos deshechos radioactivos emiten particulas y rayos electromagnéticos que son dañinos para el ser humano, animales y plantas.
Costo - Construir un reactor nuclear tiene un precio elevado. Solo la construcción inicial puede llegar a costar mas de USD $5,000M. A largo plazo, es más barato generar energía eléctrica con plantas nucleares, pero los costos iniciales son considerables. Esta desventaja disminuye considerablemente al subir de precio el petróleo.
Percepción - Más de 60 años después de los bombardeos de Hiroshima y Nagasaki, la palabra "nuclear" aún tiene una connotación negativa para la mayoría de personas. Esto, junto con las desventajas dadas anteriormente, hace que haya muy poco apoyo público para construir más plantas nucleares. En Estados Unidos, por ejemplo, hace más de 20 años que no se construye una sola planta nuclear.

De las desventajas mencionadas, la única que es un problema significativo son los deshechos nucleares. Aun así, después de 40 años, la gran mayoria de deshechos emite solo una milésima parte de la radioactividad original, por lo que una de las mejores soluciones es simplemente guardar los deshechos de forma segura, y esperar a que bajen sus niveles de radioactividad.

Estos deshechos usualmente se almacenan en las mismas plantas nucleares, en grandes depositos blindados subterráneos, rodeados de agua. Esto permite reducir la temperatura del material radioactivo, y permite que el material se vuelva menos peligroso con el pasar de los años. Al tiempo, estos deshechos se pasan a contenedores secos, usualmente grandes toneles hechos de varias capas de concreto y acero, rodeando el material radioactivo. Estos toneles usualmente miden 5 metros de alto y 2 metros de diámetro, y pueden ser trasladados a lugares especificos para almacenar deshechos nucleares. Estas son usualmente grandes depósitos subterráneos donde se depositan estos toneles, y al llenarse la capacidad de almacenamiento, se sellan con toneladas de concreto, para que sea imposible su extracción en el futuro.

En la siguiente sección, hablaremos un poco del futuro de la energía nuclear, nuevas tendencias, y links para más información en internet.

Por primera vez en varias décadas, y debido al precio altísimo del petróleo, ha resurgido el interés por construir nuevas plantas nucleares. En Estados Unidos, las empresas privadas están solicitando permisos para construir plantas nucleares nuevas, en vez de plantas de carbón y/o bunker. Junto con avances en tecnología nuclear y seguridad durante los últimos 20 años, es muy factible que en los siguientes años, veamos una gran ola de construcción de plantas nucleares en los países industrializados, tal y como lo han hecho países como Francia y Japón.

Al mismo tiempo, nuevos métodos de construcción y transporte de los reactores nucleares (tales como reactores auto-contenidos), permitirán a países con pocos recursos a aprovechar las bondades de los reactores nucleares, sin gran parte de los costos elevados y/o problemas de seguridad y deshechos radioactivos, ya que estos reactores serán reciclables (ver link al final de esta página, y la grafica a continuación)

Toda esta actividad disminuirá poco a poco la connotación negativa del público sobre la energía nuclear, al reconocer que es un medio confiable y seguro para generar electricidad, y cuyas pocas desventajas pueden ser disminuidas con mínimo esfuerzo.

Espero que hayas aprendido bastante con este artículo, y te invitamos a que sigas aprendiendo e informándote en nuestro sitio, Explicame.

Información Adicional (mucho de este material está disponible solamente en inglés):