Puede sonar como milagroso: un "pellet" de combustible nuclear, llamado MOX, que pesa 6 gramos, puede proveer de la misma cantidad de energía que una tonelada de carbón. Tres pellets pueden proporcionar a una familia, suficiente electricidad como para cubrir todas sus necesidades por un año. Todo ello, sin emitir nada de dióxido de carbono. ¿Dónde esta la trampita?

El uso de la energía nuclear en forma comercial ya ha estado funcionando desde la última mitad del siglo recién pasado. En el año 1956, el reactor en Calder Hall, en el nordeste de Inglaterra, fue el primero que suministró energía eléctrica a la red nacional. Un año más tarde, en Shippingport, Pennsylvania, Estados Unidos inauguró su primera planta comercial, lo que fue seguido por Francia en el año 1959, y luego por la Unión Soviética en 1964. Desde un comienzo estuvo en tela de juicio la naciente industria: iba a producir electricidad barata, limpia y confiable, y la tecnología podía significar una valiosa exportación. Pero al mismo tiempo los críticos la vieron como peligrosa por la polución que pudiese producirse en caso de accidentes. Por otra parte, su uso estaba inexorablemente ligado a la proliferación nuclear.

Hoy más de 30 países operan 400 reactores nucleares. En la actualidad Inglaterra y Estados Unidos, generan el 20% de la electricidad por energía nuclear. En todo el mundo, ésta genera más del 16% de toda la electricidad, o dicho en otros términos, la energía atómica produce el 2% de toda la energía. Esto puede que no suene como mucho, pero para algunos países (particularmente aquellos que carecen de reservas de energía fósil), la energía nuclear es indispensable. Francia por ejemplo, tiene sus propias reservas de mineral de uranio, y usa la energía nuclear para producir más de las tres cuartas partes de su necesidad de electricidad. La energía nuclear se produce también en forma significativa en los países de Europa Oriental, incluyendo Lituania, Slovenia y Ucrania.

Aun hoy en día la industria continúa expandiéndose (ver figura 2), llegando a triplicar la producción global en el período comprendido entre los años 1980 y 2000. Pero ha tenido un desarrollo difícil. En todo el mundo la desregulación del mercado energético ha llevado a una caída en los precios de la electricidad. En la actualidad, las modernas estaciones que combinan "ciclos de gas y estaciones ciclos fuego", son más eficientes y por lo tanto más baratas que las plantas nucleares, por lo que éstas se están construyendo en los países en que la electricidad tiene precios regulados por el estado. La última que se abrió en Inglaterra, fue en el año 1995 en Sizewell en Suffolkn y no hay ningún plan para ningún sucesor del "reactor Magnox", llamado así después que usó la aleación de magnesio para cubrir sus barras. Las reliquias de las décadas de 1950 y 1960 están cerca de finalizar su vida productiva, o están siendo decomisionadas. Pero sería estúpido dejar fuera la alternativa de energía nuclear, ya que en el futuro la economía puede cambiar. ¿Pero cómo exactamente las estaciones nucleares desarrollan su milagroso proceso que le permite romper los átomos para producir energía básica?

Todas las plantas atómicas usan uranio como combustible. Con un número atómico de 92 (el número de protones en el núcleo), el uranio es el más pesado de los elementos que se encuentra en la naturaleza, en concentraciones mayores que trazas. El es radioactivo (en el hecho, el físico francés Henry Becquerel estaba investigando el uranio cuando descubrió la radiactividad en el año 1896).

Todo el uranio de la Tierra se forjó a partir de elementos más livianos, durante las "explosiones de las supernovas" que ocurrieron miles de millones de años atrás. Materiales de estas estrellas que explotaron, se esparcieron por el espacio y eventualmente algunos se incorporaron en nuevas estrellas y en sus planetas que luego las orbitaban. De esta forma el poder nuclear aquí en la Tierra aprovecha la energía que se ha almacenado en el uranio por más de 4 mil millones de años.

El uranio es un elemento bastante común: La concentración en la Tierra es de 2.7 partes por millón, es más abundante que el estaño. Como resultado de procesos biológicos, se ha llegado a la formación de compuestos de uranio-minerales como los "pitchblende". Estos minerales típicamente tienen menos de 1% de uranio, aun cuando algunos pueden tener 10 veces esto. Los países que poseen las mayores minas de uranio están en Canadá, Nigeria, Australia y los países de la ex Unión Soviética, como es Rusia, Kazakhstan y Ucrania. Ellos extraen de las minas, óxidos de uranio, por un proceso llamado "molienda", en las cuales por cada tonelada de óxidos relativamente puros, producen cientos de toneladas de desperdicios radioactivos, sólidos, líquidos y gaseosos.

