La energía nuclear
La energía nuclear es el uso de reacciones nucleares para producir electricidad. La energía nuclear se puede obtener a partir de la fisión nuclear, la descomposición nuclear y las reacciones de fusión nuclear. En la actualidad, la gran mayoría de la electricidad procedente de la energía nuclear se produce mediante la fisión nuclear de uranio y plutonio en plantas de energía nuclear. Los procesos de desintegración nuclear se utilizan en aplicaciones de nicho, como los generadores termoeléctricos de radioisótopos en algunas sondas espaciales como la Voyager 2. La generación de electricidad a partir de la energía de fusión sigue siendo el foco de la investigación internacional.
La mayoría de las centrales nucleares utilizan reactores térmicos con uranio enriquecido en un ciclo de combustible de paso único. El combustible se elimina cuando el porcentaje de átomos que absorben neutrones se vuelve tan grande que ya no se puede sostener una reacción en cadena, generalmente tres años. Luego se enfría durante varios años en piscinas de combustible gastado en el sitio antes de ser transferido al almacenamiento a largo plazo. El combustible gastado, aunque de bajo volumen, es un desecho radiactivo de alto nivel. Si bien su radiactividad disminuye exponencialmente, debe aislarse de la biosfera durante cientos de miles de años, aunque las tecnologías más nuevas (como los reactores rápidos) tienen el potencial de reducir esto de manera significativa. Dado que el combustible gastado sigue siendo en su mayor parte material fisionable, algunos países (p. ej., Francia y Rusia) reprocesan su combustible gastado extrayendo elementos fisionables y fértiles para la fabricación en nuevo combustible, aunque este proceso es más caro que producir nuevo combustible a partir de uranio extraído. Todos los reactores generan algo de plutonio-239, que se encuentra en el combustible gastado, y dado que el Pu-239 es el material preferido para las armas nucleares, el reprocesamiento se considera un riesgo de proliferación de armas.
La primera planta de energía nuclear se construyó en la década de 1950. La capacidad nuclear mundial instalada creció a 100 GW a fines de la década de 1970 y luego se expandió rápidamente durante la década de 1980, alcanzando los 300 GW por 1990. El accidente de Three Mile Island en 1979 en los Estados Unidos y el desastre de Chernobyl en 1986 en la Unión Soviética resultaron en una mayor regulación y oposición pública a las plantas nucleares. Estos factores, junto con el alto costo de construcción, dieron como resultado que la capacidad instalada global solo aumentara a 390 GW para 2022. Estas plantas suministraron 2586 teravatios hora (TWh) de electricidad en 2019, equivalente a aproximadamente el 10% de la generación de electricidad mundial, y fueron la segunda fuente de energía baja en carbono más grande después de la hidroelectricidad. A septiembre de 2022, hay 437 reactores de fisión civiles en el mundo, con una capacidad total de 393 GW, 57 en construcción y 102 planificados, con una capacidad combinada de 62 GW y 96 GW, respectivamente. Estados Unidos tiene la mayor flota de reactores nucleares y genera más de 800 TWh de electricidad sin emisiones al año con un factor de capacidad medio del 92 %. El factor de capacidad global promedio es del 89%. La mayoría de los reactores nuevos en construcción son reactores de generación III en Asia.
La generación de energía nuclear provoca uno de los niveles más bajos de muertes por unidad de energía generada en comparación con otras fuentes de energía. El carbón, el petróleo, el gas natural y la hidroelectricidad han causado cada uno más muertes por unidad de energía debido a la contaminación del aire y los accidentes. Las centrales nucleares no emiten gases de efecto invernadero. Uno de los peligros de la energía nuclear es el potencial de accidentes como el desastre nuclear de Fukushima en Japón en 2011.
Hay un debate sobre la energía nuclear. Los defensores sostienen que la energía nuclear es una fuente de energía segura y sostenible que reduce las emisiones de carbono. El movimiento antinuclear sostiene que la energía nuclear presenta muchas amenazas para las personas y el medio ambiente y es demasiado costosa y lenta de implementar en comparación con las fuentes alternativas de energía sostenible.
Historia
Orígenes
El descubrimiento de la fisión nuclear ocurrió en 1938 luego de más de cuatro décadas de trabajo en la ciencia de la radiactividad y la elaboración de nueva física nuclear que describía los componentes de los átomos. Poco después del descubrimiento del proceso de fisión, se descubrió que un núcleo en fisión puede inducir más fisiones de núcleo, induciendo así una reacción en cadena autosostenida. Una vez que esto se confirmó experimentalmente en 1939, los científicos de muchos países solicitaron a sus gobiernos apoyo para la investigación de la fisión nuclear, justo en la cúspide de la Segunda Guerra Mundial, para el desarrollo de un arma nuclear.
En los Estados Unidos, estos esfuerzos de investigación llevaron a la creación del primer reactor nuclear hecho por el hombre, el Chicago Pile-1, que alcanzó la criticidad el 2 de diciembre de 1942. El desarrollo del reactor fue parte de la Proyecto Manhattan, el esfuerzo aliado para crear bombas atómicas durante la Segunda Guerra Mundial. Condujo a la construcción de reactores de producción de un solo propósito más grandes para la producción de plutonio apto para armas para su uso en las primeras armas nucleares. Estados Unidos probó la primera arma nuclear en julio de 1945, la prueba Trinity, y un mes después tuvieron lugar los bombardeos atómicos de Hiroshima y Nagasaki.
