Jonathan Tennenbaum*
La energía nuclear, en su forma utilizada actualmente, tiene muchos y variados problemas. Vale la pena recordar brevemente los principales para entender los motivos de los esfuerzos en el desarrollo de nuevos proyectos de reactores nucleares.
1)Los reactores de fisión nuclear generan cantidades considerables de materiales radioactivos, de los cuales los hombres tienen que ser protegidos y cuya liberación en el ambiente debe ser impedida en todas las circunstancias. Un factor que complica las cosas es la naturaleza “confusa” de la misma fisión, que produce decenas de diferentes isotopos radioactivos plasmados en la Tabla periódica -sustancias con propiedades químicas y físicas vastamente diferentes. Lidiar con esto presenta enormes dificultades técnicas, lo que exige instalar múltiples estructuras de contención y blindaje y medidas elaboradas para la manipulación, el transporte y el almacenamiento de los materiales radioactivos. Todo esto aumenta el costo de construcción y operación de las plantas nucleares.
2)La generación de energía en los reactores de fisión depende de las reacciones en cadena de la fisión nuclear, que tiene la tendencia inherente al crecimiento exponencial, lo que exige mecanismos activos y pasivos para limitar la producción de energía e impedir un evento descontrolado. Por razones físicas, es imposible que un reactor de fisión explote como una bomba, pero inclusive una reacción descontrolada lenta puede tener consecuencias desastrosas, como la de la central ucraniana de Chernóbil.
3)El material radioactivo en el núcleo de un reactor de fisión sigue generando enormes cantidades de calor (calor de decaimiento radioactivo) durante días luego de que se “desconecta” la reacción en cadena de la fisión. Ese calor tiene que removerse de alguna forma, por sistemas de enfriamiento activo o pasivo, para evitar el colapso del núcleo del reactor, colapso que tendría consecuencias potencialmente desastrosas.
Por ejemplo, en el momento en el que la planta de Fukushima fue alcanzada por un tsunami de 15 metros en marzo de 2011, los tres reactores en operación ya habían sido desconectados automáticamente, debido al terremoto ocurrido antes. Pero el impacto del tsunami elimino la fuente de alimentación externa y los mismos mecanismos de energía de emergencia de la planta. Una complicada serie de acontecimientos hizo que el enfriamiento eficaz de los núcleos del reactor no pudiera mantenerse, lo que provocó la fusión de los núcleos de los tres reactores.
En consecuencia, una reacción entre el circonio de las barras de combustible rotas y el vapor de agua de enfriamiento generó hidrógeno suficiente para provocar explosiones en las partes superiores del edificio del reactor, con la subsecuente liberación de elementos radioactivos al ambiente.
Por fortuna, los efectos negativos directos en la salud de la población local y regional, debido a la exposición elevada a la radiación -la expectativa de vida a largo plazo, en particular- parecen haber sido muy pequeños. Mucho más graves fueron los efectos del estrés y de las dificultades de la evacuación de emergencia.
4)El ciclo de combustible de las plantas nucleares actuales conlleva un riesgo de proliferación de armas nucleares, asociado a su dependencia a la separación isotópica a gran escala y a la generación de plutonio durante la operación del reactor. El sistema de mecanismos de control internacionales (hechos por el Organismo Internacional de Energía Atómica -por sus siglas en inglés AIEA-) fue creado para resolver este problema. Sin embargo, algunos países no aceptaron los controles, como Corea del Norte, entre otros.
5)Las reservas de uranio que se pueden explotar económicamente, para su uso en los reactores nucleares de agua ligera, son limitadas en cantidad y distribuidas de forma muy desigual por el mundo.
6)Los reactores de agua ligera actuales requieren de combustible de uranio enriquecido. Las plantas de enriquecimiento son caras de construir y muy pocas naciones las poseen.
