El Combustible Nuclear

Costa Rica debe iniciar cuanto antes la elaboración de protocolos, así como un marco legal y regulatorio en materia de energía nuclear, con el apoyo de la Agencia Internacional de Energía Atómica. Esto permitiría preparar el camino para la eventual incorporación a nuestra matriz energética de reactores nucleares modulares pequeños (SMR por sus siglas en inglés), especialmente ante el agotamiento de las fuentes energéticas convencionales y el aumento sostenido de la demanda. En materia energética, 25 años son apenas un parpadeo. Para el año 2050, el país necesitará más del doble de su capacidad instalada actual. Sin energía nuclear en nuestra matriz energética podríamos enfrentar racionamientos o apagones, escenarios que nadie desea.

Prepararnos para suplir la demanda energética nacional con criterios como seguridad e independencia energética, debe ser una prioridad para los tomadores de decisiones y los gobernantes. A los científicos nos corresponde señalar el camino.

La energía nuclear alcanzó récords de producción histórica en el 2025 y cada vez más países construyen reactores nucleares en sus territorios. En América, Canadá, Estados Unidos, México, Brasil y Argentina tienen reactores nucleares en sus portafolios energéticos y otros cinco países del continente ya se preparan para la energía nuclear. Francia produce el 67% de su electricidad con reactores nucleares, Eslovaquia el 61% y Hungría el 47%.

La cifra generalmente aceptada para los reactores nucleares comerciales de energía eléctrica en el mundo se sitúa entre 416 y 420 reactores operativos en el mundo, dependiendo de la fuente consultada. Estos reactores están conectados a redes eléctricas y producen energía en forma de calor, utilizada principalmente para la generación de electricidad, pero también para calefacción de hogares, empresas y diversos procesos industriales. Existen, además, reactores nucleares dedicados exclusivamente a investigación científica, producción de radioisótopos médicos, así como reactores militares y de propulsión naval, lo que eleva considerablemente el número total de reactores nucleares existentes en el planeta.

Más del 95 % de los reactores nucleares del mundo utilizan uranio como combustible, y si se afina aún más el análisis, la cifra se acerca al 99 %. La gran mayoría emplea uranio enriquecido del isótopo Uranio-235 (U-235) en forma de dióxido de uranio (UO₂), una cerámica extremadamente estable a altas temperaturas. Algunos reactores utilizan combustible MOX (mezcla de óxidos), que combina plutonio reciclado con uranio, pero dado que este combustible sigue conteniendo uranio, se incluye dentro del mismo grupo. Los reactores de torio existen únicamente a nivel experimental o de prototipo, y aún no forman parte del parque nuclear comercial. Los reactores navales -como los de submarinos y portaaviones- también utilizan uranio, generalmente con un mayor grado de enriquecimiento, lo que les permite ser mucho más pequeños y operar durante largos períodos sin recarga. Cuando se habla de un submarino nuclear no se hace referencia necesariamente a armamento nuclear, sino a que es propulsado por un reactor nuclear que además permite la producción de oxígeno mediante electrólisis del agua de mar, posibilitando misiones de varios meses sin emerger.

Así como existen yacimientos de oro, aluminio y otros minerales, también existen yacimientos de uranio. Su extracción se realiza mediante procesos mineros similares a los utilizados para otros materiales, ya sea minería a cielo abierto, subterránea o lixiviación in situ. El principal reto radica en que el uranio presente en la naturaleza está compuesto en un 99,27 % por el isótopo U-238, con pequeñas trazas de U-234 (0,005 %). El U-235, que es el isótopo fisionable y el que permite sostener una reacción nuclear en cadena, representa apenas 0,72 % del uranio natural.