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A pesar de la naturaleza militar de los primeros dispositivos nucleares, las décadas de 1940 y 1950 se caracterizaron por un fuerte optimismo sobre el potencial de la energía nuclear para proporcionar energía barata e inagotable. La electricidad fue generada por primera vez por un reactor nuclear el 20 de diciembre de 1951, en la estación experimental EBR-I cerca de Arco, Idaho, que inicialmente produjo alrededor de 100 kW. En 1953, el presidente estadounidense Dwight Eisenhower dio su "Átomos para la paz" discurso en las Naciones Unidas, enfatizando la necesidad de desarrollar actividades "pacíficas" usos de la energía nuclear rápidamente. A esto le siguió la Ley de Energía Atómica de 1954, que permitió una rápida desclasificación de la tecnología de reactores de EE. UU. y alentó el desarrollo por parte del sector privado.
Primera generación de energía
La primera organización en desarrollar energía nuclear práctica fue la Marina de los EE. UU., con el reactor S1W para propulsar submarinos y portaaviones. El primer submarino de propulsión nuclear, el USS Nautilus, se hizo a la mar en enero de 1954. El reactor S1W era un reactor de agua a presión. Se eligió este diseño porque era más simple, más compacto y más fácil de operar en comparación con diseños alternativos, por lo tanto, más adecuado para su uso en submarinos. Esta decisión haría que el PWR fuera el reactor elegido también para la generación de energía, lo que tendría un impacto duradero en el mercado eléctrico civil en los años venideros.
El 27 de junio de 1954, la planta de energía nuclear de Obninsk en la URSS se convirtió en la primera planta de energía nuclear del mundo en generar electricidad para una red eléctrica, produciendo alrededor de 5 megavatios de energía eléctrica. La primera central nuclear comercial del mundo, Calder Hall en Windscale, Inglaterra, se conectó a la red eléctrica nacional el 27 de agosto de 1956. Al igual que otros reactores de generación I, la central tenía el doble propósito de producir electricidad. y plutonio-239, este último para el naciente programa de armas nucleares en Gran Bretaña.
Expansión y primera oposición
La capacidad nuclear global instalada total inicialmente aumentó con relativa rapidez, pasando de menos de 1 gigavatio (GW) en 1960 a 100 GW a fines de la década de 1970. Durante las décadas de 1970 y 1980, los crecientes costos económicos (relacionados con tiempos de construcción prolongados en gran parte debido a cambios regulatorios y litigios de grupos de presión) y la caída de los precios de los combustibles fósiles hicieron que las plantas de energía nuclear en construcción fueran menos atractivas. En la década de 1980 en los EE. UU. y la década de 1990 en Europa, el crecimiento de la red eléctrica plana y la liberalización de la electricidad también hicieron que la adición de nuevos generadores de energía de carga base fuera económicamente atractiva.
La crisis del petróleo de 1973 tuvo un efecto significativo en países como Francia y Japón, que habían dependido más del petróleo para la generación de electricidad para invertir en energía nuclear. Francia construiría 25 plantas de energía nuclear durante los próximos 15 años y, a partir de 2019, el 71% de la electricidad francesa fue generada por energía nuclear, el porcentaje más alto de cualquier nación del mundo.
Alguna oposición local a la energía nuclear surgió en los Estados Unidos a principios de la década de 1960. A fines de la década de 1960, algunos miembros de la comunidad científica comenzaron a expresar sus preocupaciones. Estas preocupaciones antinucleares están relacionadas con los accidentes nucleares, la proliferación nuclear, el terrorismo nuclear y la eliminación de desechos radiactivos. A principios de la década de 1970, hubo grandes protestas por la propuesta de una planta de energía nuclear en Wyhl, Alemania. El proyecto fue cancelado en 1975. El éxito antinuclear en Wyhl inspiró la oposición a la energía nuclear en otras partes de Europa y América del Norte.
A mediados de la década de 1970, el activismo antinuclear adquirió mayor atractivo e influencia, y la energía nuclear comenzó a convertirse en un tema de gran protesta pública. En algunos países, el conflicto por la energía nuclear "alcanzó una intensidad sin precedentes en la historia de las controversias tecnológicas". La creciente hostilidad pública hacia la energía nuclear condujo a un proceso de obtención de licencias más prolongado, a regulaciones y mayores requisitos para el equipo de seguridad, lo que hizo que las nuevas construcciones fueran mucho más costosas. En los Estados Unidos, más de 120 propuestas de reactores LWR finalmente se cancelaron y la construcción de nuevos reactores se detuvo. El accidente de 1979 en Three Mile Island sin víctimas mortales jugó un papel importante en la reducción del número de construcciones de nuevas plantas en muchos países.
Chernóbil y el renacimiento
Durante la década de 1980, se puso en marcha un nuevo reactor nuclear cada 17 días de media. A finales de la década, la capacidad nuclear mundial instalada alcanzó los 300 GW. Desde finales de la década de 1980, las adiciones de nueva capacidad se ralentizaron significativamente, y la capacidad nuclear instalada alcanzó los 366 GW en 2005.
El desastre de Chernobyl de 1986 en la URSS, que involucró un reactor RBMK, alteró el desarrollo de la energía nuclear y condujo a un mayor enfoque en el cumplimiento de las normas internacionales de seguridad y regulación. Se considera el peor desastre nuclear de la historia tanto en víctimas totales, con 56 muertos directos, como económicamente, con la limpieza y el coste estimado en 18 mil millones Rbls (68 USD mil millones en 2019, ajustado por inflación). La organización internacional para promover la concienciación sobre la seguridad y el desarrollo profesional de los operadores de instalaciones nucleares, la Asociación Mundial de Operadores Nucleares (WANO), se creó como resultado directo del accidente de Chernóbil de 1986. El desastre de Chernóbil desempeñó un papel importante en la reducción del número de construcciones de nuevas plantas en los años siguientes. Influenciada por estos eventos, Italia votó en contra de la energía nuclear en un referéndum de 1987, convirtiéndose en el primer país en eliminar completamente la energía nuclear en 1990.
