La fabricación del combustible y el funcionamiento de las centrales nucleares (I)
Eduard Rodríguez Farré y Salvador López Arnal
Rebelión
El proceso de fabricación del combustible nuclear se inicia con la extracción del mineral de uranio y la concentración y refinado del material. Finaliza con el enriquecimiento de un isótopo del uranio y la fabricación de los elementos combustibles para que puedan ser utilizados por el reactor. Bien mirado, todo programa nuclear tiene su inicio en la extracción del mineral del subsuelo mediante técnicas mineras superficiales, llamadas “a cielo abierto”, o subterráneas, las minas en galería, dependiendo de la profundidad a la que se encuentre el mineral. En este proceso, el mineral de uranio extraído se envía a una planta de molturación, usualmente localizada cerca de la mina, donde el mineral es trabajado hasta lograr una mezcla fina que es sometida a un proceso de lixiviación ácida.
Lixiviar es, en general, tratar una sustancia compleja, como puede ser un mineral, con un disolvente adecuado, en este caso un ácido, para separar las partes solubles de las insolubles. En la lixiviación del uranio con ácido sulfúrico se separa la roca del uranio. Posteriormente, el uranio, que había quedado disuelto, se recupera de la disolución precipitándolo como un concentrado de óxido de uranio (U3O8) llamado yellowcake (torta amarilla) [1]. Este concentrado es el producto que finalmente es vendido para su utilización.
¿Qué cantidad de este producto es necesaria para mantener una central? Para mantener un reactor nuclear de 1.000 Mwe, 1.000 megavatios, que genere electricidad durante un año se necesitan unas 200 toneladas de ese producto. Generan una gran cantidad de residuos, tanto en el proceso de producción del uranio -actividad minera, concentración y enriquecimiento- como en el de utilización en el reactor.
Tal y como se encuentra en la naturaleza, el uranio contiene un 0,7% de uranio 235 fisionable y un 99,3% de uranio 238 no fisionable, de uranio que no sirve para producir las diversas reacciones en cadena. La inmensa mayoría de los reactores nucleares en funcionamiento requieren la utilización de combustible de uranio “enriquecido” donde la proporción de isótopo 235 haya aumentado hasta el 3,5% o algo más. ¿Cómo se realiza este proceso? Para realizar el proceso de enriquecimiento, el material debe estar en estado gaseoso. El proceso de conversión transforma el concentrado de óxido de uranio sólido en gas hexafluoruro de uranio. Es este gas el que posteriormente debe enriquecerse en el isótopo 235U hasta alcanzar la concentración de más del 3%. Tras este proceso, el gas se transforma en polvo de dióxido de uranio, un polvo negro de apariencia metálica, un compuesto más estable químicamente que permite la formación de pastillas en las fábricas de combustible nuclear.
Este es el polvo que es transportado a las plantas de fabricación del combustible para las centrales. El uranio enriquecido, transformado en polvo negro de dióxido de uranio, es transportado a la planta de fabricación de combustible donde se prensa en pequeñas pastillas. Éstas se insertan en tubos finos, habitualmente compuestos por una aleación de circonio o de acero inoxidable, para formar las barras de combustible que son selladas y agrupadas en haces para su uso en el núcleo del reactor nuclear, presentando diferencias no secundarias según vayan destinados a un reactor tipo PWR (Pressurized Water Reactor) o a uno tipo BWR (Boiling Water Reactor)..
La dispersión geográfica de estos centros de producción requiere una amplia y apretada red de transporte de materiales radiactivos a escala planetaria además. Tan solo algunos países como EEUU, Rusia, Alemania, Japón y, más recientemente, Brasil y Argentina, pueden efectuar en el interior de su propio territorio toda la cadena de producción completa, la que va desde la extracción del mineral de uranio hasta su conversión en las pastillas de uranio enriquecido que alimentan las centrales nucleares.
El primer punto de la cadena que presenta un importante tráfico internacional lo constituye la producción del mineral y de los concentrados de uranio. Actualmente, hay unos 20 países productores de uranio en el mundo. En el año 2003, los principales países productores fueron Canadá (10.457 toneladas), Australia (7.572), Kazajstán (3.300) y Rusia (3.150). En su conjunto, representaban más de la mitad de la producción mundial.
El enriquecimiento del uranio es otro punto del ciclo que necesita transporte internacional, fuertemente centrado en algunas áreas. La mayor parte de este uranio enriquecido disponible es fabricado por EEUU y Rusia. De hecho, hasta los años ochenta del siglo XX, la mayoría de las centrales del mundo recibían estos suministros de uranio enriquecido casi exclusivamente desde EEUU. Aunque en los últimos años se ha intentado diversificar los suministros desde plantas europeas modernas como las francesas, aún se genera un importante tráfico de uranio natural hacia los EEUU y, a la inversa, de uranio enriquecido hacia los países consumidores. En España, por ejemplo, el abastecimiento de todas las centrales en funcionamiento depende completamente de las fábricas norteamericanas. Actualmente, Estados Unidos y Francia suman aproximadamente el 55% del mercado mundial de uranio enriquecido. Argentina y Brasil cuentan ya también con la tecnología y las instalaciones para producirlo, aunque su capacidad de fabricación es limitada.
Estos materiales son transportados en condiciones muy diferentes en función de su nivel de radiactividad. El reglamento de la OIEA -Organismo Internacional de Energía Atómica- establece las bases del transporte, basando su seguridad fundamentalmente en el embalaje, que debe proporcionar un escudo para proteger a los trabajadores de la industria, a la ciudadanía y al medio ambiente. Se trata de prevenir una reacción en cadena no deseada, daños causados por el calor o por la dispersión de los contenidos. Las exigencias en el diseño de los embalajes de transporte y los procedimientos operacionales depende lógicamente del riesgo del material que se transporte. Usualmente se utiliza el transporte por carretera y ferrocarril para las distancias cortas y la vía marítima para trasladar a largas distancias grandes cantidades de material.
