Una pequeña pastilla de combustible nuclear, apenas del tamaño de la punta de un dedo, puede entregar una cantidad de energía comparable a la obtenida de aproximadamente una tonelada de carbón. La explicación está dentro del núcleo de los átomos de uranio.
En minería estamos acostumbrados a pensar en grandes magnitudes. Millones de toneladas de roca deben ser perforadas, tronadas, transportadas y procesadas para recuperar una fracción relativamente pequeña de cobre, oro u otros elementos valiosos. Con el uranio ocurre algo que desafía completamente esa intuición: una cantidad muy pequeña de material puede contener una cantidad extraordinariamente grande de energía.
El uranio no es técnicamente un mineral, sino un elemento químico natural presente en diferentes minerales de la corteza terrestre, como la uraninita. Lo excepcional aparece cuando determinados átomos de uranio son utilizados como combustible dentro de un reactor nuclear.
A diferencia del carbón, petróleo o gas natural, el uranio no necesita quemarse para producir calor. La energía proviene de algo mucho más profundo: la división del núcleo de sus átomos.
La diferencia está dentro del átomo
Cuando quemamos carbón, gas natural, petróleo o incluso madera ocurre una reacción química.
Los átomos se reorganizan formando nuevas moléculas y durante ese proceso se libera energía en forma de calor. Aunque las temperaturas pueden ser enormes, los núcleos de los átomos permanecen prácticamente intactos.
La fisión nuclear funciona de manera completamente distinta.
Un neutrón puede impactar el núcleo de determinados átomos, como el uranio-235. El núcleo se vuelve inestable y termina dividiéndose en fragmentos más pequeños.
Durante esa ruptura se libera energía, radiación y nuevos neutrones.
Esos neutrones pueden impactar otros núcleos de uranio-235 y provocar nuevas fisiones. Aparece entonces una reacción en cadena.
En una central nuclear esa reacción no ocurre de manera descontrolada. El reactor está diseñado precisamente para regular la cantidad de neutrones disponibles y mantener una liberación estable de energía.
El objetivo final es sorprendentemente convencional: producir calor.
Una central nuclear también termina hirviendo agua
A pesar de toda la física nuclear involucrada, muchas centrales nucleares producen electricidad mediante un principio similar al utilizado por centrales térmicas tradicionales.
El reactor genera calor.
Ese calor permite producir vapor de agua.
El vapor mueve una turbina.
La turbina hace girar un generador eléctrico.
El resultado final es electricidad.
La diferencia fundamental está en la fuente del calor. Una central a carbón obtiene energía mediante combustión química; una nuclear la obtiene mediante fisión atómica.
Y precisamente porque las reacciones nucleares involucran el núcleo de los átomos, la energía disponible por unidad de masa puede ser extraordinariamente superior.
Una pastilla que puede reemplazar enormes cantidades de combustible
El combustible de muchos reactores comerciales utiliza dióxido de uranio convertido en pequeñas pastillas cerámicas.
Son cilindros diminutos, aproximadamente del tamaño de la punta de un dedo.
Sin embargo, una sola pastilla de combustible nuclear puede entregar durante su utilización una cantidad de energía comparable, en términos aproximados, con la obtenida al quemar cerca de una tonelada de carbón.
La comparación permite visualizar la extraordinaria densidad energética del combustible nuclear.
Imagine un pequeño cilindro que puede sostenerse entre dos dedos.
Ahora imagine una tonelada de carbón.
Ambos pueden representar órdenes de magnitud comparables de energía útil en sus respectivos sistemas, aunque las equivalencias exactas dependen del combustible, del reactor y de la eficiencia considerada.
Por eso una central nuclear puede operar utilizando volúmenes de combustible relativamente pequeños frente a una central térmica que necesita recibir permanentemente enormes cantidades de combustibles fósiles.
El uranio natural todavía no está listo para entrar a un reactor
Sin embargo, sacar roca con uranio desde una mina no significa que pueda introducirse directamente dentro de una central nuclear.
Existe todo un ciclo industrial entre ambos extremos.