Conviene aclarar el concepto de isótopo: se trata de átomos del mismo elemento químico que difieren únicamente en el número de neutrones en su núcleo. El U-238 tiene tres neutrones más que el U-235. Aunque ambos son uranio y comparten las mismas propiedades químicas, solo el U-235 puede fisionarse con neutrones lentos, liberando energía y nuevos neutrones. Para ilustrarlo de manera sencilla, imaginemos una familia, que llamaré la familia Picapiedra compuesta por siete miembros (Pi-7). Si dos hijos se independizan, la familia pasa a ser de cinco miembros (Pi-5), pero sigue siendo la misma familia Picapiedra; como ahora hay dos bocas menos, el dinero alcanza un poco más, la madre puede ir al salón dos veces por mes, el padre tiene para un par de salidas con los amigos y los hijos van al cine más a menudo; es la misma familia Picaiedra, pero la familia Pi-5 se comporta diferente que la familia Pi-7. De manera análoga, el U-238 y el U-235 son el mismo elemento, pero con diferente número de partículas en su núcleo, con más o con menos neutrones y, por lo tanto, con propiedades nucleares distintas, el U-235 es fisible -separable- y bueno para hacer reacción en cadena, mientras que el U-238 no lo es.

Para separar este pequeño porcentaje de U-235 se emplean procesos químicos y físicos conocidos como enriquecimiento del uranio, que aprovechan la ligera diferencia de masa entre los isótopos. En los reactores nucleares comerciales, el nivel de enriquecimiento requerido oscila entre 3,5 % y 5 %, suficiente para alcanzar la criticidad controlada, es decir, una reacción en cadena estable. En contraste, para aplicaciones militares el enriquecimiento debe alcanzar valores cercanos al 95 %, lo que permite una liberación de energía extremadamente rápida. Aunque los procesos tecnológicos son conceptualmente similares, difieren de forma significativa en tiempo, costo, escala e infraestructura, razón por la cual el enriquecimiento está estrictamente regulado a nivel internacional. Dado que el enriquecimiento para reactores es bajo, un reactor nuclear no puede explotar como una bomba nuclear, idea que persiste como un mito urbano sin sustento físico.

Contrario a lo que muchas personas creen, el combustible nuclear no es líquido. Esta confusión proviene de nuestra experiencia cotidiana con los combustibles fósiles. Una vez alcanzado el nivel adecuado de enriquecimiento, el dióxido de uranio se conforma en pellets cilíndricos, de aproximadamente 8 a 10 milímetros de diámetro y 10 a 12 milímetros de altura, con bordes redondeados. Estos pellets poseen una alta densidad y una estructura cerámica que les permite soportar temperaturas extremas sin fundirse. Su apariencia recuerda a los borradores de los lápices escolares. Los bordes suavizados evitan fracturas, pérdidas de material y generación de polvo radiactivo, algo crucial si se considera el enorme valor económico y energético del combustible nuclear procesado.

Los pellets se introducen en tubos metálicos sellados, generalmente de aleaciones de zirconio, que son transparentes a los neutrones y altamente resistentes a la corrosión. Estos tubos, conocidos como barras de combustible, se agrupan en conjuntos denominados fuel assemblies, que se insertan en el núcleo del reactor. En su interior se produce la reacción en cadena: los neutrones liberados por una fisión impactan otros núcleos, produciendo nuevas fisiones de manera controlada. Es como si la bola blanca del billar golpeara a las bolas de colores que están ordenadas en un triángulo, y al salir despedidas, estas golpearan otros triángulos de bolas y así sucesivamente. La potencia del reactor se regula mediante barras de control fabricadas con materiales absorbentes de neutrones, como boro o cadmio. Los fuel assembliesconstituyen el corazón del reactor y están sumergidos en agua, que actúa simultáneamente como moderador, refrigerante y blindaje radiológico. Existen otros tipos de reactores enfriados con sodio líquido, helio o sales fundidas, pero estos aún no son de uso comercial extendido.

El agua calentada por el núcleo alcanza temperaturas muy elevadas y genera vapor a presiones extremas. Este vapor mueve turbinas acopladas a generadores eléctricos, produciendo finalmente la electricidad que llega a los hogares, hospitales e industrias. Desde el punto de vista termodinámico, una central nuclear funciona de manera muy similar a una central térmica convencional; la diferencia radica únicamente en la fuente de calor.