Pasemos a las centrales. ¿Qué es una central nuclear?, ¿qué relación tienen una central con la generación de energía eléctrica? En términos generales, la generación de electricidad consiste en transformar alguna clase de energía no eléctrica -química, mecánica, térmica, lumínica o radiante- en energía eléctrica. Para la generación industrial de energía eléctrica se recurre a instalaciones denominadas “centrales eléctricas” que realizan alguna de estas transformaciones y que constituyen el primer eslabón del sistema de suministro eléctrico de una comunidad humana. Dependiendo de la fuente primaria utilizada, las centrales generadoras de electricidad se clasifican en térmicas, hidroeléctricas, nucleares, eólicas, solares termoeléctricas, solares fotovoltaicas y mareomotrices. La mayor parte de la energía eléctrica generada en el mundo proviene actualmente de los tres primeros tipos de centrales, si bien en algunos países la dependencia nuclear es muy fuerte. En Francia, por ejemplo, en torno al 80 u 85% de la producción eléctrica es de origen nuclear.
Todas estas centrales, excepto las fotovoltaicas, tienen en común el elemento generador, constituido por un alternador [2] movido por una turbina, distinta según el tipo de energía primaria utilizada. En las centrales fotovoltaicas, la corriente obtenida es continua [3] y para su utilización es necesaria su conversión en corriente alterna mediante el empleo de dispositivos denominados inversores u onduladores.
Las centrales nucleares se utilizan para transformar la energía calorífica derivada de la fisión del uranio ¾combustible nuclear que, en teoría, también podría ser torio o plutonio¾ en energía mecánica y, a su vez, ésta se transforma en energía eléctrica. El calor producido por la fisión y los radioelementos generados calienta el agua convirtiéndola en vapor. Este vapor, obtenido a altas presiones, pasa por una turbina que acciona un alternador que produce la energía eléctrica. Posteriormente, el vapor atraviesa un condensador donde se convierte de nuevo en agua y, mediante la acción de una bomba, se vuelve a hacer pasar por la parte caliente del reactor convirtiéndose de nuevo en vapor y así sucesivamente.
Mientras que en una central térmica convencional, el calor proviene de la combustión en la caldera de un combustible como el carbón, el petróleo o el gas, en una central nuclear el calor proviene de la reacción en cadena que tiene lugar en el reactor. Tras la fisión de los átomos de uranio, éstos originan neutrones que a su vez fisionan otros átomos, generando la reacción.
El calor generado en el reactor se extrae mediante un refrigerante que circula alrededor del combustible. Los más utilizados son el agua -ligera o pesada- o un gas -anhídrido carbónico, helio-, y otros menos habituales como el aire, el vapor de agua, los metales líquidos o las sales fundidas. Los circuitos de refrigeración por donde circula el fluido portador de calor transmiten la energía calorífica producida en el núcleo del reactor hasta un turboalternador que tiene la función de convertir la energía calorífica que le llega a través de los circuitos de refrigeración en energía eléctrica.
Las centrales nucleares constan de uno o varios reactores, originariamente llamados pilas atómicas, la de Fukushima tenía seis, que son contenedores impermeables a la radiación –habitualmente llamados vasijas- en cuyo interior se albergan varillas, barras, u otras configuraciones geométricas, de uranio enriquecido y otras de materiales -cadmio o boro usualmente- que rápidamente absorben los neutrones lentos. Tienen por finalidad controlar la reacción en cadena del elemento fisil, del elemento que pueda fisionarse, el uranio 235, o fértil, es decir, que puede convertirse en fisil por reacciones nucleares, usualmente el uranio 238 que se transforma en plutonio. En el proceso de fisión radiactiva, se establece una reacción que es sostenida y moderada mediante el empleo de elementos auxiliares dependientes del tipo de tecnología empleada.
Veámoslo con más detalle en una próxima entrega.
Notas:
[*] Tomado de ERF y SLA, Casi todo lo que usted desea saber sobre los efectos de la energía nuclear en la salud y en el medio ambiente, El Viejo Topo, Barcelona, 2008.
[1] De hecho, al final, no es amarillo sino de color caqui.
[2] Un alternador es una máquina destinada a transformar la energía mecánica en eléctrica, generando, mediante fenómenos de inducción, una corriente alterna. Se fundan en el principio de que en un conductor sometido a un campo magnético variable se crea una tensión eléctrica inducida, cuya polaridad depende del sentido del campo y su valor del flujo que lo atraviesa. Consta de dos partes fundamentales, el inductor, que es el elemento que crea el campo magnético, y el inducido, que es el elemento conductor y que es atravesado por las líneas de fuerza del campo.
[3] Se denomina corriente alterna (CA en castellano, AC en inglés, alternating current) a la corriente eléctrica en la que la magnitud y dirección varían cíclicamente. La forma de onda de la corriente alterna más comúnmente utilizada es la de una onda senoidal, puesto que se consigue una transmisión más eficiente de la energía. En ciertas aplicaciones se utilizan otras formas de onda periódicas, tales como la triangular o la cuadrada. La corriente continua o corriente directa (CC en castellano, en inglés DC, Direct Current) es el flujo continuo de electrones a través de un conductor entre dos puntos de distinto potencial. A diferencia de la alterna, en la corriente continua las cargas eléctricas circulan siempre en la misma dirección (los terminales de mayor y de menor potencial son siempre los mismos). Aunque comúnmente se identifica la corriente continua con la corriente constante, es continua toda corriente que mantenga siempre la misma polaridad.