A principios de la década de 2000, la energía nuclear esperaba un renacimiento nuclear, un aumento en la construcción de nuevos reactores, debido a las preocupaciones sobre las emisiones de dióxido de carbono. Durante este período, se iniciaron la construcción de reactores de generación III más nuevos, como el EPR.
Generación eléctrica neta por fuente y crecimiento a partir de 1980. En términos de energía generada entre 1980 y 2010, la contribución de la fisión creció más rápido.
Producción de electricidad en Francia, mostrando el cambio a la energía nuclear.thermofossilhidroeléctricanuclearesOtras fuentes renovables
La tasa de nuevas construcciones de reactores se detuvo esencialmente a finales del decenio de 1980. El aumento del factor de capacidad en los reactores existentes fue el principal responsable del aumento continuo de la energía eléctrica producida durante este período.
Tendencias de generación de electricidad en los principales países productores (Nuestro Mundo en Datos)
Fukushima
Las perspectivas de un renacimiento nuclear se retrasaron por otro accidente nuclear. El accidente nuclear de Fukushima Daiichi de 2011 fue causado por un gran tsunami provocado por el terremoto de Tōhoku, uno de los terremotos más grandes jamás registrados. La planta de energía nuclear Fukushima Daiichi sufrió tres fusiones centrales debido a fallas en el sistema de enfriamiento de emergencia por falta de suministro eléctrico. Esto resultó en el accidente nuclear más grave desde el desastre de Chernobyl. El accidente provocó un nuevo examen de la seguridad nuclear y la política de energía nuclear en muchos países. Alemania aprobó planes para cerrar todos sus reactores para 2022 y muchos otros países revisaron sus programas de energía nuclear. Después del desastre, Japón cerró todos sus reactores de energía nuclear, algunos de ellos de forma permanente, y en 2015 inició un proceso gradual para reiniciar los 40 reactores restantes, luego de controles de seguridad y con base en criterios revisados para operaciones y aprobación pública.
En 2022, el gobierno japonés, bajo el liderazgo del primer ministro Fumio Kishida, ha declarado que se reabrirán 10 plantas de energía nuclear más desde el desastre de 2011. Kishida también está impulsando la investigación y construcción de nuevas plantas nucleares más seguras para proteger a los consumidores japoneses del mercado fluctuante de combustibles fósiles y reducir las emisiones de gases de efecto invernadero de Japón. El primer ministro Kishida tiene la intención de que Japón se convierta en un importante exportador de energía y tecnología nuclear a los países en desarrollo de todo el mundo.
Perspectivas actuales
Para 2015, las perspectivas del OIEA para la energía nuclear se habían vuelto más prometedoras, reconociendo la importancia de la generación con bajas emisiones de carbono para mitigar el cambio climático. A partir de 2015, la tendencia mundial fue que las nuevas centrales nucleares que se pusieron en funcionamiento se equilibraron con la cantidad de centrales antiguas que se retiraron. En 2016, la Administración de Información de Energía de EE. UU. proyectó para su "caso base" que la generación mundial de energía nuclear aumentaría de 2344 teravatios hora (TWh) en 2012 a 4500 TWh en 2040. Se esperaba que la mayor parte del aumento previsto se produjera en Asia. A partir de 2018, hay más de 150 reactores nucleares planificados, incluidos 50 en construcción. En enero de 2019, China tenía 45 reactores en funcionamiento, 13 en construcción y planea construir 43 más, lo que la convertiría en el mayor generador de electricidad nuclear del mundo. A partir de 2021, se informó que 17 reactores estaban en construcción. China construyó significativamente menos reactores de lo planeado originalmente, su participación en la electricidad de la energía nuclear fue del 5% en 2019 y los observadores advirtieron que, junto con los riesgos, la economía cambiante de la generación de energía puede hacer que las nuevas plantas de energía nuclear "no ya no tiene sentido en un mundo que se inclina hacia energías renovables más baratas y fiables".
En octubre de 2021, el gabinete japonés aprobó el nuevo Plan de Generación Eléctrica al 2030 elaborado por la Agencia de Recursos Naturales y Energía (ANRE) y un comité asesor, previa consulta pública. El objetivo nuclear para 2030 requiere el reinicio de otros diez reactores. El primer ministro Fumio Kishida anunció en julio de 2022 que el país debería considerar la construcción de reactores avanzados y extender las licencias de operación más allá de los 60 años.
A partir de 2022, con los precios mundiales del petróleo y el gas en aumento, mientras Alemania reinicia sus plantas de carbón para hacer frente a la pérdida de gas ruso que necesita para complementar su Energiwende, muchos otros países han anunciado planes ambiciosos para revitalizar la energía nuclear envejecida. generación de capacidad con nuevas inversiones. El presidente francés, Emmanuel Macron, anunció su intención de construir seis nuevos reactores en las próximas décadas, colocando la energía nuclear en el corazón del impulso de Francia hacia la neutralidad de carbono para 2050.
Centrales eléctricas
Las centrales nucleares son centrales térmicas que generan electricidad aprovechando la energía térmica liberada por la fisión nuclear. Una central nuclear de fisión se compone generalmente de: un reactor nuclear, en el que tienen lugar las reacciones nucleares que generan calor; un sistema de refrigeración, que elimina el calor del interior del reactor; una turbina de vapor, que transforma el calor en energía mecánica; un generador eléctrico, que transforma la energía mecánica en energía eléctrica.
