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De los reactores térmicos a los rápidos, una ventana para México / CIENCIORAMA 1
Chimeneas de reactores nucleares minutos antes de ser demolidos R.I.P.
Imagen extraída de: Collapsing Cooling Towers
De los reactores térmicos a los rápidos, una ventana para
México
Octavio Alonso Lara Lima
Hay una fuerza motriz
más poderosa que el
vapor, la electricidad y
la energía atómica: la
voluntad
Albert Einstein
Hambrientos de energía
Es de mañana y te espabilas por el sonido del despertador, te levantas y
enciendes la luz, la cafetera, la rasuradora o la secadora de pelo y otros
aparatos eléctricos para empezar el día. Llegas al trabajo y subes por el elevador,
enciendes la computadora, usas la impresora, un ventilador y otros aparatos
eléctricos más. De regreso del trabajo, en tu casa, prendes la luz, enciendes la
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televisión y dejas cargando el celular. No es ninguna exageración decir que hoy
en día la energía es el motor de la humanidad, y la gran mayoría es generada
por la quema de combustibles fósiles que se inició en la revolución industrial
con las máquinas de vapor que usaban carbón, y está lejos de acabar, pues el
mundo está ávido de energía eléctrica. De hecho, se estima que para el 2035
se triplicará la necesidad de energía eléctrica a nivel mundial, y esto tiene dos
problemas principales: uno, que los combustibles fósiles no son recursos
renovables, y dos, que su combustión genera CO2, un gas de efecto invernadero
que está calentando el planeta.
Para tratar este problema hay que ser realistas y afrontar que la demanda
energética crecerá sin importar las consecuencias que esto provoca –a menos
que suceda algo apocalíptico–, y lo más viable, de momento, es adoptar y
mejorar las fuentes de energía alternativas. Actualmente éstas contribuyen con
cerca del 13% de la energía generada a nivel global; entre ellas se encuentran
la energía eólica y solar, pero también la nuclear que es el tema a tratar en
esta ocasión.
La energía nuclear siempre ha sido un tema controversial por los riesgos
que puede generar, sin embargo también tiene grandes ventajas y es parte de
un importante desarrollo tecnológico por el que México aún necesita transitar.
Siempre es necesario enfrentar los temas controvertidos y existen argumentos
válidos a favor y en contra del uso de la energía nuclear, pero eso no será el
centro de este artículo. Lo que expondré será la faceta tecnológica de los
reactores nucleares térmicos y su más reciente desarrollo, los reactores rápidos.
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Figura 1. “Cómo construir un reactor nuclear”, si bien los principios aquí englobados pueden
sonar sencillos, son algo muy complejo de llevar a la práctica. Derechos: Fox Networks
Conocer y entender los reactores rápidos tiene una razón que va más allá de
la cultura general, su tecnología tiene un impacto social y económico directo en
la población; sobre estos temas se celebró por primera vez en México un
Seminario sobre Reactores Rápidos (Education & Training Seminar on Fast
Reactors, Science and Technology). Este evento fue organizado por el Instituto
Nacional de Investigaciones Nucleares (ININ), y en él participaron expertos del
ramo de la Organización Internacional de Energía Atómica (OIEA). Allí se planteó
la posibilidad de que México incursione en esta tecnología en la próxima década.
Actualmente nuestro país cuenta con una central nuclear que cuenta con dos
reactores para la generación de electricidad, se llama Laguna Verde y está
ubicada en el municipio Alto Lucero de Gutiérrez Barrios del estado de Veracruz,
y que contribuye con aproximadamente el 5% del total de la energía eléctrica
generada en el país. Además existe un reactor para investigación del ININ, ubicado
en la carretera México-Toluca.
Fisión, cuando las separaciones sí dejan algo
Para entender qué es un reactor rápido, hay que comprender algunas
generalidades del tema: qué es la energía nuclear y cómo se genera. Para
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empezar, una central nuclear o nucleoeléctrica es una instalación en donde se
genera energía eléctrica a partir de la energía liberada por la fisión –separación–
de los núcleos de los átomos de un isótopo de algún elemento usado como
combustible. El reactor es el componente de la central nuclear donde se inicia
y controla la fisión, que consiste en la división del núcleo de un átomo pesado
o de alto peso atómico para formar dos átomos de menor peso atómico; en
ella se libera energía en forma de calor.
Figura 2. Ejemplo de la fisión del 235U, el cual absorbe un neutrón para formar 236U que lo
vuelve más inestable dividiéndose en dos núcleos más estables, emitiendo en el proceso
energía y tres neutrones.
