Energía nuclear: Del Proyecto Manhattan a la descarbonización

Introducción

La energía nuclear se ha consolidado como un componente clave en la transición hacia fuentes de energía más limpias y sostenibles. A medida que el mundo busca reducir las emisiones de carbono y mitigar el cambio climático, la energía nuclear figura como una alternativa energetica viable para generar electricidad a gran escala sin producir grandes cantidades de dióxido de carbono (CO₂).

En este artículo se exponen los principios básicos, así como los avances y nuevas tendencias tecnológicas en el ámbito de la energía nuclear dentro del sector energético. Se analiza cómo esta fuente de energía se presenta como una alternativa viable para solucionar los problemas energéticos globales en un planeta en proceso de descarbonización.. Además, se proporciona un resumen histórico que abarca los fundamentos que dieron inicio a la generación de electricidad mediante energía nuclear, ofreciendo una comprensión integral de esta fuente como una opción prometedora para el futuro energético.

Historia de la energía nuclear: Proyecto Manhattan

El desarrollo de la energía nuclear tiene sus raíces en la física del siglo XX, con el descubrimiento de la radiactividad y la comprensión de la estructura atómica. El Proyecto Manhattan (en inglés: Manhattan Project)¹, fue un proyecto de investigación y desarrollo llevado a cabo durante la Segunda Guerra Mundial que produjo las primeras armas nucleares durante la Segunda Guerra Mundial, fue un hito importante, ya que condujo al desarrollo de la bomba atómica. Sin embargo, también sentó las bases para las aplicaciones civiles de la energía nuclear.

En la posguerra, la energía nuclear comenzó a ser utilizada con fines civiles, principalmente para la generación de electricidad. En la década de 1950, se construyeron las primeras centrales nucleares comerciales, en aras del bien común para salvar al planeta de consecuencias climáticas catastróficas: incendios forestales masivos, desaparición de glaciares y casquetes polares, entre otros.

A lo largo del tiempo, ha habido incidentes significativos que han moldeado la evolución de la energía nuclear. El accidente de Chernobyl en 1986 y el desastre de Fukushima en 2011 son dos ejemplos que destacaron los riesgos asociados con la energía nuclear y llevaron a cambios en las regulaciones y la percepción pública. A pesar de estos problemas, la energía nuclear ha seguido evolucionando, con avances tecnológicos y medidas de seguridad más rigurosas, que han permitido su uso continuo en la generación de electricidad y otras aplicaciones civiles.

Principios de la energía nuclear

La energía nuclear se basa en la liberación de energía contenida en el núcleo de los átomos. Los dos procesos principales que permiten esta liberación son la fisión y la fusión nuclear. En la fisión nuclear, el núcleo de un átomo pesado, como el uranio o el plutonio, se divide en núcleos más pequeños, liberando una gran cantidad de energía. Este proceso suele ser inducido por neutrones que impactan el núcleo, provocando su división. La reacción en cadena ocurre cuando los neutrones liberados por la fisión impactan otros núcleos, generando más fisión y, consecuentemente, más energía.

Por otro lado, la fusión nuclear implica la combinación de núcleos ligeros, como los del hidrógeno, para formar un núcleo más pesado. Este proceso es el que ocurre en el Sol y en otras estrellas, donde la presión y la temperatura son extremadamente altas. Aunque la fusión tiene un potencial inmenso para generar energía limpia y segura, replicar estas condiciones en la Tierra es un desafío tecnológico que aún está en desarrollo.

En ambos procesos, los neutrones juegan un papel fundamental, en la fisión, son el catalizador de la reacción en cadena, mientras que, en la fusión, se buscan condiciones óptimas para lograr la unión de los núcleos. Estas reacciones generan una cantidad significativa de calor, que luego se convierte en energía eléctrica mediante sistemas de generación convencionales, como turbinas de vapor.

Funcionamiento de una planta nuclear

Una planta nuclear consta de varios componentes clave que permiten la generación de electricidad a partir de la fisión nuclear. El reactor nuclear es donde ocurre la fisión. Está compuesto por el núcleo, las barras de control y el moderador. El calor generado por la fisión se transfiere a un sistema de refrigeración, generalmente agua, que se calienta y se convierte en vapor. Este vapor se dirige a las turbinas, que generan electricidad.

