"Descubriendo la energía atómica: ¿Qué es un reactor nuclear y cómo funciona?"

 El Reactor de Fisión Nuclear

Los primeros reactores nucleares se diseñaron con el único propósito de producir Pu-239, para utilizarlo en la fabricación de armas nucleares durante la Segunda Guerra Mundial.  Pero una aplicación mejor y más pacífica de uranio es la obtención de energía eléctrica por medio de un reactor de fisión.  En escala mundial se estima que una sexta parte del total de la energía eléctrica que se consume en el planeta es producida por fisión nuclear en las plantas de energía nuclear.

Estas plantas generan electricidad produciendo calor para hervir agua.  El vapor de agua hace girar las turbinas de enormes generadores para producir energía eléctrica.

Las plantas térmicas también emplean calor para hervir agua, pero dicho calor proviene de la combustión de combustibles fósiles como carbón, petróleo y gas natural.

Las partes esenciales de una planta de energía nuclear son las siguientes: 

1. Reactor nuclear

Un reactor nuclear no es mas que un horno nuclear que no hace nada más elegante que calentar agua hasta su punto de ebullición utilizando uranio o plutonio como combustible nuclear.  En el reactor nuclear se hallan:

• Varillas de combustible: Son varillas que contienen pastillas de dióxido de uranio del tamaño y forma de una tiza.  Estas pastillas se acomodan en cilindros de acero largo y angosto.  La reacción de fisión tiene lugar en el interior de estas varillas.  La mayor parte del uranio de las pastillas es U-238, que no se fisiona con neutrones lentos, sólo el 3% es U-235.  Esto es suficiente para mantener una reaccionen cadena, pero está muy lejos de permitir una explosión nuclear como la acontecida en Hiroshima.

• Barras de control: Son barras cilíndricas hechas de boro o cadmio, materiales que tienen la propiedad de absorber neutrones.  La intensidad de la reacción en cadena se controla manejando las barras de control.  La intensidad aumenta a medida que las barras se extraen del reactor y disminuye a medida que dichas barras se insertan dentro del núcleo del reactor.  La reacción en cadena se puede detener por completo dejando caer totalmente las barras de control entre las varillas de combustible.

• Moderador:  Además de las varillas de combustible y de las barras de control el núcleo de un reactor contiene también un moderador, que desacelera los neutrones de alta velocidad producidos en la fisión de manera que puedan absorberse con mas facilidad por los núcleos de uranio y puedan provocar otras fisiones.  El agua pesada, el agua normal y el grafito son los tres materiales más comunes que se utilizan como moderadores.

2. Generador de vapor

En los reactores más sencillos el calor producido por la fisión se emplea en hacer hervir agua y el vapor resultante hace que giren las turbinas de un generador eléctrico.En otro tipo de reactores el agua no hierve, se sobrecalienta a presión y circula por un intercambiador de calor donde hace hervir el agua de un segundo espiral de enfriamiento, generándose en este lugar el vapor.

3. Sistema de enfriamiento

El vapor de agua que ya ha pasado por las turbinas se enfría con agua que se obtiene de un río o lago cercano.  Esta agua caliente fluye luego de regreso hacia el mismo río o lago.  El vapor salido de la turbina se condensa al enfriarse y se bombea de nuevo al generador donde vuelve a calentarse y a vaporizarse.  El rasgo característico más grande de casi todas las plantas nucleares es un cilindro de concreto alto: la torre de enfriamiento donde se da salida al exceso de energía térmica.

El núcleo del reactor está rodeado por muros de concreto de 2 a cuatro metros de espesor  y está diseñado para prevenir la fuga de material radiactivo, en caso de que algún mal funcionamiento haga que se libere dicho material.  Además el reactor está encerrado dentro de un edificio de gruesos muros de concreto reforzado con acero, diseñados para soportar una explosión química, una caída de un avión o incluso un terremoto.

El Plutonio y el reactor generador

Cuando un núcleo de U-238 absorbe un neutrón no se fisiona.  El núcleo se transforma en un isótopo inestable de número másico 239.  Este núcleo emite inmediatamente un rayo beta y se transforma en el primero de los elementos artificiales o sintéticos de número atómico superior a 92, el Neptunio, llamado así en homenaje al planeta Neptuno.  El Np-239 a su vez emite otro rayo beta y se convierte en Plutonio, llamado así en homenaje al planeta Plutón.  El Pu-239 tiene una propiedad que lo hace tan importante como el U-235: se fisiona cuando sobre él impacta un neutrón.  

