Energía nuclear
Uranio, el combustible de la fisión nuclear

Puede que alguna vez te hayas preguntado cuál es el combustible de la energía nuclear o qué queman en las centrales nucleares con sus típicas torres de refrigeración echando vapor. Trataremos de ver cuál es ese combustible, su historia y de dónde viene.

Encinas Retortillo
Encina arrancada por la minera Berkeley en Retortillo, Salamanca. Foto Victorino García.
Ecologistas en Acción

publicado
2018-10-01 06:40

El uranio es un elemento químico metálico de color plateado-grisáceo de la serie de los actínidos, su símbolo químico es U y su número atómico es 92. Por ello posee 92 protones y 92 electrones, con una valencia de 6. Su núcleo puede contener entre 142 y 146 neutrones, sus isótopos más abundantes son el U-238, que posee 146 neutrones, y el U-235, con 143 neutrones. El uranio tiene el mayor peso atómico de entre todos los elementos que se encuentran en la naturaleza (es aproximadamente un 70% más denso que el plomo, aunque menos denso que el oro o el wolframio). Es levemente radiactivo. Fue descubierto como óxido en 1789 por M. H. Klaproth, quien lo llamó así en honor del planeta Urano, que acababa de ser descubierto en 1781.

Fisión nuclear de un átomo de U-235 inducida por un neutrón

El uranio se puede encontrar naturalmente en pequeños niveles en todas las rocas y el agua. Es el 51º elemento en orden de abundancia en la corteza terrestre, constituyendo aproximadamente de dos a cuatro partes por millón de la corteza terrestre, o unas 40 veces más abundante que la plata, por ejemplo. Algunos minerales importantes son la pechblenda (U3O8 impuro) o la uraninita (UO2).

Los isótopos son átomos con el mismo número de protones (número atómico) y diferente número de neutrones (número másico = nº de protones más neutrones). De los tres isótopos naturales del uranio, el más abundante es el U-238 (99.284% en peso), seguido del U-235 (0.711%) y el U-234 (0.0053%). De ellos, el único isótopo fisionable es el uranio-235, que de hecho es el único isótopo fisionable que existe en la naturaleza. Sus propiedades radiactivas fueron descubiertas en 1896 por Henri Becquerel, en una de las grandes casualidades de la ciencia, al descubrir la capacidad de una roca de pechblenda de impresionar una placa fotográfica en un cajón a oscuras.

Posteriormente, en los años álgidos de la investigación en la radiactividad y la estructura atómica, al inicio del siglo XX una larga serie de descubrimientos por científicos de la talla de Marie y Pierre Curie, Ernst Rutherford, Albert Einstein, Niels Bohr, George Gamow, James Chadwick, Leó Szilárd y Enrico Fermi, entre otros, llevó al descubrimiento de la fisión nuclear en 1938 por Lise Meitner, Otto Hahn, Fritz Strassmann y Otto Frisch con el bombardeo de uranio con neutrones, produciendo la fisión nuclear, en la que el núcleo del uranio captura un neutrón incidente, y se divide en dos núcleos de átomos más ligeros llamados productos de fisión, emitiendo en el proceso neutrones, rayos gamma y grandes cantidades de energía.

La fisión nuclear se descubrió en 1938 con el bombardeo de uranio con neutrones.

Por este descubrimiento Otto Hahn recibió en 1944 el premio Nobel de Química, pero obviaron, una vez más, el gran trabajo realizado por una mujer. La mujer de la foto, Lise Meitner.

Tras este descubrimiento, y en plena guerra mundial, al ver que se podía hacer una reacción en cadena descontrolada y utilizarlo como arma, comenzaron investigaciones tanto en el proyecto Manhattan en el bando aliado como en el proyecto Uranio en Alemania. En ambos trabajaron grandes investigadores de la época y, una vez más, el primer desarrollo y uso de una nueva tecnología fue dedicado a construir un arma más potente aún.

