lunes, junio 25, 2007

Combustibles y residuos nucleares

Un tema recurrente cuando se debate sobre centrales nucleares es el problema de los residuos de la fisión.
Éste es en efecto un problema real, sería absurdo ignorarlo, pero a menudo se habla con desconocimiento del mismo. Se confunden los almacenamientos temporales de residuos de alta actividad (generados en las centrales) con los almacenamientos definitivos (en España, el Cabril en Córdoba) de residuos de media y baja procedentes de otras actividades (principalmente hospitales).
Intentaremos aclarar alguna cuestión.
La respuesta al manido "¿que hacer con los residuos?" (de las centrales, se entiende) es simple: Guardarlos de forma segura hasta que llegue el momento de su reprocesamiento.
Para ello se está buscando un emplazamiento (llevamos años con ello mientras que en otros países es un tema solucionado) pero como hemos visto recientemente, si a un alcalde se le ocurre preguntar, los radicales rápidamente le dan de hostias.
En Holanda acaban de inaugurar su ATC (Almacen Temporal Centralizado), en medio de una zona industrial con mínimas protestas.
Aquí, los emplazamientos que se barajan, están lejos de zonas pobladas, pero ya veremos en que queda la cosa. De momento los almacenes temporales en las centrales se agrandan más y más y van a comenzar a regresar los residuos enviados a Francia para su reprocesamiento.
Hemos dicho "reprocesar", y en efecto, ésa es una de las claves normalmente desconocidas. Veamos globalmente el ciclo del combustible para entenderlo:
Lo primero que debemos saber es que el combustible (Uranio) que se introduce en el reactor es casi en un 97% U238, un isótopo estable del Uranio, y algo más del 3%, U235. Solo este último está implicado en la reacción de fisión nuclear. Cuando el U235 capta un neutrón, se vuelve inestable y tiende a "partirse" (fisión) en dos. Además, como consecuencia de la fisión se liberan 2 ó 3 neutrones. Uno de estos neutrones se capta por otro átomo de U235, continuando la reacción en cadena y el resto son absorbidos por los elementos de control presentes también en el reactor como barras de control o disueltos en el agua refrigerante (los elementos utilizados para este cometido, como el Boro, tienen la particularidad de ser estables en su isótopo normal y también una vez absorbido el neutrón).
Por su parte, los dos átomos procedentes de la fisión del U235 son inestables y tienden a sufrir desintegraciones radiactivas hasta convertirse en isótopos estables. Estos átomos, de muy variados elementos, son los verdaderos residuos nucleares y con ellos no se puede hacer prácticamente nada (quizá en el futuro sí, pero eso es otra historia).
Ahora bien, ¿que ocurre con todo el U238, que al fin y al cabo es la mayor parte del combustible? Pues resulta que el U238 no sufre fisión (no se parte en dos) al absorber un neutrón sino que se convierte en U239, pero el U239 es inestable y tiende a convertirse en Pu239 al transformarse un neutrón en un protón. Según indicamos cuando hablamos de bombas atómicas, el Pu239 es fisionable, igual que el U235. Por ello, al U238 se le llama "fértil", no es fisionable, pero sirve para fabricar combustible nuclear.
¿Que tenemos pues en las barras de combustible de un reactor al cabo de un tiempo de "quemarse"? Pues U238 estable (que no haya capatado neutrones), Plutonio 239 y una proporción pequeña, pero muy variada, de residuos radiactivos. El Pu239, según vimos, es el componente básico de la mayoría de bombas nucleares, pero también (al ser "fisionable") puede usarse como nuevo combustible para otro reactor nuclear. El U238, a su vez, puede utilizarse para producir Pu239.
Es decir, resulta que de lo que consideramos un residuo (el combustible "quemado"), la mayor parte es reutilizable. Solo los productos de la fisión son verdaderos residuos. El "reprocesamiento" del que hablábamos consiste en separar el grano de la paja, con la particularidad de que hay más grano que paja .
Hagamos un inciso para aclarar que si bien tanto el Pu239 como el U235 son fisionables y por tanto utilizables como combustible nuclear, las condiciones en que ambos fisionan son diferentes. El U235 capta bien los neutrones "lentos" (de baja energía) y el Pu239 los neutrones "rápidos".
Por ello, el Pu239 no se puede usar como combustible "tal cual" en reactores convencionales, pero hay diseños especiales de reactor (reactores rápidos, como los franceses fénix y superfénix) que han funcionado comercialmente con ese combustible. También se ha probado a usar una mezcla (llamada MOX) de Uranio y Plutonio en reactores lentos, pero con resultados no muy buenos.
Esto era para señalar, que el Pu239, es potencialmente útil (y el U238), pero tiene mala "salida comercial" en la actualidad. Como el proceso de reprocesamiento es complejo y caro, la opción es almacenar el combustible gastado para reprocesarlo cuando haga falta.
A los ATC van pues, tanto los elementos de combustible quemados sin reprocesar como los residuos "verdaderos" (productos de la fisión) separados del U238 y el Pu239 en instalaciones de reprocesamiento. Conviene almacenar estos residuos verdaderos también de forma temporal, pues que no se sepan "inertizar" ahora no quiere decir que no se pueda hacer. Hay investigaciones en curso (pocas) para transformar los residuos de la fisión en elementos estables de forma acelerada mediante bombardeos neutrónicos y gracietas por el estilo. En España se proyectó hace años un centro de investigación (en concreto en Zaragoza) con este fin pero se quedó en eso, en proyecto.
Actualmente en la India hay un ambicioso programa nuclear que de forma inteligente comprende el ciclo completo: Reactores lentos (quemando U235), reactores "reproductores" (diseñados para favorecer la transformación de U238 en Pu239) y reactores rápidos (quemando Pu239). Además lógicamente de instalaciones de almacenamiento, reprocesamiento e investigación.
El programa nuclear hindú, globalmente concebido tiene otra particularidad: Se está multiplicando casi por 30 la disponibilidad de combustible. Si únicamente se utilizan reactores lentos, el combustible aprovechado es tan solo el U235, que como se ha dicho, es un isótopo escaso. De ahí que a menudo se hable de las escasas reservas de combustible. Si el U238 se transforma también en combustible, según lo arriba expuesto, las reservas se multiplican.
Con el ciclo así concebido, esas reservas de Uranio que, según estimaciones, no llegarían a los 100 años, se convierten en 3.000.
Es de esperar que mientras tanto, se consiga explotar comercialmente la energía de fusión.
Creo conveniente aclarar que todo esto no indica que crea que la nuclear es la panacea, ni mucho menos. Pero me parece irresponsable e irreal renunciar a su uso como parte del mix de generación sin considerar el asunto con un mínimo de rigor.
Por cierto, os comentaré un dato. El coste de producción de un kWh en una nuclear, incluyendo todos los conceptos salvo la amortización de la inversión (coste de combustible, reprocesamiento y almacenamiento de éste, personal, consumibles, etc.), está entre 1,5 y 1,9 centimos de euro. Para los costes de producción de las renovables, podéis haceros una idea a partir de las primas en el nuevo Real Decreto que las regula (páginas 14 a 18).
Para elegir convenientemente, es bueno conocer datos.

