Fisión nuclear: el reactor, el ciclo del combustible y las cifras
La fisión es hoy la única fuente eléctrica a gran escala, baja en carbono e independiente del clima en operación comercial. Es también aquella cuyos costes y aceptación pública varían más entre países, lo que hace inusualmente difícil hablar de ella en términos generales. La física, al menos, es la misma en todas partes.
La reacción en cadena
El uranio-235 es peculiar: golpeado por un neutrón lento, se vuelve inestable y se escinde en una fracción de picosegundo. Los fragmentos salen despedidos llevando la mayor parte de la energía liberada como energía cinética, que se convierte en calor al chocar con los átomos vecinos. Los acompañan dos o tres neutrones, y si en promedio exactamente uno de ellos escinde otro núcleo, la reacción se sostiene a potencia constante.
Esa palabra, «promedio», es todo el control del reactor. Una fracción de los neutrones no se libera de inmediato, sino segundos o minutos después, al desintegrarse ciertos fragmentos de fisión. Esos neutrones retardados son una pequeña minoría y son la razón de que un reactor responda en escalas de tiempo humanas y no instantáneamente. Sin ellos, controlar una reacción en cadena con barras mecánicas sería imposible.
El uranio natural contiene solo un 0,7 por ciento de uranio-235; el resto es uranio-238, que no fisiona con neutrones lentos. Por eso la mayoría de los reactores enriquecen el combustible al 3-5 por ciento, y la misma tecnología de centrifugado llevada mucho más lejos produce material para armas. De ahí que el enriquecimiento sea el paso más vigilado de toda la industria.
Como en la fusión, la energía procede de la curva de energía de enlace, solo que abordada desde el otro lado. La escala difiere de la combustión química en un factor de aproximadamente un millón, y por eso un elemento combustible del tamaño de una persona funciona durante años.
Del calor a la electricidad
Lo que un reactor produce es calor, y todo lo que viene después es convencional. El agua retira ese calor, se convierte en vapor, mueve una turbina y hace girar un generador. El rendimiento térmico de ese ciclo ronda el 33 por ciento en un reactor de agua a presión típico, fijado por las temperaturas del vapor y no por nada nuclear: los mismos límites de conversión de energía que rigen una central de carbón.
El diseño dominante en el mundo es el reactor de agua a presión, donde el agua a unas 150 atmósferas permanece líquida por encima de 300 grados y cede su calor a un circuito de vapor separado. Los reactores de agua en ebullición dejan hervir el refrigerante directamente. Ambos usan agua ordinaria como moderador y refrigerante, lo que les da una propiedad de seguridad útil: si se pierde el agua, la reacción en cadena se detiene, porque los neutrones dejan de frenarse lo suficiente.
Lo que queda es el calor residual. Aun después de detenerse la reacción en cadena, los fragmentos de fisión siguen desintegrándose y liberan un pequeño porcentaje de la potencia nominal justo tras la parada, decayendo a lo largo de días. Evacuar ese calor sin alimentación eléctrica externa es el problema de diseño que hay detrás de buena parte de la ingeniería de seguridad nuclear, y es lo que falló en Fukushima en 2011.
Producción, residuos y superficie
La cifra operativa que define un reactor es su factor de capacidad: la fracción de la producción máxima teórica realmente entregada en un año. En el parque estadounidense supera el 90 por ciento desde hace dos décadas. En comparación, la solar a escala de red se sitúa entre el 25 y el 35 por ciento y la eólica entre el 35 y el 50, no porque el equipo sea poco fiable, sino porque el recurso es intermitente. La fisión es una de las pocas fuentes cuya producción no depende del clima, propiedad que comparte con la geotermia y, en la mayoría de configuraciones, con la hidroeléctrica.
La cuestión de los residuos son en realidad dos cuestiones. En volumen, el combustible gastado es notablemente escaso: todo el producido por los reactores comerciales estadounidenses cubriría un solo campo de fútbol hasta unos diez metros de altura. En duración del peligro es lo contrario: algunos isótopos siguen siendo peligrosos durante decenas de miles de años, más de lo que ha durado institución humana alguna.
