Reactores nucleares más pequeños, limpios, seguros y baratos: esto es lo que nos promete la fisión nuclear de cuarta generación

La energía nuclear no está atravesando su mejor momento. El gravísimo accidente que se produjo en la central nuclear de Fukushima (Japón) como consecuencia del tsunami de marzo de 2011 provocó que se alzasen muchas voces en contra de esta tecnología, que nos permite obtener una gran cantidad de energía a partir de las reacciones nucleares de fisión.

En nuestra serie de artículos dedicada a la fusión nuclear descubrimos que el itinerario fijado por los organismos involucrados en la puesta a punto de esta tecnología tan prometedora anticipa que, aun manteniendo el ritmo de inversión adecuado, no estará disponible comercialmente hasta mediados de este siglo. Afortunadamente, hay una alternativa muy interesante a las centrales de fisión que utilizamos actualmente: la fisión nuclear de cuarta generación. Sí, sigue siendo tecnología de fisión, pero puede conseguir que nuestra espera hasta que la fusión nuclear comercial esté lista sea mucho más llevadera.

Esta es la fisión nuclear que tenemos ahora

Los reactores nucleares tienen un propósito bien definido: transformar la energía nuclear contenida en los átomos en energía térmica. No importa si son reactores de fisión o fusión; su objetivo es exactamente el mismo, aunque la forma de obtener la energía térmica y las tecnologías implicadas son radicalmente distintas.

Después, la energía térmica que obtenemos en las centrales nucleares de fisión, que son las que tenemos actualmente, sufre otras transformaciones. Primero se transforma en energía cinética, después esta se transforma en energía mecánica, y, al final de la cadena, esta última se transforma en la energía eléctrica que llega a nuestras fábricas, oficinas y hogares.

Todas las centrales nucleares tienen los mismos objetivos, al margen de las tecnologías a las que recurren y de si son más o menos sofisticadas: maximizar el aprovechamiento del combustible nuclear, obtener la mayor cantidad posible de energía, reducir al máximo los residuos radiactivos, ser lo más seguras posible y, por último, reutilizar la energía térmica generada durante el proceso de fisión nuclear en aplicaciones secundarias que van más allá de la obtención de energía eléctrica y que nos permiten sacar más partido a la energía térmica.

La mayor parte de las centrales nucleares en actividad tanto en España como en los demás países del mundo que han apostado por esta forma de obtención de energía pertenece a la Generación II

Las centrales nucleares se clasifican en cinco generaciones atendiendo al grado de desarrollo de las tecnologías que utilizan. Las de Generación I llegaron durante las décadas de los años 50 y 60 del siglo XX, y, como podemos intuir, fueron las primeras centrales nucleares desarrolladas al amparo del conocimiento en física nuclear que obtuvieron los científicos, sobre todo, durante los años 40. Ese mismo conocimiento fue el que también permitió diseñar y fabricar las primeras bombas atómicas, entre las que se encuentran las dos que contribuyeron decisivamente a poner punto y final a la Segunda Guerra Mundial al ser lanzadas sobre las poblaciones japonesas de Hiroshima y Nagasaki, en agosto de 1945.

La mayor parte de las centrales nucleares en actividad tanto en España como en los demás países del mundo que han apostado por esta forma de obtención de energía pertenece a la Generación II. Se diseñaron para resolver las deficiencias introducidas por algunos diseños de primera generación, que tenían problemas debido a que algunos materiales se degradaban con rapidez por la acción de las altas temperaturas y las elevadas presiones, y también porque el refrigerante utilizado deterioraba algunos componentes.

Los ingenieros que trabajaron en las centrales nucleares de Generación II tomaron como punto de partida los mejores diseños de la anterior generación e introdujeron las mejoras que permitieron resolver las deficiencias más acuciantes. Y tuvieron éxito. De hecho, como he mencionado, muchas de las centrales de esta generación siguen activas debido a que su rendimiento y fiabilidad se adecuan a nuestras exigencias actuales, al margen de que, por supuesto, el problema derivado de la gestión de los residuos radiactivos resultantes del proceso de fisión sigue estando presente.

