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.

¿Qué es la fisión nuclear y cómo genera energía eléctrica?

La fisión nuclear es un proceso físico en el que el núcleo de un átomo pesado (como el uranio-235 o el plutonio-239) se divide en dos núcleos más pequeños al ser impactado, normalmente, por un neutrón.

Ese proceso tiene tres efectos clave:

1. Liberación de energía Parte de la masa del núcleo se transforma en energía, produciendo una gran cantidad de calor.
2. Emisión de neutrones adicionales Al romperse el núcleo, se liberan más neutrones, que pueden provocar nuevas fisiones.
3. Reacción en cadena.

“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.

¿Cómo funciona una central nuclear y qué ocurre en el reactor?

Una central nuclear es una instalación industrial que genera electricidad utilizando la energía liberada en la fisión nuclear. Los 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.

De manera resumida, una central nuclear funciona así:

• Reactor nuclear Contiene combustible (uranio o plutonio). Allí ocurre la fisión controlada, liberando calor.
• Sistema de refrigeración Un fluido (normalmente agua) absorbe ese calor y se calienta.
• Generación de vapor El calor convierte agua en vapor a alta presión.
• Turbina El vapor mueve una turbina.
• Generador eléctrico La turbina está conectada a un generador que produce electricidad.
• Condensador El vapor se enfría, vuelve a ser agua y el ciclo se repite.

¿Cómo se controla la seguridad en una central nuclear?

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 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”.

Qué tipos de reactores nucleares existen

Según datos de la Asociación Nuclear Mundial, El 9% de la energía eléctrica consumida en el mundo se produce a través de alguno de los 440 reactores nucleares en funcionamiento. 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.
• El reactor 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 residuos genera una central nuclear y cómo se gestionan?

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. Según el Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA), el inventario mundial de combustible nuclear gastado que permanece almacenado asciende a más de 300.000 toneladas de metal pesado, y se continúa acumulando a un ritmo de aproximadamente 7.000 toneladas por año.

“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 dióxido de carbono (CO2).

Preguntas frecuentes sobre cómo funciona una central nuclear

¿Cómo funciona una central nuclear?

Una central nuclear genera electricidad mediante la fisión del uranio en un reactor, donde el calor producido convierte agua en vapor que mueve una turbina conectada a un generador.

¿Qué es la fisión nuclear?

Es el proceso por el cual el núcleo de un átomo pesado, como el uranio-235, se divide en dos, liberando energía y neutrones que pueden provocar nuevas reacciones en cadena.

¿Son seguras las centrales nucleares?

Las centrales nucleares cuentan con múltiples sistemas de seguridad y barreras físicas diseñadas para evitar la liberación de material radiactivo y minimizar riesgos.

¿Qué residuos genera una central nuclear?

Genera residuos radiactivos que deben almacenarse de forma segura durante largos periodos, generalmente en instalaciones geológicas profundas.

¿La energía nuclear emite CO2?

No emite CO2 durante la generación eléctrica, aunque sí existen emisiones indirectas asociadas a la minería y procesamiento del uranio.