La energía nuclear: fisión y fusión nuclear. ¿Hay esperanza? Cuando mi hijo menor tenía 9 años estaba convencido, por lo que leía en cómics y revistas para niños, que en el año 2000 los coches irían volando por las ciudades y habría avances técnicos y en medicina espectaculares. Conforme avanzaba el tiempo iba desengañándose y se sentía frustrado. Algo así ha pasado con la energía nuclear, tanto de fisión como de fusión. El debate sobre la energía nuclear suele ocupar muchas páginas de los diarios, revistas, programas de televisión y artículos en Internet. No está demás repasar en qué consiste la energía nuclear, las posibles formas de obtener energía para que puede ser consumida por la industria y la población, el presente y futuro de la energía nuclear, los costes de producción y ecológicos y, por encima de todo esto, contraponer la realidad, siempre menos optimista, a la ficción, que tantas veces se suele verter en revistas y prensa no especializada. Conviene recordar qué se entiende por energía nuclear y, en concreto, qué fuentes de energía nuclear se utilizan o se espera emplear en el futuro. Hay dos formas básicas de obtener energía nuclear. Una consiste en “romper” un núcleo pesado (tras la captura de un neutrón lento se vuelve muy inestable) originando dos núcleos de masas más ligeras y neutrones; se trata de la “fisión nuclear”. Otra, consiste en hacer colisionar dos núcleos muy ligeros y fundirlos en otro más pesado, se conoce como “fusión nuclear”. Revisaremos en ambos casos el presente y futuro como fuentes de energía. En los dos tipos de reacciones, la suma de las masas de los productos resultantes (¡medidas en reposo!) es menor que la de los núcleos y partículas iniciales; sólo que los núcleos y partículas resultantes se mueven a enormes velocidades. De modo que, si a la masa en reposo se le suma la energía que 1 tienen, se obtendrá la masa del núcleo inicial. Esta velocidad increíble es energía cinética que puede aprovecharse en aumentar la temperatura de un refrigerante y éste puede calentar el agua de un circuito exterior, cuyo vapor moverá una turbina que producirá la deseada energía eléctrica. En la actualidad se obtiene el 8 % de las necesidades energéticas mundiales de centrales nucleares de uranio235, donde tiene lugar la fisión nuclear. El proceso que ocurre en ellas es bien conocido: cuando los núcleos de U235 capturan un neutrón lento, se vuelven muy inestables (U236) y se rompen o “fisionan”, dando lugar a otros dos núcleos de menor masa (por ejemplo, bario y kriptón) y 2 o tres neutrones, n, que continuarán el proceso de ruptura de otros núcleos de U235. 235 U El proceso se 0n puede simplificar 1 así, 23 n(lento) + U235 U236 Ba138 + Kr96 +3n Como ya se ha U indicado, la suma de las masas en reposo de los productos son menores que la inicial, por lo que ese “defecto” de masa está precisamente en la energía cinética con que salen. El esquema de una central nuclear está representado en la figura 2. 5 Claro que no es oro todo lo que reluce, porque obtener energía del U-235 no es nada fácil. Para empezar hay que señalar que el uranio natural contiene un 99'27 % de U238, el cual no se puede fisionar, y el fisionable es el U235, que es un 0,71% del uranio que se encuentra en la naturaleza. Por ello 2 se requieren grandes cantidades de mineral para separar una masa significativa de U235. Además, el proceso de separación del U235 mezclado con el U238 (ambos tienen las mismas propiedades químicas) es muy costoso porque sólo difieren en la masa, por lo que su separación se efectúa de forma, digamos, mecánica en ciertos compuestos de uranio. Por ejemplo, el hexafluoruro de uranio235 tiene algo mayor velocidad de difusión a través de membranas “porosas” que el hexafluoruro de uranio238. También pueden separarse por centrifugación (más que separarlos totalmente, lo que se hace es obtener uranio con un porcentaje de 4 % en U235), el más ligero se quedará más cerca del centro de giro que el más pesado. Por si fuera poco, el precio del uranio se ha quintuplicado en pocos años y se calcula que solamente hay reservas para un máximo de 5 o 6 décadas Además existen otros inconvenientes, tanto económicos como ecológicos. Entre los económicos, hay que señalar el coste de las instalaciones, muy superiores al de cualquier producción de energía eléctrica fósil, o algunas renovables como la hidroeléctrica o la eólica. Hay que sumar el coste del desmantelamiento de una central nuclear antigua, que se ha quedado obsoleta o cuya