OliNo Energías Renovables

A menudo se presenta la energía nuclear como una solución para los problemas del efecto invernadero o para la crisis de energía. Se dice que las fuentes de energía nuclear no emiten CO2 y que nos permiten solucionar nuestros problemas de energía generando suficiente energía.

Pero como muestran investigaciones detalladas, eso no es verdad. Una central nuclear no inicia a generar energía hasta los diez años, además produce poca energía neta pero produce más de 1 millón de toneladas de CO2….

Actualización de 13 de marzo de 2011: un capítulo sobre la seguridad de una planta nuclear.

Traducido de un artículo, proveniente de la pagina web en holandés de OliNo.

¿Qué es energía nuclear?

Cuando se habla, popularmente, de energía nuclear lo que significa es el proceso de fisión. Es este proceso núcleos pesados, por lo general isotopos de uranio, se dividen en núcleos atómicos que juntos son un poco más ligero que la suma de los materiales de partida.La masa perdida se convierte en energía según la famosa fórmula de Einstein:

E = m·c².

Dado que el termino c² es muy grande (300.000.000 x 300.000.000) resulta que con poco masa perdida se genera mucha energía porque viene multiplicado por c². Otros núcleos, como el torio y el plutonio, son fisibles. El plutonio se produce naturalmente de uranio durante las reacciones nucleares y también sigue un proceso de fisión generando energía (y perdiendo masa en el proceso). Se puede reutilizar el 95 % del combustible gastado, lo que se llama reciclaje. Los residuos nucleares (muy radioactivos) son el 5 % que no se puede reutilizar, y los materiales usados como embalaje de los materiales de fisión que también se pasaron en materiales radioactivas.

El ciclo del combustible nuclear

Es importante tener en cuenta todo el ciclo del combustible nuclear para tener una visión más clara en todo el proceso de generación de energía nuclear.  Este ciclo comprende los siguientes actividades:

• extracción de uranio
• conversión
• enriquecimiento
• realización de las barras de combustible
• generación de energía en la planta nuclear
• almacenamiento temporal de barras de combustible
• enfriamiento de los componentes nucleares
• desmontaje de componentes nucleares
• tratamiento de residuos nucleares
• almacenamiento de residuos nucleares

La energía se genera solamente en el paso “generación de energía en la planta nuclear”. Todos los otros pasos cuestan energía.

Para poder determinar la cantidad neta de energía generada en una central nuclear es importante observar el ciclo completo de combustible nuclear. Aquí está el esquema del ciclo del combustible nuclear.

El ciclo del combustible nuclear para la generación de energía nuclear.

Extracción de uranio

“Yellowcake” (torta amarilla o óxido de uranio) es una mena de uranio que se encuentra naturalmente en la tierra. Contiene óxido de uranio (U₃O₈) entre el 70 % y 80 % de su peso.

Pechblenda es otro mena de uranio. Con el fin de ganar U-235 se extrae grandes cantidades de mena. En la mina Olimpic Dam en Australia se encuentra mena con una tasa de 0.05 % de uranio, que significa que por 1 kilo de isotopo de uranio es necesario cavar 2000 kilos de mena.

Mina de uranio de Rabbit Lake

Al contrario de los campos de petróleo, de los cuales hay más de 4000 en el mundo, hay solamente 10 minas de uranio que constituyen el 73 % de la cantidad total del mundo. Aquí una tabla con las 10 minas más grandes de uranio.

Mina	País	Existencias (tU) *	Porcentaje de uranio **	Producción 2005 (tU)	Porcentaje de la producción mundial
McArthur River	Canadá	75.118	20,7%	7.200	17,3%
Ranger	Australia	22.073	0,165%	5.006	12,0%
Olympic Dam	Australia	58.512	0,051%	3.688	8,9%
Rossing	Namibia	4.255	0.029%	3.147	7,6%
krazbokamensk	Rusia	–	–	3.000	7,5%
Rabbit Lake	Canadá	1.192	0,68%	2.316	5,5%
McClean Lake	Canadá	4.912	0.68%	2.112	5,1%
Akouta	Níger	7.909	0.46%	1.778	4,3%
Arlit	Níger	16.716	0,3%	1.315	3,2%
Beverley	Australia	17.800	0,15%	825	2,0%
Top 10 totaal				30.387	73,1%

* Suma de las existencias almacenadas y probadas de mena de uranio.

** Tasa es la media ponderada de las existencias almacenadas y probadas de uranio.

En la mayoría de los casos grandes cantidades de residuos radiactivos y barro amargo queden en las minas. Por ejemplo: la mina Olympic Dam en Australia está utilizando cada día 60 millones de litros de agua – la gestión de barros amargos y los residuos radioactivos que se resultan es un gran problema para el medio ambiente.