El mineral debe extraerse y procesarse para concentrar el uranio. Después puede convertirse químicamente y, dependiendo del tipo de reactor, atravesar un proceso de enriquecimiento.
La razón está en los isótopos.
Prácticamente todo el uranio natural está compuesto por uranio-238, mientras que alrededor de un 0,7% corresponde a uranio-235.
Ambos son uranio porque poseen 92 protones, pero tienen diferente cantidad de neutrones en sus núcleos.
El uranio-235 tiene una característica especialmente útil: puede experimentar fisión con relativa facilidad cuando absorbe determinados neutrones.
En muchos reactores comerciales, por esta razón, la proporción de U-235 se aumenta desde ese 0,7% natural hasta algunos puntos porcentuales.
Ese proceso se denomina enriquecimiento.
Enriquecer uranio no significa hacerlo radiactivo
La palabra puede generar confusión.
El enriquecimiento no consiste en agregar sustancias al uranio ni en transformarlo artificialmente en un material radiactivo. El uranio ya es naturalmente radiactivo.
Lo que se hace es modificar la proporción relativa de sus isótopos.
Uranio-235 y uranio-238 poseen propiedades químicas prácticamente idénticas, por lo que separarlos no es sencillo. La diferencia está principalmente en su masa.
La industria utiliza tecnologías altamente especializadas para aprovechar esa pequeña diferencia.
Posteriormente, el material destinado a determinados reactores puede transformarse en dióxido de uranio, comprimirse en pastillas cerámicas y someterse a altas temperaturas durante su fabricación.
Las pequeñas pastillas se introducen una sobre otra dentro de tubos metálicos, formando barras de combustible.
Muchas barras se agrupan formando conjuntos combustibles.
Y cientos de esos conjuntos pueden formar el núcleo de un reactor.
Millones de pequeñas pastillas trabajando simultáneamente
Lo impresionante aparece cuando se escala el concepto.
Un reactor comercial puede contener millones de pastillas de combustible distribuidas dentro de miles de barras.
Cada una participa lentamente en el proceso de generación de calor durante años.
El combustible no desaparece rápidamente como ocurre con un tronco dentro de una chimenea.
En los reactores de agua ligera utilizados ampliamente en el mundo, solo una fracción de los conjuntos combustibles suele reemplazarse durante cada parada programada para recarga.
Eso permite que una central pueda operar durante largos períodos sin necesitar un flujo diario de combustible comparable al de una instalación que quema carbón o gas.
Esta característica cambia completamente la logística energética.
Una central térmica de gran tamaño puede necesitar recibir continuamente enormes cantidades de combustible. Una central nuclear concentra una reserva extraordinariamente grande de energía dentro de un volumen mucho menor.
Entonces, ¿por qué no utilizamos solamente uranio?
Porque la densidad energética extraordinaria no elimina otros desafíos.
Construir una central nuclear requiere grandes inversiones, largos procesos de ingeniería y estrictos sistemas de seguridad.
El reactor debe ser capaz de controlar permanentemente la reacción nuclear y retirar el calor generado.
Incluso después de detener la fisión en cadena, el combustible continúa produciendo calor debido al decaimiento radiactivo de los productos generados durante la operación.
Por eso los sistemas de refrigeración son fundamentales.
El combustible utilizado también permanece altamente radiactivo y debe gestionarse cuidadosamente durante períodos prolongados.
Normalmente, cuando sale inicialmente del reactor se almacena bajo agua en piscinas especialmente diseñadas, donde continúa enfriándose y queda protegido radiológicamente.
Posteriormente puede trasladarse a sistemas de almacenamiento en seco.
La enorme concentración energética que hace tan atractivo al uranio es también la razón por la que toda su cadena debe administrarse bajo controles extraordinariamente rigurosos.
La minería de uranio tampoco es una mina convencional
Desde el punto de vista minero, los depósitos de uranio pueden explotarse mediante métodos a cielo abierto, subterráneos o, cuando las características geológicas lo permiten, utilizando recuperación in situ.
El mineral extraído debe procesarse para separar y concentrar el uranio.
