La energía nuclear en el mix energético mundial.

Hoy en día hay 439 reactores operables en 31 países, que proporcionan el 11% de la electricidad del mundo. 65 reactores están en construcción y otros 158 están previstos, para un total de 66 operables, en construcción y previstos. Esto es marginalmente más alto que los 661 de estas categorías inmediatamente antes del incidente de Fukushima en Japón. Francia produce alrededor del 75% de su electricidad a partir de 58 reactores, mientras que otros 15 condados generan más del 25% de la suya a partir de la energía nuclear.

Antes de Fukushima, Japón generaba alrededor del 30% de su electricidad a partir de la energía nuclear. Desde Fukushima, 8 reactores han sido apagados permanentemente, dejando 42 reactores operables, de los cuales 24 están en proceso de permitir su reinicio. Los dos primeros reactores se reiniciaron en agosto y octubre de 2015.
Hay unos 240 reactores de investigación y de producción de isótopos médicos en 56 países.

Los diseños de reactores modulares pequeños (SMR) están en varias etapas de autorización en Canadá, EE.UU., Reino Unido, China, Rusia, Japón y otros países. Argentina es el primer país que ha comenzado realmente la construcción de un SMR – con la finalización prevista para 2018. El SMR de Argentina, el modelo CAREM 25 es una unidad de 25 megavatios (MW). La mayoría de los SMR están en el rango de 10-300MW, mientras que los más nuevos y grandes reactores convencionales suelen generar más de 1.000MW (1 gigavatio). La mayoría de los SMR utilizan el diseño básico de los reactores que se han utilizado para alimentar buques y submarinos durante más de medio siglo, para su uso en zonas de infraestructura deficiente. Los SMR se construirían en una instalación central y deberían ser significativamente más baratos por unidad de potencia de salida que los reactores grandes tradicionales. Estas unidades son pequeñas, algunas miden 3 metros o 10 pies de diámetro, y se enviarían por camión o tren al lugar donde podrían ubicarse bajo tierra en grupos, dependiendo de la cantidad de energía requerida. Cuando se quedaran sin combustible, las unidades simplemente se reemplazarían y las unidades gastadas volverían a la fábrica para reabastecerse. Los SMR tienen una huella muy pequeña – podrían estar situados en un parque adyacente a una ciudad, y no necesitan estar conectados a las redes eléctricas regionales, obviando la necesidad, el costo y el impacto ambiental de las líneas eléctricas de alta tensión regionales que típicamente conectan las ciudades.

La demanda mundial de electricidad está creciendo a un ritmo aproximadamente dos veces mayor que sus necesidades generales de energía. Esta tendencia se debe al ritmo asombrosamente rápido de la urbanización – se prevé que el 70% de la población mundial vivirá en zonas urbanas para 2050, frente al 54% en 2014 y el 30% en 1950 – y al hecho de que estas personas ya no pueden utilizar otras fuentes de combustible (como la leña) para calentarse y cocinar en un entorno urbano. Para poner esto en contexto, estas cifras significan que 1 millón de personas en todo el mundo se mueven a las ciudades por semana. Si a esto se añade la estimación de las Naciones Unidas de que la población mundial alcanzará los 8.700 millones en 2035 y los 9.700 millones en 2050, frente a los 7.400 millones en 2016, se agrava la necesidad mundial de energía y electricidad. Se espera que la población urbana del mundo crezca en 2.500 millones para 2050, es decir, 1,4 millones de personas por semana.

La reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero y de la contaminación en general exige que la demanda de electricidad se cubra con fuentes de energía limpia como la nuclear y las renovables a expensas, en particular, del carbón, que proporcionó el 30% de la energía mundial, y sigue siendo el mayor generador de electricidad, proporcionando el 39% de la producción mundial en 2014 (AIE, The Shift Project Data Portal). No es sorprendente que los países que tienen la tasa más alta de crecimiento de la población urbana sean la India, en la que 404 millones de personas se trasladarán a las ciudades para 2050, seguida de China con 292 millones y Nigeria con 212 millones. Not surprisingly, China and India have the fastest reactor build plans – in which the number of planned reactors rises exponentially – as illustrated in the graphic below. China tiene actualmente 26 reactores en construcción, la India tiene 6 y Nigeria está contemplando la instalación de plantas nucleares.