El uranio es "fisible". Su núcleo atómico puede dividirse, liberando energía. Sus dos isótopos más comunes son el U-238 (que constituye casi el 99.3% de todos los uranios naturales), y el U-235 (0.7%). Desgraciadamente sólo el más raro U-235 es fisible. Esto significa que aun el uranio refinado es diluido y para varios tipos de reactores nucleares, este debe ser "enriquecido" removiéndole una parte del U-238 para aumentar la concentración de material fisible.

Los isótopos comunes del uranio tienen una “vida media" que se mide en miles de millones de años: 0.71 mil millones de años para U-235 y 4.5 mil millones para U-238, lo que es comparable a la edad de la Tierra. De este modo, el uranio que se encuentra en las minas de hoy, ha estado decayendo lentamente desde el momento en que se formó en la explosión de la supernova. La mitad del U-238 y casi el 99% del U 235 presentes en la formación de la Tierra, ya ha decaído. Así es que midiendo la proporción relativa de los diferentes isótopos naturales del uranio y sus últimos productos de decaimiento, el plomo, es que los investigadores pueden medir la edad de la Tierra.

El uranio parece inusual fuente de energía. Los elementos con largas vidas medias no son muy radioactivos (ellos liberan su energía muy lentamente), lo que explica por qué un trozo de uranio en una roca no es más caliente que lo que lo rodea. Esto es donde la fisión nuclear viene como una forma de acelerar la liberación de energía.

En la fisión, el núcleo de un elemento pesado se rompe y libera energía (ver figura 3). Para gatillar la fisión de un núcleo de uranio, este debe ser golpeado por un neutrón. Esta partícula es temporalmente absorbida, haciendo que el núcleo sea inestable. Luego el núcleo se parte, para formar dos núcleos más pequeños, liberando en este proceso, dos o tres neutrones. Algo de la energía de los núcleos se libera en la forma de "energía cinética" de las partículas y "radiación gama "La famosa ecuación de Einstein, E=mc² expresa esto (donde "E" es energía, "m" es masa y "c" es la velocidad de la luz). La masa del núcleo inicial y el neutrón que lo golpea es más grande que la del núcleo divido y los neutrones liberados, la masa faltante se ha convertido en energía.

Un evento de fisión individual puede resumirse en la formula que se muestra en la figura 5.

De acuerdo a lo convenido, cada núcleo está representado por su símbolo químico con dos números, uno sobre él y otro debajo. El que está encima, es el número de protones más neutrones en el núcleo (la "masa atómica"), mientras que el que esta debajo, es el número de protones (el "número atómico"). De este modo la figura 6 es un núcleo de uranio constituido por 92 protones y 143 neutrones (235-92). Un neutrón se muestra como la figura 7.

En este ejemplo, el núcleo de uranio se ha partido para formar bario y kripton y se han liberado dos neutrones (ver figura 3).

El núcleo puede partirse en otra forma para producir diferentes pares de átomos, más dos o tres neutrones. Es el hecho que un neutrón libre puede conducir a la liberación de dos o tres lo que hace posible en este proceso extraer energía en cantidades útiles, porque los neutrones liberados pueden gatillar una "reacción en cadena". Ellos pueden chocar con otros núcleos que a su vez se dividen para producir más neutrones, y así sucesivamente. En un reactor nuclear, la reacción es controlada, de modo que como promedio, un neutrón de cada evento de fisión, puede conducir a la liberación de otro. De este modo el "flujo de neutrones" dentro del reactor permanece constante y la energía es liberada en forma equilibrada. Si usted permite que se libere más de un neutrón en cada evento para causar mayores fisiones, el flujo de neutrones aumenta y sube el poder que se libera.

