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%.
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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.
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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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