El ciclo del combustible nuclear describe el proceso de producción y utilización del combustible nuclear, así como la gestión de los residuos. Comienza con la extracción y enriquecimiento del uranio para obtener combustible adecuado para la fisión. Una vez utilizado, el combustible gastado se almacena y se procesa para su eliminación segura. El ciclo incluye etapas de reciclaje y disposición final para minimizar el impacto ambiental².

El siguiente video muestra una animación 3D sobre el funcionamiento de una central nuclear. Fuente: Learn from the base.

¿Qué es un reactor nuclear?

Un reactor nuclear es el componente principal de una central nuclear, diseñado para llevar a cabo procesos nucleares, como la fisión, de manera controlada para generar energía. A continuación se presentan los procesos de un reactor nuclear:

1. Generación de calor: El objetivo principal de un reactor nuclear es generar calor mediante la fisión nuclear. Durante este proceso, el núcleo de un átomo pesado, como el uranio o el plutonio, se divide en núcleos más pequeños, liberando una gran cantidad de energía en forma de calor.
2. Moderación y control de la reacción en cadena: En los reactores de fisión, es necesario controlar la reacción en cadena para mantenerla segura y estable. Esto se logra utilizando moderadores, que son materiales que ralentizan los neutrones para facilitar el proceso de fisión, y barras de control, que absorben neutrones para regular la velocidad de la reacción. La moderación y el control son esenciales para evitar que la reacción se vuelva incontrolable.
3. Transmisión de calor para generar electricidad: El calor generado en el reactor se transfiere a un sistema de refrigeración, generalmente agua o gas, que circula alrededor del núcleo del reactor. Este calor se utiliza para convertir el agua en vapor, que a su vez acciona las turbinas para generar electricidad. Este proceso es similar al de las plantas termoeléctricas convencionales, pero con una fuente de calor diferente.
4. Gestión del combustible y residuos: Otra función importante es la gestión del combustible nuclear y los residuos radiactivos generados durante el proceso. Los reactores nucleares están diseñados para maximizar el uso del combustible y minimizar la producción de residuos. La gestión segura de estos residuos es fundamental para la sostenibilidad y aceptación de la energía nuclear.

Tipos de reactores nucleares

Existen varios tipos de reactores nucleares, cada uno con características únicas y aplicaciones específicas. Los más comunes son los reactores de agua ligera, que incluyen los reactores de agua en ebullición (BWR) y los reactores de agua a presión (PWR).

Los reactores BWR (Boiling Water Reactor) utilizan agua como moderador y refrigerante. El agua se calienta hasta el punto de ebullición dentro del reactor, generando vapor que acciona las turbinas para producir electricidad. Una característica de los BWR es que el vapor entra directamente en las turbinas, lo que simplifica el diseño, pero puede aumentar el riesgo de contaminación radiactiva. Los reactores PWR (Pressurized Water Reactor) también utilizan agua como moderador y refrigerante, pero mantienen el agua bajo alta presión para evitar que hierva. El agua caliente se transfiere a un generador de vapor, donde se crea el vapor para accionar las turbinas. Este diseño proporciona mayor seguridad al mantener el refrigerante y el vapor separados.

Existen otros tipos de reactores como los de gas; los cuales, utilizan gases como helio o dióxido de carbono como refrigerante. Ofrecen alta eficiencia térmica y permiten temperaturas de operación más altas. Estos reactores son menos comunes, pero tienen potencial para aplicaciones industriales, y los reactores rápidos, o reactores de neutrones rápidos, no requieren moderador para ralentizar los neutrones, utilizan uranio empobrecido o plutonio como combustible, y tienen la capacidad de “quemar” combustibles nucleares gastados, lo que los convierte en una opción para el reciclaje de combustible.

Cada tipo de reactor tiene ventajas y desventajas, y se elige según factores como la seguridad, la eficiencia y el manejo de residuos. Esta diversidad en el diseño refleja el amplio espectro de aplicaciones y necesidades en el campo de la energía nuclear.