seguridad no se puede “garantizar”, cuesta unos cientos de millones de euros. Por ejemplo, la central Vandellós I, que tuvo un grave accidente, ha costado 570 millones hasta finales de 2010. El desmantelamiento de la central nuclear de Zorita fue estimado por ENRESA (empresa nacional de residuos radiactivos) en 2003 en 135 millones de euros, sin contar con la evacuación del combustible gastado ni la instalación de apoyo al desmantelamiento (ATI) que servirá para almacenar temporalmente este combustible. Por otro lado, hay otros inconvenientes de tipo “medioambiental”: 1) los residuos tóxicos y radiactivos que pueden causar enfermedades; 2) dañan al medio ambiente debido a las partículas radiactivas de los residuos; 3) el almacenamiento 3 de residuos radiactivos es un grave resuelto en el momento actual. problema, no bien Ahora viene algo similar a aquella ilusión de los coches volantes del año 2000 en que creía firmemente mi hijo, la esperanza en la fusión nuclear. La fusión nuclear es el proceso opuesto a la fisión, se forma un núcleo más pesado (por ejemplo, helio) a partir de núcleos más ligeros (hidrógeno pesado, deuterio y/o tritio). Los productos tienen menor masa en reposo que los núcleos de partida, pero tienen una energía cinética enorme y la energía liberada es muy grande, mucho mayor que en la fisión. Claro que este tipo de reacciones tienen lugar en el Sol y en las estrellas, donde la temperatura es tan alta que la materia está en estado de plasma. Como arma de guerra se ha utilizado (las famosas bombas H), empleando como “detonador”, para provocar la temperatura necesaria para la colisión de los núcleos ligeros, una bomba de uranio o de plutonio. Pero, “domesticarla” es otra cuestión. En la actualidad hay dos líneas de investigación: después de producir el plasma se opta por almacenarlo o por confinarlo (tendería a escapar) en un espacio que permitiera el disparo de núcleos de deuterio sobre núcleos de tritio e iniciar la reacción. El plasma se puede almacenar en un anillo toroidal en el que se ha hecho el vacío y sobre el que actúa un campo electromagnético perpendicular a la trayectoria de los iones del plasma. El primer reactor experimental se llamaba Tokamak y fue construido por la Unión Soviética. Hoy se emplea el Stellarator. Una vez que tiene lugar la reacción de fusión, la energía se aprovecha gracias a los neutrones. En cada reacción de fusión, además de los 4 núcleos de helio, se produce un neutrón que transporta el 80% de la energía de fusión liberada (14 MeV). Los neutrones no están confinados por campos magnéticos y pasan directamente al “manto” que cubre las paredes del toroide, donde su energía es absorbida. En una central de fusión, un sistema de refrigeración absorberá el calor del manto. Pero hace falta que haya suficiente densidad porque, en caso contrario, la posible reacción se paraliza y hay que volver a empezar. La fusión nuclear también puede alcanzarse también mediante otro procedimiento, el denominado “confinamiento inercial”. En este método una pastilla de unos pocos milímetros de diámetro, rellena con combustible de deuterio y tritio, se ilumina simultáneamente con muchos haces de láseres de alta potencia o haces atómicos. La ablación de la superficie de las pastillas provoca la compresión del resto, hasta tal punto que se produce un gran número de reacciones de fusión en la zona central. El principal desafío de la fusión inercial es lograr una iluminación uniforme y suficientemente potente con una alta frecuencia de repetición, por lo cual, en un reactor de fusión típico se deberían calentar y quemar alrededor de 10 ó 20 pastillas por segundo. En 2013, en California se logró un gran avance hacia la fusión por confinamiento inercial. Por primera vez la energía obtenida en la fusión nuclear supera a la energía consumida para generarla. Pero aún estamos muy lejos de la ignición de la fusión y aún más lejos la producción positiva de energía de forma sostenida. ¿Hay esperanza? A pesar de los inconvenientes de la fusión, a saber: 1) riesgo de provocar accidentes en las centrales nucleares pero, mucho peores que en el caso de la fisión; y 2) la generación de residuos radiactivos, existe la esperanza de producir energía por fusión nuclear. Pero, desgraciadamente, 5 sabemos que hoy por hoy no es más que eso, una esperanza para el futuro. No será mañana ni el próximo año, no será gratuita ni para todos ni, posiblemente, dentro de dos décadas los coches volarán por las calles de las ciudades. 6