¿Es la energía nuclear una mejor alternativa?

• La energía nuclear no solo no emite CO2 al medio ambiente, sino que sus emisiones son menos radiactivas que las de las plantas de quema de carbón.
• La energía nuclear de las plantas actuales se genera cuando un núcleo de un elemento pesado se separa en dos elementos más livianos y se libera energía.
• Esta energía es usada para potenciar turbinas que generan electricidad.
• Actualmente, la mayoría de reactores nucleares usan uranio como combustible.
• Los residuos del uranio se mantienen radiactivos por miles de años, lo que genera problemas para su almacenamiento.
• Una alternativa al uranio podría ser el torio. Los residuos de este se mantienen radiactivos por mucho menos tiempo y, además, es un tipo de combustible más seguro.
• Por otro lado, otro tipo de energía que se está investigando es la fusión nuclear. El proyecto ITER espera poder empezar sus operaciones para el 2035.

Antes de explicar los posibles beneficios y peligros de la energía nuclear debemos entender qué es.

Matthew O’Dowd, astrofísico y profesor asociado del Departamento de Física y Astronomía del Lehman College de la Universidad de la Ciudad de Nueva York, explica que, cuando quemamos carbón (una de las formas más comunes de generar energía eléctrica para las ciudades), liberamos una pequeña cantidad de energía contenida en los enlaces químicos de este material. Esta es una forma fácil y barata de generar electricidad, pero la cantidad de energía, como él explica, es muy pequeña por cada kilo de carbón. En otras palabras, no se trata de un método por el cual podamos obtener una gran cantidad de energía con pocos recursos.

Por otro lado, O’Dowd señala que, al otro extremo de la producción de energía, está el juntar partículas de materia y antimateria. Cuando ambos tipos de partícula se juntan, ambas se eliminan, liberando el 100% de la energía contenida en ellas. Lamentablemente, actualmente nos es increíblemente difícil crear antimateria, por lo que este proceso parece irrealizable por el momento.

En un punto intermedio entre liberar energía quemando carbón y chocando partículas de materia y antimateria, tenemos a la energía nuclear. ¿Qué es la energía nuclear? Según la Enciclopedia Británica, la energía nuclear o atómica es aquella liberada en cantidades significativas en procesos que afectan al núcleo de los átomos (compuesto por protones y neutrones). Esta fuente de energía es distinta a otras fuentes de energía ordinarias relacionadas con procesos químicos, que involucran a los electrones de los átomos, como cuando quemamos carbón.

Existen dos procesos que nos permiten obtener energía del núcleo de los átomos: la fusión nuclear y la fisión nuclear. La fusión nuclear es un proceso por el cual elementos livianos forman elementos más pesados. Este es el tipo de proceso por el cual las estrellas, como nuestro Sol, liberan energía. Estas fusionan átomos de hidrógenos para convertirlos en helio en sus núcleos. Cabe resaltar que el hidrógeno es un elemento más liviano que el helio.

Observemos por un momento la siguiente imagen:

En la imagen de arriba podemos ver la fusión de dos isótopos de hidrógeno. Los isótopos son átomos de un mismo elemento, pero que tienen una cantidad distinta de neutrones. En nuestro ejemplo, el deuterio tiene un solo neutrón y un protón, mientras que el tritio tiene dos neutrones y un protón. Cuando ambos se fusionan dan como resultado un átomo de helio con dos neutrones y dos protones. El neutrón sobrante queda liberado y también se libera energía.

Esta energía de los procesos de fusión podría ser aprovechada. Lamentablemente, como explica O’Dowd, aún nos falta mucho para lograr este proceso de forma viable para la generación de energía. El otro proceso que sí podemos aprovechar es la fisión nuclear.

Desde cierto punto de vista, podríamos considerar a este proceso como el inverso de la fusión. En la fisión nuclear, en lugar de formar un átomo más pesado con dos livianos, dividimos el núcleo de un átomo para producir elementos más livianos. En este proceso, así como en el caso de la fusión, se liberan grandes cantidades de energía.

Como explica la Enciclopedia Británica, este proceso puede ocurrir espontáneamente en algunos casos o puede ser inducido por partículas, como neutrones o protones, o por energía electromagnética, causando una reacción en el núcleo de algunos átomos.

En los procesos de fisión, aparte de generarse átomos más livianos y energía, también se liberan neutrones. Estos neutrones, a su vez, pueden inducir la fisión de otros núcleos, que liberarán también neutrones. Esto puede causar una reacción en cadena que, si no es controlada, puede generar una explosión, como en el caso de las bombas atómicas.

Sin embargo, si controlamos la fisión podemos captar la energía liberada para nuestro beneficio.