Seguridad nuclear y regulaciones

La seguridad en plantas nucleares es fundamental para proteger a las personas y al medio ambiente de los riesgos asociados con la energía nuclear. Las medidas de seguridad incluyen sistemas de redundancia, contención y control para prevenir y mitigar incidentes. Los reactores nucleares están equipados con múltiples sistemas de seguridad, como barras de control para regular la reacción en cadena, sistemas de refrigeración de respaldo y estructuras de contención para evitar la fuga de material radiactivo.

Las regulaciones internacionales y nacionales desempeñan un papel crucial en la seguridad nuclear. Organismos como la Agencia Internacional de Energía Atómica (AIEA) establecen estándares globales y proporcionan orientación sobre prácticas seguras. A nivel nacional, las autoridades reguladoras supervisan el diseño, la construcción y la operación de las plantas nucleares para garantizar el cumplimiento de las normas de seguridad.

Desastres como Chernobyl en 1986 y Fukushima en 2011 han tenido un impacto significativo en las regulaciones y la percepción pública de la energía nuclear. Chernobyl, con su explosión y liberación masiva de material radiactivo, resaltó la importancia de un diseño seguro y el entrenamiento del personal. Fukushima, causado por un terremoto y tsunami, subrayó la necesidad de tener sistemas de respaldo robustos y planes de emergencia eficaces.

Ambos desastres llevaron a la implementación de regulaciones más estrictas y a un escrutinio riguroso de las prácticas de seguridad en todo el mundo. Como resultado, las plantas nucleares de hoy tienen estándares de seguridad mucho más altos, con un enfoque en la prevención de accidentes y la minimización del riesgo para las personas y el medio ambiente.

Ventajas y desventajas de la energía nuclear

La energía nuclear tiene ventajas notables que la hacen atractiva como fuente de energía. Una de las principales es su alta densidad energética. Un pequeño volumen de combustible nuclear puede generar una gran cantidad de energía, mucho más que los combustibles fósiles como el carbón o el gas natural. Otra ventaja es la baja emisión de dióxido de carbono (CO₂). Las plantas nucleares no emiten gases de efecto invernadero durante la generación de electricidad, lo que las convierte en una opción favorable para reducir el impacto climático.

Además, la producción continua es un beneficio clave. A diferencia de las fuentes de energía renovable, como la solar o la eólica, que son intermitentes, la energía nuclear puede producir electricidad de manera constante, lo que contribuye a la estabilidad de la red eléctrica.

Sin embargo, también existen desventajas. La gestión de residuos nucleares es un desafío importante. Los residuos radiactivos generados durante el proceso de fisión requieren un almacenamiento y disposición seguros, lo que implica costos y preocupaciones a largo plazo. Otro problema es el riesgo de accidentes nucleares, que, aunque poco frecuentes, pueden tener consecuencias catastróficas, como se vio en Chernobyl y Fukushima.

En comparación con otras fuentes de energía, la energía nuclear se sitúa entre las más eficientes en términos de producción y emisiones, pero enfrenta retos en cuanto a seguridad y gestión de residuos.

Avances y tendencias en energía nuclear

En las últimas décadas, la energía nuclear ha experimentado avances significativos y se ha adaptado a las demandas cambiantes del sector energético global. Uno de los desarrollos más destacados es la evolución de los reactores de cuarta generación, diseñados para ser más seguros, eficientes y sostenibles que sus predecesores. Estos reactores están diseñados para utilizar el combustible nuclear de manera más eficiente, disminuir la cantidad de residuos radiactivos y minimizar el riesgo de accidentes.

El futuro de la energía de fisión: el primer reactor nuclear SMR

Actualmente, uno de los desarrollos más notables es el de los reactores modulares pequeños (SMR, por sus siglas en inglés). Estos reactores son más compactos y se pueden fabricar en serie, lo que reduce costos y tiempos de construcción. Los SMR también ofrecen flexibilidad, ya que se pueden instalar en ubicaciones más pequeñas y se adaptan a diversas aplicaciones.

La tecnología de los pequeños reactores modulares ofrece una opción descentralizada y de menor escala para la generación de energía nuclear. Las empresas eléctricas estadounidenses ya cuentan con tecnología de reactores nucleares de fisión SMR con tecnología Nuscalepower³, con un diseño modular y compacto, diseñados de acuerdo con los principios y los requisitos establecidos para los equipos de fisión nuclear de cuarta generación.