11 comentarios:

Germánico dijo...

La cuestión es que los residuos no ocupan tanto espacio ni, adecuadamente tratados, tienen porque suponer un peligro, y que, a un tiempo, tenemos la capacidad científica y tecnológica para tener energía nuclear ilimitada, mejorando primero la generación y el reciclaje en la fisión y usando la fusión en un futuro que no se presume muy lejano.

Pero el efecto de un tonto subido a la cúpula de una central nuclear cerrada con una bandera verde que es grabado por las cámaras de los telediarios es tan poderoso como una reacción en cadena.

Ijon Tichy dijo...

Es que se mezclan conceptos y se lían las cosas. Los residuos que se entierran tras introducirse en barriles de hormigón, per secula seculorum y en grandes cantidades son guantes, jeringuillas y pequeños utensilios procedentes de los departamentos de medicina nuclear de los hospitales.

En efecto, tampoco es tan grande el Almacen Temporal Centralizado que necesitaríamos en España.

Sobre todo si lo comparamos con la superficie necesaria para, con la tecnología actual, producir toda la electricidad con paneles solares: Una provincia mediana.

Como en el chiste, de coste mejor, ni hablamos. Pero vaya, un cero a la derecha más en el recibo no sería descabellado.

Germánico dijo...

Pues imagina cuanta tierra de cultivo necesitaríamos para biocombustibles si quisiéramos proporcionar a partir de ellos la energía necesaria para nuestra sociedad. ¡Y cuanta para poner molinos de viento que proporcionasen la misma energía!.