La producción de energía nuclear frente a los combustibles fósiles

La energía nuclear se considera cada vez más como una alternativa probada y limpia a los combustibles fósiles.

La energía nuclear

• 0,001 toneladas de uranio = 50.000 kilovatios-hora (kWh) de electricidad
• Cero emisiones de gases de efecto invernadero
• Capacidad en gran escala segura, probada y asequible
• Residuos de combustible gastado – 96% pueden ser reciclados en combustible, el 4% restante contenido en la instalación de eliminación de sólidos
• Sólo la industria energética que asume la plena responsabilidad de todos sus productos de desecho y el costo se incluye en los contratos

Combustibles fósiles

• 17.000 toneladas de carbón = 50.000 kWh
• 12,5 toneladas de petróleo = 50.000 kWh
• 23.000 millones de toneladas de emisiones mundiales de carbono al año
• Elementos tóxicos liberados en la atmósfera (por ejemplo, carbono, arsénico, plomo, cenizas volantes, mercurio) – no hay un plan viable para eliminar esta liberación

La energía nuclear en comparación con las formas de energía renovable.

La energía nuclear es un proveedor rentable de electricidad continua, fiable, de carga base (24/7) que tiene una baja huella de carbono. Para aclarar la descripción de la energía nuclear como «baja en carbono» – las centrales nucleares no emiten gases de efecto invernadero – sin embargo la minería, el procesamiento y el transporte de uranio sí emiten algunos de estos gases. La perspectiva de utilizar energía eólica renovable para generar al menos parte de la electricidad necesaria para alimentar la flota minera y la planta de procesamiento en el depósito de Laguna Salada de U3O8 Corp. en Argentina daría lugar a una fuente de uranio con una huella mínima de gases de efecto invernadero.

El costo de instalación y operación y la durabilidad de las turbinas eólicas y las células solares fotovoltaicas han ido disminuyendo en la última década, y por lo tanto las energías renovables son cada vez más competitivas en cuanto a costos. El mayor desafío de las energías renovables es el almacenamiento de energía, es decir, sistemas de baterías que pueden almacenar la energía para usarla cuando no sopla el viento o no brilla el sol. Se están realizando avances emocionantes en la tecnología de las baterías y nuestra responsabilidad es asegurar un suministro de productos básicos a la industria de las baterías a un precio estable que funcione tanto para el proveedor de productos básicos como para la industria de fabricación de baterías. El vanadio del depósito de Laguna Salada de U3O8 Corp. y el vanadio, el níquel y el fosfato de su depósito de Berlín son todos productos básicos que se utilizan en las baterías de iones de litio y de vanadio redox. Además, algunos de los elementos de tierras raras del Proyecto de Berlín también se utilizan para fabricar imanes de alta resistencia que son el componente clave de los motores eléctricos de alta eficiencia, así como para generadores como los utilizados en las turbinas eólicas.

Plantas de energía nuclear convencional

• Pequeña huella ambiental (~80 hectáreas por cada reactor de 1.000MWe)
• Suministro seguro, a gran escala, continuo y fiable
• Desarrollar la flexibilidad en reactores de menor costo y tamaño

Viento/Solar

• Dependiente del clima
• Una gran huella para una pequeña generación de energía
• El viento también tiene un impacto ambiental, ruido, visibilidad, altos costos de mantenimiento
• Solar – impacto ambiental en el sitio

Hidroeléctrica

• Enorme huella ambiental y social
• En los entornos tropicales y subtropicales, donde se encuentra gran parte del potencial hidroeléctrico sin explotar, la fluctuación estacional del nivel de los lagos hace que la vegetación que crece en las orillas del lago a medida que el nivel del agua retrocede en la estación seca se ahogue al subir el nivel del agua en la estación húmeda. El metano generado por esta vegetación ahogada es un gas de efecto invernadero que tiene un efecto de calentamiento atmosférico más de 30 veces superior al del dióxido de carbono (CO2).