En los 80s estos residuos de algunas minas se echaron en el medio ambiente. No está claro qué es exactamente lo que sucede con este tipo de residuos.

En los años 80 fueron objeto de dumping millones de tonadas de residuos líquidos y sólidos de la mina de uranio de Beaverlogde en Lago Fookes.

Conversión en UF6

Para enriquecer el uranio se lo convierte en gas.  Hexafluoruro de uranio (UF6) es la unica composición química adecuada, porque ya tiene la presióm de vapor alta necesaria a temperatura ambiente.

Hexafluoruro de uranio se produce por unir uranio a fluoruro, y este unión se hace gaseosa bajando la presión en temperatura ambiental.

Este proceso químico se llama conversión.

Enriquecimiento

Uranio enriqicido es uranio en el cual la tasa del isotopo U-235 es más alta que en uranio de forma natural. Se utiliza en la energía nuclear y armas nucleares.

Uranio natural se compone principalmente de U-238, una pequeña fracción (el 0,7 %) de U-235 y rastros de U-234. De estos solo se puede fisionar el U-235. El 0.7 % de U-235 disponible no es suficiente para seguir adelante las reacción de cadenas; para eso es necesario una tasa del 3 % mínimo (depende del tipo del reactor). El proceso enriquecimiento sirve para aumentar la tasa de U-235.

Para el enriquecimiento huy en día existen dos métodos. Ambos utilizan el hecho que U-235 es más ligero que el U-238. El contenido de U-235 se puede aumentar por centrifugación o de difusión gaseosa.

Una file de centrifugadoras en la planta de Urenco

Producción de las barras de combustible

Después del enriquecimiento, se puede empezar a hacer combustible para la central nuclear.  Para eso se convierte UF6 en óxido de uranio (UO2). La forma de combustible más común es la de pellets (pastillas) cerámicas.Estos están hechos de óxido de uranio comprimido, y que se sinterizan (horneado) a una temperatura alta (más de 1400 °C). Luego se embalan los pellets en cajas metálicas y en esta forma constituyen barras de combustible. Finalmente se organizan como asambleas para su uso en un reactor.

Las barras de combustible.

Central nuclear

Las barras de combustible de uranio enriquecido se usan en la central nuclear para el proceso de fisión.

Barras de combustible de uranio se colocan en la planta nuclear. Fotos de Arthus-Betrand/Impact Yann

En el proceso de fisión (en el reactor) de uranio se genera mucha energía (calor en esta caso).  Con el calor se genera vapor calentando agua. Esta vapor mueve una turbina y la turbina está conectada con un gran generador y que hace girarel generador. Este genera electricidad a la red pública.

Plantas nucleares en el mundo

En este momento hay 442 centrales nucleares en todo el mundo. Todos juntos generan anualmente 2.626.000 millones de kWh, que representa el 16 % del suministro total de electricidad. Estas plantas utilizan 65.478 toneladas de uranio por año.

En el fondo dos grandes torres de enfriamiento y en el primer plano dos reactores nucleares

Tipos de centrales nucleares

Hay muchos tipos diferentes de plantas nucleares. Aquí debajo se muestra una lista de los tipos de plantas que se utilizan actualmente.

Tipo de reactor	Paisos	Numéro	GWe	BCombustiblerandstof	Refrigeración	Moderador
Reactor de agua a presión (PWR)	EEUU, Francia, Japón, Rusia	268	249	UO2 enriquecido	agua	agua
Reactor de agua en enbullición (BWR)	EEUU, Japón, Suecia	94	85	UO2 enriquecido	agua	agua
Reactor refrigerado por gas (Magnox & AGR)	Reino Unido	23	12	U natural (metal), UO2 enriquecido	CO2	grafiet
Reactor de agua pesada a presión ‘CANDU’ (PHWR)	Canadá	40	22	UO2 natural	agua pesada	agua pesada
Light Water Graphite Reactor (RBMK)	Rusia	12	12	UO2 enriquecido	agua	grafito
Reactor de neutrones rápidos (FBR)	Japón, Francia, Rusia	4	1	PuO2 y UO2	sodio líquido	none
TOTAL		441	381

Almacenamiento temporal

Después un ciclo de operación se para el reactor para reemplazar las barras de combustible que se han usadas. Esas barras gastadas son altamente radioactivas y funcionaban en promedio 3 – 6 años en el reactor. Se las almacenan primero en una piscina de combustible gastado donde las barras se enfrían. El agua funciona para enfriar y también asegura el blindaje de la radiación. Este proceso de enfriar y blindar tarda entre 10 – 20 años!