Pero lo de los costes.....eso......no se evalúa, sobre todo si se proyectan en el tiempo y sobre tecnologías futuras. Las emociones y el mirar al presente inmediato sólo nos hacen ver catástrofes ecológicas y nucleares.

Germánico dijo...

Magnificamos los costes improbables o imponderables y dejamos de lado los seguros y perfectamente medibles.

Ijon Tichy dijo...

En cuanto a ocupación de espacio los molinos son de lo mejorcito.

Su problema es su falta de gestionabilidad. Un molino bien situado, funciona al año (en horas equivalentes, o sea, a su potencia nominal) menos del 25% de las horas. Y además, no sabes cuales van a ser esas horas. Pero tienes que dimensionar la red (líneas de transporte, subestaciones, etc.), por si acaso, se ponen a funcionar todos a la vez.

Por ello, cuando el porcentaje de potencia eólica instalada supera una cierta cantidad, resulta un problema para la estabilidad y la economía de la red.

En resumen, molinos, bien, pero sin abusar.

Carlos Paredes Leví dijo...

Muy instructivo, Ijon. De vez en cuando me viene bien empaparme un poquito de temática científica.
Un saludo.

Ijon Tichy dijo...

Gracias Carlos.

A mí me parece correcto que la gente opine sobre cual debe ser el modelo energético que quiere.

Pero con un mínimo de información.

Gabriel Tobar dijo...

Un apunte: para 3.000 años con el consumo actual, con 400 centrales que suponen el 6% de la producción energética mundial actual.

Si quisiéramos que la energía nuclear sustituyera a los fósiles (84%) deberíamos multiplicar la producción nuclear x14, y reducir 14 veces la cifra de 3.000 años, por lo que se quedaría en 214 años.
Si quisiéramos que el 80% de la población mundial que vive por debajo de la media de consumo energético, pasara a disponer de los beneficios energéticos de que disponemos el otro 20%, tendríamos que quintuplicar otra vez el número de centrales, y las reservas en años se acortarían 5 veces, quedando en 43 años.

Si quisiéramos seguir creciendo anualmente más de un 4% en consumo energético mundial, como hacemos actualmente, deberíamos doblar la producción cada 17 años. Dentro de 25 años ya no habría ni resíduos.

¿Que me he pasado tres pueblos? Vale, multipliquemos por tres, 75 años. Pero 3.000... Sí, con el consumo actual.

¿Cuál sería el volumen de "otros pequeños resíduos" llegados a un punto en el que, en lugar de 440, tuviéramos 30.000 centrales nucleares (440x14x5) y doblando la cantidad cada 17 años? ¿En qué idioma ponemos "jodido peligro nuclear" en las latas de esos resíduos inútiles, por si dentro de 10.000 años aún no se nos ha ocurrido qué hacer con ellos, si tenemos en cuenta que las palabras más antiguas sobre la Tierra probablemente no lleven aquí más de 2 o 3 mil años?

Pero eso no ocurrirá, porque nunca seremos capaces de construir semejante cantidad de centrales nucleares. Y si lo hiciéramos, volveríamos a necesitar de una provincia mediana esta vez para ocuparla con las mismas.

No va a ser la energía nuclear lo que nos permita "lidiar con la fatalidad", permitidme parafrasear el título de vuestro blog, como no lo será encontrar una fuente aún más masiva. Lo único que nos permitirá alcanzar el sosiego energético es analizar cuáles son los límites disponibles en cada momento y atenernos a ellos.

Creo en el desarrollo de la ciencia, la tecnología, el saber, nos caracterizan como humanos, pero no podemos esperar a que se cumpla cada sueño que se nos meta entre ceja y ceja.

Incluso imaginando que alcanzáramos a desarrollar masivamente la fusión -esta semana han vuelto a aparecer noticias en la prensa y veo que siempre prometen resultados comerciales a tres décadas vista- y que pudiéramos convertir en calor (usar) múltiplos de cienmil de la energía actual. ¿Nos achicharraríamos? ¿Cuánto calor podemos emitir (cuánta energía podemos usar, pensemos en la entropía) sin cambiar el equilibrio térmico de la atmósfera, esa capa tan delgada como el barniz que cubriera una bola de billar?