Fuente: http://inigo.sendino.org/academico/images/1/14/Fision.jpg
El combustible que generalmente usa una central nuclear es el uranio,
específicamente el uranio enriquecido. Y no es que los científicos esperan que el
uranio se gane la lotería, es algo que tiene que ver con el porcentaje de sus
concentraciones isotópicas. El uranio natural está compuesto de dos isótopos –
átomos con igual número de protones pero diferente número de neutrones–: el
99.3% es uranio-238 y el 0.7% es uranio-235; este último es el más fácil de
fisionar porque su probabilidad de interacción con neutrones a diferentes
velocidades es mayor. El enriquecimiento del uranio consiste en cambiar la
concentración natural de 235U por métodos químicos y físicos (ver “La tabla
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periódica de los núcleos” en Cienciorama). La concentración final que se obtenga
tiene que ver con su uso, pues el uranio enriquecido se utiliza también para
reactores de submarinos atómicos y en bombas atómicas; pero en general para
el uso en reactores convencionales no es necesario enriquecer el uranio a más
del 20%.
Vale la pena mencionar que alternativamente a la fisión existe la fusión,
que es una reacción nuclear en donde dos átomos de bajo peso atómico –como
el H– se unen para formar otro de mayor peso atómico –como el He–, y es la
reacción nuclear que mantiene con vida a las estrellas. Tiene como ventajas
sobre la fisión que deja menos desechos radiactivos o muy pocas partículas
radiactivas, y que libera entre tres y cuatro veces más energía que la fisión. Sin
embargo la fusión aún es una tecnología en desarrollo debido a que necesita
intensos campos magnéticos para contener plasmas de muy altas temperaturas,
por lo que los reactores de este tipo aún son experimentales, pero de lograrlos
serían una fuente de energía inagotable (ver “¿Cómo se enciende una estrella?”
en Cienciorama).
Lo clásico en reactores: reactores térmicos
El primer reactor de fisión que se puso en marcha fue el Chicago Pile 1 y lo
construyó Enrico Fermi debajo de instalaciones de la Universidad de Chicago (ver
“El proyecto Manhattan y la reacción en cadena” en Cienciorama). En 1942 logró
la primera reacción de fisión en cadena auto-sostenida; esto es, el bombardeo
de un núcleo pesado con neutrones térmicos; es decir, neutrones de baja energía
cinética y que tienen mayor probabilidad de generar fisión. Cuando los neutrones
no son térmicos pueden rebotar o ser capturados por uno de los núcleos; en
cambio, los térmicos dividen los núcleos usados como combustible y liberan
otros neutrones que a su vez producirán nuevas fisiones con otros átomos
pesados; al repetirse el proceso, decimos que es una reacción en cadena. A este
tipo de reactores se les llama térmicos porque se usan neutrones térmicos, valga
la redundancia. Al irse produciendo nuevos neutrones para fisionar, la reacción
crece en forma descontrolada por lo que hay que controlarla haciendo que sólo
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uno de los neutrones emitidos produzca otra fisión y manteniendo así la reacción
constante, lo cual se logra de dos maneras: dejando que los neutrones escapen
del sistema o absorbiéndolos por núcleos que no se fisionan. (ver “Los laureles
del neutrón” en Cienciorama)
Figura 3. Escena de 1942 bajo las gradas del estadio Stagg, donde Enrico Fermi y sus colegas
lograron la primera reacción en cadena controlada en el reactor Chicago Pile-1. Pintura de
Gary Sheehan.
La fisión presenta otros inconvenientes, al realizarse la reacción nuclear, los
neutrones formados tienen una alta energía cinética por la que se mueven muy
rápido, y hay que frenarlos para que sea más probable una nueva reacción. Esto
se hace por medio de un moderador. Algunas de las sustancias usadas para
esto son el grafito, el agua ligera –agua normal–, el agua pesada –en lugar de
dos hidrógenos, la molécula de agua está compuesta de dos deuterios, siendo
el deuterio un átomo de hidrogeno con un neutrón–, y otros materiales menos
comunes como el grafito, ciertos gases específicos o sales fundidas.
Aproximadamente el 70% de los reactores del mundo son térmicos y usan agua
ligera, porque son los más baratos y son los sistemas en donde se tiene mayor
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experiencia; de hecho este es el tipo de reactor donde trabaja Homero Simpson.
Debido a que también se libera mucha energía en forma de calor, el sistema
requiere de un sistema de enfriamiento, que conste de un refrigerante que
absorba y después transporte todo ese calor. Para ello igual se puede usar agua
pesada o ligera, metales líquidos o gases (ver: “La regla de oro: química y
cuántica” en Cienciorama).
Con todo lo descrito tenemos los principales componentes para que trabaje
un reactor: un combustible que se coloca en un sistema de barras para llevarlo
al núcleo del reactor en donde se realiza la fisión, un moderador y un refrigerante.
