La energía nuclear , o energía atómica , es la energía liberada por las reacciones nucleares y la descomposición radiactiva en forma de energía electromagnética y cinética . Esta energía es aprovechada por numerosas tecnologías nucleares y tiene una especial relevancia en el sector energético, de hecho comúnmente se denomina energía nuclear a aquella liberada de forma controlada en las centrales nucleares para la producción de electricidad . [2] En una central eléctrica, la energía nuclear se libera por la fisión del combustible ( isótopos de uranio y plutonio ) en el reactor y aquí se convierte en energía térmica que puede utilizarse para la producción de electricidad . También se investiga la posibilidad de explotar las reacciones de fusión nuclear con fines energéticos . [3] [4]
A partir de 2020, la energía nuclear representa aproximadamente el 10% de la producción mundial de electricidad y fue la segunda fuente de energía baja en carbono más grande después de la hidroelectricidad . Está muy extendido en 32 estados que albergan 442 reactores de fisión nuclear para una capacidad instalada de392,6 GW . [5] También hay 53 reactores en construcción y 98 en proyecto, con una capacidad de respectivamente60 GW y103 GW y principalmente en Asia. Estados Unidos de América tiene la mayor cantidad de reactores nucleares, generando más de800 TWh de electricidad de bajas emisiones con un factor de capacidad medio del 92%. [6] El factor de capacidad global promedio para la energía nuclear es del 89%. [7]
La energía nuclear es una de las fuentes de energía más seguras en términos de muertes por unidad de energía producida. El carbón , el petróleo , el gas natural y la hidroelectricidad han causado más muertes por unidad de energía generada que la nuclear, debido a la contaminación del aire y los accidentes. El accidente más grave en una planta nuclear fue el de Chernobyl' en Ucrania (entonces Unión Soviética) en 1986, seguido del desastre de Fukushima provocado por un tsunami en 2011 y el accidente más pequeño de Three Mile Island en Estados Unidos en 1979.
Ha habido un debate sobre la energía nuclear durante algún tiempo . Los defensores, como la Asociación Nuclear Mundial , argumentan que la energía nuclear es una fuente segura y sostenible que reduciría las emisiones de dióxido de carbono. Por el contrario, opositores como Greenpeace y NIRS argumentan que la energía nuclear presenta muchas amenazas para la población y el medio ambiente y que la construcción de plantas es demasiado costosa y lenta en comparación con las fuentes de energía sostenible.
La nuclear está regulada por el Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA o IAEA), que se encarga de promover el uso pacífico de esta forma de energía y prevenir su uso con fines militares, realizando funciones de vigilancia y control sobre la seguridad de las plantas existentes y aquellos en construcción o diseño.
La historia de la energía nuclear comienza con los descubrimientos de la desintegración radiactiva realizados en 1896 por Henri Becquerel y Marie Curie , mientras trabajaban con materiales fosforescentes . [8] [9] Estos materiales, que brillan en la oscuridad después de la exposición a la luz, son muy diferentes de los materiales fluorescentes , que brillan en la oscuridad mientras se exponen a fuentes de luz invisibles para nuestros ojos. Becquerel sospechó que el brillo producido por los tubos de rayos catódicos una vez extinguidos podría estar asociado con la fosforescencia inducida por la presencia de rayos X. Luego tomó varias sales fosforescentes y las envolvió en papel, después de lo cual envolvió todo con una placa fotográfica. Todas las sales no dejaron huella en la placa fotográfica, excepto las sales de uranio. Estos, que no brillaban en la oscuridad, hacían que el plato se ennegreciera a pesar de estar envuelto en papel, como si el plato hubiera estado expuesto a la luz. Pronto quedó claro que el ennegrecimiento de la placa no tenía nada que ver con la fosforescencia, ya que el ennegrecimiento también lo producían las sales no fosforescentes de uranio.
Investigaciones posteriores de Becquerel, Ernest Rutherford , Paul Villard , Pierre Curie , Marie Curie y otros mostraron que esta forma de radiactividad era significativamente más complicada que los rayos X recién descubiertos. Rutherford fue el primero en darse cuenta de que todos estos elementos se descomponen según la misma fórmula matemática exponencial y que muchos procesos de descomposición conducen a la transmutación de un elemento en otro. Posteriormente, se formuló la ley de desplazamiento radiactivo de Fajans y Soddy para describir los productos de la desintegración alfa y beta . [10]
El descubrimiento de la fisión nuclear se produjo en 1938 como resultado de los estudios de Ernest Rutherford basados en la teoría de la relatividad de Albert Einstein . De hecho, fue este último quien adivinó en 1905 que la energía y la masa son dos manifestaciones de la materia y las equiparó con la famosa fórmula . Poco después del descubrimiento del proceso de fisión, se descubrió que un núcleo atómico en fisión puede inducir más fisiones de más núcleos, generando así una reacción en cadena autosostenida. [11] Una vez que esto se confirmó experimentalmente en 1939, los científicos de muchos países pidieron a sus gobiernos que apoyaran la investigación de la fisión nuclear, al comienzo de la Segunda Guerra Mundial , para el desarrollo de un arma nuclear. Estos esfuerzos de investigación, conocidos colectivamente como el Proyecto Manhattan , condujeron tanto a la construcción del primer reactor funcional de demostración experimental por parte de Enrico Fermi : el Chicago Pile-1 , como a los subsiguientes eventos bélicos de la Segunda Guerra Mundial con la liberación de energía atómica. bombas sobre Hiroshima y Nagasaki . [12]
A pesar de la naturaleza militar de las primeras tecnologías nucleares , las décadas de 1940 y 1950 estuvieron marcadas por un fuerte optimismo sobre el potencial de la energía nuclear para proporcionar energía inagotable y de bajo costo. De hecho, la electricidad fue generada por primera vez por un reactor nuclear el 20 de diciembre de 1951, en la Estación Experimental EBR-I en Idaho , que inicialmente produjo alrededor de100 kilovatios [13] En 1953, el presidente estadounidense Dwight D. Eisenhower pronunció su discurso " Átomos para la paz " en las Naciones Unidas, destacando la necesidad de desarrollar rápidamente usos "pacíficos" de la energía nuclear. Siguió la Ley de Energía Atómica de 1954, que permitió una rápida desclasificación de la tecnología de reactores de EE. UU. y alentó el desarrollo por parte del sector privado.
