Energía nuclear: ventajas y peligros

Nelson Giovanny Rincón Silva

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66 Hipótesis, Apuntes científicos uniandinos, núm. 16, 2014

Nelson Giovanny Rincón SilvaQuímico. Estudiante de maestría en Química en la Universidad de los Andesng.rincon10@uniandes.edu.co

Actualmente, uno de los mayores desafíos que afronta la humani-dad es encontrar nuevas fuentes de energía, debido al escaso rendimiento de las energías provenientes de combustibles fósiles, los problemas ambientales que estas causan y su elevado con-sumo, que amenaza con agotarlas. Por ello, es necesario buscar nuevas fuentes de energía para satisfacer la demanda energética que deriva del desarrollo de la humanidad [1].

Con tal objeto se han desarrollado nuevas fuentes de energía, denominadas alternativas, que se dividen en dos grupos: las renovables (eólica, solar, biomasa, etc.) y la energía nuclear. Las primeras han resulta-do ser muy favorables, pero si su explotación es excesiva, su renovación revelará ciertos límites, ya que algunos de los recursos a partir de los cuales se generan se encuentran de forma limitada en la naturale-za. De la segunda se tienen opiniones diferentes. Por un lado, se considera una energía peligrosa, que ha afectado la seguridad en diferentes lugares y ha producido enfermedades a quienes han tenido algún contacto con ella; y por otro, se ve como la energía más eficiente y menos contaminante. No obstante, pesa mucho un aspecto negativo: su uso bélico, como quedó demostrado cuando este tipo de energía se utilizó en la Segunda Guerra Mundial en el ataque estadounidense contra Japón en Hiroshima y Nagasaki, en agosto de 1945 (figura 1) [2].

¿QUÉ ES Y DE DÓNDE PROVIENE LA ENERGÍA NUCLEAR?

La mayor parte de la energía utilizada por los seres humanos corresponde al calor generado por la quema de combustibles a base de carbono, pero también se puede producir calor de forma indirecta a partir de cientos de procesos que involucran núcleos de átomos, y que corresponde a la denominada energía nuclear.

Energía nuclear: ventajas y peligros

Figura 1. a) Bomba nuclear que cayó sobre Nagasaki. b) Representación de la explosión de una bomba atómica. Fuente: [2]

a.) b.)

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Existen dos procesos para obtener energía nuclear: la fisión y la fusión. En la fisión colisionan neutrones con núcleos pesados —que cuentan con muchos neutrones y protones—, lo que da lu-gar a la división del núcleo en dos fragmentos de similar tamaño, con liberación de energía. Por otra parte, la combinación de núcleos muy ligeros para formar un núcleo combinado se de-nomina fusión, y el resultado es también la liberación de gran cantidad de energía. Ahora bien, ¿por qué estas reacciones son tan energéticas? La respuesta es muy sencilla: la enorme can-tidad de energía se da porque las fuerzas nucleares son mucho mayores que los enlaces químicos, de manera que la energía liberada en reacciones nucleares es inmensa en comparación con la energía de las reacciones de combustión [3].

FISIÓN NUCLEAR

En términos de economía, la fisión más conveniente es la indu-cida por la colisión de un núcleo de uranio (235U), un elemento altamente radiactivo, con un neutrón. Los productos de la des-composición de estas partículas son un núcleo de bario, otro de kriptón y tres neutrones, como se muestra en la figura 2.

No todos los núcleos de uranio que absorben un neutrón forman exactamente los mismos productos: el proceso siempre produce dos núcleos de un tamaño similar y varios neutrones. Los dos nue-vos núcleos se mueven a gran velocidad, igual que los neutrones, siendo la energía térmica o calorífica procedente de este exceso

de energía cinética la que se utiliza para producir energía eléctrica. De hecho, la generación de electricidad tanto por energía nuclear como por la quema de fósiles proviene del vapor producido por el intenso calor, que es el que acciona grandes turbinas que generan electricidad, como se observa de forma general en la figura 3.