El producto intermedio tradicionalmente conocido como yellowcake consiste principalmente en concentrados de óxidos de uranio y todavía está muy lejos de convertirse en combustible terminado para un reactor.
Desde ahí comienza una cadena industrial completamente distinta a la existente en minerales como cobre o hierro.
El material debe transformarse químicamente y, para muchos tipos de reactor, enriquecerse antes de llegar finalmente a una planta de fabricación de combustible.
Eso significa que detrás de una pequeña pastilla nuclear existe una cadena que combina geología, minería, procesamiento mineral, química, física nuclear, metalurgia e ingeniería energética.
El uranio también tiene leyes minerales
Al igual que ocurre con el cobre o el oro, encontrar uranio en una roca no convierte automáticamente ese material en un yacimiento económicamente explotable.
Debe existir suficiente concentración, continuidad geológica y tonelaje, además de condiciones técnicas, ambientales y económicas que permitan desarrollar una operación.
La concentración de uranio puede expresarse mediante porcentajes o partes por millón dependiendo del depósito.
Existen depósitos donde la mineralización es relativamente baja y otros extraordinariamente ricos, particularmente algunos desarrollados en Canadá.
La economía final depende también del método de explotación, profundidad, procesamiento, infraestructura y precio del uranio.
La lógica fundamental sigue siendo minera: un recurso geológico solamente se convierte en una fuente de suministro cuando puede extraerse técnica y económicamente bajo determinadas condiciones.
Chile y una paradoja energética
Chile no posee actualmente generación eléctrica comercial mediante centrales nucleares de potencia.
Sin embargo, el país presenta una relación particularmente interesante con esta discusión.
Chile es el mayor productor mundial de cobre y uno de los territorios donde la transición energética global se vuelve físicamente visible.
Cada nuevo sistema eléctrico necesita cobre para líneas, transformadores, motores, generadores y redes. La expansión solar requiere minerales. Los parques eólicos necesitan enormes cantidades de acero, cobre y otros materiales. Las baterías requieren litio, cobre, grafito, hierro, níquel u otras materias primas dependiendo de su química.
La energía nuclear tampoco escapa a esta relación.
Reactores, turbinas, generadores, líneas eléctricas y toda la infraestructura asociada requieren minería e industria.
Por eso el debate energético mundial está cada vez más conectado con una pregunta minera: ¿de dónde saldrán todos los materiales necesarios para producir más electricidad?
Uranio y cobre representan dos caras del mismo futuro
Existe una comparación interesante.
El cobre no es una fuente de energía, pero es uno de los materiales esenciales para transportarla y utilizarla.
El uranio hace prácticamente lo contrario.
Se necesita relativamente poco material para almacenar una enorme cantidad potencial de energía, pero después se requiere una extensa infraestructura eléctrica —con grandes cantidades de cobre y otros materiales— para llevar esa electricidad hacia industrias, ciudades y minas.
Ambos recursos pueden terminar formando parte del mismo sistema.
Una central puede producir electricidad mediante fisión nuclear. Transformadores elevan posteriormente el voltaje. Líneas de transmisión llevan esa electricidad cientos de kilómetros y motores eléctricos finalmente la convierten nuevamente en movimiento.
Detrás de cada etapa aparece la minería.
Una pequeña cantidad de materia y una enorme cantidad de energía
Durante miles de años, la humanidad produjo energía principalmente utilizando grandes cantidades de materia.
Quemamos madera.
Después carbón.
Luego petróleo y gas.
Cada revolución energética permitió concentrar progresivamente más energía en combustibles más eficientes.
La fisión nuclear llevó ese principio a otra escala.
Ya no se trata simplemente de reorganizar químicamente átomos mediante combustión, sino de liberar parte de la energía contenida dentro de sus propios núcleos.
Por eso una pequeña pastilla de combustible puede representar la energía obtenida de cantidades de combustible fósil que serían inmensamente mayores en volumen y peso.
El uranio demuestra así una de las ideas más extraordinarias de toda la industria energética: cuando se trabaja a escala atómica, una cantidad aparentemente insignificante de material puede esconder una reserva de energía gigantesca.