El 27 de junio de 1954, la planta de energía nuclear de Obninsk en la Unión Soviética se convirtió en la primera planta de energía nuclear del mundo en generar electricidad para una red eléctrica, produciendo alrededor de 5 MW de electricidad. [14] La primera planta de energía nuclear comercial del mundo, Calder Hall en Windscale , Inglaterra , se conectó a la red eléctrica nacional el 27 de agosto de 1956. Al igual que otros reactores de primera generación, la planta tenía un doble propósito. producir electricidad y plutonio-239 , este último para el incipiente programa de armas nucleares de Gran Bretaña . [15] Los primeros accidentes nucleares importantes fueron el desastre de Kyštym en la planta de energía nuclear de Mayak en la Unión Soviética y el incendio de Windscale en el Reino Unido, ambos en 1957.
Otro accidente grave ocurrió en 1968 cuando uno de los dos reactores refrigerados por metal líquido a bordo del submarino soviético K-27 sufrió una falla en el elemento combustible, emitiendo productos de fisión gaseosos al aire circundante, lo que provocó la muerte de 9 tripulantes y 83 heridos. [dieciséis]
La crisis del petróleo de 1973 tuvo un efecto significativo en países como Francia y Japón , que dependían más del petróleo para generar electricidad. Como resultado, comenzaron a invertir en energía nuclear. [17] En 2019, el 71% de la electricidad francesa fue generada por energía nuclear, el porcentaje más alto de cualquier nación del mundo. [18]
A mediados de la década de 1970, el activismo antinuclear adquirió mayor atractivo e influencia, y la energía nuclear comenzó a convertirse en un tema de gran protesta pública. [19] La creciente hostilidad pública hacia la energía nuclear ha llevado a un proceso de concesión de licencias más largo, regulaciones y mayores requisitos para el equipo de seguridad, lo que ha hecho que las nuevas construcciones sean mucho más costosas. [20]
El desastre de Chernobyl de 1986 en la URSS, que involucró un reactor RBMK , cambió el desarrollo de la energía nuclear y condujo a una mayor atención al cumplimiento de las normas reglamentarias y de seguridad internacionales. [21] Se considera el peor desastre nuclear de la historia tanto en términos de víctimas totales, con 56 muertos directos, como económicamente, con limpieza y coste estimado en 18.000 millones de rublos soviéticos (68.000 millones de dólares en 2019, netos de 'inflación'). [22] La organización internacional para promover la concienciación sobre la seguridad y el desarrollo profesional de los operadores de plantas nucleares, la Asociación Mundial de Operadores Nucleares (WANO), se creó como resultado directo del accidente de Chernobyl. El desastre jugó un papel importante en la reducción del número de construcciones de nuevas plantas en los años siguientes. [23] Influenciada por estos acontecimientos, Italia votó en contra de la energía nuclear en un referéndum de 1987 , convirtiéndose en el primer país en eliminar por completo la energía nuclear en 1990.
A principios de la década de 2000, se esperaba una serie de inversiones tanto públicas como privadas, debido a la preocupación por las emisiones de dióxido de carbono. [24] Durante este período, los reactores de próxima generación, como el EPR , comenzaron a construirse, aunque encontraron problemas y demoras y estaban significativamente por encima del presupuesto. [25]
Los planes para un renacimiento nuclear fracasaron en 2011, luego del desastre nuclear de Fukushima Dai-ichi . El desastre fue causado por un gran tsunami provocado por el terremoto de Tōhoku , uno de los terremotos más grandes jamás registrados. La planta de energía nuclear Fukushima Dai-ichi sufrió tres colapsos de núcleo debido a la falla del sistema de enfriamiento de emergencia debido a un corte de energía. Esto resultó en el accidente nuclear más grave desde el desastre de Chernobyl. El accidente provocó una revisión de la seguridad nuclear y la política de energía nuclear en muchos países. [26] Alemania ha aprobado planes para cerrar todos sus reactores para 2022, y muchos otros países han revisado sus programas de energía nuclear . [27] [28] Después del desastre, Japón cerró todos sus reactores nucleares, algunos de ellos de forma permanente, y en 2015 comenzó un proceso gradual para reiniciar los 40 reactores restantes. [29]
Para 2015, las perspectivas del OIEA para la energía nuclear se habían vuelto más prometedoras, reconociendo la importancia de la generación de energía con bajas emisiones de carbono para mitigar el cambio climático. A partir de 2021, se planeó construir más de 50 reactores nucleares en todo el mundo, [30] pero China ha construido significativamente menos reactores de los planeados originalmente.
El 24 de octubre de 2007 se puso en marcha un proyecto internacional llamado ITER que tiene como objetivo construir un reactor de fusión nuclear para 2025 y para 2035 para dar soporte a la primera reacción de fusión nuclear controlada . [31] El proyecto sucesor, DEMO , creará la primera planta de energía de fusión nuclear del mundo de la que será posible obtener electricidad. La planta de energía de fusión nuclear estará lista de manera realista a partir de 2050.
