El latido controlado de un corazón de uranio: así funciona una central nuclear

Cuando William Herschel descubrió Urano, no sabía que su hazaña acabaría protagonizando una revolución energética. Era el primer planeta del sistema solar que realmente se descubría, ya que los seis planetas clásicos (Mercurio, Venus, la Tierra, Marte, Júpiter y Saturno) siempre habían estado ahí, reconocibles a simple vista. Así que el hallazgo de este organista aficionado a la astronomía causó un importante revuelo científico en 1781.

Por eso, cuando ocho años más tarde, el químico alemán Martin Heinrich Klaproth descubrió un nuevo metal pesado en su laboratorio no lo dudó: lo bautizaría en honor al séptimo planeta. Lo llamaría uranio. Todavía no lo sabía, pero aquel elemento casi 19 veces más denso que el agua tenía varios isótopos (átomos con el mismo número de protones en el núcleo, pero un número diferente de neutrones). Uno de ellos, el uranio-235, acabaría siendo la pieza clave del desarrollo de la energía nuclear 150 años más tarde.

¿Cómo funcionan las centrales nucleares?

“En la naturaleza encontramos esencialmente dos isótopos del uranio. La mayor parte es uranio-238, que representa el 99,27 % del total. El 0,72 % restante es uranio-235. Este último es el isótopo fisible, el útil para producir energía, y también el que está en menos proporción en la naturaleza”, explica Alfredo García, supervisor de la central nuclear de Ascó, en Tarragona (España), y más conocido por su faceta divulgadora bajo el nombre de Operador Nuclear.
El núcleo de un átomo de uranio-235 está formado por 92 protones y 143 neutrones. Cuando captura un neutrón en movimiento, se divide en dos. En este proceso de fisión libera algo de energía y se desprende de dos o tres neutrones adicionales. Como señalan desde la Asociación Nuclear Mundial, si los neutrones expulsados hacen que otros átomos de uranio-235 se dividan, se puede lograr una reacción en cadena que libere una gran cantidad de calor. Este es el proceso que, a grandes rasgos, ocurre dentro de un reactor nuclear.

Estos reactores son el elemento principal de una central nuclear. En ellos se aloja el combustible nuclear (uranio, normalmente) y cuentan con sistemas que permiten mantener controlada la reacción de fisión nuclear. A partir de aquí, el resto del proceso para generar energía eléctrica no difiere mucho del de una central térmica. Tal como explican desde el Foro de la Industria Nuclear Española, la energía liberada en la fisión se usa para calentar agua y generar vapor que hace girar una turbina conectada a un generador.

En el interior de un reactor

En el reactor nuclear, todo está diseñado con un único objetivo: mantener la reacción de fisión bajo control y en condiciones de máxima seguridad. De hecho, a pesar de accidentes como el de Chernobyl o, más recientemente, Fukushima, la nuclear es, junto a las energías renovables, la fuente de energía más segura. Por cada teravatio-hora producido, las centrales nucleares causan 0,07 muertes derivadas de accidentes y contaminación. Con el petróleo, esa cifra es de 18,4. Con el carbón, de hasta 32,7, según datos recogidos por la Universidad de Oxford.

En seguridad nuclear se aplica el concepto de defensa en profundidad. “Su objetivo es interponer barreras físicas y niveles de seguridad entre los productos radiactivos de la fisión nuclear y el medioambiente”, explica Alfredo García. “Las tres barreras físicas son: las vainas que alojan las pastillas de óxido de uranio, el circuito primario cerrado y el edificio de contención”. Cada barrera está protegida a su vez por varios niveles de seguridad.

“Estos niveles son: diseño y construcción sólidos para prevenir accidentes, sistemas de control para mantener el funcionamiento dentro de las condiciones de operación normales, sistemas de seguridad para hacer frente a incidentes y accidentes, técnicas para el control y mitigación de accidentes severos con daño al núcleo, y planes de emergencia para aplicar medidas de protección a las personas”, añade Operador Nuclear. “Todos los sistemas de seguridad están como mínimo duplicados y sus funciones están cubiertas por otros sistemas también duplicados”.

Hacia las nuevas generaciones de centrales

El 10 % de la energía eléctrica consumida en el mundo se produce en alguna de las 436 centrales nucleares en funcionamiento, según los datos de la Asociación Nuclear Mundial, actualizados a diciembre de 2021. La inmensa mayoría están refrigeradas por agua. Es decir, el agua es el elemento que modera la reacción de fisión y extrae el calor generado por la misma para producir electricidad. Dentro de los reactores de agua, existen también varios tipos (los más comunes son el reactor de agua a presión y el de agua en ebullición).

“El diseño de los reactores actuales de segunda y tercera generación solo permite fisionar uranio-235 y un poco de plutonio-239, que se genera por captura de neutrones del uranio-238, que no es fisible. Teniendo en cuenta que la proporción de U-235 en el uranio enriquecido que usan las centrales es de entre el 3 y el 5%, es fácil deducir que el reactor solo extrae el 5% de la energía del combustible”, explica Alfredo García.

Pero los reactores de cuarta generación están dejando atrás el agua como elemento refrigerante, por lo que permiten aprovechar mucho mejor los combustibles. Por ejemplo, los refrigerados por metales líquidos pueden convertir todo el uranio-238 en plutonio-239 y extraer cerca del 100% de toda la energía del combustible. En la actualidad, solo existen dos de estos reactores en uso: ambos en la planta nuclear de Beloyarsk, en Rusia.

“Se están desarrollando más tipos de reactores de cuarta generación. Uno de ellos es el de Terrapower, la empresa de Bill Gates, que está desarrollando un reactor refrigerado por sodio, como el BN-800 ruso, que aprovecha más el combustible y es más seguro”, continúa Operador Nuclear. “Al mismo tiempo, se están desarrollando pequeños reactores modulares. Ya hay un total de 72 diseños repartidos por el mundo que permiten generar energía en islas y en lugares remotos”.

¿Qué queda después de la energía?

En todas las centrales nucleares en uso, el combustible debe renovarse cada cierto tiempo. Los residuos resultantes mantienen su radiactividad durante largos periodos, por lo que deben ser almacenados con seguridad. Desde que la primera central entró en funcionamiento en 1954, se han generado 390.000 toneladas de combustible nuclear gastado, dos tercios de las cuales permanecen almacenadas, según el Organismos Internacional de la Energía Atómica (AIEA).

Esto significa que todos los residuos de centrales nucleares producidos a lo largo de la historia caben en un cubo de unos 30 metros de lado. Además, solo una pequeña parte son residuos de alta actividad, con períodos de semidesintegración superiores a 30 años, lo que significa que pueden permanecer activos durante cientos o miles de años. “Existe un amplio consenso científico sobre la solución final para los residuos radiactivos: el almacenamiento geológico profundo en lugares que han permanecido geológicamente estables durante millones de años”, explica García. “Es lo que está haciendo Finlandia, construyendo su almacén a 500 metros de profundidad, y es lo que va a hacer Suecia”.

Mientras la gestión de los residuos supone ciertos desafíos, existe otro subproducto de muchas fuentes de energía que brilla por su ausencia en la nuclear: los gases de efecto invernadero causantes del cambio climático. Según la AIEA, con la cantidad de uranio que cabe en el volumen de un huevo de gallina se genera la electricidad necesaria para la vida media de una persona. Hay que quemar 88 toneladas de carbón para lograr lo mismo. Las únicas emisiones que genera la energía nuclear están ligadas a la minería y el procesamiento de uranio, ya que durante la fisión no se produce CO2.