Pero aún falta considerar las medidas de seguridad, hay que blindar el reactor
para evitar que el personal que lo opera se irradie y que contenga toda la
presión generada, un reflector que regrese los neutrones que escapan del núcleo
del reactor y barras de control que sirven para controlar la reacción. Estas barras
absorben neutrones y están fabricadas normalmente de boro; con sólo subirlas
o bajarlas en el núcleo es posible controlar la fisión, y el diseño del reactor
debe ser tal que al bajar totalmente estas barras, la fisión se detenga en unos
segundos.
Todo lo anterior se usa finalmente para mover una turbina y generar
electricidad de forma convencional; el calor que produce la fisión se convierte
en trabajo mecánico. De hecho, si consideramos que la mayoría de los reactores
usan agua normal, lo único que hace esta tecnología es lo mismo que hacemos
en nuestros hogares: calentar agua. La ventaja de aprovechar la energía atómica,
es que ésta genera millones de veces más energía que una reacción química.
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Figura 4. Funcionamiento general de un reactor nuclear térmico de agua ligera, en el cual se
calienta agua hasta evaporarla para que salga a presión hacia una turbina que generara
energía eléctrica; este vapor es nuevamente condensado con agua fría para volverlo a
introducir en el circuito. En la figura se pueden observar el reactor, las barras de control en el
núcleo del reactor y el sistema de refrigeración.
Imagen: http://energía-nuclear.net
Sobre los reactores rápidos
Es importante conocer el funcionamiento básico de un reactor térmico porque
fueron los primeros y más numerosos en el mundo, incluidos los dos que están
en funcionamiento en Laguna Verde, México. Con todo el avance y la experiencia
obtenida, actualmente se está desarrollando la cuarta generación de reactores
en la que encontramos a los reactores rápidos, los supercríticos, los de muy alta
temperatura y los de sales fundidas. Esta generación corresponderá a los sistemas
nucleares que se espera alcancen la madurez técnica para el 2030 y en los que
se incluirán todos los conocimientos obtenidos a lo largo de muchas décadas.
Entre los objetivos de estos sistemas está el uso eficiente de los recursos
naturales, provocar un impacto ambiental mínimo, que sean económicamente
viables, seguros, resistentes a impactos externos y competitivos en la generación
de energía en comparación con otras opciones.
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Un reactor rápido tiene dos diferencias fundamentales con respecto a uno
térmico: uno, en los reactores rápidos la reacción de fisión de los átomos es
sostenida por neutrones rápidos; es decir, de alta energía cinética –ya no son
térmicos– y esto da lugar a la segunda diferencia: ya no necesitan un moderador
porque ya no requieren que los neutrones se frenen. Esto demanda que el diseño
del reactor sea más elaborado para evitar que la reacción llegue a un punto
crítico que desestabilice el reactor, también hay que tomar en cuenta otros
elementos para diseñar las barras de control. El uranio usado en estos reactores
está más enriquecido en comparación con el usado en reactores térmicos, ya
que de esta forma es posible llegar al umbral donde se puede mantener la
reacción en cadena. También sería posible aprovechar el 238U después de la
primera carga de combustible al hacer la conversión en plutonio-239 que es
fisible, por lo que se estaría generando más plutonio del que se consume, al
menos hasta que se termine el 238U. Las reservas de 238U son al menos seis
veces más grandes en comparación con las de carbón, el energético más
abundante, por lo que el aprovechamiento del uranio sería enorme.
Una de las formas en que se aprovecha el 238U es por reprocesando de
los desechos nucleares de las combustiones previas; a esto se le llama ciclo
cerrado de combustión, en él se va reduciendo la actividad y toxicidad de los
radioisótopos usados como combustible. También es posible usar otros desechos
radiactivos de alto nivel para reducir su actividad, por lo que sería posible usar
los desechos generados por las plantas termonucleares durante las décadas
pasadas; esto se debe a que los neutrones rápidos transmutan los desechos o
tienen la suficiente energía para dividir estos átomos. Aprovechar el plutonio en
estos reactores da una posibilidad muy importante, la de evitar la proliferación
de armas atómicas –siempre y cuando los gobiernos que cuenten con esta
tecnología no se pongan creativos para hacerlo perdedizo–, ya que normalmente
en una central termonuclear el plutonio es un producto de desecho no del todo
aprovechable.
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El diseño de los reactores rápidos varía según la empresa que los
construye. Una de las características que los distinguen es la sustancia usada
como enfriador, que puede ser metal líquido o gas, aquí no es factible usar agua
porque ésta es un moderador de neutrones, y por lo tanto los frena. Entre los
metales líquidos más usados para este efecto están el sodio y una aleación de
plomo-bismuto, y en los enfriados con gas encontramos helio y CO2. El enfriador
es un factor muy importante en esta tecnología porque los núcleos de los
reactores alcanzan mayores temperaturas. Con todo lo anterior, uno puede notar
que los reactores rápidos son más complejos que los térmicos; por lo que es
necesario desarrollar un potencial científico y técnico de alto nivel.