La aniquilación partícula-antipartícula está todavía muy lejos de su explotación para la producción de electricidad, aunque actualmente se utiliza en medicina diagnóstica mediante tomografía por emisión de positrones (PET).
En física y química nucleares , las reacciones nucleares son todas aquellas reacciones que implican transformaciones en los núcleos de los átomos . Incluyen la fisión nuclear, la fusión nuclear, la descomposición radiactiva y la aniquilación de partículas y antipartículas.
La fisión nuclear es una reacción de desintegración que consiste en romper el núcleo de un átomo , compuesto por una determinada cantidad de partículas subatómicas , para obtener fragmentos compuestos por una menor cantidad de partículas. [32] La reacción utiliza un neutrón para golpear el núcleo de un átomo pesado, como el del uranio-235 , que se parte en dos fragmentos y deja libres otros dos o tres neutrones (en promedio 2,5), que tienen una alta cinética. energía. [32] Estos neutrones pueden golpear otros núcleos de uranio-235 y generar así una reacción en cadena .
La suma de las masas de los dos fragmentos resultantes y de los neutrones emitidos es ligeramente inferior a la del núcleo original y la del neutrón que lo fisionó: la masa que falta se ha transformado en energía. Cuando se rompe un núcleo de uranio-235, aproximadamente el 0,1% de la masa del núcleo se transforma en energía de fisión , que es aproximadamente200 MeV . [33] [34] Para la misma energía producida, 1 g de uranio consumido corresponde a aproximadamente 2800 kg de carbón, sin la producción de gases de efecto invernadero típica de la combustión del carbón. [32]
Los átomos que pueden sostener una reacción de fisión nuclear se denominan combustibles nucleares y se denominan fisionables . Los combustibles nucleares más utilizados son el uranio-235 y el plutonio-239 , que se descomponen en una serie de elementos químicos con masas atómicas entre 95 y 135 y que se definen como productos de fisión . La mayoría de los combustibles nucleares solo pueden fisionarse espontáneamente muy lentamente, decayendo durante períodos que van desde milenios hasta eones . En un reactor nuclear o arma nuclear, por otro lado, la gran mayoría de los eventos de fisión son inducidos por el bombardeo de neutrones, que ocurre muy rápidamente.
La fusión nuclear es una reacción en la que dos o más núcleos atómicos se combinan para formar uno más pesado. Para que se lleve a cabo esta reacción, los átomos deben colisionar a velocidades muy altas. Esto significa que su energía cinética, y en consecuencia su temperatura, debe ser muy alta. En el universo , estas condiciones se dan en las estrellas : la fusión nuclear es el proceso físico que las hace brillar y les permite emitir calor.
La temperatura a alcanzar si se quiere fusionar artificialmente una mezcla de deuterio - tritio en helio es de unos 100 millones de grados. A tales temperaturas los átomos tienden a disociarse formando una mezcla de iones llamada plasma . [32] A temperaturas tan altas, el principal problema se convierte en el confinamiento del plasma y, dado que en la naturaleza no existen recipientes que resistan esas condiciones, se debe utilizar el confinamiento magnético. Este es el concepto detrás de ITER y su tokamak . [32]
En el núcleo del Sol la temperatura media es de 14 millones de grados, pero aún se producen reacciones de fusión nuclear gracias a la alta presión debida a la gravedad . También en el Sol los átomos que intervienen en la fusión son principalmente hidrógeno, deuterio y tritio, aunque en el resto de estrellas es posible observar la fusión de átomos más pesados. Los astrónomos aprovechan esta característica para fechar la edad de las estrellas: una estrella joven derrite hidrógeno o helio dentro de su núcleo, mientras que una estrella más vieja usa carbono , nitrógeno u oxígeno . [35] [36] Esta hipótesis subyace a la explicación de la generación de átomos como el hierro, que originalmente estaban ausentes en el universo.
Un proceso de fusión nuclear que produce núcleos más ligeros que el hierro -56 o el níquel -62 generalmente libera energía, mientras que la fusión de núcleos más pesados libera menos energía que la invertida en la fusión y por tanto la reacción resultante es endotérmica . Esto significa que los elementos más ligeros, como el hidrógeno y el helio, suelen ser más fusibles ; mientras que los elementos más pesados, como el uranio , el torio y el plutonio , son más fisionables . El evento astrofísico extremo de una supernova puede producir suficiente energía para fusionar núcleos en elementos más pesados que el hierro. [37]
El porcentaje de masa transformada en energía, definida como energía de fusión , ronda el 1%.
La desintegración radiactiva se refiere a un conjunto de procesos físicos, a través de los cuales los núcleos atómicos inestables tienden a perder el exceso de energía mediante la emisión de radiación. Un material que contiene núcleos inestables se considera radiactivo. Los tipos más comunes de desintegración se denominan desintegración α , desintegración β y desintegración γ . La desintegración radiactiva es un proceso estocástico a nivel de átomos individuales y, según la teoría cuántica , es imposible predecir cuándo se desintegrará un átomo en particular, sin importar cuánto tiempo haya existido. [38] [39] [40] Sin embargo, para un número significativo de átomos idénticos, la tasa de desintegración general se puede expresar como una constante de desintegración o como una vida media . Las vidas medias de los átomos radiactivos tienen una amplia gama de tiempos; desde casi instantáneo hasta mucho más largo que la edad del universo .