Durante la reacción nuclear se generan productos de fisión, es decir, nuevos elementos químicos -una forma moderna de la alquimia soñada por los sabios del Medioevo-. Entre los elementos livianos que se producen se encuentran el criptón, rubidio, estroncio, itrio y zirconio; entre los más pesados, el xenón, cesio, bario, lantano, cerio y neodimio. Algunos de estos isótopos, como el xenón-135 y el samario-149, son potentes absorbentes de neutrones y juegan un papel clave en el control del reactor. Además, a partir del U-238 se forman plutonio-239, plutonio-240 y plutonio-241, así como americio y curio.

La acumulación de estos productos de fisión reduce progresivamente la eficiencia del combustible; volviendo al ejemplo del billar, es como si tuviéramos un amigo bromista en el billar que detiene las bolas de colores antes de que estas colisiones con otros triángulos de bolas de colores deteniendo entonces el juego. Al perder eficiencia el combustible por estos productos de fisión retardantes, este debe retirarse cuando ha utilizado apenas alrededor del 5 % de su energía total. A este material se le denomina spent fuel o combustible gastado. El combustible retirado se almacena inicialmente en grandes piscinas de agua cerca del propio sitio del reactor, donde el agua cumple funciones de enfriamiento y blindaje. El manejo del combustible gastado es uno de los procesos industriales más controlados y seguros del planeta, con sistemas redundantes de vigilancia y contención. En el traslado de material nuclear nuevo desde las minas hasta los reactores y de los reactores a los sitios de desecho del spent fuel no se pierde ni una millonésima parte de un gramo de material nuclear.

A este material se le suele llamar “basura nuclear”, término con el que discrepo, ya que conserva cerca del 95 % de su energía potencial y por lo tanto está lejos de ser basura. Se trata, en realidad, de una reserva energética gigantesca y estratégica aún subutilizada. En países como Francia y Rusia, parte de este combustible se reprocesa para fabricar nuevo combustible. Científicos e ingenieros nucleares trabajan activamente en tecnologías avanzadas, como reactores rápidos y reactores de torio, capaces de aprovechar estas reservas y reducir de forma significativa la cantidad y toxicidad de los residuos finales. Ya está en operación un prototipo de SMR que logra operar de manera continua con una mezcla de torio y spent fuel. Si esta operación resulta técnica y financieramente viable, tenemos energía acumulada para abastecer a miles de ciudades en el mundo por cientos de años con el spent fuel que tenemos almacenado, producto de la operación de reactores nucleares convencionales en los últimos 80 años.

Para que el reactor mantenga su operación y la producción de electricidad, las barras de combustible agrupadas en fuel assemblies se cambian por nuevas barras recargadas con combustible nuevo, haciéndolo de manera programada un grupo a la vez cada cierto tiempo para no detener el reactor. La gran mayoría de reactores del mundo tienen los fuel assembliesde manera vertical; Canadá por su parte ha desarrollado su propia tecnología llamada Candu que opera con deuterio, una forma de agua en donde los átomos de hidrógeno que forman las moléculas del agua tienen un neutrón adicionado a su núcleo, cuando en forma natural el hidrógeno solo tiene una única partícula en su núcleo, un protón, lo que se conoce como agua pesada, y los fuel assemblies están en forma horizontal dentro del reactor.

Observo con gran optimismo los avances en nuevas tecnologías en la fisión nuclear y deposito aún mayores esperanzas en la futura fusión nuclear de hidrógeno, que promete una fuente prácticamente inagotable de energía. La energía nuclear es una fuente limpia, segura, constante y de base, con el mayor factor de planta de todas las fuentes conocidas -la cantidad de horas en operación por año- con costos competitivos y emisiones de carbono comparables a las de las energías renovables.

Eugenio G. Araya

Físico