El único isótopo natural de uranio que puede experimentar fisión es el 235U (figura 2), que representa solo el 0,7% de este elemen-to en la naturaleza; el resto es 238U (99,3%). En los reactores, el uranio está contenido en una serie de barras de combustible que se extraen del reactor cuando son “consumidas”, es decir, cuando su contenido de combustible es bajo [3].

El bario producido se desintegra aproximadamente en 11 minu-tos, produciendo un isótopo de lantano, que también se desin-tegra, emitiendo rayos beta (β). Aunque muchos de los productos de fisión se desintegran rápidamente por emisión β, otros tienen una vida media de años. Después de una década, la radiactiv-idad de las barras de combustible consumido puede producir estroncio–90 y cesio–137 radiactivos, cuya vida media es de 28 y 30 años, respectivamente, y su dispersión en el ambiente gen-era un grave problema, ya que ambos se incorporan con gran velocidad en el cuerpo humano, proceso que se da fácilmente porque estos elementos reemplazan otros de moléculas compo-nentes de algunas partes del organismo de animales. Por esta razón, las barras de combustibles gastadas deben controlarse adecuadamente en las centrales nucleares [3].

Figura 2. Representación de la de fisión nuclear del isótopo 235U. Fuente: [5]

236U

141Ba

92Kr

235U

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FUSIÓN NUCLEAR

La fusión de dos núcleos muy ligeros para producir uno solo también libera energía en cantidades significativas. De hecho, las reacciones de fusión son la fuente de energía de las estrellas, incluido el sol, y de las bombas de hidrógeno. Estas reacciones necesitan mucha energía de activación, a causa de las elevadas fuerzas de repulsión existentes entre las cargas positivas de los núcleos cuando se aproximan mucho, así que es difícil iniciar y controlar las reacciones de fusión. Las reacciones que tienen el mayor potencial como productoras de energía comercial útil involucran los núcleos de los isótopos más pesados de hidróge-no, es decir, el deuterio 2H y el tritio 3H. La energía que se libera cuando ocurre una reacción de fusión nuclear es de alrededor de 4108 KJ mol–1, lo que equivale a un millón de veces la energía producida en una típica reacción de combustión.

En la figura 4 se muestra un ejemplo de una reacción de fusión [5].

Las consecuencias ambientales de la generación de electricidad a partir de fusión son menos graves que las generadas por la fi-sión. El único reactivo que puede ser liberado es el tritio, isótopo radiactivo que emite partículas β que no son lo suficientemente energéticas como para penetrar la capa más externa de la piel humana. Esto no significa que el tritio no sea peligroso, ya que los organismos lo asimilan tan rápido como asimilan el hidró-geno normal (1H o 2H). De hecho, en la actualidad el tritio en el agua potable constituye un 3% de la exposición del ser humano a la radiactividad [7].

Figura 4. Representación de la generación de energía a partir de una reacción de fusión nuclear. Fuente: [6]. Editado por el autor

Figura 3. a) Funcionamiento de una central nuclear que se basa en la obtención de energía calorífica mediante la fisión nuclear del núcleo de los átomos del combustible. La energía calorífica que se tiene en forma de vapor de agua se convierte en energía mecánica en una turbina, y finalmente la energía mecánica se convierte en energía eléctrica mediante un generador. b) Planta nuclear. Frecuentemente se sitúan cerca de una fuente hídrica para utilizar el líquido en la obtención de la energía. Fuente: [4]

Vapor

Vapor

Reactor

Bomba

Bomba

Condensador

Refrigerador

Agua caliente

Río, lago o mar

Agua fría

Barras de control

Turbina

Generador eléctrico

Edificio de contención

Deuterio

Deuterio

21H 3

1H

41He

n

Tritio

Partícula alfa

Tritio

Helio

Neutrón

Neutrón

Energía

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POSIBLES PROBLEMAS AMBIENTALES Y RIESGOS POR EL USO DE LA ENERGÍA NUCLEAR