Las centrales nucleares que se han construido aproximadamente durante las últimas dos décadas pertenecen a la Generación III. De nuevo se afianzan sobre los diseños más exitosos de la anterior generación, pero van un paso más allá en materia de seguridad, operatividad, capacidad de control de la propia central y fiabilidad. Además, su construcción y puesta en marcha exigen una inversión menor que la que requerían los diseños de Generación II.

Actualmente se están desplegando las centrales nucleares de Generación III+, que introducen un conjunto de mejoras sobre las centrales de tercera generación con la suficiente entidad como para asignarles su propia categoría. Aun así, el alcance de estas innovaciones no es lo suficientemente amplio para saltar a una generación completamente nueva, de ahí que los organismos involucrados en el desarrollo de estas centrales nucleares hayan decidido identificarlas como un paso intermedio entre la Generación III y la Generación IV.

La principal aportación introducida por los diseños de Generación III+ involucra a los sistemas de seguridad pasivos, que son aquellos que entran en funcionamiento cuando, por la razón que sea, el reactor nuclear se desvía de su itinerario normal de operación. Hasta la llegada de estos diseños estos sistemas de seguridad requerían la activación expresa de equipos externos, pero el problema es que esta estrategia introduce un posible punto de fallo adicional si estos últimos no llegan a entrar en funcionamiento correctamente.

Para resolver este problema los sistemas de seguridad pasivos de las centrales de Generación III+ recurren a fenómenos físicos naturales, como la gravedad o la transferencia de calor mediante convección, para conseguir actuar por sí mismos, sin que nadie los active y sin necesidad de utilizar fuentes de energía externas. De la última generación de centrales nucleares hablaremos unos párrafos más abajo, pero antes merece la pena que dediquemos unas líneas a repasar en qué consiste y cómo se lleva a cabo el proceso de fisión nuclear.

Cómo funciona la fisión nuclear

Este proceso, que es el que utilizan actualmente las centrales nucleares, como hemos visto, consiste en romper el núcleo de un átomo relativamente pesado en dos o más núcleos para liberar una parte de la energía que contiene. Lo ideal es actuar sobre un núcleo atómico que sea relativamente fácil romper, y el del uranio-235, un elemento químico que podemos encontrar en la naturaleza en concentraciones muy bajas, lo es.

La obtención de este isótopo del uranio es cara y su procesado complejo porque exigen llevar a cabo procesos químicos capaces de separarlo de los demás elementos y las impurezas con las que suele convivir. Los isótopos son átomos que pertenecen a un mismo elemento químico, por lo que tienen el mismo número de protones en su núcleo, pero difieren en el número de neutrones, lo que provoca que su masa sea distinta. Curiosamente, las propiedades químicas de los isótopos son las mismas, pero sus propiedades físicas no son idénticas como consecuencia de su distinta masa atómica.

El uranio-235 tiene 92 protones y otros tantos electrones orbitando en torno al núcleo, y este último incorpora, además de los protones, 143 neutrones. La razón por la que en los reactores de fisión nuclear se utiliza un átomo de uranio-235, y no otro isótopo de este elemento o cualquier otro elemento químico, consiste en que al bombardear su núcleo con un neutrón (un proceso que se conoce como fisión inducida) el uranio-235 se transforma en uranio-236, que es un elemento inestable. Esto significa, sencillamente, que el uranio-236 no puede permanecer mucho tiempo en su estado actual, por lo que se divide en dos núcleos, uno de bario-141 y otro de criptón-92, y emite, además, tres neutrones.

Aquí viene lo realmente interesante: la suma de las masas de los núcleos de bario-141 y criptón-92 es levemente inferior a la del núcleo de uranio-236 del que proceden. De hecho, durante el proceso de fisión nuclear «desaparece» alrededor del 0,1% de la masa original. ¿Adónde ha ido la masa que nos falta? Sencillamente, se ha transformado en energía. La fórmula E = m c², que es, probablemente, la más popular de la historia de la física, relaciona la masa y la energía, y lo que dice es, simplemente, que una cierta cantidad de masa equivale a una cantidad concreta de energía, incluso aunque la masa se encuentre en reposo.

