La energía nuclear: fisión y fusión nuclear. ¿Hay

La energía nuclear: fisión y fusión nuclear. ¿Hay
esperanza?
Cuando mi hijo menor tenía 9 años estaba convencido, por lo
que leía en cómics y revistas para niños, que en el año 2000
los coches irían volando por las ciudades y habría avances
técnicos y en medicina espectaculares. Conforme avanzaba el
tiempo iba desengañándose y se sentía frustrado. Algo así ha
pasado con la energía nuclear, tanto de fisión como de fusión.
El debate sobre la energía nuclear suele ocupar muchas
páginas de los diarios, revistas, programas de televisión y
artículos en Internet. No está demás repasar en qué consiste
la energía nuclear, las posibles formas de obtener energía
para que puede ser consumida por la industria y la población,
el presente y futuro de la energía nuclear, los costes de
producción y ecológicos y, por encima de todo esto,
contraponer la realidad, siempre menos optimista, a la ficción,
que tantas veces se suele verter en revistas y prensa no
especializada.
Conviene recordar qué se entiende por energía nuclear y, en
concreto, qué fuentes de energía nuclear se utilizan o se
espera emplear en el futuro. Hay dos formas básicas de
obtener energía nuclear. Una consiste en “romper” un núcleo
pesado (tras la captura de un neutrón lento se vuelve muy
inestable) originando dos núcleos de masas más ligeras y
neutrones; se trata de la “fisión nuclear”. Otra, consiste en
hacer colisionar dos núcleos muy ligeros y fundirlos en otro
más pesado, se conoce como “fusión nuclear”. Revisaremos
en ambos casos el presente y futuro como fuentes de energía.
En los dos tipos de reacciones, la suma de las masas de los
productos resultantes (¡medidas en reposo!) es menor que la
de los núcleos y partículas iniciales; sólo que los núcleos y
partículas resultantes se mueven a enormes velocidades. De
modo que, si a la masa en reposo se le suma la energía que
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tienen, se obtendrá la masa del núcleo inicial. Esta velocidad
increíble es energía cinética que puede aprovecharse en
aumentar la temperatura de un refrigerante y éste puede
calentar el agua de un circuito exterior, cuyo vapor moverá
una turbina que producirá la deseada energía eléctrica.
En la actualidad se obtiene el 8 % de las necesidades
energéticas mundiales de centrales nucleares de uranio235,
donde tiene lugar la fisión nuclear. El proceso que ocurre en
ellas es bien conocido: cuando los núcleos de U235 capturan
un neutrón lento, se vuelven muy inestables (U236) y se
rompen o “fisionan”, dando lugar a otros dos núcleos de
menor masa (por ejemplo, bario y kriptón) y 2 o tres
neutrones, n, que continuarán el proceso de ruptura de otros
núcleos de U235.
235
U
El proceso se
0n
puede simplificar 1
así,
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n(lento) + U235  U236  Ba138 + Kr96 +3n
Como
ya
se
ha
U
indicado, la suma de
las masas en reposo de
los
productos
son
menores que la inicial,
por lo que ese “defecto”
de
masa
está
precisamente en la
energía cinética con que salen. El esquema de una central
nuclear está representado en la figura 2.
5
Claro que no es oro todo lo que reluce, porque obtener
energía del U-235 no es nada fácil. Para empezar hay que
señalar que el uranio natural contiene un 99'27 % de U238, el
cual no se puede fisionar, y el fisionable es el U235, que es un
0,71% del uranio que se encuentra en la naturaleza. Por ello
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se requieren grandes cantidades de mineral para separar una
masa significativa de U235. Además, el proceso de
separación del U235 mezclado con el U238 (ambos tienen las
mismas propiedades químicas) es muy costoso porque sólo
difieren en la masa, por lo que su separación se efectúa de
forma, digamos, mecánica en ciertos compuestos de uranio.