Cuando un neutrón golpea el núcleo de un átomo de uranio-235 o plutonio, puede dividir el núcleo en dos núcleos más pequeños, lo que es una reacción de fisión nuclear. La reacción libera energía y neutrones. Los neutrones liberados pueden chocar con otros núcleos de uranio o plutonio, provocando nuevas reacciones de fisión, que liberan más energía y más neutrones. Esto se llama una reacción en cadena. En la mayoría de los reactores comerciales, la velocidad de reacción está contenida por barras de control que absorben el exceso de neutrones. La controlabilidad de los reactores nucleares depende del hecho de que se retrase una pequeña fracción de los neutrones resultantes de la fisión. El retraso de tiempo entre la fisión y la liberación de los neutrones ralentiza los cambios en las velocidades de reacción y da tiempo para mover las barras de control para ajustar la velocidad de reacción.
Ciclo de combustible
El ciclo de vida del combustible nuclear comienza con la extracción de uranio. Luego, el mineral de uranio se convierte en una forma compacta de concentrado de mineral, conocida como torta amarilla (U3O8), para facilitar el transporte. Los reactores de fisión generalmente necesitan uranio-235, un isótopo fisionable de uranio. La concentración de uranio-235 en el uranio natural es muy baja (alrededor del 0,7%). Algunos reactores pueden utilizar este uranio natural como combustible, dependiendo de su economía de neutrones. Estos reactores generalmente tienen moderadores de grafito o agua pesada. Para los reactores de agua ligera, el tipo de reactor más común, esta concentración es demasiado baja y debe aumentarse mediante un proceso llamado enriquecimiento de uranio. En los reactores civiles de agua ligera, el uranio suele enriquecerse hasta un 3,5-5 % de uranio-235. Luego, el uranio generalmente se convierte en óxido de uranio (UO2), una cerámica, que luego se sinteriza por compresión en pastillas de combustible, una pila de las cuales forma barras de combustible de la composición y geometría adecuadas para el reactor en particular..
Después de un tiempo en el reactor, el combustible tendrá material fisionable reducido y productos de fisión aumentados, hasta que su uso se vuelva impracticable. En este punto, el combustible gastado se trasladará a una piscina de combustible gastado que proporciona refrigeración para el calor térmico y protección contra la radiación ionizante. Después de varios meses o años, el combustible gastado está lo suficientemente frío desde el punto de vista radiactivo y térmico como para ser trasladado a cofres de almacenamiento en seco o reprocesado.
Recursos de uranio
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El uranio es un elemento bastante común en la corteza terrestre: es aproximadamente tan común como el estaño o el germanio, y es unas 40 veces más común que la plata. El uranio está presente en concentraciones traza en la mayoría de las rocas, la tierra y el agua del océano, pero generalmente se extrae económicamente solo donde está presente en altas concentraciones. La extracción de uranio puede ser subterránea, a cielo abierto o por lixiviación in situ. Un número cada vez mayor de las minas de mayor producción son operaciones subterráneas remotas, como la mina de uranio McArthur River, en Canadá, que por sí sola representa el 13% de la producción mundial. A partir de 2011, los recursos de uranio conocidos en el mundo, económicamente recuperables al precio tope arbitrario de US$130/kg, eran suficientes para durar entre 70 y 100 años. En 2007, la OCDE estimó 670 años de uranio económicamente recuperable en recursos convencionales totales y minerales de fosfato asumiendo la tasa de uso actual.
Los reactores de agua ligera hacen un uso relativamente ineficiente del combustible nuclear, principalmente usando solo el isótopo muy raro de uranio-235. El reprocesamiento nuclear puede hacer que estos desechos sean reutilizables, y los reactores más nuevos también logran un uso más eficiente de los recursos disponibles que los más antiguos. Con un ciclo de combustible de reactor rápido puro con un quemado de todo el uranio y los actínidos (que en la actualidad constituyen las sustancias más peligrosas de los desechos nucleares), hay un valor estimado de 160.000 años de uranio en recursos convencionales totales y mineral de fosfato al precio de 60 a 100 dólares EE.UU./kg. Sin embargo, el reprocesamiento es costoso, posiblemente peligroso y puede usarse para fabricar armas nucleares. Un análisis encontró que los precios del uranio podrían aumentar en dos órdenes de magnitud entre 2035 y 2100 y que podría haber escasez cerca del final del siglo. Un estudio de 2017 realizado por investigadores del MIT y el WHOI concluyó que "al ritmo de consumo actual, las reservas convencionales mundiales de uranio terrestre (aproximadamente 7,6 millones de toneladas) podrían agotarse en poco más de un siglo". El suministro limitado de uranio-235 puede inhibir una expansión sustancial con la tecnología nuclear actual. Si bien se están explorando diversas formas de reducir la dependencia de dichos recursos, se considera que las nuevas tecnologías nucleares no estarán disponibles a tiempo para mitigar el cambio climático o competir con alternativas de energías renovables, además de ser más costosas y requieren investigación y desarrollo costosos. Un estudio encontró que no está claro si los recursos identificados se desarrollarán lo suficientemente rápido como para proporcionar un suministro ininterrumpido de combustible a las instalaciones nucleares ampliadas y varias formas de minería pueden verse desafiadas por barreras ecológicas, costos y requisitos de tierra. Los investigadores también informan de una dependencia considerable de las importaciones de energía nuclear.