Como resultado del proyecto Manhattan, EEUU llegó a fabricar las dos primeras bombas atómicas. La primera fue Little boy, de 13 kilotones y basada en la fisión de uranio, que se lanzó el 6 de agosto de 1945 sobre Hiroshima. Fat boy, la segunda, era de 21 kilotones, estaba basada en la fisión de plutonio y cayó sobre Nagasaki el día 9 de agosto de 1945, generando las grandes cantidades de muertos, heridos y desplazados que todas conocemos.

Tras su primer uso militar, y ante el horror de la sociedad de que se pudiera volver a utilizar la tecnología nuclear como arma, comenzó la investigación y desarrollo de la producción de energía mediante la fisión nuclear con una reacción en cadena controlada. El primer reactor de fisión comercial fue el Calder Hall en Sellafield, Inglaterra, y se conectó a la red eléctrica en 1956, una vez más sin hacer un análisis previo de sus efectos a largo plazo, de los residuos que generaría o de las posibilidades y consecuencias de un accidente. Tampoco de los efectos en la biodiversidad y la salud de las poblaciones cercanas o trabajadores, a pesar de empezar a saberse los efectos de la radiación tras Hiroshima, como nos contó el Dr Michihiko Hachiya en Diario de Hiroshima (6 de agosto - 30 de septiembre de 1945), publicado en 1955.

Pero llegar a tener una barra de combustible nuclear generando energía en un reactor de fisión no es algo fácil, sino que es un largo proceso desde que se extrae el mineral de uranio, y también costoso tanto en tiempo como en procesos, materiales, impactos ambientales, residuos y energía, además de los traslados de material radiactivo por todo el planeta con sus consiguientes riesgos de accidentes e impactos energéticos y de CO2.

Primero se extrae el mineral, en forma de óxido de uranio; las mayores minas están en Canadá, Australia y Kazajistán. Se separa de las impurezas y se hace un concentrado de uranio, habitualmente conocido como “torta amarilla”. Después se convierte en hexafluoruro de uranio, UF6, que posteriormente se enriquece, pasando de la proporción natural de isótopos U-238 y U-235 (0.7% de U-235) al grado necesario para generar la reacción nuclear controlada en un reactor, que es de 3 al 5% de U-235.

No hay instalaciones en España para hacer esta primera fase de la fabricación del combustible. Inicialmente se comenzó la extracción en varias minas de uranio, tanto a cielo abierto como subterráneas, trabajando en unas peligrosas condiciones, pero con el tiempo fueron cerrando. La última de ellas, en Saelices El Chico - Ciudad Rodrigo, Salamanca, terminó su explotación en 2001 por ENUSA. ENUSA es la empresa pública que gestiona el aprovisionamiento de uranio enriquecido para las centrales nucleares del Estado. También hubo una fábrica de concentrados de uranio en Andújar (Jaen) para acondicionar el material entre 1959 y 1981, donde muchos trabajadores fueron afectados de cáncer. Actualmente, están tratando de abrir una nueva mina a cielo abierto en Retortillo, con una gran oposición nuclear, actualmente parada por el CSN y que el Ministerio de Transición Ecológica podría parar. Actualmente la mayor extracción se hace en Kazajistan, Canadá, Australia o Namibia.

El enriquecimiento tampoco se hace aquí, sino en Francia, Rusia, Canadá o EEUU. Los concentrados de uranio comprados por España en 2017 vinieron de Níger (34,60%, Rusia (25,10%), Australia (20,10%), Namibia (14,60%) y Uzbekistán (5,60%). De forma que no podemos hablar de que la energía nuclear sea una energía autóctona.

Con el uranio enriquecido se fabrican los elementos combustibles. Esta es la única parte del ciclo que actualmente se hace en el Estado, en la fábrica de ENUSA en Juzbado, Ciudad Rodrigo (Salamanca). Allí el óxido de uranio enriquecido se sinteriza en pastillas con las que luego se fabrican los elementos combustibles para las centrales españolas y para exportar. La realidad en que en el ciclo total del combustible se producen importantes consecuencias, al irse descartando material y generando residuos en cada paso del proceso.

No podemos hablar de que la energía nuclear sea una energía autóctona.

