Edición 369 - JULIO 2010


Energía Nuclear. Una Alternativa para el futuro

Cuando se habla de energía nuclear se asocia en forma automática una palabra, un concepto que se encuentra en la Tabla Periódica de Elementos, denominado uranio, que es el “combustible nuclear”.

Como otros elementos, el uranio se presenta en formas muy poco diferentes, conocidas como isótopos. Estos isótopos (dieciséis en el caso del uranio) difieren entre si en cuanto a la cantidad de partículas (neutrones) de su núcleo. El uranio “natural” es una mezcla mayoritaria de dos isótopos: uranio-238 (U-238), con una participación del 99,3%, y el U-235 con un 0,7%.

El uranio es un metal de color blanco plateado de muy alta densidad, más denso que el mismo plomo. El uranio puede tomar muchas formas químicas, pero en la naturaleza se lo encuentra generalmente como un óxido (combinado con oxigeno). El óxido de uranio (U3O8) es la forma más estable de oxido de uranio, y la más común de encontrar en la naturaleza. Su punto de fusión es 1132º C, y su símbolo químico es U.

En una escala en la cual se tenga en cuenta la masa incremental de su núcleo, el uranio de el más pesado de todos los elementos naturales (el más liviano es el hidrógeno). El uranio es 18,7 vedes más denso que el agua.

Se presenta en la mayoría de las rocas, con concentraciones que oscilan entre las 2 y las 4 ppm. (partes por millón), y es tan común en la corteza terrestre como el estaño, el tungsteno, y el molibdeno.

El isótopo U-235 es importante porque bajo ciertas condiciones puede ser rápidamente dividido, retornando una gran cantidad de energía. Por lo tanto, se dice que es fisionable, y de allí se utiliza la expresión fisión nuclear. Entretanto, como todos los isótopos radioactivos, decae en su potencia. El U-238 decae en forma muy lenta, y su vida promedio es igual a la del planeta (4.500 millones de años). Esto significa que es apenas radioactivo, menos que otros isótopos en rocas y arenas.

El núcleo del átomo U-235 comprende 92 protones y 143 neutrones (92 + 143 = 235). Cuando el núcleo de un átomo U-235 captura un neutrón, se divide en dos partes (fisión), y libera energía en la forma de calor, además que dos o tres neutrones adicionales son despedidos. Si una cantidad suficiente de estos neutrones expulsados causan que el núcleo de otros átomos U-235 se divida, liberando mayores neutrones, entonces se puede lograr una fusión con carácter de reacción en cadena. Cuando esto ocurre uno y otra vez (millones de ocasiones), se produce una amplia cantidad de calor a partir de una relativamente pequeña cantidad de uranio.

La conexión
uranio - energía eléctrica

El uranio es apenas radioactivo, pero provee las mayores fuentes de calor dentro del planeta. Las reservas de uranio –utilizando la actual tecnología de los reactores- son suficientes para cientos de años, inclusive teniendo en cuenta mayores niveles de uso del mineral.

Cuando el uranio es utilizado para generar electricidad, no produce contaminación o gases del denominado “efecto invernadero”.

La energía nuclear no emite dióxido de carbono, y a nivel global evita la emisión de unas 2.500 millones de toneladas de CO2 por año (relativo al carbón). Otras fuentes de generación de electricidad emiten más de 7.000 millones de CO2 por año.

Por cada 22 toneladas de uranio (26 toneladas de U3O8) utilizadas para generar electricidad, se estaría evitando un millón de toneladas de CO2 emitidas por el carbón.

La energía nuclear es una forma fácil de generar electricidad, y también es importante remarcar que es muy segura.

La transformación de uranio en energía nuclearEl uranio es un recurso energético que debe ser procesado a través de una serie de etapas para producir combustible eficiente con destino de generación eléctrica.

Cada combustible tiene su ciclo propio, pero el uranio o “ciclo de combustible nuclear” es más complejo que los demás.

Para la preparación del uranio que será utilizado en un reactor nuclear, se deben seguir los pasos de extracción y molienda, conversión, enriquecimiento y fabricación del combustible. Estas etapas son las que llevan al ciclo inicial del combustible nuclear.

Luego de que el uranio se ha utilizado en un reactor para producir electricidad, se lo denomina “combustible agotado”, y debe experimentar una serie de pasos adicionales que incluyen el almacenaje temporario, el reprocesamiento, y el reciclado antes de su disposición como deshecho. Colectivamente, estas etapas son las que se denominan el ciclo final del combustible nuclear.Ciclo inicial del combustible nuclear


Un banco de centrífugos en una planta europea

Etapa Nº 1: Extracción y Molienda

El uranio es extraído a través de la superficie (open pit), o por métodos subterráneos, dependiendo de la profundidad en que se encuentre el cuerpo mineralizado. Si el mineral se encuentra a menos de 100 metros de profundidad se utiliza la extracción a cielo abierto. Cuando el mineral se localiza a más de 100 metros de profundidad se aplican métodos subterráneos.