En esa segunda cuestión Finlandia es quien más ha avanzado. El almacén de Onkalo, en Olkiluoto, coloca el combustible gastado en contenedores de cobre a 400 metros de profundidad en roca cristalina, y es la primera instalación de almacenamiento geológico profundo del mundo en estado operativo. La mayoría de los países siguen almacenándolo en el propio emplazamiento, lo que funciona pero nunca se concibió como respuesta definitiva.
El uso del suelo va en sentido contrario al de las renovables. Una central nuclear de escala gigavatio ocupa unos pocos kilómetros cuadrados; la misma producción media con eólica requiere una superficie mucho mayor, aunque el terreno entre aerogeneradores sigue siendo cultivable.
Coste, construcción y para qué sirven los SMR
La economía de la fisión está dominada por la construcción. El combustible es barato y la operación también, pero levantar un reactor grande en Occidente ha costado repetidamente más tiempo y más dinero de lo previsto: Flamanville en Francia y Vogtle en Estados Unidos acumularon años de retraso. Los intereses devengados durante una década de obra pueden rivalizar con el hormigón y el acero.
No es universal. Corea del Sur y China han construido más cerca del plazo y del presupuesto, sobre todo repitiendo el mismo diseño con una plantilla estable. Esa observación señala el diagnóstico: el problema es la construcción de primera unidad, no la tecnología.
Los reactores modulares pequeños se toman en serio ese diagnóstico. Al reducir la potencia a decenas o pocos centenares de megavatios, los componentes se vuelven lo bastante pequeños para fabricarse en factoría y enviarse al emplazamiento. Las fábricas aprenden; las obras olvidan. La apuesta es que decenas de unidades idénticas resulten más baratas por megavatio que una sola central grande hecha a medida, pese a perder las economías de escala que hicieron grandes a los reactores.
Si esa apuesta sale bien está por verse. Varios diseños cuentan con aprobación regulatoria, unos pocos están en construcción, y las primeras flotas comerciales serán la prueba. La cuestión es de fabricación y cadenas de suministro, no de física de reactores, resuelta desde los años cuarenta.
Preguntas frecuentes
¿Cuánta energía contiene realmente el combustible nuclear?
Fisionar por completo un kilogramo de uranio-235 libera aproximadamente la energía de 2.700 toneladas de carbón. En la práctica el combustible no se quema del todo, pero aun así un elemento combustible funciona varios años, y por eso el coste del combustible es una parte menor de la economía de una central.
¿Puede un reactor explotar como una bomba?
No. Un arma exige uranio enriquecido por encima del 90 por ciento y un ensamblaje diseñado con precisión; el combustible de reactor está al 3-5 por ciento y físicamente no puede producir una explosión nuclear. Los accidentes de reactor implican presión de vapor, combustión de hidrógeno o calor residual: graves, pero de mecanismo distinto.
¿Qué es el factor de capacidad y por qué la nuclear lo tiene tan alto?
Es la producción anual real dividida por el máximo teórico si la central funcionara a plena potencia todo el año. La nuclear supera el 90 por ciento en el parque estadounidense porque el combustible siempre está disponible y las paradas se programan. Solar y eólica son menores porque el sol y el viento no están presentes de forma continua: es una propiedad del recurso, no un defecto del equipo.
¿Está resuelto el problema de los residuos?
Técnicamente la vía está establecida y el almacén finlandés de Onkalo ya opera. Política e institucionalmente sigue sin resolverse en la mayoría de países, y el combustible gastado suele permanecer en almacenamiento en el emplazamiento. El volumen es pequeño; la dificultad es la duración del peligro.
¿Es la energía nuclear baja en carbono?
Sí. Los análisis de ciclo de vida, incluidos minería, enriquecimiento y construcción, la sitúan en el mismo rango que la eólica y por debajo de la fotovoltaica. La fisión aporta actualmente cerca de una cuarta parte de la electricidad baja en carbono del mundo.