Utilizando la calculadora de impactos de la organización WISE (sigla en inglés de Servicio mundial de información sobre energía, World Information Service on Energy), que en su proyecto Uranium dispone de buenas herramientas educativas sobre los impactos desde la mina al almacén nuclear, y seguimiento de los impactos y la actualidad antinuclear, podemos ver los impactos en todo el ciclo de vida.

Tomando el ejemplo del reactor Almaraz I, su producción en 2017, 8048 GW, y suponiendo que los concentrados de uranio vinieron de la mayor mina de Níger, SOMAIR, en Tamou, que en 2015 producía a partir de una veta de un grado medio de concentración de U del 0.28%, utilizando la eficiencia de la central de Almaraz (36% = Pt /Pe/) y manteniendo el resto de los valores estándar de la calculadora, podemos ver la cantidad de materiales que se desechan en cada paso del proceso.

Fue necesario extraer 66.579 toneladas de mena de la mina (mineral de uranio con impurezas), para lo cual se desecharon 332.895 t de mineral sobrante produciendo 186 t de U que luego fueron triturados para obtener 213 t de torta amarilla, U3O8 (181 t de U), y generando 66.366 t de escombros sólidos y 66.366 m3 de residuos líquidos. En la planta de conversión a hexafluoruro de uranio obtenemos 266 t UF6 (180 tU), generando 126 t de residuos sólidos y 1.169 m3 de residuos líquidos. En la planta de enriquecimiento se utilizaron 5 GWhe de energía y 101.376 unidades de trabajo de separación (SWU que dependen del grado del material entrante, el enriquecimiento final efectuado, así como del método usado en la separación), que generaron 33,1 t de UF6 enriquecido (22,4 t de U) y 233 t de uranio empobrecido (157 t de U), frecuentemente utilizado para hacer armas.

En la planta de fabricación del combustible se fabricaron 25,2 t UO2 (22,2 tU) produciendo 11 m3 de residuos sólidos y 200 m3 de residuos líquidos. Estas 25,2 t UO2 se utilizaron en la central porque en un año se convirtieron en combustible gastado y posteriormente guardado en la piscina de la central para su enfriamiento hasta que llegue el momento de desmantelarla, emitiendo grandes cantidades de radiactividad durante 7038 millones de años para que sólo la mitad de los átomos de uranio-235 en cada barra desechada se desintegren. Este es el diagrama de bloques con la información de la simulación:


Hemos visto todos los procesos que son necesarios para tener combustible nuclear utilizable en las centrales de fisión de uranio y los residuos que van dejando a lo largo de todo el proceso. Vemos la gran cantidad de materiales que vamos desechando en todo el proceso, y todo esto sin incluir la radiactividad que se va liberando en todos los procesos y la energía que estamos utilizando para obtener los minerales de la mina, moler, purificar, compactar y los desplazamientos de material y las emisiones de CO2 asociadas. Estas lo podemos ver analizadas con mucho detalle en los trabajos de J.W. Storm van Leeuwen y P. Smith. y B.K. Sovacool, con análisis en todo el ciclo de vida de la energía nuclear. Este último da valores de 66 g CO2e/kWh, que irán en aumento al disminuir la concentración de las minas explotadas, muy superiores a los 9 g CO2e/kWh de la eólica offshore e incluso los 32 g CO2e/kWh de la fotovoltaica, y con una gran herencia de materiales que serán peligrosos y habrá que vigilar durante miles de años.

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3 Comentarios
#23884 16:03 3/10/2018

Completo y esclarecedor artículo.
¿Podrías hacer alguno sobre el comercio, producción y control de Uranio empobrecido destinado a armas nucleares?

Lo digo en el sentido de que podríamos prescindir de la energía nuclear, pero la industria armamentística seguirá necesitando las centrales nucleares.

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Marisa 22:26 2/10/2018

He tratado de explicar o referenciar todos los tecnicismos, pero si me dices de cuáles, os lo aclaro

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#23803 15:34 2/10/2018

Muy interesante, pero para incluir tecnicismos hay que explicarlos, seguro que los entendemos. No somos tontos.

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