Pero la equivalencia entre la masa y la energía propuesta por Albert Einstein en 1905 nos dice algo más muy importante. La c de la fórmula representa la velocidad de la luz en el vacío, que, como todos intuimos, es un número muy grande (aproximadamente 300.000 km/s). Además, está elevado al cuadrado, lo que significa que incluso una masa muy, muy pequeña, como puede ser una porción del núcleo de un átomo, contiene una cantidad muy grande de energía aunque esté en reposo. Esto es lo que conocemos como energía en reposo.

Si la masa está en movimiento su energía total es mayor que su energía en reposo. Y, si observamos la equivalencia entre la masa y la energía, es sencillo darse cuenta de que la masa de un cuerpo en movimiento también es mayor que su masa en reposo, un fenómeno que nos introduce de lleno en la física relativista. En cualquier caso, la energía que obtenemos al fusionar o fisionar núcleos atómicos procede de la fuerza que mantiene unidas las partículas que lo forman: la interacción nuclear fuerte.

Entender con cierta precisión la relación que existe entre la masa y la energía es importante porque nos ayuda a comprender cómo es posible que una masa tan pequeña como la de un átomo nos permite obtener una cantidad de energía tan grande. En cualquier caso, el proceso de fisión nuclear no termina aquí. Y es que cada uno de los neutrones que hemos obtenido como resultado de la descomposición del núcleo de uranio-236 en los núcleos de bario-141 y criptón-92 puede interaccionar con otros núcleos fisionables, provocando, así, una reacción en cadena.

No obstante, no todos los neutrones emitidos durante la descomposición del núcleo de uranio-236 van a interaccionar con un núcleo fisionable. Pero tampoco hace falta. Basta que uno solo de esos neutrones lo haga para que obtengamos un número de fisiones estable, y, por tanto, una reacción controlada, que es el objetivo de los reactores de las centrales nucleares.

Esto es lo que nos prometen los reactores de fisión nuclear de cuarta generación

Como hemos visto, las centrales de fisión nuclear de las generaciones III y III+ han tomado como punto de partida los diseños anteriores, refinándolos para mejorar su seguridad, su operatividad, la capacidad de control de la propia central y su fiabilidad. Sin embargo, los diseños de cuarta generación proponen tomar un nuevo rumbo para no verse lastrados por las deficiencias introducidas en las generaciones anteriores.

Antes de seguir adelante es importante que tengamos algo en cuenta: todavía no hay ninguna central nuclear de Generación IV en funcionamiento. Los físicos y los ingenieros involucrados en su desarrollo están trabajando para proponer nuevos diseños que conceptualmente pueden ser muy diferentes a los de las generaciones anteriores. Eso sí, los requisitos que deben cumplir estas nuevas centrales nucleares están claramente definidos.

El primero de ellos consiste en alcanzar la máxima sostenibilidad posible, de manera que el combustible se aproveche al máximo para producir energía, se minimice la cantidad de residuos radiactivos resultantes del proceso y su gestión sea lo más eficiente posible. El segundo requisito atañe a la inversión económica que es necesario afrontar para poner en marcha y mantener la central nuclear, que debe ser lo más baja posible para que pueda equipararse al gasto que exigen otras fuentes de energía, reduciendo, de esta forma, el riesgo financiero.

Y el tercer y último requisito estipula que la seguridad y la fiabilidad deben ser lo suficientemente altas para minimizar la probabilidad de que el núcleo del reactor sufra daños. Además, si se produjese un accidente no debería ser necesario tomar medidas de emergencia más allá de las instalaciones de la central nuclear. Como veis, las exigencias que introducen las centrales nucleares de Generación IV son ambiciosas porque aspiran a erradicar de un plumazo muchas de las deficiencias que lastran a los diseños anteriores.

Aún queda mucho trabajo por hacer para que estas centrales sean viables desde un punto de vista técnico y comercial, pero ya hay varias aproximaciones muy prometedoras que se apoyan en seis diseños de reactores de fisión diferentes. Profundizar en cada uno de ellos excede el alcance de este artículo, pero creo que merece la pena que los mencionemos para que, al menos, nos suenen a medida que una o varias de estas propuestas alcancen la viabilidad comercial.