Desmantelamiento

El desmantelamiento es la tapa final de la vida de una plante de energía nuclear. Eso incluye todas la actividades de organización, de administración y actividades técnicas de la clausura de la planta, para volver a la situación de campo verde.

Cuando se construye una planta de energía nuclear se basa generalmente en un periodo de funcionamiento de 40 años. En casos excepcionales se puede añadir otro 20 años después. En la práctica, el tiempo de vida depende de consideraciones económicas, políticas y de seguridad y resulta en la mayoría de los casos en un tiempo más corto. En 2004 la edad media de las plantas ya cerradas era de 21 años.

Los gastos para el desmantelamiento de una planta de energía nuclear depende del tipo de planta. El costo varia entre 200 $ / kW – 2.700 $ / kW.

Hay aquí un resumen de las diversas plantas nucleares actualmente en funcionamiento y lo que costaría su desmantelamiento.

		Calculación de gastos de desmantelamiento de plantas todavía en función
Tipo	Costo por kW (promedio)	Planta	Potencia (MW)	Gastos ($)
PWR	$350	Daya Bay 1 (China)	984	344 millón
VVER	$330	Balakovo (Rusia)	950	313 millón
BWR	$425	Shika 2 (Japón)	1304	554 millón
CANDU	$350	Bruce Power (Canadá)	820	287 millón
Enfriado por gas	$2600	Wylfa Magnox (Reino Unido)	980	2500 millón

El precio de uranio

La demanda de uranio es mayor que la cantidad de uranio extraído en las minas de ahora. Este vacío se llena actualmente utilizando el uranio proveniente del reciclaje de eso del desmantelamiento de las armas nucleares (mayormente proveniente de Rusia). Si todas esta armas se han reciclado los analistas esperan que a pesar del aumento de la producción de nuevas minas aún será una escasez de 22 millones de libras en 2010. El déficit actual es de 25 millones de libras.

Esta falta de uranio y la creciente demanda de uranio por la construcción de nuevas centrales nucleares, aumentarán mucho su precio.

El precio nominal del uranio

La producción neta de energía

En una investigación muy profunda, Jan Willem Storm van Leeuwen y Philip Smith calcularon la cantidad de energía que realmente produce una planta de energía nuclear si se toma el ciclo completo de combustible nuclear en los cálculos. El resultado de sus cálculos se pueden encontrar en el siguiente gráfico.

El gráfico es una representación de los gastos y ganancias de energía de una planta de energía nuclear. Sólo cuando las líneas se encuentran en la parte blanca del gráfico significa un rendimiento neto de energía.

La producción neta de energía (haz clic en la imagen para más detalles).

Esta gráfica muestra que una planta de energía nuclear, incluso con la mena más rica de uranio, lleva 10 años antes de que la planta comenzará a generar más energía de sus gastos para construirla, operarla y mantenerla. La situación es aún peor observando el caso en el cual la mena tiene una tasa de uranio más baja:

Una planta nuclear no produce netamente energía cuando la tasa de uranio en la mena de uranio es menor que el 0.05 %. La cantidad de energía necesaria para mantener la planta en operación es más alta que la energía que ella genera.

Emisiones de CO2

En el debate de energía nuclear se oye frecuentemente que es una buena solución porque no hay emisión de CO2. Sin embargo, si se toma el ciclo nuclear completo , la planta nuclear en realidad produce CO2. Esta cantidad depende mucho de la riqueza de uranio de la mena de uranio que se utiliza. Canto menor sea el porcentaje de uranio en la mena, la mayor las emisiones de CO2.

La siguiente imagen muestra las emisiones de CO2 proveniente de una planta nuclear, como un porcentaje en relación con una planta de gas, dependiente de la tasa de uranio en la mena utilizada.

Emisiones de CO2 de una planta nuclear.

En el mejor de los casos, utilizándose mena de uranio con una tasa muy alta de uranio, una planta nuclear produce el 33 % de las emisiones de CO2 de una planta de gas, siendo 133 gramos de CO2/kWh.

Eso significa que una planta de 1000 MW de energía nuclear PWR, con un factor de capacidad de 90 % (Cummins, 2004) y una producción anual de 7.88 TWh, produce cada año mas de 1 millón de toneladas de CO2.

Cuanto menor sea la tasa de uranio en la mena utilizada, mayor es la producción de CO2.