Debido a inconvenientes como los señalados, la percepción que se tiene de la energía nuclear ha cambiado a una visión negativa en poco tiempo. Esto se ha debido a múltiples accidentes, como los ocurridos en la central nuclear de Three Miles Island, en Har-risburg, Pennsylvania, en 1979, y en la de Chernóbil, Ucrania, en 1986, que causaron el cierre de varias centrales nucleares en Canadá y Estados Unidos. En contraste, varios científicos a lo largo del mundo siguen proponiendo que la energía nuclear será la energía del futuro, ya que el petróleo y el gas se agotarán, y además, el control sobre las emisiones de CO

2 será más estricto.

En la tabla 1 se resumen las principales ventajas y desventajas del uso de energía nuclear.

Tabla 1. Ventajas y desventajas de la energía nuclear [7]

Ventajas Desventajas

Muy poca contaminación de agua y aire Se producen diferentes residuos que requieren un manejo especial

Eficiencia en el uso de los recursos Posibles accidentes que originan graves problemas de salud (cáncer de tiroides)

Relativamente bajos costos para operar Puede usarse con fines bélicos (armamento nuclear)

El uso de energía nuclear no es algo nuevo, ya que desde hace varias décadas ha sido usada para generar energía con fines comerciales. De hecho, el primer país en utilizar este tipo de energía fue Inglaterra en 1956. En la actualidad es ampliamente utilizada por varios países, que han sido criticados por orga-nizaciones defensoras del medio ambiente y de los derechos humanos. Entre los países que utilizan energía nuclear están Francia, Estados Unidos, Inglaterra, Israel, Rusia y Canadá. Otros países que empiezan a mostrar gran interés por este tipo de energía son Pakistán e India, y de algunos se ha sospecha-do que tienen intereses bélicos en este tipo de energía, como Corea del Norte e Irán (figura 5)  [8]. De hecho, el argumento que inició la guerra de Irak, en 2003, fue la posible presencia de armas de destrucción masivas (WMD, del inglés weapons of mass destruction), que pueden ser armas nucleares, biológicas o químicas. Al finalizar la guerra, después de varios años, no se encontraron dichas armas; en contraste, el país quedó total-mente destruido, lo que ha llevado al mundo a reflexionar sobre la conveniencia de desarrollar este tipo de armas [8,11].

El país que más se ha visto afectado por problemas en el control de su energía nuclear ha sido Japón, ya que su geografía lo hace un lugar especialmente vulnerable. Este país cuenta con

Figura 5. Misiles norcoreanos capaces de portar armas nucleares. La foto fue tomada en un desfile militar. Fuente: [8]

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51 plantas nucleares, muchas de las cuales se cerraron tras el terremoto y tsunami ocurridos en marzo de 2011. Además de las calamitosas consecuencias que dejó aquel sismo en el país, como las 15.845 muertes y los 5.893 heridos, el tsunami afectó gravemente el funcionamiento de las plantas nucleares de Fukushima I y II, Onagawa y Tokai. La más afectada fue la de Fukushima, donde el Gobierno declaró el estado de emergencia nuclear, debido a explosiones en los edificios que albergan los reactores nucleares, fallos en los sistemas de refrigeración que produjeron “triple fusión del núcleo del reactor” de la central de-bido al sobrecalentamiento producido por la deficiente refrigera-ción, y que produjo la liberación de radiación al exterior. Aunque el Gobierno japonés controló el accidente y no se produjeron grandes consecuencias, tanto organizaciones internacionales como los mismos japoneses criticaron el uso de la energía nu-clear (figura 6) [8, 9, 12].