Es usual que algunas personas tengan miedo de la idea de que cerca de su vivienda haya una planta de energía nuclear. Esto es así porque conocemos desastrosos casos como el que sucedió en la central nuclear de Chernóbil, que dejó a la ciudad de Prípiat como una ciudad fantasma por los altos grados de radiación en la zona. Si quieres ver cómo quedó la ciudad puedes ver este video.

Sin embargo, como explica O’Dowd, la realidad es que mucha más gente podría morir por la polución del aire causada por las plantas que queman carbón que por accidentes ocurridos en reactores nucleares. No solo eso, sino que incluso la radiactividad alrededor de las plantas de carbón es más alta que la que se encuentra en las plantas nucleares. ¿Qué evidencia tenemos de esto?

Primero, tomemos en cuenta lo siguiente. Como se muestra en el cuadro siguiente, el carbón es la principal fuente de energía eléctrica en el mundo. En otras palabras, la energía nuclear podría ser una alternativa a las centrales termoeléctricas de carbón que generan altos niveles de polución.

Ahora bien, según un artículo publicado en la revista Scientific American, una serie de estudios ha encontrado que los residuos producidos por las plantas de quema de carbón son más radiactivos que aquellos generados por las plantas nucleares. De hecho, un artículo publicado en la revista especializada Science y coescrito por investigadores del Laboratorio Nacional Oak Ridge de los Estados Unidos, la ceniza emitida al ambiente por estas plantas generadoras de electricidad es 100 veces mayor que la producida por las nucleares.

Como explica el artículo de Scientific American, el carbón, por lo general, contiene pequeños rastros de uranio y torio, ambos elementos radiactivos. Sin embargo, esta cantidad es tan pequeña que no es un problema. Cuando el carbón es quemado y sus cenizas vuelan al aire, los niveles de ambos compuesto aumentan hasta 10 veces en concentración.

(Planta de Carbono en Tuticorin, India. Foto: NLC India Ltd)

El problema es que estas cenizas caen en un área de 0.8 a 1.6 kilómetros, afectando, por ejemplo, a las plantaciones de comida. De esta manera, las personas podrían estar ingiriendo pequeñas cantidades de radiación sin saberlo.

De hecho, el mismo estudio de Science concluyó que la radiación ingerida por las personas que viven cerca de las plantas de carbón era equivalente o mayor que la ingerida por las personas que viven alrededor de plantas nucleares. El estudio encontró que en algunos casos la radiación encontrada en los huesos de los individuos era de 18 milirems (una unidad de medida de dosis de radiación) para el caso de las personas que viven cerca de plantas de carbón, mientras que las dosis encontradas en personas que vivían cerca de dos plantas nucleares variaban de 3 a 6 milirems.

Esto quiere decir, sostienen los autores de la investigación, que las dosis de radiación de la comida cultivada alrededor de las plantas de carbón son entre 50% a 200% más altas que las dosis alrededor de las plantas nucleares.

Por otro lado, como explica O’Dowd, la otra ventaja de las plantas de energía nuclear es que no producen emisiones de dióxido de carbono (CO2). De hecho, como él afirma, la energía nuclear probablemente sea el camino más seguro para reducir las emisiones de dióxido de carbono, lo cual, de acuerdo con la NASA, podría reducir el incremento de la temperatura de la Tierra.

Para entender cómo producimos energía eléctrica a partir de la fisión nuclear es necesario explicar cómo funciona un reactor nuclear de forma general. Como explica O’Dowd, todos los reactores de fisión explotan el mismo fenómeno.

Algunos núcleos grandes, como el del uranio y del plutonio, pueden ser separados en núcleos más pequeños. Cuando estos núcleos se separan, liberan una gran cantidad de energía y también neutrones. Estos neutrones, a su vez, pueden chocar con otros átomos cerca, causando el mismo proceso de fisión, lo que a su vez liberará más neutrones.

Como habíamos dicho previamente, esto puede causar una reacción en cadena que, si no es controlada, puede resultar en una explosión. Sin embargo, si este proceso es controlado, podemos producir una cantidad uniforme de calor que puede ser usada para hervir agua y potenciar con vapor una turbina eléctrica.

La mayoría de plantas nucleares usan como combustible un isótopo de uranio llamado U-235. Se llama de esta manera porque tiene 92 protones y 143 neutrones. Si sumamos ambos números, tendremos 235. Sin embargo, el uranio presente en la Tierra de forma natural tiene una concentración de U-235 menor al 1%. En otras palabras, si cualquiera de nosotros encontrara uranio en la naturaleza, nuestra muestra de uranio estaría compuesta en su mayoría (99%) por átomos del isótopo U-238.