Si la tasa de uranio en la mena utilizada es inferior a 0,013 %, una planta nuclear produce mas CO2 que una planta de gas.

Más largo plazo

A medio plazo agotarán la minas con mena con un alto porcentaje de uranio y como consecuencia se utilizarán la mena de minas con meno de uranio. El resultado es que la producción de CO2 en todo el ciclo nuclear se aumenta y que las plantas nucleares producirán menos y menos energía.

La creciente demanda de uranio y el déficit que ya existe en la producción de uranio, que ahora está recogido temporalmente por el reciclaje de las armas nucleares, harán que el precio de uranio se aumentará.

Añadido el 13 de marzo de 2011: esa parte de seguridad.

Seguridad en teoría

En una plana de energía nuclear continuamente tiene lugar en forma continua la fisión nuclear controlada. Controlada en parte por enfriamiento continuo del reactor (este calor sirve para crear vapor que acciona una turbina) y por otra parte mediante el uso de moderadores. El moderador está posicionado entre dos lugares en el reactor donde el proceso de fisión se efectúa y ralentiza los neutrones  provenientes de la reacción. Así previene que los neurones con mucha energía aceleran (sin control) otros procesos de fisión alrededor del proceso de donde vienen. Una fusión de núcleo es lo que resulta que es un proceso que no se puede parar. Las temperaturas tan altas pueden provocar el colapse de la estructura del núcleo y con ello expulsar grandes cantidades de materiales radioactivos en el medio ambiente.  Cuando el núcleo toca las aguas subterráneas también pueden producirse algunas explosiones que emiten más materiales radioactivos en el medio ambiente.

En caso de calamidades puede cerrarse una planta nuclear. Este proceso tarde alrededor de 6 días por causa de la temperatura tan alta del núcleo. Durante el cerramiento es importante mantener suficiente baja la temperatura para prevenir una fusión de núcleo.

La seguridad de una planta nuclear se basa por una gran parte del funcionamiento correcto del sistema de enfrió y del funcionamiento del moderador. En teoría parece que la mayor parte de las centrales es segur. Están dotados de muchos sensores y sistemas de protección. Aparte de sistema de refrigeración primario siempre hay un sistema de copia de seguridad para la refrigeración.

Seguridad en la práctica

En la práctica, muchas cosas pueden salir mal por cosas imprevistas de antemano.

Estos son algunos ejemplos recientes de accidentes nucleares muy graves:

11 de marzo de 2011 – Central nuclear de Fukushima, Japón

Por un terremoto con una magnitud de 8,9 en la escala de Richter se pierde la electricidad en la planta. Esto enciende el funcionamiento de los sistemas de refrigeración. Hay generadores diesel que se ponen en funcionamiento para generar la electricidad que se necesita. Sin embargo, debido al terremoto surge un gran tsunami que inunda el complej0 (que está situado al lado del mar). Los generadores diesel paran de funcionar y el complejo queda sin electricidad y sin sistema de refrigeración. El vapor sobre calentado produce gas de hidrógeno, y una explosión de hidrógeno hace explotar una parte de la planta. Ahora el núcleo es tan caliente que el proceso de fusión empieza. Más información: Central nuclear Fukushima I.

26 de abril de 1986 – INES Nicel 7 – Prypiat (Chernobyl), Ucrania (entonces USSR)

Corte de electricidad, explosión y fusión del núcleo. Nota: INES significa Escala Internacional de Accidentes Nucleares.

28 de marzo de 1979 – INES Nivel 5 – Middletown (Three mile Island), Dauphin County, Pennsylvania, EEUU

Fusión partial del núcleo.

Mayo de 1967 – Dumfries and Galloway, Chapelcross Escocia, Reino Unido

Fusión partial del núcleo.

Aquí tenéis un listado completo de los incidentes y accidentes nucleares: Anexo: Accidentes nucleares civiles.

Resumen

Tomando todos los aspectos de la energía nuclear parece que esa no es la solución del nuestro problema de energía.

Como se describió anteriormente, la energía nuclear tiene los siguientes problemas:

• Una planta nuclear inicia a generar energía a lo mejor después de 10 años. Nota que siempre necesita mena con una tasa alta de uranio, sino no produce energía netamente.
• La construcción de una planta tarde de 10 años, el promedio de vida es de 21 años y luego unos 150 años para el desmantelamiento total. Y todo eso tiempo para solamente 10 años de producción neta de energía.
• El promedio de las plantas de energía nuclear produce cada año mas de 1 millón de toneladas de CO2.
• El precio del uranio aumentará en los próximos años. Esto aumentará más el costo de la energía nuclear.