Otros tipos de desintegración son la fisión espontánea , la emisión de neutrones , la emisión de protones , la captura de electrones o la desintegración de cúmulos , que tienen mecanismos de desintegración adicionales. En general, existen elementos químicos estables e inestables en el universo, que se denominan radionucleidos . Para estabilizarse, los radionúclidos se descomponen siguiendo diferentes caminos según su masa o volumen. Para obtener una lista de radionucleidos, consulte la Lista de nucleidos o la Tabla de nucleidos .
En física, la aniquilación es el fenómeno que ocurre cuando una partícula se encuentra con su antipartícula . En este caso ambas masas se anulan y se transforman en energía según la famosa fórmula de Albert Einstein , E = mc 2 . Básicamente, 1 g de materia que es aniquilada por 1 g de antimateria produce1,8 × 10 14 J de energía, comparable a 10 veces la energía liberada por la bomba atómica Little Boy . Con el mismo material utilizado (1 g), la combustión del aceite produce4,2 × 10 4 J y la fusión de hidrógeno para formar helio da1,3 × 10 12 J , prácticamente la aniquilación es 40 mil millones de veces más energética que la quema de petróleo y unas 100 veces más energética que la fusión nuclear.
Aunque es un proceso que también involucra partículas no nucleares, como el electrón y el positrón , también puede involucrar protones, neutrones y sus antipartículas relativas ( antiprotón y antineutrón ) y por lo tanto entra dentro de las reacciones nucleares.
Las centrales nucleares son centrales térmicas que generan electricidad aprovechando la energía térmica producida por la fisión nuclear . Una central nuclear de fisión se compone generalmente de un reactor nuclear (en el que tienen lugar reacciones nucleares que generan calor de forma controlada [41] ), un sistema de refrigeración (que extrae el calor del interior del reactor), una turbina de vapor que transforma el calor en energía mecánica y un generador eléctrico , que transforma la energía mecánica en energía eléctrica. [42]
Cuando un neutrón golpea el núcleo de un átomo de uranio-235 o plutonio , provoca que el núcleo se fisione en dos núcleos más pequeños. Esta fisión libera energía en forma de calor y otros neutrones que a su vez pueden afectar a otros núcleos de uranio o plutonio, provocando nuevas reacciones de fisión, dando lugar así a la denominada reacción en cadena . En la mayoría de los reactores comerciales, la velocidad de reacción se controla mediante barras de moderación que absorben el exceso de neutrones. La controlabilidad de los reactores nucleares depende del hecho de que una pequeña fracción de los neutrones resultantes de la fisión se "retrasan". El retraso entre la fisión y la liberación de neutrones ralentiza los cambios en las velocidades de reacción y da tiempo para mover las barras de control para ajustar la velocidad de reacción. [42] [43]
El combustible nuclear más común es el uranio enriquecido (es decir, con un mayor porcentaje de uranio-235 que el uranio natural), pero también es posible utilizar plutonio-239 en el combustible MOX .
El uranio es un elemento relativamente común en la corteza terrestre, tan común como el estaño o el germanio y unas 40 veces más común que la plata . [44] El uranio está presente como un elemento traza en muchas rocas, tierra y agua del océano, pero generalmente solo se extrae económicamente donde está presente en altas concentraciones. La extracción de uranio puede ser subterránea, al aire libre o por lixiviación in situ . Un número creciente de minas de mayor rendimiento son operaciones subterráneas remotas, como la mina McArthur River en Canadá, que por sí sola representa el 13 % de la producción mundial. A partir de 2011, los recursos mundiales de uranio conocidos, extraíbles hasta el tope arbitrario establecido en $ 130 por kg, eran suficientes para durar de 70 a 100 años. [45] [46] [47] En 2007, la OCDE, asumiendo el consumo de ese período, había estimado para todos los recursos convencionales y minerales fosfatados un total de 670 años de extracción rentable. [48]
Los reactores de agua ligera explotan el combustible de manera relativamente ineficiente, utilizando solo uranio-235, que es un isótopo muy raro. [49] El reprocesamiento puede hacer que los desechos sean reutilizables y los reactores modernos pueden ser más eficientes en términos de recursos que los más antiguos. [49] Con un ciclo de combustible de reactor rápido puro con el consumo de todo el uranio y los actinoides (que actualmente constituyen las sustancias más peligrosas de los residuos nucleares), se estima una cantidad de uranio en los recursos convencionales y en los minerales fosfatados para unos 160.000 años. a un precio de $ 60-100 / kg. [50] Sin embargo, el reprocesamiento es costoso, posiblemente peligroso y podría usarse para producir armas nucleares. [51] [52] [53] [54] Un análisis encontró que los precios del uranio podrían aumentar en dos órdenes de magnitud entre 2035 y 2100 y que podría haber escasez de uranio a principios de siglo. [55] Un estudio de 2017 realizado por investigadores del MIT y WHOI encontró que "al ritmo actual de consumo, las reservas globales convencionales de uranio de la Tierra (aproximadamente 7,6 millones de toneladas) podrían agotarse en el transcurso de poco más de un siglo". [56] El suministro limitado de uranio-235 podría impedir un desarrollo sustancial con las tecnologías actuales. Si bien se están explorando varias formas de reducir la dependencia de estos recursos, [57] [58] [59] se considera que las nuevas tecnologías nucleares no están disponibles para mitigar el cambio climático o competir con las energías renovables, además de ser más costosas y requieren investigación y desarrollo. Un estudio encontró que no estaba claro si los recursos identificados se desarrollarán a tiempo para suministrar continuamente combustible a las instalaciones nucleares ampliadas [60] y varias formas de extracción podrían entrar en conflicto con las barreras ecológicas y económicas. [61] [62] Los investigadores también informan una dependencia considerable de la energía nuclear importada. [63]