Ahora, ¿por qué es importante este dato? Porque, dado que nuestras centrales nucleares usan como combustible el U-235, es necesario enriquecer el uranio natural para aumentar la proporción de isótopos U-235 en el material. En la siguiente imagen podemos ver lo que implica el proceso de enriquecimiento del uranio en las plantas nucleares:

Los círculos que vemos representan todo el material de a utilizar en la planta nuclear. La parte turquesa de estos representa la concentración de U-238, mientras que la parte verde la de U-235. Al enriquecer el uranio, pasamos de tener una concentración de U-235 equivalente al 0.72% aproximadamente a una concentración de 3% a 4% aproximadamente.

Ahora, como explica O’Dowd, para lograr extraer la energía del U-235 es necesario conseguir que los neutrones tengan una velocidad óptima. Para lograrlo, los reactores termonucleares usan un moderador. Esto suena complicado, pero en realidad, lo más común es que el moderador sea simplemente agua.

El agua, además, cumple otra función fundamental: funciona como un refrigerante. El calor liberado por la fisión nuclear en los reactores debe ser capturado y usado para generar electricidad. Con este fin, los reactores nucleares usualmente usan refrigerantes para transferir el calor del combustible a los generadores eléctricos. Asimismo, estos refrigerantes sirven para manejar las presiones dentro del reactor.

Por un lado, están los problemas de seguridad relacionados con el refrigerante; es decir, con el agua. Según O’Dowd, todos los desastres mayores de estos reactores ocurrieron por fallas del sistema de refrigeración.

Por ejemplo, en Chernóbil, el desastre fue causado porque el agua empezó a hervir. En Fukushima, en Japón, un tsunami derribó las bombas de agua y en Three Mile Island (Estados Unidos), el sistema de refrigeración también falló.

Si bien los reactores modernos han adoptado medidas para impedir que desastres como estos se repitan, O’Dowd explica que, aun así, sería posible que fallas no previstas sucedan, especialmente aquellas causadas por errores humanos.

Por otro lado, O’Dowd afirma que otro problema de este tipo de reactores de uranio es que tiene como residuos otros elementos radiactivos con una vida media de miles de años. Si bien estos pueden ser contenidos, no hay nada que nos asegure que un posible desastre, como un terremoto o alguna actividad volcánica, libere estos residuos.

Ahora, ¿significa esto que las plantas nucleares no son seguras? Según Our World in Data, proyecto dirigido por investigadores de la Universidad de Oxford, la energía nuclear tiene el ratio de muertes más bajo por accidentes y polución del aire. En el gráfico inferior podemos ver cómo se compara la energía nuclear con otras fuentes de energía como el gas natural, el carbón o el carbón marrón.

La energía nuclear es, entre estas, la forma más segura de producir energía, con una tasa de 0.07 muertes por cada terawatt-hora (TWh) de energía. Un TWh es aproximadamente el nivel de energía consumido por 12,400 ciudadanos estadounidenses. En contraposición, el carbón marrón y el carbón tienen, respectivamente, una tasa de 32.72 y 24.62 muertes por cada TWh.

Ahora, un desastre nuclear como el de Chernobyl es sin duda peligroso. Sin embargo, esto no significa que la tecnología para extraer energía nuclear no pueda hacerse aun más segura para nosotros.

Tanto O’Dowd, como Marin Katusa, jefe de inversiones de la división de energía de Casey Research, afirman que una opción sería cambiar de combustible para la fisión nuclear: del uranio al torio. Actualmente, no hay reactores de torio; sin embargo, hay proyectos en países como China, la India, Israel y Noruega.

De acuerdo con los especialistas mencionados, estos reactores tienen ventajas sobre los reactores basados en uranio. Primero, el torio no solo es más abundante en la naturaleza, sino que, a diferencia del uranio, no es necesario procesarlo. Por otro lado, los residuos del torio solo son radiactivos por 500 años, mientras que algunos residuos del uranio son radiactivos por más de 10 mil años. Por último, el torio no realiza fusión por sí mismo, por lo que es mucho más seguro que el uranio.

Por otro lado, otra opción es cambiar de fisión nuclear a fusión nuclear. El proyecto ITER (“El Camino” en latín) es uno de los proyectos más grandes de la actualidad. Más de 35 naciones, que incluyen los Estados Unidos, la India, Japón, China, Rusia y los países de la Unión Europea, están colaborando para construir un reactor que permita extraer energía de la fusión nuclear; el mismo tipo de energía que genera nuestro Sol.

Este proyecto inició en el 2005 y se espera que, para el 2025, se haga una primera prueba al crear una primera “pequeña estrella” dentro del reactor. Además de ser un evento simbólico, servirá para hacer pruebas y ver que el reactor funcione correctamente. De esta manera, se espera que para el 2035 el reactor comience a funcionar plenamente.