Biomasa/Etanol

• Neutral en el mejor de los casos: el transporte de combustible, fertilizantes y productos emite tantos gases de efecto invernadero como los que ahorra el biocombustible.
• Competes with land for food production, which increases cost of basic foods and leads to more land clearing

Conversión del uranio en energía nuclear.

Antes de que el uranio pueda ser utilizado para alimentar un reactor nuclear, debe ser extraído, procesado en torta amarilla (U3O8) y utilizado para fabricar barras de combustible que se insertan en los reactores. El combustible gastado debe ser almacenado en lugares seguros. Todo el proceso desde la minería hasta el almacenamiento de combustible gastado se llama el ciclo de combustible del uranio.

Minería y molienda – El ciclo de combustible del uranio comienza como mineral – roca que contiene una concentración inusualmente alta de uranio – que se extrae, se transporta a un molino donde se muele el mineral y este material muy fino entra luego en la planta metalúrgica donde se utilizan varios procesos químicos para extraer el uranio. Una vez que el uranio se disuelve del mineral, es necesario precipitarlo o extraerlo del fluido en el que se disuelve (la solución de licor de embarazo o PLS). El concentrado de uranio así producido consiste en una mezcla de óxidos de uranio, principalmente U3O8, y esta mezcla se llama yellowcake. La torta amarilla es un polvo fino que se empaqueta y sella en contenedores de acero especialmente diseñados para su envío.

Conversión, enriquecimiento y fabricación de combustible – Alrededor del 15% de la energía nuclear mundial se genera a partir de reactores, como los modelos canadiense CANDU y británico Magnox, que funcionan con uranio natural. El término «natural» se refiere a la proporción de isótopos de uranio en el combustible que se encuentra en la naturaleza, es decir, alrededor del 0,7% del uranio se encuentra en el isótopo U235 y el resto en el U238 (99,3%), con una cantidad diminuta en el isótopo U234 (0,0055%). La torta amarilla, en la que la mayor parte del uranio se encuentra en forma de U3O8, puede convertirse directamente en UO2 (dióxido de uranio) para alimentar estos reactores moderados por agua pesada y grafito.

Los reactores de agua ligera requieren uranio enriquecido que contiene una mayor proporción de U235 – enriquecido al 3-5%. Nótese que las armas nucleares requieren alrededor del 90% de U235 – esto implica una enorme cantidad de enriquecimiento a partir del 0,7% de U235 contenido en el uranio natural. El primer paso en el procesamiento del uranio para convertirlo en combustible para reactores nucleares de agua ligera es su conversión en hexafluoruro de uranio (UF6), que es sólido a temperatura ambiente, pero es un gas a temperaturas superiores a 57°C. Los principales métodos comerciales de enriquecimiento del U235 son la centrifugación o la difusión gaseosa, aunque se están investigando otros métodos, como los procesos láser. Trece países tienen instalaciones comerciales de enriquecimiento – los principales están en Francia, EE.UU., Japón, Alemania, Países Bajos, Reino Unido, Rusia y China. En América del Sur, la Argentina y el Brasil tienen instalaciones de enriquecimiento.

El uranio enriquecido se convierte en pastillas de combustible de cerámica que se sellan en tubos de aleación de circonio – las varillas de combustible que se ensamblan en haces más fáciles de manipular en el núcleo del reactor. El reabastecimiento de combustible se realiza cada 1-2 años, momento en el que se retira y reemplaza alrededor de un tercio de los ensamblajes de combustible en el núcleo del reactor. Las barras de control están hechas de materiales absorbentes de neutrones como el cadmio, el hafnio o el boro, y se insertan o retiran del núcleo del reactor para controlar la velocidad de reacción. La inserción de las barras de control hace que se absorban más neutrones, por lo que hay menos disponibles para la fisión con uranio, y la retirada de las barras de control permite que más neutrones impulsen la reacción con el uranio, lo que genera más calor.

Una pastilla de combustible, del tamaño de la punta de un dedo, puede producir tanta energía como unos 150 galones de petróleo. Siete pellets de combustible producen suficiente electricidad para satisfacer las necesidades anuales de un hogar promedio.

