A nivel mundial, la energía nuclear representa aproximadamente el 10 por ciento de la generación de electricidad. En algunos países, como Francia, esta cifra es casi del 70 por ciento.
Las grandes empresas tecnológicas como Google son también recurriendo a la energía nuclear encontrarse las enormes demandas de energía de sus centros de datos.
La fuente de toda energía nuclear es la energía vinculante de un átomo. La energía almacenada en un átomo se puede liberar de dos formas principales: fisión o fusión. La fisión implica dividir átomos grandes y pesados en otros más pequeños y ligeros. La fusión implica combinar átomos pequeños en otros más grandes.
Ambos procesos liberan mucha energía. Por ejemplo, una desintegración por fisión nuclear del U235, un isótopo de uranio utilizado normalmente como combustible en la mayoría de las centrales eléctricas, produce más de 6 millones de veces la energía por única reacción química del carbón más puro.
Esto significa que son grandes procesos para generar energía.
¿Qué es la fisión?
La fisión es el proceso detrás de cada central nuclear en funcionamiento en la actualidad. Ocurre cuando una pequeña partícula subatómica llamada neutrón choca contra un átomo de uranio, dividiéndolo.
Esto libera más neutrones, que continúan chocando con otros átomos, desencadenando una reacción nuclear en cadena. Esto a su vez libera una enorme cantidad de energía.
Para convertir esta energía en electricidad se instala un intercambiador de calor que convierte el agua en vapor, impulsando una turbina para producir energía.
La reacción de fisión se puede controlar suprimiendo el suministro de neutrones. Esto se logra insertando “barras de control” que absorben neutrones.
Históricamente, los accidentes nucleares como Chernóbil han ocurrido cuando las barras de control no logran acoplarse y apagar el suministro de neutrones, y/o falla la circulación del refrigerante.
Los diseños llamados de “tercera generación” mejoran los diseños anteriores al incorporar características de seguridad pasivas o inherentes que no requieren controles activos ni intervención humana para evitar accidentes en caso de mal funcionamiento. Estas características pueden depender de diferenciales de presión, gravedad, convección natural o la respuesta natural de los materiales a las altas temperaturas.
Los primeros reactores de tercera generación fueron los Kashiwazaki 6 y 7 reactores avanzados de agua en ebullición en Japón.
Un desafío no resuelto para la fisión es que los subproductos de la reacción son radiactivos durante mucho tiempo, del orden de miles de años. Si se reprocesan, la fuente de combustible y los desechos también se pueden utilizar para fabricar un arma nuclear.
El poder de fisión es una tecnología demostrada. También es escalable desde reactores a gran escala (la más grande es la central nuclear Kashiwazaki-Kariwa de 7,97 gigavatios en Japón) hasta reactores pequeños y medianos que producen alrededor de 150 megavatios de electricidad, como los que se utilizan en un barco o submarino nuclear.
Estos son los reactores que alimentarán los ocho submarinos nucleares prometidos por Australia como parte de una asociación trilateral de seguridad con el Reino Unido y los Estados Unidos.
¿Qué es la fusión?
La fusión es el proceso que alimenta el Sol y las estrellas. Es el proceso opuesto a la fisión. Ocurre cuando los átomos se fusionan.
La reacción más fácil de iniciar en el laboratorio es la fusión de isótopos de hidrógeno, deuterio y tritio. Por unidad de masa, la reacción produce 4 veces más energía que la fisión del U235.
El ion combustible deuterio es increíblemente abundante en la Tierra y en el universo. El tritio es radiactivo y tiene una vida media de 12 años, por lo que es muy raro en la Tierra.
El universo tiene 13.800 millones de años; los únicos isótopos de los núcleos ligeros (hidrógeno, helio y litio) que se encuentran en la naturaleza son los que son estables en esas escalas de tiempo.
en un poder de fusión En la planta, el tritio se fabricaría utilizando una “manta de litio”. Se trata de una pared sólida de litio en la que los neutrones de fusión se ralentizan y finalmente reaccionan para formar tritio.
Sin embargo, actualmente a los científicos les resulta muy difícil crear una reacción de fusión fuera del laboratorio. Esto se debe a que requiere condiciones increíblemente calientes para fusionarse: las condiciones óptimas son 150 millones de grados Celsius.
A estas temperaturas, los iones del combustible se encuentran en estado de plasma, donde los electrones y los iones (nucleares) están disociados. El subproducto de este proceso no es radiactivo; más bien, es helio, un gas inerte.
El camino tecnológico líder para demostrar la fusión sostenida se llama “confinamiento magnético toroidal”. Esto ocurre cuando el plasma se confina a temperaturas extremas en una botella magnética muy grande con forma de rosquilla.
A diferencia de la fisión, esta vía tecnológica requiere un calentamiento externo continuo para alcanzar las condiciones de fusión y un fuerte campo confinado. Termine cualquiera de los dos y la reacción se detendrá.
El desafío no es una crisis incontrolada, sino lograr que se produzca la reacción.
Un importante desafío no resuelto para la fusión por confinamiento magnético toroidal, que atrae la mayor parte del interés de la investigación, es la demostración de un plasma autocalentado en combustión. Aquí es cuando el poder calorífico producido por la propia reacción es primario. Este es el objetivo de la multinacional financiada con fondos públicos proyecto iterel experimento de fusión más grande del mundo, y el proyecto de financiación privada Experimento SPARC en el Instituto de Tecnología de Massachusetts.
Sin embargo, el consenso de gran parte de la comunidad científica es que la fusión no será comercialmente viable hasta al menos 2050.
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¿Una solución climática?
A menudo me preguntan si la energía nuclear podría salvar a la Tierra de cambio climático. Tengo muchos colegas en la ciencia del clima y, de hecho, mi difunta esposa era una científica climática de alto perfil.
La ciencia es clara: es demasiado tarde para detener el cambio climático. El mundo necesita hacer todo lo posible para reducir las emisiones de dióxido de carbono y minimizar los daños catastróficos, y tiene que haberlo hecho hace décadas.
Para el planeta, la fisión es parte de esa solución global, junto con el despliegue y la adopción generalizados de fuentes de energía renovables como la eólica y la solar.
En una escala de tiempo más larga, se espera que la fusión pueda reemplazar a la fisión. El suministro de combustible es mucho mayor y está distribuido de manera ubicua, el problema de los desechos es mucho menor en volumen y escala de tiempo, y la tecnología no puede convertirse en un arma.
Mateo AgujeroProfesor, Instituto de Ciencias Matemáticas y Escuela de Computación, Universidad Nacional Australiana
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