Sin embargo, también existen recursos de uranio no convencionales. El uranio está naturalmente presente en el agua de mar en una concentración de aproximadamente 3 microgramos por litro, [64] [65] [66] y se considera que hay 4.400 millones de toneladas de uranio presentes en el agua de mar en un momento dado. [67] En 2014 se sugirió que sería económicamente competitivo producir combustible a partir de agua de mar si el proceso se implementara a gran escala. [68] Al igual que los combustibles fósiles, a lo largo de los tiempos geológicos, el uranio extraído del agua de mar a gran escala se recargaría tanto por la erosión de los ríos como por el proceso natural de uranio disuelto de la superficie del fondo del océano; ambos mecanismos mantienen los equilibrios de solubilidad de la concentración de agua de mar en un nivel estable. [67] Algunos comentaristas argumentan que esto es una ventaja para considerar la energía nuclear como una fuente de energía renovable . [69]
Los residuos radiactivos ( o residuos nucleares) se producen durante el funcionamiento normal de las centrales nucleares y durante su desmantelamiento. Hay dos grandes categorías de residuos, divididos en nivel bajo y nivel alto. [71] El primero tiene baja radiactividad e incluye objetos contaminados, que representan una amenaza limitada. Los desechos de actividad alta son principalmente combustible gastado de reactores nucleares que es altamente radiactivo y debe enfriarse antes de ser almacenado o reprocesado de manera segura . [71]
Residuos de actividad altaLa categoría más grande de desechos radiactivos es el combustible nuclear gastado, que se considera un desecho de actividad alta. En el caso de los reactores de agua ligera , o LWR, el combustible gastado suele estar compuesto por un 95 % de uranio, un 4 % de productos de fisión y aproximadamente un 1 % de actinoides transuránicos ( principalmente plutonio , neptunio y americio ). [72] El plutonio y otros transuránicos son responsables de la mayor parte de la radiactividad a largo plazo, mientras que los productos de fisión son responsables de la mayor parte de la radiactividad a corto plazo. [73]
Los desechos de actividad alta deben tratarse, gestionarse y aislarse del entorno externo. Estas operaciones presentan desafíos debido al hecho de que estos materiales siguen siendo potencialmente peligrosos durante períodos extremadamente prolongados. Esto se debe a los productos de fisión de larga vida como el tecnecio-99 (vida media de220 000 años ) y yodo-129 (vida media de 15,7 millones de años), [75] que dominan la gran mayoría de los términos en términos de radiactividad, después de que los productos de fisión de vida corta más radiactivos se descomponen en elementos estables, lo que lleva alrededor de 300 años [70] Debido a la disminución exponencial de la radiactividad a lo largo del tiempo, la actividad del combustible nuclear gastado disminuye en un 99,5 % después de 100 años. [76] Después de aprox.100 000 años , el combustible gastado se vuelve menos radiactivo que los minerales de uranio natural. [77] Los métodos más comunes para aislar desechos de vida larga de la biosfera incluyen la separación y la transmutación , [70] los tratamientos sinroc o el almacenamiento en depósitos geológicos profundos. [78] [79] [80] [81]
Los reactores de neutrones térmicos , que actualmente constituyen la mayoría de los reactores en funcionamiento, no pueden consumir el plutonio que generan los reactores. Esto limita la vida del combustible nuclear a unos pocos años. En algunos países, como Estados Unidos, el combustible gastado se clasifica en su totalidad como residuo nuclear. [82] En otros países, como Francia, gran parte se reprocesa para producir un combustible reciclado, llamado combustible de óxido mixto o MOX. Para el combustible gastado que no se somete a reprocesamiento, los isótopos más relevantes son los elementos transuránicos , que tienen una vida media intermedia , la mayoría de los cuales es plutonio (24 000 años ). Algunos diseños de reactores propuestos, como el reactor rápido integral o el reactor de sales fundidas , pueden utilizar plutonio y otros actinoides producidos por reactores de agua ligera como combustible . Esta posibilidad ofrece una alternativa prometedora a los repositorios geológicos profundos. [83] [84] [85]
El ciclo del torio produce productos de fisión similares, aunque crea muchos menos elementos transuránicos a partir de eventos de captura de neutrones dentro de un reactor. El torio agotado, aunque más difícil de gestionar que el uranio gastado, puede presentar riesgos de proliferación algo menores. [86]
Residuos de actividad bajaLa industria nuclear también produce un gran volumen de desechos de actividad baja, con baja radiactividad, en forma de artículos contaminados como ropa, herramientas manuales, resinas para purificar el agua y (en el momento de la clausura) los materiales de los que se compone el propio reactor. . Los desechos de actividad baja se pueden almacenar en el sitio hasta que los niveles de radiación sean lo suficientemente bajos como para eliminarlos como desechos ordinarios, o se pueden enviar a un sitio de eliminación de desechos de actividad baja. [87]
Producción de residuos radiactivos a partir de fuentes de energíaEn los países donde se utiliza la energía nuclear, los residuos radiactivos representan menos del 1% del total de residuos tóxicos de origen industrial, la mayoría de los cuales siguen siendo peligrosos durante largos periodos. [49] En general, la energía nuclear produce muchos menos desechos por volumen que las plantas basadas en combustibles fósiles. [88] Las centrales eléctricas de carbón, en particular, producen grandes cantidades de cenizas tóxicas y ligeramente radiactivas como resultado de la concentración de materiales radiactivos naturalmente presentes en el carbón. [89] Un informe de 2008 del Laboratorio Nacional de Oak Ridge concluyó que la energía del carbón en realidad libera más materiales radiactivos al medio ambiente que las plantas de energía nuclear, y que la dosis de radiación efectiva de la radiación del carbón de las plantas de energía nuclear es 100 veces mayor que la debida a la energía nuclear . operaciones de la planta de energía. [90] Aunque la ceniza de carbón es mucho menos radiactiva que el combustible nuclear gastado con el mismo peso, el carbón produce mucha más ceniza por unidad de energía generada. También se libera directamente al medio ambiente como cenizas volantes , mientras que las plantas de energía nuclear tienen varios escudos que protegen el medio ambiente de la fuga de materiales radiactivos. [91]