En Australia, la mina Ranger (Northern Territory) es un open pit, mientras que el yacimiento Olympic Dam (South Australia) es subterráneo. En Canadá, la mayoría de los nuevos yacimientos son subterráneos.

El uranio extraído es enviado a un molino que se encuentra –usualmente- en las cercanías de la mina. En el molino, el mineral es triturado y reducido para posteriormente ser lixiviado en ácido sulfúrico, para permitir la separación del uranio del mineral sin valor. Luego de los procesos de solución y precipitado, es recuperado como concentrado de óxido de uranio (U3O8), también denominado “yellowcake” por su color amarillento.

Algunos yacimientos de Australia, Estados Unidos y Kazajstán utilizan la lixiviación in situ para extraer el uranio del cuerpo mineralizado subterráneo, y llevarlo a la superficie en solución. Posteriormente es recuperado en la misma forma que la indicada en el párrafo anterior.

El U3O8 es el producto uranífero que se vende. Se requieren de unas 200 toneladas para permitir que un reactor de energía nuclear (1.000 Mega Watts) genere electricidad por un año.


Estanque de almacenado para combustible agotado en una planta de Reprocesamiento

Etapa Nº 2: Conversión

Debido a que el uranio debe convertirse en un gas antes de ser enriquecido, el U3O8 es convertido en hexafluoruro de uranio (UF6). El UF6 es un gas de temperatura relativamente baja.


Planta de enriquecimiento Tricastin (Francia)

Etapa Nº 3: Enriquecimiento

Los reactores nucleares en operación y en construcción –en su gran mayoría- necesitan del denominado combustible uranífero “enriquecido”. Esto significa que la proporción del isótopo U-235 ha sido elevada desde su nivel natural de 0,7% al 3,5%.

El proceso de enriquecimiento remueve un 85% del U-238 a través de la separación del hexafluoruro de uranio gaseoso en dos corrientes: la primera es enriquecida al nivel requerido y luego pasa a la próxima etapa del ciclo del combustible; la otra corriente es agotada en U-235 y se la denomina “colas”.

En las “colas” permanece tan poco U-235 (usualmente menos del 0,25%) que no se lo puede utilizar como fuente de energía, pero ese “uranio agotado” es utilizado como metal.

Las primeras plantas de enriquecimiento fueron construidas en los Estados Unidos, y utilizaban el proceso de difusión gaseoso, pero plantas más modernas en Europa y Rusia utilizan el proceso de centrifugación. Este último tiene la ventaja de utilizar mucha menor energía por unidad de enriquecimiento, y puede ser construida en unidades más pequeñas y más económicas.

Una menor cantidad de reactores, principalmente los canadienses CANDU, no requieren uranio para ser enriquecido.Etapa Nº 4: Fabricación del combustible

El UF6 enriquecido (hexafluoruro de uranio) es transportado a una planta de fabricación de combustible, donde es convertido en dióxido de uranio (UO2) –en formato de polvo-, y prensado en pequeños pellets. Estos pellets son insertados en tubos finos, usualmente de aleación de zirconio o acero inoxidable, para formar barras de combustible.

Luego las barras son selladas y unidas en grupos para formar un montaje de combustible que serán utilizados en el centro del reactor nuclear.

Se necesitan de unas 25 toneladas de combustible nuevo cada año para un reactor de 1.000 Mega Watts.


El deshecho de un año proveniente de un reactor de
1.000 MegaWatts es contenido en 5 toneladas de ese vidrio.

Etapa Nº 5: El reactor nuclear

Varios cientos de montajes de combustible forman el centro de un reactor. Para un reactor con una capacidad de unos 1.000 Mega Watts, el centro debería contener unas 75 toneladas de uranio enriquecido.

En el centro del reactor, el isótopo U-235 se fisiona o parte, produciendo calor en un proceso continuo denominado reacción en cadena. El proceso depende de la presencia de un moderador como el agua o el grafito, y es completamente controlado.

Una parte del U-238 del centro del reactor es transformado en plutonio y casi una mitad del mismo también es fisionado, proveyendo casi un tercio de la energía producida por el reactor.

Como en las plantas generadoras de electricidad sustentadas en la quemadura de combustibles fósiles, el calor es utilizado para producir vapor, el cual moviliza turbinas y un generador eléctrico, en este caso produciendo unos 7.000 millones Kw. /H de electricidad por año.