Saludos, gracias por el resumen y disculpad que os dé la vara.

bernita dijo...

Gérmanico, buen post, tambien he de decir que el amigo Gabriel ha puesto los puntos sobre las ies.. espero tu respuesta con fruición.

Yo tengo otra pregunta. Una vez tratado comercialmente el plutonio en caso de que efectivamente se apueste por esa tecnología. ¿Qué residuos deja la fisión del plutonio? ¿Quedan isotopos estables de baja radiación con relativo poco peligro? Si no fuera así, seguiriamos teniendo el problema de los residuos...no?.

Y por ultimo, ¿Cual sería el coste de amortización de una central nuclear por kW producido? Entiendo que para poder comparar hay que meter tambien ese coste. En el caso de la energía solar o eolica uno de los principales costes a tener en cuanta es precisamente este.

Un cordial saludo,

Germánico dijo...

Jajajaja Bernita, te has colao.....

Yo no he escrito este post, sino mi compañero de blog Ijon Tichy, que de estas cosas sabe mucho.

Voy a reenviarle tu comentario para que te de una respuesta a la altura del mismo.

Pido perdón por mi ignorancia.....

Ijon Tichy dijo...

Vayamos por partes.

En primer lugar, Gabriel, de dar la vara, nada. Es más, agradezco su comentario e incluso reconozco que debería darle la razón........si en algún momento hubiera propuesto la energía nuclear de fisión como panacea capaz de sustituir los combustibles fósiles, de absorber un incremento en consumo energético exponencial en los países industrializados e incluso en los que no lo son. Pero es que si nos ponemos en todos esos supuestos, le tengo que decir aquello de: "tú lo que quieres es que me coma el tigre".

Que las capacidades de la energía nuclear de fisión sean limitadas, no quita para que sea, en mi opinión, una barbaridad no aprovechar sus posibilidades en el escenario que se avecina de escasez (y por ello encarecimiento) de los combustibles fósiles.

No creo que los hindúes imaginen que va a ser un chollo su plan nuclear, pero seguramente piensen que, en épocas próximas de encarecimiento energético, esa ayuda va a favorecer (y mucho) su competitividad y con ello su desarrollo.

En lo que no le doy la razón es en cuanto a los residuos. El Almacen Temporal Centralizado que se baraja para las centrales existentes en España es del tamaño de una nave industrial grandecita.

Dichas centrales suponen una potencia instalada de unos 7.500 MW. El máximo razonable de potencia nuclear a instalar actualmente sería de unos 23.000 MW (potencia demandada en las horas nocturnas de menor demanda, pues una nuclear no regula carga), es decir, el triple de la actual.

Ergo, tres naves, no una provincia. Eso sí, no sería un lugar adecuado para dejar descuidado. Los residuos de la fisión del plutonio (aprovecho para responder a Bernita) son similares en cuanto a duración y actividad a los del U235. Pero tres naves, parece un mal menor soportable. (Bueno vale, si duplicamos el consumo, serían 6).

Otra cuestión, Gabriel en la que no le doy la razón es cuando afirma: " Lo único que nos permitirá alcanzar el sosiego energético es analizar cuáles son los límites disponibles en cada momento y atenernos a ellos." pero no por el fondo, sino por el método para alcanzarlo. Tal método no son el análisis y las imposiciones, sino el mercado.

En cuanto al calor generado en la anhelada fusión, no parece un problema importante. Sería tan solo una fracción del calor recibido por radiación a nivel planetario. En fin, ojalá sea ése el problema.

Bernita, el coste que pides es secreto de Estado, jeje. Para no hacer trampas con los años de vida, creo que es más ilustrativo (y responde a tu cuestión igualmente) hablar de coste por kW (potencia) instalada. Para una nuclear se barajan costes entre 2.300 y 2.500 euros el kW. Por dar una idea, entre 3 y 4 veces el coste por kW de un ciclo combinado...y entre la tercera y cuarta parte de una solar fotovoltaica.

Con el agravante de que una nuclear o un ciclo combinado pueden funcionar más de 8.000 horas/año a dicha potencia nominal y una fotovoltaica, no mucho más de 2.000.

De ahí es fácil comprender porqué, si no mediaran jugosas primas (que acaban en el déficit de tarifa, o sea, impuestos), para abastecernos de electricidad solar fotovoltaica deberíamos ir pensando en añadir un cero al recibo.