El volumen de residuos nucleares es pequeño en comparación con la energía producida. Por ejemplo, la Planta de Energía Nuclear Yankee Rowe , que generó 44 mil millones de kilovatios hora de electricidad en su período de operación, produjo una cantidad de combustible gastado que fue contenida en dieciséis recipientes. [92] Algunas estimaciones informan que para producir el suministro de energía de por vida para una persona con un estándar de vida occidental (alrededor de3 GWh ), se requiere un volumen de uranio poco enriquecido igual al de una lata, lo que da como resultado un volumen similar de combustible gastado. [93] [94] [95]
Eliminación de residuosDespués del almacenamiento temporal en una piscina de desactivación dedicada , las barras de combustible gastado de una planta de energía nuclear típica a menudo se almacenan en el sitio en almacenamiento en cofres secos . [96] Actualmente, los desechos se almacenan principalmente en sitios de reactores y hay más de 430 lugares en el mundo donde se puede acumular y se sigue acumulando material radiactivo.
La eliminación de desechos a menudo se considera el aspecto políticamente más divisivo de todo el ciclo de vida de una planta de energía nuclear. [97] Un ejemplo de un depósito natural es el reactor natural de Oklo en Gabón , que no ha sufrido deslizamientos de tierra durante 2 mil millones de años. [98] [99] Los expertos argumentan que los repositorios subterráneos centralizados que están bien administrados, protegidos y monitoreados serían una gran mejora. [97] Existe un "consenso internacional sobre la conveniencia de almacenar los desechos nucleares en repositorios geológicos profundos ". [100] Con el advenimiento de las nuevas tecnologías, se han propuesto otros métodos, como el llamado disposición horizontal de sondajes en áreas geológicas inactivas. [101] [102]
No hay depósitos subterráneos de residuos de actividad alta a escala comercial en funcionamiento. [100] [103] [104] Sin embargo, el depósito geológico de Onkalo cerca de la central nuclear de Olkiluoto está en construcción en Finlandia . [105]
La energía nuclear en 2020 ha proporcionado2 553 TWh de electricidad, equivalente a aproximadamente el 10% de la producción mundial. La energía nuclear está muy extendida en 32 estados que en conjunto albergan 442 reactores nucleares para una capacidad instalada de aproximadamente393 GW . [5] Los Estados Unidos de América , con 93 reactores operativos , son los mayores productores de energía nuclear del mundo, [106] seguidos de Francia , que con 56 reactores activos cubre más del 70% de las necesidades nacionales con energía nuclear de electricidad. [107]
La energía nuclear instalada en todo el mundo está en continuo crecimiento, a partir de 2020 se están construyendo 52 reactores nucleares y 28 países han expresado interés en el programa nacional de desarrollo de energía nuclear del OIEA o lo han iniciado . [108] La mayoría de los nuevos reactores están en construcción en Asia, particularmente en China. [109] En 2022, la energía nuclear se incluyó entre las fuentes de energía promovidas por la taxonomía de la Unión Europea para las finanzas sostenibles. [110]
El costo de la energía nuclear en comparación con otras fuentes de energía se puede expresar a través del costo nivelado de la energía , del inglés levelized cost of energy (LCOE), que es el costo promedio de generar un kilovatio hora eléctrico (kWh) por un determinado tipo de planta durante su operación. En el caso de las centrales nucleares, alrededor del 70 % del LCOE se debe a los costes de capital de la construcción de la central, incluidos los costes financieros, alrededor del 20 % se debe a los costes del combustible nuclear , mientras que el 10 % restante cubre los costes operativos. . , eliminación y desmantelamiento de desechos radiactivos . [111]
El LCOE de las centrales nucleares es, por tanto, fuertemente dependiente de los tipos de interés para la construcción de las centrales, pero relativamente insensible al precio del uranio , condición opuesta al caso de las centrales termoeléctricas tradicionales cuyo LCOE depende esencialmente del precio de los combustibles fósiles utilizados . . Aunque en el ciclo del combustible nuclear el gasto para su fabricación es considerable, el coste del combustible nuclear sigue siendo inferior al coste de las fuentes fósiles por kilovatio hora de electricidad generada y esto se debe al enorme contenido energético del combustible nuclear en comparación con el combustible fósil. . . Los costos de mantener operativas las plantas de energía nuclear tienden a ser más altos que los de las plantas de combustibles fósiles debido a la complejidad técnica y los problemas regulatorios que surgen durante la operación de la planta. Los costes de desmantelamiento de las plantas y de eliminación de residuos están incluidos en las tarifas que aplican las empresas eléctricas. A partir del siglo XXI , el coste de la energía nuclear, antes más barata que la procedente de las centrales de carbón, empezó a subir y esto se debe fundamentalmente a la introducción de mayores sistemas de seguridad en las centrales. Con la introducción del impuesto al carbono , la energía nuclear, al tener una baja huella de carbono , ha obtenido una ventaja competitiva frente a los combustibles fósiles. [111]
Dado que la energía nuclear es una fuente de energía baja en carbono y requiere un área de superficie relativamente pequeña (a diferencia de los sistemas fotovoltaicos), puede tener un impacto ambiental positivo. También requiere un importante y constante suministro de agua y modifica el entorno a través de excavaciones. [112] [113] [114] [115] El mayor impacto negativo potencial radica en el riesgo de proliferación de armas nucleares, los riesgos asociados a la gestión de residuos radiactivos, como la contaminación de las aguas subterráneas, los riesgos de accidentes y la riesgos vinculados a cualquier ataque a las instalaciones de almacenamiento y reprocesamiento de residuos o a las centrales nucleares. [115] [116] [117] [118] [119] [120] [121] [122] Sin embargo, estos riesgos en la historia rara vez se han materializado con pocos desastres que tengan un impacto ambiental significativo.