En zonas que carecen de suficientes líneas de transmisión y capacidad de red los SMR pueden instalarse en una red existente o en una ubicación remota sin conexión a la red, debido a su menor producción eléctrica, y proporcionar energía con bajas emisiones de carbono para la industria y la población. Esto es especialmente pertinente para los microrreactores, que son un subconjunto de los SMR diseñados para generar energía eléctrica en general hasta 10 MW(e).

Los microrreactores SMR ocupan menos espacio y son más adecuados para regiones que no tienen acceso a energía limpia, fiable y asequible. Además, los microrreactores podrían servir de reserva de suministro de energía en situaciones de emergencia o reemplazar generadores de electricidad que a menudo funcionan con diésel, por ejemplo, en comunidades rurales o empresas alejadas.

El proyecto de fusión nuclear ITER

Las investigaciones en fusión nuclear también están avanzando, con proyectos como ITER que buscan replicar el proceso de generación de energía del sol, prometiendo una fuente de energía prácticamente ilimitada y sin emisiones de carbono. Estas tendencias subrayan el potencial de la energía nuclear para desempeñar un papel crucial en la transición hacia un sistema energético más limpio y resiliente.

Los proyectos de fusión nuclear como ITER (Reactor Experimental Termonuclear Internacional), en Francia, con expectativas de alcanzar resultados significativos en la próxima década. Este proyecto cuenta con la participación de 35 paises para construir el dispositivo de fusión magnética (Tokamak)⁴, más grande del mundo diseñado para demostrar la viabilidad de la fusión como fuente de energía a gran escala y libre de emisiones de carbono, basándose en el mismo principio por el cual el sol y las estrellas generan su energía.

La cantidad de energía que puede producir un Tokamak es el resultado directo del número de reacciones de fusión que se producen en su núcleo. Los científicos han demostrado que cuanto más grande es el núcleo, mayor es el volumen del plasma, y por lo tanto, mayor será el potencial de la energía de fusión.

La integración de la energía nuclear en la transición energética es otra tendencia importante. A medida que las naciones buscan reducir sus emisiones de carbono, la energía nuclear se está viendo como un complemento a las fuentes renovables. Su capacidad para generar energía de manera continua la convierte en una fuente potencial para estabilizar la red eléctrica y satisfacer la demanda en tiempos de baja producción de fuentes renovables.

Estos avances y tendencias sugieren que la energía nuclear continuará desempeñando un papel relevante en el futuro energético, con un enfoque en la innovación, la seguridad y la sostenibilidad.

Conclusiones

La energía nuclear se presenta como una opción valiosa en la transición hacia energía más limpias; a medida que el mundo busca reducir las emisiones de carbono y avanzar hacia la sostenibilidad, esta fuente representa una alternativa clave en la matriz energética del futuro; sin embargo, también enfrenta desafíos significativos, como la gestión de residuos radiactivos y el riesgo de accidentes.

El Proyecto Manhattan y los desastres de Chernobyl y Fukushima recuerdan la importancia de la seguridad y las regulaciones rigurosas. A pesar de estos riesgos, los avances tecnológicos, como los reactores modulares pequeños y los proyectos de fusión nuclear, están abriendo nuevas posibilidades para la energía nuclear.

El futuro de la energía nuclear parece prometedor, siempre y cuando se aborden adecuadamente los problemas de seguridad y se mantenga un enfoque en la sostenibilidad, ayudando a las naciones a alcanzar sus objetivos de descarbonización. Con una regulación adecuada y un compromiso con la innovación, la energía nuclear puede convertirse en un aliado en la lucha contra el cambio climático.

Referencias

1. Scientific American; “What Was the Manhattan Project?; July 21, 2023; https://www.scientificamerican.com/article/what-was-the-manhattan-project/
2. https://nuclear.engie-electrabel.be/en/nuclear-energy/how-does-nuclear-power-plant-work
3. Nuscalepower; “VOYGR Power Plants”; https://www.nuscalepower.com/en/products/voygr-smr-plants
4. https://www.iter.org/mach/Tokamak