Los reactores que usan sodio como enfriador han tenido mayor desarrollo
en Europa y Estados Unidos, mientras que en Rusia han sido los de plomo-
bismuto. Manipular estas sustancias no es fácil, son enfriadores exóticos por ser
aún de uso poco común, pero necesarios porque remueven calor más
eficientemente que el agua, pero no son económicos y tienden a causar corrosión.
En general todos los enfriadores presentan problemas técnicos característicos;
por ejemplo, si el de plomo-bismuto se enfría, el reactor se vuelve inoperante y
el de sodio es propenso a incendiarse. Por lo que en este tipo de reactores se
tiene que elegir muy bien el enfriador que se usa.
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Figura 5. Reactor rápido enfriado por sodio, podemos distinguir cómo el núcleo calienta
constantemente sodio primario que calentará al sodio secundario en un circuito que a su vez
calienta agua en un generador de vapor. Con este vapor finalmente se mueve la turbina que
genera electricidad. Tanto el sodio como el agua son recirculados constantemente por sus
respectivas bombas.
Imagen: https://en.wikipedia.org/wiki/Sodium-cooled_fast_reactor#/media/File:Sodium-
Cooled_Fast_Reactor_Schemata.svg con traducción propia.
Situación mundial de los reactores rápidos
Hay países o programas multinacionales que ya operan o siguen estudiando los
reactores rápidos, algunos incluso ya fueron desmantelados porque su vida útil
planeada ya terminó; por ejemplo, el Superfénix construido en Francia en 1986
y el más grande construido hasta la fecha. Algunos programas a nivel mundial
que investigan y promueven la construcción de este tipo de reactores, son el
Generation IV en el que participan países como Brasil y Argentina, el IMPRO que
engloba más de 40 naciones y tiene como objetivo la cooperación con los
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programas nucleares de Rusia o China, o el ESNII que lleva a cabo proyectos
dentro de la Unión Europea.
Figura 6. Mapa de naciones que cuentan con reactores rápidos. Crédito: Alfredo Vasile
La construcción en general de centrales nucleares no suele ser barata, y para
el caso de México, más allá de ser un problema presupuestario para la Comisión
Federal de Electricidad, lo sería para todo el país. Aunque hay estudios que
señalan que pueden generar energía de forma más económica que una central
que funciona con gas natural, pero es algo que puede ser discutible. Sin embargo
el tema no debe reducirse a la generación de energía eléctrica, también es un
tema tecnológico y de investigación en el que México se ha quedado rezagado
–por ejemplo, en los reactores se generan isótopos radiactivos con uso para
diagnóstico y tratamientos de enfermedades– incluso en comparación con América
Latina, ya que Argentina cuenta con tres centrales nucleares y 10 reactores de
investigación y Brasil ya tiene contemplados nuevos proyectos, por lo que pronto
también se nos adelantará.
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Al final del Seminario de Reactores Rápidos se firmó un acuerdo –sólo en papel–
para el desarrollo de un reactor de este tipo en México para la próxima década.
Ojalá y la propuesta alcance forma para los años siguientes; independientemente
de todo, es sano para una país tener una gama de producción energética diversa
y que además genere recursos humanos en investigaciones nucleares.
Seguramente aún hay muchas dudas sobre la energía nuclear, incluso mitos que
giran alrededor de ella, pero ustedes pueden estar seguros de que no generará
monstruos como Godzilla.
Bibliografía
o M. Salvatores, A. Vasile, C. Latgé, T. Sofu, D. Blanc, A. Alemberti, S. Monti; Consultants
Meeting: Education and Training Seminar on Fast Reactors Science and Technology.
International Atomic Energy Agency, Tecnológico de Monterrey campus Santa Fe, Ciudad
de México, 2015.
o Frank Carré y Glan Luigi Florini; Status of the Generation IV initiative on future nuclear
energy system; Sociedad Nuclear Europea, Abril 21, 2004.
o Carlos Amador Bedolla; Energía Limpia, ¿Cómo ves?, Año 17. No. 204. Revista de
Divulgación de la Ciencia de la Universidad Nacional Autónoma de México.
o México incursiona en la tecnología de Reactores Rápidos, Coordinación de Promoción y
Divulgación Científica, Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares, Julio de 2015.
http://www.inin.gob.mx/notasimportantes/FAST%20REACTORS%20nota.pdf
o Nuclear Energy Explained. Risk or Opportunny.
https://www.youtube.com/watch?v=d7LO8lL4Ai4