7)La electricidad producida actualmente por fuentes nucleares no ofrece, en el mejor de los casos, ninguna ventaja decisiva con relación a las plantas termoeléctricas alimentadas con combustibles fósiles convencionales, especialmente cuando los precios de los combustibles son bajos. La decisión de usar la energía nuclear, históricamente, fue motivada por consideraciones estratégicas, relacionadas, en especial, a la seguridad energética, y no solo por razones económicas.
8)Debido a su complejidad y a los elaborados requisitos para obtener su licencia y sus permisos de operación, la construcción de nuevas plantas nucleares requiere de largos plazos de entrega y largos periodos de construcción.
9)Las plantas nucleares emplean en la actualidad unidades de reactores muy grandes, lo que genera costos de capital unitarios extremadamente altos, del orden de entre 5 y 10 mil millones de dólares para una planta de producción de 1 gigawatt (GW). Esto dificulta el financiamiento y pone fuera del alcance a muchos usuarios en potencia, en particular los países pobres.
La lista anterior da una idea de la magnitud del desafío que enfrenta actualmente la energía nuclear.
Nuevos proyectos transformadores
Existen soluciones relativamente buenas para la mayoría de los problemas de la lista arriba mencionada, cuando cada uno de ellos es considerado separadamente. Por ejemplo, es posible construir reactores para los cuales una reacción descontrolada resulta inviable por sus propiedades físicas y técnicas, independientemente de lo que hagan los operadores de la planta y de cualquier daño que pueda ocurrir en la estructura del reactor.
Es posible construir reactores con enfriamiento pasivo embutido con tan solo mecanismos físicos, de modo que se descarte una fusión, aunque todos los sistemas de enfriamiento activos fallen o sean desconectados.
Existen proyectos viables de reactores que producen pocos o ningún isotopo radioactivo de larga duración, y que pueden “quemar” los residuos radioactivos para producir energía.
Existen reactores que no requieren separación isotrópica para producir su combustible y reactores que son prácticamente a prueba de proliferación nuclear.
Existen proyectos de plantas nucleares -pequeños reactores modulares- que exigen tan solo una fracción de la inversión de capital requerida para una de las plantas actuales. Hay formas de reducir bastante los costos de producción de electricidad con energía nuclear.
El gran problema es cómo combinar todas esas ventajas en un solo sistema.
Existen en la actualidad varios proyectos muy modernos de reactores nucleares, ya en varias etapas de construcción, que prometen remediar las desventajas de la energía nuclear convencional, por lo menos en una extensión sustancial: 1) reactores de sal fundida (“molten salt reactors”); 2) reactores de ondas viajantes (“traveling wave reactors”); 3) “Pebble-bed high-temperature reactors”); 4) reactores modulares pequeños. Con el riesgo de parecer un vendedor, no voy a analizar los aspectos problemáticos de esas cuatro opciones e, igualmente, no entrare tampoco en las innumerables variaciones y combinaciones actualmente en estudio.
Física e ingeniería
Antes de tratar de explicar lo que hay de especial en esos cuatro tipos de reactores modernos, debo decir algunas palabras sobre la física básica, con la esperanza de no asustar mucho al lector.
El principal actor de la fisión nuclear es el neutrón. Esta maravillosa partícula es uno de los bloques de construcción de los núcleos atómicos, siendo el otro el protón con carga positiva. Pero cuando se liberan para moverse en el espacio, los neutrones se vuelven poderosos agentes de cambio. Quien pudiera producir un gran número de neutrones seria el rey del mundo nuclear. Por ser neutros eléctricamente, los neutrones pueden penetrar fácilmente en los núcleos de los átomos. Esto puede dar resultados interesantes. Cuál de los dos habrá de ocurrir, dependerá del tipo de núcleo y de la velocidad del neutrón recibido.
Uno de esos resultados es que el núcleo se fragmenta -una fisión nuclear. Con la selección apropiada de núcleos, obtenemos no solo energía, sino también mas neutrones. Si hubiese mas núcleos del tipo apropiado alrededor, podríamos obtener una reacción en cadena auto-sustentable. Esta, claro, es la base de la generación de energía en los reactores de fisión -y también la base del uso de las reacciones de fisión como fuente de neutrones para hacer otras cosas.