También existen recursos de uranio no convencionales. El uranio está naturalmente presente en el agua de mar en una concentración de alrededor de 3 microgramos por litro, y se considera que 4.400 millones de toneladas de uranio están presentes en el agua de mar en cualquier momento. En 2014 se sugirió que sería económicamente competitivo producir combustible nuclear a partir de agua de mar si el proceso se implementaba a gran escala. Al igual que los combustibles fósiles, en escalas de tiempo geológicas, el uranio extraído a escala industrial del agua de mar se repondría tanto por la erosión fluvial de las rocas como por el proceso natural de uranio disuelto de la superficie del fondo del océano, los cuales mantienen los equilibrios de solubilidad del agua de mar. concentración a un nivel estable. Algunos comentaristas han argumentado que esto fortalece el caso para que la energía nuclear sea considerada una energía renovable.
Residuos
El funcionamiento normal de las centrales e instalaciones nucleares produce residuos radiactivos o residuos nucleares. Este tipo de residuos también se produce durante el desmantelamiento de las plantas. Hay dos grandes categorías de desechos nucleares: desechos de actividad baja y desechos de actividad alta. El primero tiene baja radiactividad e incluye artículos contaminados como ropa, que representa una amenaza limitada. Los desechos de actividad alta son principalmente el combustible gastado de los reactores nucleares, que es muy radiactivo y debe enfriarse y luego desecharse o reprocesarse de manera segura.
Residuos de actividad alta
El flujo de desechos más importante de los reactores de energía nuclear es el combustible nuclear gastado, que se considera un desecho de actividad alta. En el caso de los LWR, el combustible gastado suele estar compuesto por un 95 % de uranio, un 4 % de productos de fisión y aproximadamente un 1 % de actínidos transuránicos (principalmente plutonio, neptunio y americio). Los productos de fisión son responsables de la mayor parte de la radiactividad a corto plazo, mientras que el plutonio y otros transuránicos son responsables de la mayor parte de la radiactividad a largo plazo.
Los residuos de actividad alta (HLW) deben almacenarse aislados de la biosfera con protección suficiente para limitar la exposición a la radiación. Una vez retirados de los reactores, los haces de combustible usado se almacenan durante seis a diez años en piscinas de combustible gastado, que proporcionan refrigeración y protección contra la radiación. Después de eso, el combustible se enfría lo suficiente como para que pueda transferirse de manera segura al almacenamiento en barricas secas. La radiactividad decrece exponencialmente con el tiempo, de manera que habrá disminuido en un 99,5% al cabo de 100 años. Los productos de fisión de vida corta (SLFP) más intensamente radiactivos se descomponen en elementos estables en aproximadamente 300 años y, después de unos 100 000 años, el combustible gastado se vuelve menos radiactivo que el mineral de uranio natural.
Los métodos comúnmente sugeridos para aislar los desechos de LLFP de la biosfera incluyen la separación y la transmutación, los tratamientos synroc o el almacenamiento geológico profundo.
Los reactores de neutrones térmicos, que actualmente constituyen la mayor parte de la flota mundial, no pueden quemar el plutonio apto para reactores que se genera durante la operación del reactor. Esto limita la vida del combustible nuclear a unos pocos años. En algunos países, como Estados Unidos, el combustible gastado se clasifica en su totalidad como residuo nuclear. En otros países, como Francia, se reprocesa en gran medida para producir un combustible parcialmente reciclado, conocido como combustible de óxido mixto o MOX. Para el combustible gastado que no se somete a reprocesamiento, los isótopos más preocupantes son los elementos transuránicos de vida media, encabezados por el plutonio apto para reactores (vida media de 24 000 años). Algunos diseños de reactores propuestos, como el reactor rápido integral y los reactores de sales fundidas, pueden utilizar como combustible el plutonio y otros actínidos del combustible gastado de los reactores de agua ligera, gracias a su espectro de fisión rápida. Esto ofrece una alternativa potencialmente más atractiva que la eliminación geológica profunda.
El ciclo del combustible del torio da como resultado productos de fisión similares, aunque crea una proporción mucho menor de elementos transuránicos a partir de eventos de captura de neutrones dentro de un reactor. El combustible de torio gastado, aunque más difícil de manejar que el combustible de uranio gastado, puede presentar riesgos de proliferación algo menores.
Residuos de actividad baja
La industria nuclear también produce un gran volumen de desechos de actividad baja, con baja radiactividad, en forma de artículos contaminados como ropa, herramientas manuales, resinas para purificar el agua y (tras el desmantelamiento) los materiales de los que está hecho el reactor. construido. Los desechos de actividad baja se pueden almacenar en el sitio hasta que los niveles de radiación sean lo suficientemente bajos como para eliminarlos como desechos ordinarios, o se pueden enviar a un sitio de eliminación de desechos de actividad baja.
Residuos en relación con otros tipos
En países con energía nuclear, los desechos radiactivos representan menos del 1 % del total de desechos tóxicos industriales, muchos de los cuales siguen siendo peligrosos durante períodos prolongados. En general, la energía nuclear produce mucho menos material de desecho por volumen que las centrales eléctricas basadas en combustibles fósiles. Las plantas que queman carbón, en particular, producen grandes cantidades de cenizas tóxicas y levemente radiactivas como resultado de la concentración de materiales radiactivos naturales en el carbón. Un informe de 2008 del Laboratorio Nacional de Oak Ridge concluyó que la energía del carbón en realidad da como resultado que se libere más radiactividad al medio ambiente que la operación de la energía nuclear, y que la dosis efectiva equivalente a la población de la radiación de las plantas de carbón es 100 veces mayor que la del funcionamiento de las plantas nucleares. Aunque las cenizas de carbón son mucho menos radiactivas que el combustible nuclear gastado por peso, las cenizas de carbón se producen en cantidades mucho mayores por unidad de energía generada. También se libera directamente al medio ambiente como cenizas volantes, mientras que las plantas nucleares usan blindaje para proteger el medio ambiente de los materiales radiactivos.