Para mantener el desempeño eficiente del reactor, una tercera parte del combustible quemado es removido cada doce o dieciocho meses, y reemplazado con combustible nuevo.

Ciclo del “combustible agotado”
Etapa Nº 6: Almacenaje

Los montajes de combustible agotado que son extraídos del centro del reactor son altamente radioactivos y desprenden una importante cantidad de calor. Se los almacenan en estanques especiales –los que usualmente se localizan en el sitio del reactor- para que su radioactividad y calor desciendan.

El agua de los estanques tiene una doble función: actúa como una barrera frente a la radiación, y dispersa el calor del combustible agotado.

El combustible agotado puede ser almacenado en forma segura en estos estanques por largos períodos de tiempo. Esta forma de almacenaje actúa como un paso previo antes de que el combustible agotado sea reprocesado o dispuesto como deshecho. Cuanto mayor tiempo esté almacenado, mucho más fácil de maniobrar será el combustible agotado, debido a la disminución de la radioactividad.Existen dos alternativas para el combustible agotado:

• Reprocesamiento para recuperar la porción utilizable
• Almacenaje de largo plazo, y disposición del mismo como deshecho sin reprocesamiento alguno.

Etapa Nº 7: Reprocesamiento

El combustible agotado todavía contiene un 96% de su uranio original, del cual el U-235 fisionable ha sido reducido a menos de 1%. Aproximadamente un 3% del combustible agotado comprende deshechos y el restante 1% es plutonio producido cuando el combustible se encontraba en el reactor y no había sido quemado.

El reprocesamiento separa el uranio y el plutonio de deshechos picando las barras de combustible y disolviéndolas en ácido para separar los distintos materiales. El uranio recuperado puede ser retornado a la planta de conversión para que el mismo sea convertido en hexafluoruro de uranio, y subsecuentemente pueda ser re-enriquecido.

Este reprocesamiento de combustible agotado se realiza en instalaciones con capacidades superior a las 5.000 toneladas anuales.

Etapa Nº 8: Vitrificación

Luego del reprocesamiento, el líquido con deshecho puede ser calcinado para producir un polvo seco, el cual es incorporado en vidrio boro silicato para inmovilizar el deshecho.

Posteriormente el vidrio es vertido en latas de acero inoxidable, cada una de ellas conteniendo 400 Kg. de vidrio.

Etapa Nº 9: Disposición Final

El deshecho cuyo destino sea la disposición final son latas de acero inoxidable cuyo contenido está vitrificado.

Las formas más usuales de disponer de estos deshechos es a través del entierro de los mismos en estructuras de rocas estables a gran profundidad, y muchas formaciones geológicas como el granito y la sal pueden cumplir con este fin.El uranio como energía limpia, y al servicio de la salud

Las tensiones geopolíticas sobre una falta de seguridad en la provisión de petróleo y gas –lo que se traduce en un aumento de estos combustibles fósiles- junto con los tópicos medioambientales que implican la emisión de gases a la atmósfera, ha renovado el interés en la energía nuclear como la fuente de energía para satisfacer las demandas globales actuales y futuras para generar electricidad.

El Protocolo de Kyoto facilita el camino hacia el renacimiento de la energía nuclear, debido a que el aumento de la inquietud pública sobre el calentamiento global llevará a una mayor dependencia de plantas de energía nuclear, y los gobiernos están batallando para reducir las emisiones de dióxido de carbono a la atmósfera a través de la quema de combustibles fósiles. La principal fuente del incremento de las emisiones de CO2 es la quema de combustibles fósiles, las que representan un 88% de la energía primaria mundial (incluye un 39% del petróleo, 26% del carbón, 23% del gas, 7% nuclear, 3% hidroeléctrica y 2% de otras energías renovables).

Mil toneladas de uranio producen la misma cantidad de electricidad que 16 MT de carbón, las que generan 33 MT de CO2. La energía nuclear es uno de los métodos más limpios de producción eléctrica debido a que no emite gases hacia la atmósfera.

Un pellet típico de uranio, el cual pesa unos 7 grs. -0,24 oz.- puede generar la misma cantidad de energía que:

• 3,5 barriles de petróleo
• 17.000 pies cúbicos de gas natural
• 1.780 libras de carbón

El uranio es un combustible extremadamente concentrado y eficiente, mucho más que el petróleo o el carbón. Como se observa en el CUADRO 1.

Cada año, millones de vidas en todo el mundo son salvadas a través del uso de medicina nuclear.