El período de semidesintegración del Np-239 es de sólo 2,3 días, mientras que el del Pu-239 es de unos 24.000 años.  Y como el plutonio es un elemento distinto al uranio, es posible separarlo de él por métodos químicos sencillos, a diferencia de lo que ocurre con el difícil proceso de separar el U-235 del U-238, separa el plutonio del uranio es relativamente fácil.

Desde el punto de vista químico el plutonio es un veneno, en el mismo sentido que lo son el plomo, el mercurio y el arsénico.  Ataca al sistema nervioso y puede producir parálisis y la muerte.  Pero por suerte el plutonio no se conserva como sustancia simple mucho tiempo, sino que se combina con el oxígeno para formar diferentes óxidos( PuO, PuO2, Pu2O3), todos ellos relativamente inofensivos desde el punto de vista químico.  No se disuelven en agua ni en sistemas biológicos y son biológicamente inofensivos.

Sin embargo el plutonio, en cualquiera de sus formas, es radiactivamente tóxico.  Es más tóxico que el uranio, si bien lo es menos que el radio.  El plutonio emite las dañinas y cancerígenas partículas alfa, pero sabemos que es muy fácil resguardarse de ellas.  Por eso el plutonio no se considera una sustancia muy peligrosa en cuanto a la producción de cáncer.  El mayor peligro que representa el plutonio para la humanidad es la posibilidad de utilizarlo para construir armas nucleares de fisión.  Su utilidad radica en la posibilidad de emplearlo como combustible nuclear en un reactor generador para producir energía eléctrica.

Al mezclar cantidades pequeñas de Pu-239 con U-238 en un reactor, la fisión del plutonio libera neutrones que convierten al abundante U-238 en Pu-239 fisionable.  No sólo se produce energía en abundancia, sino que también se genera combustible para la fisión a partir del U-238.  Un reactor que usa este combustible es un reactor generador, pues él mismo crea, al funcionar su propio combustible nuclear, que utilizará en futuras fisiones.  Al cabo de unos cuantos años de operación un reactor generador podría haber generado una cantidad de combustible igual al doble de la cantidad inicial.

Ventajas y desventajas de la producción de energía eléctrica por fisión nuclear

Generar energía eléctrica por fisión presenta varias ventajas:

• Permite obtener electricidad en abundancia

• Permite conservar miles de millones de toneladas de carbón, petróleo y gas natural que año tras año se convierten literalmente en calor y humo y que pueden ser mucho mas valiosos como fuentes de otros productos que como fuente de calor.

• Evita producir millones de toneladas de óxidos de azufre y otros venenos que cada año se incorporan a la atmósfera por la combustión de combustibles fósiles.

• Requiere para su funcionamiento una cantidad de combustible nuclear mucho mas pequeña que las enormes cantidades de combustible fósil que emplean las centrales térmicas.  Un kg de uranio produce por fisión mas energía que 30 vagones de carbón.

• Su funcionamiento no depende de las condiciones climáticas como ocurre con las centrales hidroeléctricas, que necesitan buen caudal de agua de los embalses para su correcto funcionamiento.

Entre las desventajas se pueden mencionar:

• Los problemas que ocasionan el acarreo y el almacenamiento de los deshechos radiactivos (los productos de fisión).

• La escalada en la producción de plutonio, que origina serios peligros vinculados con la proliferación de armas nucleares.

• La lenta pero progresiva penetración de los materiales radiactivos en la atmósfera y en los depósitos subterráneos de agua.

• La liberación accidental de grandes cantidades de elementos radiactivos.

La producción de electricidad  por fisión nuclear tiene adherentes y detractores.  Pero como toda fuente de energía presenta ventajas y desventajas.  La comparación entre ellas es un tema muy controversial, pero si algo queda claro es que las sociedades modernas deberán tomar decisiones trascendentes sobre este tema, para lo cual sus integrantes deberán estar lo suficientemente capacitados para no tomar decisiones equivocadas.

Fuente: Prof. Lic. Luis A. López.