El volumen de residuos nucleares es pequeño en comparación con la energía producida. Por ejemplo, en la central nuclear Yankee Rowe, que generó 44 mil millones de kilovatios hora de electricidad cuando estaba en servicio, su inventario completo de combustible gastado está contenido en dieciséis contenedores. Se estima que producir un suministro de energía de por vida para una persona con un estándar de vida occidental (aproximadamente 3 GWh) requeriría del orden del volumen de una lata de refresco de uranio poco enriquecido, lo que genera un volumen similar de combustible gastado.
Eliminación de residuos
Después del almacenamiento provisional en una piscina de combustible gastado, los paquetes de ensamblajes de barras de combustible usadas de una central nuclear típica a menudo se almacenan en el sitio en recipientes de almacenamiento de cofres secos. En la actualidad, los desechos se almacenan principalmente en sitios de reactores individuales y hay más de 430 lugares en todo el mundo donde se sigue acumulando material radiactivo.
La eliminación de desechos nucleares a menudo se considera el aspecto que genera más divisiones políticas en el ciclo de vida de una instalación de energía nuclear. Con la falta de movimiento de desechos nucleares en los reactores de fisión nuclear natural de 2 mil millones de años en Oklo, se cita a Gabón como "una fuente de información esencial en la actualidad". Los expertos sugieren que los depósitos subterráneos centralizados que están bien administrados, protegidos y monitoreados serían una gran mejora. Existe un "consenso internacional sobre la conveniencia de almacenar residuos nucleares en repositorios geológicos profundos". Con el advenimiento de las nuevas tecnologías, se han propuesto otros métodos que incluyen la eliminación de perforaciones horizontales en áreas geológicamente inactivas.
No hay depósitos subterráneos de residuos de alta actividad construidos especialmente a escala comercial en funcionamiento. Sin embargo, en Finlandia, el depósito de combustible nuclear gastado de Onkalo de la central nuclear de Olkiluoto está en construcción desde 2015.
Reprocesamiento
La mayoría de los reactores de neutrones térmicos funcionan con un ciclo de combustible nuclear de paso único, principalmente debido al bajo precio del uranio fresco. Sin embargo, muchos reactores también se alimentan con materiales fisionables reciclados que permanecen en el combustible nuclear gastado. El material fisionable más común que se recicla es el plutonio apto para reactores (RGPu) que se extrae del combustible gastado, se mezcla con óxido de uranio y se transforma en combustible de óxido mixto o MOX. Debido a que los LWR térmicos siguen siendo los reactores más comunes en todo el mundo, este tipo de reciclaje es el más común. Se considera que aumenta la sostenibilidad del ciclo del combustible nuclear, reduce el atractivo del combustible gastado para el robo y reduce el volumen de desechos nucleares de actividad alta. Por lo general, el combustible MOX gastado no se puede reciclar para su uso en reactores de neutrones térmicos. Este problema no afecta a los reactores de neutrones rápidos, que por lo tanto son los preferidos para alcanzar todo el potencial energético del uranio original.
El componente principal del combustible gastado de los LWR es el uranio ligeramente enriquecido. Esto puede reciclarse en uranio reprocesado (RepU), que puede usarse en un reactor rápido, usarse directamente como combustible en reactores CANDU o volver a enriquecerse para otro ciclo a través de un LWR. El reenriquecimiento de uranio reprocesado es común en Francia y Rusia. El uranio reprocesado también es más seguro en términos de potencial de proliferación nuclear.
El reprocesamiento tiene el potencial de recuperar hasta el 95 % del combustible de uranio y plutonio en el combustible nuclear gastado, así como de reducir la radiactividad a largo plazo en los desechos restantes. Sin embargo, el reprocesamiento ha sido políticamente controvertido debido al potencial de proliferación nuclear y las diversas percepciones de aumento de la vulnerabilidad al terrorismo nuclear. El reprocesamiento también conduce a un mayor costo de combustible en comparación con el ciclo de combustible de un solo uso. Si bien el reprocesamiento reduce el volumen de los desechos de actividad alta, no reduce los productos de fisión que son las causas principales de la generación de calor residual y la radiactividad durante los primeros siglos fuera del reactor. Por lo tanto, los desechos reprocesados aún requieren un tratamiento casi idéntico durante los primeros cientos de años iniciales.
El reprocesamiento de combustible civil procedente de reactores de potencia se realiza actualmente en Francia, Reino Unido, Rusia, Japón e India. En los Estados Unidos, el combustible nuclear gastado actualmente no se reprocesa. La planta de reprocesamiento de La Hague en Francia ha operado comercialmente desde 1976 y es responsable de la mitad del reprocesamiento mundial a partir de 2010. Produce combustible MOX a partir de combustible gastado derivado de varios países. Hasta 2015, se habían reprocesado más de 32 000 toneladas de combustible gastado, la mayoría de Francia, el 17 % de Alemania y el 9 % de Japón.