Lo último que se sabe de los incidentes ocurridos en Japón es que en el presente año se han desarrollado multitudinarias marchas contra el uso de la energía nuclear, ya que se han reg-istrado fugas de agua con alto contenido radiactivo, y además se reconoció un mal manejo de los desechos en Fukushima. A partir de los incidentes del 2011, el Gobierno emprendió una op-eración para cerrar todos sus centros energéticos nucleares; en

septiembre de 2013 se cerró el último, ubicado en Ohi. A partir de entonces la intención es buscar nuevas fuentes energéticas menos peligrosas [10, 12].

Se han mostrado las dos caras de la energía nuclear. Por un lado podría ser considerada la energía del futuro, por su gran rendi-miento, su excepcional capacidad energética, que podría llegar a cualquier rincón del mundo, y sin demasiadas incidencias en el medio ambiente. Por otro lado, la energía nuclear se ha visto como una energía sumamente peligrosa, que puede utilizarse como arma de guerra y es capaz de generar pánico en la población, no solo porque en los accidentes que han ocurrido se han producido explosiones, sino también porque en las poblaciones cercanas a las centrales nucleares se han reportado casos de enfermedades como el cáncer, por el contacto con la radiación liberada.

Lo cierto es que las fuentes actuales de energía proveniente de combustión de hidrocarburos y carbón cada vez son más costosas, muy contaminantes y su fin es inminente. De ahí la necesidad de controlar completamente las energías alternativas e implementar programas sociales, políticos y científicos claros sobre su funcionamiento y uso. De hecho, esta energía no repre-senta ningún problema por sí sola; los problemas surgen cuando es manipulada de forma errónea. •

Figura 6. Habitantes de Japón marchan contra las centrales nucleares, pidiendo que se controlen adecuadamente los desechos y que se cierren las centrales que quedaron abiertas después del incidente de marzo de 2011. Fuente: http://www.gettyimages.es/editorial/manifestaci%C3%B3n-antinuclear-pictures

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REFERENCIAS[1] Colin B, ed. Reverte, Química ambiental. University of Western

Ontario: 2001.

[2] Las bombas atómicas de Hiroshima y Nagasaki. http://elta-

miz.com/2007/07/06/las-bombas-atomicas-de-hiroshima-y-

nagasaki/.

[3] Adams TH. Nuclear energy, power from the atom. New York:

Crabtree Publishing Company; 2010.

[4] Funcionamiento de una central nuclear. http://energia-nuclear.

net/como_funciona_la_energia_nuclear.html.

[5] Bodansky D. Nuclear energy: principles, practices and pros-

pects. New York: Springer; 2004.

[6] Cold Fusion, Warm Heart http://goodcleannovels.com/Novels/

ColdFusionChapters.html.

[7] Raymond L. Nuclear energy: an introduction to the concepts,

system and applications of nuclear processes. Oxford: Else-

vier; 2009.

[8] Corea del Norte desarrolló su bomba por culpa de las “ma-

quinaciones de EE. UU.”; http://actualidad.rt.com/actualidad/

view/89305-corea-norte-bomba-nuclear-maquinaciones-

eeuu.

[9] El Mundo. La central nuclear más “peligrosa” de EE. UU., a

50 kilómetros de Nueva York; http://www.elmundo.es/ameri-

ca/2011/03/20/estados_unidos/1300633311.html.

[10] Quiggin J. Reviving nuclear power debates is a distraction: we

need to use less energy; http://www.theguardian.com/com-

mentisfree/2013/nov/08/reviving-nuclear-power-debates-is-

a-distraction-we-need-to-use-less-energy.

[11] Seven years in Iraq: an Iraq war timeline; http://content.time.

com/time/specials/packages/0,28757,1967340,00.html.

[12] La Tercera. Japón detiene su único reactor nuclear activo y co-

mienza período sin energía atómica; http://www.latercera.com/

noticia/mundo/2013/09/678-542808-9-japon-detiene-su-uni-

co-reactor-nuclear-activo-y-comienza-periodo-sin-energia.shtml.