La energía nuclear es uno de los principales métodos bajos en carbono para producir electricidad ; en términos del ciclo de vida completo de las emisiones de gases de efecto invernadero por unidad de energía producida, tiene valores comparables, si no inferiores, en comparación con las fuentes de energía renovables . [124] [125] Una revisión de 2014 de la literatura sobre la huella de carbono , realizada por el Panel Intergubernamental sobre el Cambio Climático (IPCC) informó que la intensidad de las emisiones en el ciclo de vida "virtual" de la energía nuclear tiene un valor medio de12 g CO 2 eq / kWh , que es la más baja de todas las fuentes de energía comerciales en carga base . [123] [126] Este valor debe compararse con el carbón y el gas natural en 820 y respectivamente490 g CO2eq /kWh . [123] [126] Desde el comienzo de su comercialización en la década de 1970, la energía nuclear ha evitado la emisión de alrededor de 64 mil millones de toneladas de CO2 equivalente que habrían sido el resultado del uso de combustibles fósiles en centrales térmicas . [127]
En general, la dosis promedio del fondo de radiactividad natural es igual a2,4 milisieverts por año (mSv/a). Varía de1 mSv / e13 mSv/a , dependiendo de la geología del lugar. Según el comité UNSCEAR de las Naciones Unidas, las operaciones ordinarias de las centrales nucleares, incluido el ciclo del combustible, aumentan este valor de0,0002 mSv/a . La dosis media debida a las plantas en funcionamiento que reciben las poblaciones adyacentes a la estructura es inferior a0,0001 mSv/a . [128] A modo de comparación, la dosis promedio recibida por quienes habitan un50 millas de una central eléctrica a carbón es tres veces mayor, una0,0003 mSv/a . [129]
El accidente de Chernobyl resultó en una dosis inicial promedio que varió de 50 a100 mSv en el transcurso de horas a semanas, mientras que la exposición promedio global debido al accidente es0.002 mSv / a y está disminuyendo constantemente desde el pico inicial de0,04 mSv por persona como promedio para toda la población del hemisferio norte en 1986, año del accidente. [128]
Las plantas de energía nuclear tienen tres características únicas que afectan su seguridad, en comparación con otras plantas de energía. Primero, los materiales intensamente radiactivos están presentes en un reactor nuclear, cuya liberación al medio ambiente podría ser peligrosa. En segundo lugar, los productos de fisión , que constituyen la mayoría de las sustancias altamente radiactivas en el reactor, continúan generando una cantidad significativa de calor de desintegración incluso después de que se detiene la reacción en cadena de la fisión. Si no se puede eliminar el calor del reactor, las barras de combustible pueden sobrecalentarse y liberar materiales radiactivos. En tercer lugar, es posible que se produzca un incidente de criticidad (un aumento rápido de la potencia del reactor) en algunos diseños de reactores si no se puede controlar la reacción en cadena . Estas tres características deben tenerse en cuenta al diseñar reactores nucleares. [131]
Todos los reactores modernos están diseñados de tal manera que se evita un aumento descontrolado de la potencia del reactor mediante mecanismos de retroalimentación naturales, un concepto conocido como coeficiente de vacío negativo . Si la temperatura o la cantidad de vapor en el reactor aumenta, la tasa de fisión disminuye. La reacción en cadena también se puede detener manualmente insertando barras de control en el núcleo del reactor. Los sistemas de enfriamiento del núcleo de emergencia (ECCS ) pueden eliminar el calor de descomposición del reactor si fallan los sistemas de enfriamiento normales. [132] Si el ECCS también falla, la liberación de material radiactivo al medio ambiente está limitada por múltiples barreras físicas incluso en caso de accidente. La última barrera física es el gran edificio de contención . [131]
Con una tasa de mortalidad de 0,07 por TWh, la energía nuclear es la fuente de energía más segura por unidad de energía generada en términos de mortalidad cuando se consideran los datos históricos. [133] La energía producida a partir del carbón, petróleo, gas natural e hidroelectricidad causó más muertes por unidad de energía generada debido a la contaminación del aire y accidentes energéticos. Esto se encuentra al comparar las muertes inmediatas por otras fuentes de energía con las muertes indirectas tanto inmediatas como latentes o esperadas por cáncer debido a accidentes nucleares. [134] [135] Al comparar las muertes directas e indirectas (incluidas las muertes por minería y contaminación del aire) por combustibles nucleares y fósiles, se calculó que el uso de la energía nuclear evitó aproximadamente 1,8 millones de muertos entre 1971 y 2009, reduciendo también el porcentaje de energía que de otro modo habría sido generada por combustibles fósiles. [127] [136] Después del desastre nuclear de Fukushima de 2011 , se estimó que si Japón nunca adoptaba la energía nuclear, los accidentes y la contaminación de las centrales eléctricas de carbón o gas provocarían la pérdida de más años de vida. [137]