El segundo resultado posible de la absorción de un neutrón es que el núcleo se vuelve inestable, pero sin dividirse en fragmentos; en lugar de esto, tarde o temprano, sufre un “decaimiento radioactivo”, y emite una partícula de alta energía (partícula alfa, beta o gama). En caso de decaimiento alfa o beta, obtendremos un isotopo de un elemento diferente -trasmutación.
El potencial de trasmutar núcleos con el uso de neutrones abre enormes posibilidades, de las cuales los reactores nucleares convencionales difícilmente usaron.
Una de ellas es generar más combustible nuclear. La energía nuclear en la actualidad se basa casi enteramente en único combustible: el isotopo de uranio U-235, que representa 0.7 por ciento del uranio natural. Los 99.3 por ciento restantes consisten en U-238, que por razones físicas no soporta una reacción en cadena auto sustentable.
Sin embargo, si tuviésemos neutrones suficientes, podemos trasmutar el U-238 en un excelente combustible nuclear, el plutonio (mas precisamente, el Pu-239), con lo que se aumenta la disponibilidad de recursos para generar energía nuclear en 140 veces.
Podemos genera todavía más combustible nuclear, con la trasmutación del torio en otro isotopo de uranio, el U-233. El U 233 es un excelente combustible, pero su fisión tan solo produce isotopos de vida relativamente corta, lo que reduce bastante el problema de los residuos nucleares. El torio es por lo menos tres veces más abundante en la naturaleza que el uranio.
En segundo lugar, podemos usar neutrones para “quemar” los residuos nucleares. Esto ocurre al trasmutar los isotopos radioactivos en isotopos estables, o por lo menos isotopos de vida útil corta. De pasada, también obtenemos energía extra. La afirmación, frecuentemente repetida, de que los residuos nucleares se deben almacenar por miles de años o más no es verdadera. Por el contrario, algunos reactores en proyecto podrán usa la “basura nuclear” como combustible. Como observara un científico, si enterramos la basura nuclear, más adelante, las gente los explotara como un recurso valioso.
Los principales requisitos para hacer esas cosas son los siguientes:
1)Ser capaz de producir un excedente de neutrones, además del necesario para mantener la reacción de fisión. A esto se le llama en ocasiones “economía de neutrones”. Los neutrones en un reactor se generan constantemente: o son absorbidos o se escapan al exterior.
2)Ser capaz de “ajustar” los neutrones con las energías correctas para los usos deseados. Las reacciones nucleares son gobernadas por varios tipos de fenómenos de resonancia.
“Jugar” con la selección de la mezcla de combustible, del liquido refrigerante, de la composición del núcleo y del diseño geométrico del reactor, nos da un gran margen de maniobra para mejorar la economía de neutrones y modelar el espectro de energías de neutrones para atender nuestras necesidades. Ocurre, por ejemplo, que las reacciones de fisión, en general, ocurren con mucha más eficacia cuando los neutrones quedan más lentos a partir de sus energías originales -una tarea que se puede realizar al hacerlos interactuar con ciertos materiales (los conocidos como moderadores).
El reactor en si es tan solo el corazón de una planta nuclear. El resto del cuerpo de la planta -sus circuitos de refrigeración, trasmisores de calor, bombas, turbinas, sistemas de control, construcción de contención etc. -no es menos importante para la seguridad y, principalmente, para el costo. En las plantas modernas, el mismo reactor representa tan solo cerca de 20 por ciento del costo. Sin embargo, los nuevos tipos de reactores pueden abrir camino para una gran simplificación y reducción de los costos del restante de la planta y de toda la infraestructura necesaria para alimentarla y operarla.
*Doctor en matemáticas, físico, lingüista, ex director de la revista científica alemana Fusión y autor de los libros: Energía nuclear: una tecnología femenina, La economía de los isotopos, Energía nuclear: Dinamo de la reconstrucción económica mundial y Economía física del desarrollo nacional, todos publicados por Capax Dei Editorial.
*MSIa Informa desde Berlín