¿Pero qué es lo que impide que la reacción en cadena se salga de control? En el núcleo del reactor las barras de uranio natural o enriquecido están intercaladas con "barras control", que regulan el ritmo de fisión absorbiendo neutrones (ver figura 1). Para mantener la liberación de energía equilibrada, las barras pueden levantarse o bajarse. Ellas están hechas de un material que absorbe neutrones, típicamente boro o cadmio, de modo que cuando se bajan en el núcleo, absorben neutrones haciendo más lenta la reacción. Levantándola, esta se acelera. Los reactores se diseñan con un "mecanismo de seguridad": En caso de emergencia, las barras se ubican en el lugar adecuado, bajando el reactor, tan pronto como sea posible. El accidente de Chernobyl en Ucrania en Abril de 1986 sucedió durante un ensayo, en que los operadores anularon los mecanismos de seguridad y retiraron la mayor parte de las barras control. El núcleo se sobrecalentó y estalló un incendio, liberando gran cantidad de material radioactivo. Hasta ahora se han detectado más de 9000 casos de cáncer en la población local.

El control y las barras energéticas están rodeadas por un "material moderador", que frena a los neutrones rápidos liberados durante el proceso de fusión. De otro modo estos raramente chocarían con el núcleo al pasar rápidamente sobre el mineral. Muchos de ellos escaparían antes de causar mayor fusión. El moderador, que puede ser agua, agua pesada (que contiene el isótopo deuterio más pesado en lugar de hidrógeno) o bloques de grafito que actúan frenando los neutrones hasta que ellos están a la misma temperatura del mineral, cuando ellos son conocidos como "neutrones termales". Ellos entonces tienen más posibilidades de causar fisión y llegar a ser parte de la cadena de reacción

Circulando alrededor del núcleo hay un sistema de "enfriamiento" que va retirando el calor. Los reactores enfriados por gas (como el Magnox) y por sistemas avanzados de enfriadores de gas (AGRs), usan C02 como enfriantes. Reactores de agua presurizada (PWRs), usan agua como enfriantes. Algunas veces el agua es usada en ambos, tanto como moderador y enfriador. Después que el enfriador se ha calentado al paso por el mineral, es bombeado hacia un "intercambiador de calor", donde transfiere su energía al agua, produciendo vapor a alta presión. El vapor se usa para mover turbinas y alimentar a un generador. Esta parte de una planta nuclear es como cualquier otro generador térmico de electricidad, habiendo todo tipo de "maquinas de calor" como el núcleo del reactor, a un resumidero enfriador, que generalmente es una reserva de agua fría.

Mientras mayor es la diferencia de temperatura entre los dos, mayor es la proporción de energía que puede utilizarse en una forma útil, como es la electricidad: "eficiencia operadora". La mayor parte de los reactores nucleares tienen una temperatura del núcleo (el metal) un poco por encima de 300 C y son enfriados por el agua a 20 C. Esta diferencia es pequeña comparada con las estaciones que queman carbón, donde la fuente de calor puede ser hasta 550 C. Es por esta razón que las plantas nucleares tienen una eficiencia de operación de sólo un 30%, lo que significa que menos de una tercera parte de la energía liberada por la reacción de fisión termina como electricidad. El resto se pierde como calor. Por contraste, una moderna planta de carbón puede alanzar el 40% de eficiencia. Una planta combinada de ciclo gas-carbón, tiene una eficiencia de más del 50%.

Además de esto, los reactores nucleares toman días para partir o para detenerse. Así por ejemplo, para el control de las barras cuando van a ser cambiadas, sólo se interrumpe secciones del núcleo. Su efecto no es lo suficientemente expedito como para aprovechar las rápidas fluctuaciones de los precios de la electricidad, lo que necesita de cambios de hora a hora o de minuto a minuto. Por esto los reactores en definitiva se mantienen funcionando por meses en estado de equilibrio.

La ineficiencia relativa no es el único problema. Durante la fisión se emiten radiaciones gama y los productos de la fisión son altamente radioactivos. En la medida que se usa, el U-235 se va progresivamente diluyendo y en ello reside la principal desventaja ambiental de las plantas nucleares. La reacción en cadena se detiene mucho antes que el U-235 se haya consumido, cuando ya no hay más "masa critica de material fisible". El combustible gastado de las barras contiene mezclas de uranio con numerosos otros isótopos altamente radioactivos (los productos fisionados y otros productos de sus decaimientos). Este material tiene que manejarse con gran cuidado.