Uno de los diseños más prometedores es el reactor de muy alta temperatura (VHTR), que está refrigerado por helio y que se puede adaptar para producir hidrógeno. También es muy interesante el diseño del reactor rápido refrigerado por gas (GFR), que puede utilizar como combustible buena parte de los residuos que tenemos actualmente. Y el reactor rápido refrigerado por sodio (SFR), que también puede usar como combustible los residuos radiactivos actuales.

Otro diseño atractivo es el reactor supercrítico refrigerado por agua (SCWR), que trabaja por encima del punto crítico termodinámico del agua. O el reactor rápido refrigerado por aleación de plomo (LFR), que utiliza un ciclo de combustible cerrado para afrontar una transformación eficiente del uranio fértil. Y, por último, también es interesante el diseño del reactor de sales fundidas (MSR), que utiliza como combustible las mencionadas sales fundidas y el resultado del reciclaje de los actínidos, que son un grupo de elementos pesados de la tabla periódica del que forman parte, entre otros, el uranio, el plutonio y el torio.

Aún queda mucho trabajo por hacer para que las centrales nucleares de cuarta generación sean viables desde un punto de vista técnico y comercial, pero ya hay varias aproximaciones muy prometedoras

Como acabamos de ver, el nombre de la mayor parte de estos diseños se construye tomando como base el sistema de refrigeración que utilizan. Esta característica es muy importante porque gracias a las innovaciones introducidas en la refrigeración los reactores de Generación IV serán modulares y tendrán un tamaño muy inferior al de los reactores utilizados en las centrales nucleares que están trabajando actualmente.

Además, también se espera que su construcción, puesta en marcha y mantenimiento sean sensiblemente más económicos que los de las centrales actuales. Si finalmente cumplen todos estos requisitos, las centrales nucleares de Generación IV pueden erigirse como una opción atractiva que, junto a las energías renovables, podría resolver nuestras necesidades energéticas hasta que la fusión nuclear sea viable desde un punto de vista comercial.

Aún tendremos que tener paciencia

En España, al igual que en otros países, la energía nuclear está atravesando un momento de relativa incertidumbre. Y es que el parque nuclear español está abocado a un proceso de cierre paulatino de las centrales que están operando actualmente después de una vida media de unos 45 años. Si se cumple el calendario vigente este proceso comenzará con el cierre de la central nuclear de Almaraz, en 2027, y concluirá con la clausura de la central de Trillo, en 2035.

Todavía es demasiado pronto para saber si las centrales nucleares de cuarta generación tendrán un hueco en los países que están defendiendo la adopción de otras tecnologías de obtención de energía. Con las políticas actuales esta opción parece poco probable, pero a medio plazo… nunca se sabe. Quizá cuando llegue la Generación IV de reactores nucleares, si realmente demuestra que su sostenibilidad, fiabilidad, seguridad y economía son las prometidas, las políticas de algunos países cambien. Por el momento solo podemos especular.

En cualquier caso, hay una pregunta importante a la que aún no hemos respondido. ¿Cuándo serán viables comercialmente las centrales nucleares de cuarta generación? Si la inversión actual se mantiene y el grado de desarrollo sigue su curso, según el Foro de la Industria Nuclear Española las centrales de Generación IV llegarán en unos veinticinco años, aunque hay un diseño en particular, conocido como PBMR (Pebble Bed Modular Reactor), que podría adelantarse y estar listo aproximadamente en una década.

La entidad de las organizaciones involucradas en el desarrollo de las tecnologías que es necesario poner a punto para que las centrales nucleares de cuarta generación sean viables es muy importante. Y esto nos invita a ser razonablemente optimistas a la hora de aceptar que las promesas de la Generación IV finalmente se cumplan.

De hecho, en el itinerario que describe los pasos que debe ir dando esta tecnología participan la Unión Europea, Estados Unidos, Canadá, Japón, Corea del Sur, Rusia y China, entre otros países. Y uno de sus promotores más destacados es, curiosamente, Bill Gates, debido a que es uno de los propietarios de TerraPower, una de las empresas enfrascadas en la puesta a punto de los futuros reactores nucleares de Generación IV. Les seguiremos la pista y continuaremos contándoos cuando haya más novedades jugosas.

Imágenes | Foro de la Industria Nuclear Española | Fastfission