Los graves impactos de los accidentes nucleares a menudo no se pueden atribuir directamente a la exposición a la radiación, sino más bien a los efectos sociales y psicológicos. La evacuación a largo plazo y el desplazamiento de las poblaciones afectadas han creado problemas para muchas personas, especialmente para los ancianos y los pacientes hospitalizados. [138] La evacuación forzada de un accidente nuclear puede provocar aislamiento social, ansiedad, depresión, problemas médicos psicosomáticos, comportamiento imprudente y suicidio. Un estudio general de 2005 sobre las secuelas del desastre de Chernobyl concluyó que el impacto en la salud mental es el mayor problema de salud pública causado por el accidente. [139] Frank N. von Hippel, científico estadounidense, comentó que la radiofobia , es decir, el miedo desproporcionado a las radiaciones ionizantes, podría tener efectos psicológicos a largo plazo en la población de las zonas contaminadas tras el desastre de Fukushima. [140] En enero de 2015, el número de personas desplazadas en Fukushima era de aproximadamente 119 000, en comparación con un pico de aproximadamente 164 000 en junio de 2012. [141]
La proliferación nuclear se refiere a la difusión de armas nucleares, material fisionable y tecnología nuclear militar en estados que aún no poseen armas nucleares. Muchas tecnologías y materiales asociados con la creación de un programa de energía nuclear para uso pacífico (por ejemplo, para la producción de electricidad) también pueden usarse para fabricar armas nucleares. Por esta razón, la energía nuclear presenta riesgos de proliferación.
Un programa de energía nuclear puede convertirse en un camino que conduzca a un arma nuclear. Un ejemplo de esto es la preocupación por el programa nuclear de Irán. [144] La conversión de industrias nucleares civiles en industrias con fines militares sería una violación del tratado de no proliferación , al que se adhieren 190 países. En abril de 2012, había treinta y un países con centrales nucleares civiles, [145] y nueve de ellos tenían armas nucleares. La gran mayoría de estos estados produjeron armas antes que las centrales nucleares comerciales.
Un objetivo fundamental para la seguridad global es minimizar los riesgos de proliferación nuclear asociados con la expansión de la energía nuclear. [144] La Asociación Mundial de Energía Nuclear fue un esfuerzo internacional para crear una red de distribución en la que los países en desarrollo que necesitaban energía recibirían combustible nuclear a un precio reducido, a cambio de renunciar al desarrollo de su propio programa de enriquecimiento de uranio . El Eurodif / European Gaseous Diffusion Uranium Enrichment Consortium, con sede en Francia, es un programa que implementó con éxito este concepto, por el que España y otros países sin plantas adquirían una parte del combustible producido en la planta de enriquecimiento controlada por Francia, pero sin transferencia de tecnología . [146] Irán ha sido uno de los primeros participantes desde 1974 y sigue siendo accionista de Eurodif a través de Sofidif.
Un informe de las Naciones Unidas de 2009 establece: [147]
( ES )
"El resurgimiento del interés en la energía nuclear podría resultar en la difusión mundial de tecnologías de enriquecimiento de uranio y reprocesamiento de combustible gastado, que presentan riesgos evidentes de proliferación, ya que estas tecnologías pueden producir materiales fisionables que se pueden utilizar directamente en armas nucleares". |
( ES )
"El resurgimiento del interés en la energía nuclear podría conducir a la difusión mundial de tecnologías de enriquecimiento de uranio y reprocesamiento de combustible gastado, que presentan claros riesgos de proliferación, ya que estas tecnologías pueden producir materiales fisionables directamente utilizables en armas nucleares". |
Por otro lado, los reactores de potencia también pueden reducir los arsenales de armas nucleares cuando los materiales nucleares de grado militar se reprocesan para su uso como combustible en centrales eléctricas civiles. El programa Megatons to Megawatts se considera el programa de no proliferación más exitoso hasta la fecha. [142] Hasta 2005, el programa había procesado $ 8 mil millones de uranio enriquecido de grado militar , convirtiéndolo en uranio poco enriquecido adecuado como combustible nuclear para reactores de fisión comerciales, diluyéndolo con uranio natural . Esto corresponde a la eliminación de 10.000 armas nucleares. [148] Durante aproximadamente dos décadas, este material generó casi el 10% de toda la electricidad consumida en los Estados Unidos, o aproximadamente la mitad de toda la electricidad nuclear de los Estados Unidos, con un total de aproximadamente7 000 TWh de electricidad producida. [149] En total, se estima que costó $ 17 mil millones, un "acuerdo para los contribuyentes estadounidenses", con Rusia ganando $ 12 mil millones del acuerdo. [149] Un beneficio importante para la industria nuclear rusa, que tras el colapso de la economía soviética, tuvo dificultades para pagar el mantenimiento y la seguridad de las ojivas de uranio altamente enriquecido y de la Federación Rusa. [150] El programa Megatons to Megawatts es considerado un gran éxito por los defensores del desarme nuclear , ya que ha sido la principal fuerza impulsora detrás de la drástica reducción del número de armas nucleares en el mundo desde el final de la Guerra Fría. [142] Sin embargo, sin un aumento en los reactores nucleares y una mayor demanda de combustible fisible, el costo del desmantelamiento y la mezcla han disuadido a Rusia de continuar con su desmantelamiento. A partir de 2013, Rusia no parece estar interesada en extender el programa. [151]