El combustible gastado es muy caliente, porque en su interior el decaimiento radioactivo todavía continúa, por lo que debe ser sumergido por periodos de tres meses en grandes "piscinas de enfriamiento", en cuya agua se disipa el calor. Una vez que la temperatura se ha enfriado lo suficiente, las barras se procesan para separar los elementos más peligrosos: los isótopos con la vida media más corta. Esto se conoce como "desperdicios de alto nivel”, y deben ser sellados y almacenados para prevenir cualquier contaminación del ambiente. En ejemplo de esta reposición son la Montañas nevadas de Yucca, donde el gobierno de los Estados Unidos planea almacenar desperdicios nucleares por miles de años.

Parte del U-235 no usado también tiene que recuperarse por "reprocesamiento" para luego devolverlo para el ciclo de la combustión de combustible. En el mundo hay sólo tres plantas centrales de reprocesamiento: Sellafield en Inglaterra, Cogema en Francia, y otro que esta en desarrollo en Japón. Sellafield procesa combustible gastado proveniente de nueve países, incluyendo Japón, Canadá y Alemania. El material reprocesado puede utilizarse para crear combustible MOX (mixed oxide) que contiene 96% uranio, 3 % de despedido de alto nivel y 1% de plutonio.

El plutonio es un "elemento transuránico" (tiene un número atómico más alto que el uranio) y es otra razón de por qué los productos de desecho de plantas atómicas son hoy una papa caliente política. ¿De dónde viene este subproducto? En los reactores, el uranio-238 no va a la fisión, pero puede capturar neutrones. Esto genera plutonio-239 que es fisible y es usado en algunas cabezas nucleares. En esto, el uranio-235, o el plutonio-239, experimentan una fisión descontrolada en cadena, que se desarrolla enormemente en cuestión de un segundo. Muchos de los primeros reactores comerciales fueron diseñado para maximizar la producción de plutonio para armas nucleares. Hoy en día este subproducto esta en el centro de la preocupación de la "proliferación nuclear".

La reciente expulsión de inspectores de NU en Corea del Norte de su planta nuclear Yongbyon ha gatillado una crisis internacional porque la planta es capaz de producir plutonio. El temor es que el dictador comunista lo use para fabricar una bomba.

Dejando a un lado estos escenarios alarmantes, ¿Cuáles son los riesgos que se presentan cada día por una planta nuclear bien manejada? Un simple "clic" emitido por un "contador Geiger", registra el decaimiento de un sólo átomo, de modo que la radiación puede detectarse en el ambiente en nivel de minutos y el monitoreo continuo puede asegurar que las plantas son un lugar seguro para trabajar. Sin embargo, inevitablemente materiales peligrosos pueden filtrarse al ambiente ya sea durante el ciclo minero, la fabricación de combustible, el reprocesamiento o el manejo de desperdicios. Para el ciudadano promedio eso agrega menos del 0.1% de su exposición a la "irradiación basal". Con todo, hay casos infrecuentes en que el procedimiento del manejo de desperdicios puede fallar e isótopos radioactivos entren a la cadena alimenticia. Así por ejemplo, en 1996 se reporteó que las langostas y otros mariscos capturados en el mar irlandés estaban contaminados con el metal technetium-99 radiactivo. Desde la década del 1950, que desechos nucleares de Sellafield han estado siendo descargados en el mar.

Un problema final de las plantas nucleares es la "decomisionación". Cuando un reactor es desmantelado, las estructuras en el sitio quedan contaminadas con material radioactivo y entonces todo tiene que ser manejado con gran cuidado. Algunos isótopos decaen relativamente rápido y son relativamente peligrosos; otros con vidas medias largas deben almacenarse en contenedores seguros por largos periodos. En esta forma, el gran capital inicial invertido al comienzo de la vida del reactor deben enfrentarse con los altos costos finales, precisamente cuando ya no se va a generar ingreso.

Las plantas nucleares tienen una gran ventaja: a diferencia de los combustibles fósiles ellas no agregan anhídrido carbónico a la atmósfera. Para los signatarios del protocolo de Kioto que se comprometieron a reducir la emisión de CO2, la construcción de plantas nucleares para generar electricidad puede ser una solución. En este caso tendrán que competir con las fuentes de energía renovables. Pero sobre todo, necesitan demostrar que son más baratas, limpias y seguras.

* David Sang es profesor de ciencias y autor del libro "Nuclear and Particle Physics” (Nelson Thornes, 1996).