La tecnología nuclear ayuda con el diagnóstico prematuro y su posterior tratamiento, muchas veces previniendo la necesidad de cirugías, y ayudando a reducir los costos médicos.

Los reactores nucleares canadienses producen un 85% del Cobalto-60 a nivel mundial, el cual ha sido utilizado para tratar el cáncer durante más de tres décadas.

CUADRO 1

Mercados

Para la década de 1970, se había planificado la construcción de unos 250 reactores nucleares a lo largo de los Estados Unidos, pero un accidente ocurrido en la planta de energía nuclear Three Mile Island Unit 2 (Pennsylvania) en 1979 frenó todos los planes previamente establecidos. Esto resultó en el colapso del precio del uranio desde un máximo de US$45/lb. de U3O8, a un mínimo de US$7,10/lb. de U3O8 a diciembre de 2000.

Desde que el precio del uranio –U3O8- se disparó en los últimos cinco años, debido a un largo período de desinversión en el sector de la oferta, y al terrible aumento en el precio del petróleo, la cotización del U3O8 ha permanecido en la cresta de la ola, con máximos llegando a US$140/lb., hasta un valor actual de US$43/lb.

Mientras que la oferta ha perdido posiciones frente a la demanda durante la última década, la perspectiva de un precio alto es razonable, y considerando que la energía nuclear es la alternativa más barata y sana para con el medio ambiente para generar electricidad, el uranio se presenta como un sustituto de los tradicionales combustibles fósiles.

Esto resultará en la construcción de nuevas plantas de energía nuclear, particularmente en países en vías de desarrollo como China, India, Rusia y Sudáfrica, lo que se traducirá en una merma en los inventarios de U3O8.

La TABLA 1 nos indica que la producción mundial de uranio ha crecido significativamente en un año -15%-, demostrando el interés cada vez mayor en este mineral como materia prima para la generación de energía.

En el período acumulado que abarca 1999 a 2009, el aumento de la producción fue del 62%: en 1999 la producción mundial de uranio fue de apenas 31.065 toneladas.

Es muy significativo resaltar la alta concentración de producción en pocos países:

• Los cuatro principales países –Kazajstán, Canadá, Australia, Namibia- representan más del 70%;
• Los dos mayores productores –Kazajstán y Canadá- contabilizan casi un 50% de la producción mundial
Más del 65% de la producción mundial de uranio se centra en un reducido grupo de empresas mineras, con presencia estratégica en algunos países:
• Cogema (Canadá, EE.UU., Níger)
• Cameco (Canadá, EE.UU., Kazajstán)
• BHP Billiton (Australia)
• Rio Tinto (Namibia y Australia)

La tabla 2 nos demuestra que los países más industrializados del mundo como EE.UU., Alemania, Reino Unido, Japón, Canadá y Francia tienen en la energía nuclear una importante llave para su desarrollo: el “piso de dependencia” no baja del 15%, y en el caso de Francia se eleva hasta un 75%.

Grandes economías emergentes como China e India poseen una muy baja “dependencia” de la energía nuclear –menos del 3%-, pero a efectos de ejecutar los desarrollos productivos que tienen planeados, hay obras para construir decenas de reactores: China posee 11 reactores en operación, hay 24 en construcción, y se ha informado que se construirán 33 adicionales en un plazo de 8 a 10 años.

En lo que respecta a India, el segundo país más poblado del planeta tiene 19 reactores en operación, y en su plan de avance hay 4 en construcción, sumados a 20 que serán construidos en un plazo de 8 a 10 años.

A julio de 2010, el total mundial de reactores en operación totalizaban 439 unidades con una capacidad de generación total de 374.815 MW. Para esa misma fecha se estaban construyendo 59 reactores que agregarían 60.075 MW. En plan avanzado, en el transcurso de 8 a 10 años se construirán 150 nuevas unidades con capacidad de 163.204 millones.

La apuesta que está realizando el mundo en diversificar su matriz energética hacia la energía nuclear es una cuestión de lógica debido al lento agotamiento de algunos de los recursos como el petróleo, la transición hacia la reducción en la generación de gases de efecto invernadero, y también porque el uranio es la base para generar mayor energía a un menor costo.

Los países más avanzados del mundo, los gigantes en desarrollo, y las economías emergentes están optando por la energía nuclear, para poder satisfacer las necesidades no solo de las actuales generaciones, sino también de las próximas generaciones.

La energía es una cuestión crítica para el progreso, desarrollo y la cotidianeidad de nuestras vidas: no se puede dejar nada librado al azar, y en materia energética hay que planificar. El mundo ya está trabajando para encontrar soluciones en un espacio de tiempo de por lo menos tres décadas.

La solución para ello radica en un mineral específico como el uranio.


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