Reproducción
La reproducción es el proceso de convertir material no fisionable en material fisionable que puede utilizarse como combustible nuclear. El material no fisionable que se puede utilizar para este proceso se denomina material fértil, y constituye la gran mayoría de los residuos nucleares actuales. Este proceso de reproducción ocurre naturalmente en los reactores reproductores. A diferencia de los reactores de neutrones térmicos de agua ligera, que utilizan uranio-235 (0,7 % de todo el uranio natural), los reactores reproductores de neutrones rápidos utilizan uranio-238 (99,3 % de todo el uranio natural) o torio. Varias combinaciones de ciclos de combustible y reactores reproductores se consideran fuentes de energía sostenibles o renovables. En 2006 se estimó que, con la extracción de agua de mar, habría probablemente cinco mil millones de años. valor de los recursos de uranio para su uso en reactores reproductores.
La tecnología reproductora se ha utilizado en varios reactores, pero a partir de 2006, el alto costo de reprocesar el combustible de manera segura requiere precios del uranio de más de US$200/kg antes de que se justifique económicamente. Sin embargo, se están desarrollando reactores reproductores por su potencial para quemar todos los actínidos (los componentes más activos y peligrosos) en el inventario actual de desechos nucleares, al mismo tiempo que producen energía y crean cantidades adicionales de combustible para más reactores a través del proceso de reproducción. A partir de 2017, hay dos reproductores que producen energía comercial, el reactor BN-600 y el reactor BN-800, ambos en Rusia. El reactor reproductor Phénix en Francia se apagó en 2009 después de 36 años de operación. Tanto China como India están construyendo reactores reproductores. El prototipo de reactor reproductor rápido indio de 500 MWe se encuentra en la fase de puesta en marcha, con planes para construir más.
Otra alternativa a los reproductores de neutrones rápidos son los reactores reproductores de neutrones térmicos que utilizan uranio-233 obtenido a partir de torio como combustible de fisión en el ciclo del combustible de torio. El torio es aproximadamente 3,5 veces más común que el uranio en la corteza terrestre y tiene diferentes características geográficas. El programa de energía nuclear de tres etapas de la India presenta el uso de un ciclo de combustible de torio en la tercera etapa, ya que tiene abundantes reservas de torio pero poco uranio.
Desmantelamiento
El desmantelamiento nuclear es el proceso de desmantelamiento de una instalación nuclear hasta el punto en que ya no requiere medidas de protección radiológica, devolviendo la instalación y sus partes a un nivel lo suficientemente seguro como para confiarse a otros usos. Debido a la presencia de materiales radiactivos, el desmantelamiento nuclear presenta desafíos técnicos y económicos. Los costos de desmantelamiento generalmente se distribuyen a lo largo de la vida útil de una instalación y se ahorran en un fondo de desmantelamiento.
Producción
2019 generación mundial de electricidad por fuente (generación total era 27 petawat-horas)
La energía nuclear civil suministró 2586 teravatios hora (TWh) de electricidad en 2019, lo que equivale a aproximadamente el 10 % de la generación de electricidad mundial, y fue la segunda fuente de energía con bajas emisiones de carbono después de la hidroelectricidad. Dado que la electricidad representa alrededor del 25 % del consumo mundial de energía, la contribución de la energía nuclear a la energía mundial fue de alrededor del 2,5 % en 2011. Esto es un poco más que la producción de electricidad global combinada de la energía eólica, solar, de biomasa y geotérmica, que en conjunto proporcionaron el 2% del consumo de energía final global en 2014. La participación de la energía nuclear en la producción mundial de electricidad ha caído del 16,5% en 1997, en gran parte porque la economía de la energía nuclear se ha vuelto más difícil.
En marzo de 2022, hay 439 reactores de fisión civiles en el mundo, con una capacidad eléctrica combinada de 392 gigavatios (GW). También hay 56 reactores de energía nuclear en construcción y 96 reactores planificados, con una capacidad combinada de 62 GW y 96 GW, respectivamente.. Estados Unidos tiene la mayor flota de reactores nucleares y genera más de 800 TWh al año con un factor de capacidad medio del 92 %. La mayoría de los reactores en construcción son reactores de generación III en Asia.
Las diferencias regionales en el uso de la energía nuclear son grandes. Estados Unidos produce la mayor cantidad de energía nuclear en el mundo, y la energía nuclear proporciona el 20 % de la electricidad que consume, mientras que Francia produce el porcentaje más alto de su energía eléctrica a partir de reactores nucleares: 71 % en 2019. En la Unión Europea, la energía nuclear proporciona el 26% de la electricidad a partir de 2018. La energía nuclear es la fuente de electricidad baja en carbono más grande de los Estados Unidos y representa dos tercios de la electricidad baja en carbono de la Unión Europea. La política de energía nuclear difiere entre los países de la Unión Europea y algunos, como Austria, Estonia, Irlanda e Italia, no tienen centrales nucleares activas.
Además, había aproximadamente 140 buques de guerra que utilizaban propulsión nuclear en funcionamiento, alimentados por unos 180 reactores. Estos incluyen barcos militares y algunos civiles, como los rompehielos de propulsión nuclear.
Continúan las investigaciones internacionales sobre usos adicionales del calor de proceso, como la producción de hidrógeno (en apoyo de una economía de hidrógeno), para la desalinización del agua de mar y para su uso en sistemas de calefacción urbana.
Economía
La economía de las nuevas centrales nucleares es un tema controvertido y las inversiones multimillonarias dependen de la elección de las fuentes de energía. Las plantas de energía nuclear suelen tener altos costos de capital para construir la planta. Por esta razón, la comparación con otros métodos de generación de energía depende en gran medida de los supuestos sobre los plazos de construcción y la financiación del capital de las centrales nucleares. Los costos de combustible representan alrededor del 30 por ciento de los costos operativos, mientras que los precios están sujetos al mercado.