Generación de energía nuclear – Los reactores de generación de energía nuclear, o de potencia, están diseñados para capturar la energía que se libera en forma de calor cuando los átomos se dividen, mientras que los reactores de investigación están diseñados para producir y capturar neutrones producidos por la reacción nuclear para su uso en medicina de diagnóstico, por ejemplo.

Una vez dentro de un reactor de potencia, el uranio enriquecido en los paquetes de combustible se activa para comenzar la fisión en la que la división del átomo U235 libera energía en forma de calor. El calor se convierte entonces en vapor para accionar las turbinas que, a su vez, accionan los generadores que producen electricidad.

Gestión de residuos– La energía nuclear es la única industria productora de energía que asume la plena responsabilidad de todos sus residuos, y la eliminación de residuos tiene un precio completo en los contratos de venta.

Los relaves – los residuos que quedan después de que el uranio ha sido extraído del mineral en el proceso de minería y molienda – requieren un manejo cuidadoso. El plan para el Depósito de Laguna Salada sería que se construyeran cuatro celdas revestidas de arcilla en una zona del proyecto que tiene una base de esquisto impermeable. Los residuos de grano fino de la planta de procesamiento se bombearían a una de las celdas donde el agua contenida se evaporaría, dejando residuos sólidos. Cuando la primera célula se hubiera llenado a la capacidad de diseño después de unos 2½ años, la célula se cubriría con una capa de arcilla que atraparía la radiación residual que emana de los residuos sólidos. Una capa de 2 metros de espesor de grava cubriría la capa de arcilla y ésta se volvería a vegetar con plantas autóctonas para que la célula de residuos se mezclara con las mesetas de grava adyacentes. Los pozos se ubicarían alrededor de la instalación de relaves como un medio de monitorear la integridad de la instalación – para confirmar que no se estaba filtrando radiactividad fuera de la instalación.

El diseño del Proyecto Berlín de la Corporación U3O8 permite que los residuos de la planta de procesamiento se mezclen con cemento y se bombeen de nuevo bajo tierra para rellenar las excavaciones de las que se había extraído la roca portadora de uranio. Este material de «relleno» proporcionaría apoyo y estabilidad a la mina subterránea. Los relaves que excedan el espacio de almacenamiento subterráneo se canalizarán por tubería hacia abajo hasta una zona plana y seca que esté cubierta por roca impermeable, proporcionando un lugar estable y seguro para el almacenamiento de los relaves a largo plazo. El diseño y la supervisión de la instalación de colas sería similar al descrito para la Laguna Salada.
El combustible usado que se retira de los reactores nucleares consiste en una mezcla de residuos radiactivos y combustible nuclear no utilizado que requiere un almacenamiento seguro a largo plazo. Inmediatamente después de retirar el combustible gastado de un reactor, se almacena temporalmente en el lugar, en piscinas para fines especiales, hasta que su calor y radiactividad se disipen hasta el punto de que se pueda transportar con seguridad. El 96% del uranio de los residuos del reactor puede reciclarse y el resto se transporta a un vertedero federal permanente.

La cantidad de desechos radiactivos generados por los reactores es pequeña – un reactor típico de 1 gigavatio producirá unos 20 metros3 (27 toneladas) de combustible gastado por año. La industria mundial de la electricidad nuclear ha generado 75.000 toneladas de residuos en un período de 40 años. Para poner esto en perspectiva, si este combustible gastado fuera a ser empacado en un campo de fútbol, sería apilado a una altura de 8 metros o 25 pies.

El combustible gastado del reactor se encapsula para minimizar el riesgo para la salud y el medio ambiente. La encapsulación consiste en unir los desechos nucleares en roca sintética insoluble o fundida dentro de vidrio de borosilicato que se empaqueta en contenedores de acero inoxidable que se sellan y almacenan en una instalación subterránea excavada en roca sólida. El espacio entre los contenedores y entre éstos y las paredes de roca de la cámara subterránea están llenos de un relleno impermeable como la arcilla bentonítica.

Fuentes: Asociación Nuclear Mundial, Instituto de Energía Nuclear, Sociedad Nuclear Americana, Universidad de Carleton – Gobernanza, Economía y Ecología Nucleares, Vol. 1, No. 3, 2007, Nuclear Tourist, 2008 Secondary Energy Infobook, Canadian Nuclear Association