Por ejemplo, el hexafluoruro de uranio235 tiene algo mayor
velocidad de difusión a través de membranas “porosas” que el
hexafluoruro de uranio238. También pueden separarse por
centrifugación (más que separarlos totalmente, lo que se hace
es obtener uranio con un porcentaje de 4 % en U235), el más
ligero se quedará más cerca del centro de giro que el más
pesado. Por si fuera poco, el precio del uranio se ha
quintuplicado en pocos años y se calcula que solamente hay
reservas para un máximo de 5 o 6 décadas
Además existen otros inconvenientes, tanto económicos como
ecológicos. Entre los económicos, hay que señalar el coste de
las instalaciones, muy superiores al de cualquier producción
de energía eléctrica fósil, o algunas renovables como la
hidroeléctrica o la eólica. Hay que sumar el coste del
desmantelamiento de una central nuclear antigua, que se ha
quedado obsoleta o cuya seguridad no se puede “garantizar”,
cuesta unos cientos de millones de euros. Por ejemplo, la
central Vandellós I, que tuvo un grave accidente, ha costado
570 millones hasta finales de 2010. El desmantelamiento de la
central nuclear de Zorita fue estimado por ENRESA (empresa
nacional de residuos radiactivos) en 2003 en 135 millones de
euros, sin contar con la evacuación del combustible gastado ni
la instalación de apoyo al desmantelamiento (ATI) que servirá
para almacenar temporalmente este combustible. Por otro
lado, hay otros inconvenientes de tipo “medioambiental”: 1) los
residuos tóxicos y radiactivos que pueden causar
enfermedades; 2) dañan al medio ambiente debido a las
partículas radiactivas de los residuos; 3) el almacenamiento
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de residuos radiactivos es un grave
resuelto en el momento actual.
problema, no bien
Ahora viene algo similar a aquella ilusión de los coches
volantes del año 2000 en que creía firmemente mi hijo, la
esperanza en la fusión nuclear. La fusión nuclear es el
proceso opuesto a la fisión, se forma un núcleo más pesado
(por ejemplo, helio) a partir de núcleos más ligeros (hidrógeno
pesado, deuterio y/o tritio). Los productos tienen menor masa
en reposo que los núcleos de partida, pero tienen una energía
cinética enorme y la energía liberada es muy grande, mucho
mayor que en la fisión. Claro que este tipo de reacciones
tienen lugar en el Sol y en las estrellas, donde la temperatura
es tan alta que la materia está en estado de plasma. Como
arma de guerra se ha utilizado (las famosas bombas H),
empleando como “detonador”, para provocar la temperatura
necesaria para la colisión de los núcleos ligeros, una bomba
de uranio o de plutonio. Pero, “domesticarla” es otra cuestión.
En la actualidad hay dos líneas de investigación: después de
producir el plasma se opta por almacenarlo o por confinarlo
(tendería a escapar) en un espacio que permitiera el disparo
de núcleos de deuterio sobre núcleos de tritio e iniciar la
reacción. El plasma se puede almacenar en un anillo toroidal
en el que se ha hecho el vacío y
sobre el que actúa un campo
electromagnético perpendicular a
la trayectoria de los iones del
plasma.
El
primer
reactor
experimental se llamaba Tokamak
y fue construido por la Unión
Soviética. Hoy se emplea el
Stellarator. Una vez que tiene
lugar la reacción de fusión, la energía se aprovecha gracias a
los neutrones. En cada reacción de fusión, además de los
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núcleos de helio, se produce un neutrón que transporta el
80% de la energía de fusión liberada (14 MeV). Los neutrones
no están confinados por campos magnéticos y pasan
directamente al “manto” que cubre las paredes del toroide,
donde su energía es absorbida. En una central de fusión, un
sistema de refrigeración absorberá el calor del manto. Pero
hace falta que haya suficiente densidad porque, en caso
contrario, la posible reacción se paraliza y hay que volver a
empezar.
La fusión nuclear también puede
alcanzarse también mediante otro
procedimiento,
el
denominado
“confinamiento inercial”. En este
método una pastilla de unos pocos
milímetros de diámetro, rellena con
combustible de deuterio y tritio, se
ilumina simultáneamente con muchos haces de láseres de
alta potencia o haces atómicos. La ablación de la superficie de
las pastillas provoca la compresión del resto, hasta tal punto
que se produce un gran número de reacciones de fusión en la
zona central. El principal desafío de la fusión inercial es lograr
una iluminación uniforme y suficientemente potente con una
alta frecuencia de repetición, por lo cual, en un reactor de
fusión típico se deberían calentar y quemar alrededor de 10 ó
20 pastillas por segundo. En 2013, en California se logró un
gran avance hacia la fusión por confinamiento inercial. Por
primera vez la energía obtenida en la fusión nuclear supera a
la energía consumida para generarla. Pero aún estamos muy
lejos de la ignición de la fusión y aún más lejos la producción
positiva de energía de forma sostenida.
¿Hay esperanza? A pesar de los inconvenientes de la fusión,
a saber: 1) riesgo de provocar accidentes en las centrales
nucleares pero, mucho peores que en el caso de la fisión; y 2)
la generación de residuos radiactivos, existe la esperanza de
producir energía por fusión nuclear. Pero, desgraciadamente,
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sabemos que hoy por hoy no es más que eso, una esperanza
para el futuro. No será mañana ni el próximo año, no será
gratuita ni para todos ni, posiblemente, dentro de dos décadas
los coches volarán por las calles de las ciudades.
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