El alto costo de la construcción es uno de los mayores desafíos para las plantas de energía nuclear. Se estima que una nueva planta de 1100 MW costará entre 6 000 millones y 9 000 millones de dólares. Las tendencias de costos de la energía nuclear muestran una gran disparidad por nación, diseño, tasa de construcción y el establecimiento de la familiaridad en la experiencia. Las únicas dos naciones para las que hay datos disponibles que vieron disminuciones de costos en la década de 2000 fueron India y Corea del Sur.
El análisis de la economía de la energía nuclear también debe tener en cuenta quién asume los riesgos de las incertidumbres futuras. A partir de 2010, todas las plantas de energía nuclear en funcionamiento han sido desarrolladas por monopolios de servicios públicos regulados o de propiedad estatal. Desde entonces, muchos países han liberalizado el mercado de la electricidad donde estos riesgos, y el riesgo de que surjan competidores más baratos antes de que se recuperen los costos de capital, son asumidos por los proveedores y operadores de plantas en lugar de los consumidores, lo que lleva a una evaluación significativamente diferente de la economía de la nueva energía nuclear. plantas.
Se estima que el coste normalizado de la electricidad (LCOE) de una nueva central nuclear es de 69 USD/MWh, según un análisis de la Agencia Internacional de Energía y la OCDE Agencia de Energía Nuclear. Esto representa la estimación del costo medio para una planta de energía nuclear enésima en su tipo que se completará en 2025, a una tasa de descuento del 7%. La energía nuclear resultó ser la opción de menor costo entre las tecnologías despachables. Las energías renovables variables pueden generar electricidad más barata: el coste medio de la energía eólica terrestre se estimó en 50 USD/MWh, y la energía solar a gran escala en 56 USD/MWh. Al costo de emisión de CO2 asumido de 30 USD/tonelada, la energía del carbón (88 USD /MWh) y el gas (71 USD/MWh) es más caro que las tecnologías bajas en carbono. Se encontró que la electricidad de la operación a largo plazo de las plantas de energía nuclear mediante la extensión de la vida útil es la opción de menor costo, a 32 USD/MWh. Las medidas para mitigar el calentamiento global, como un impuesto al carbono o el comercio de emisiones de carbono, pueden favorecer la economía de la energía nuclear. Los eventos climáticos extremos, incluidos los eventos que se vuelven más severos por el cambio climático, están disminuyendo la confiabilidad de todas las fuentes de energía, incluida la energía nuclear, en un pequeño grado, dependiendo de la ubicación.
Los nuevos reactores modulares pequeños, como los desarrollados por NuScale Power, tienen como objetivo reducir los costos de inversión para la nueva construcción al hacer los reactores más pequeños y modulares, de modo que puedan construirse en una fábrica.
Algunos diseños tuvieron una economía positiva inicial considerable, como el CANDU, que logró un factor de capacidad y confiabilidad mucho más altos en comparación con los reactores de agua ligera de generación II hasta la década de 1990.
Las plantas de energía nuclear, aunque son capaces de seguir la carga de la red, normalmente se ejecutan tanto como sea posible para mantener el costo de la energía eléctrica generada lo más bajo posible, suministrando principalmente electricidad de carga base. Debido al diseño del reactor de reabastecimiento en línea, los PHWR (de los cuales el diseño CANDU es parte) continúan ocupando muchas posiciones de récord mundial para la generación de electricidad continua más larga, a menudo más de 800 días. El récord específico a partir de 2019 lo tiene un PHWR en la estación de energía atómica de Kaiga, que genera electricidad de forma continua durante 962 días.
Los costos que no se consideran en los cálculos del LCOE incluyen fondos para investigación y desarrollo, y desastres (se estima que el desastre de Fukushima le costó a los contribuyentes ≈$187 mil millones). Se descubrió que, en algunos casos, los gobiernos obligan a "los consumidores a pagar por adelantado los posibles sobrecostos" o subvencionar la energía nuclear antieconómica o ser obligado a hacerlo. Los operadores nucleares son responsables de pagar la gestión de residuos en la UE. En los EE. UU., el Congreso supuestamente decidió hace 40 años que la nación, y no las empresas privadas, sería responsable de almacenar los desechos radiactivos y los contribuyentes pagarían los costos. El Informe Mundial sobre Residuos Nucleares 2019 encontró que "incluso en países en los que el principio de quien contamina paga es un requisito legal, se aplica de manera incompleta" y señala el caso de la instalación de disposición final geológica profunda alemana Asse II, en la que los contribuyentes deben pagar la recuperación de grandes cantidades de residuos. De manera similar, otras formas de energía, incluidos los combustibles fósiles y las energías renovables, tienen una parte de sus costos cubiertos por los gobiernos.
Uso en el espacio
El uso más común de la energía nuclear en el espacio es el uso de generadores termoeléctricos de radioisótopos, que utilizan la desintegración radiactiva para generar energía. Estos generadores de energía son de escala relativamente pequeña (pocos kW) y se utilizan principalmente para alimentar misiones espaciales y experimentos durante largos períodos en los que la energía solar no está disponible en cantidad suficiente, como en el espacio Voyager 2. Investigacion. Se han lanzado algunos vehículos espaciales utilizando reactores nucleares: 34 reactores pertenecen a la serie soviética RORSAT y uno era el estadounidense SNAP-10A.
Tanto la fisión como la fusión parecen prometedoras para las aplicaciones de propulsión espacial, ya que generan velocidades de misión más altas con menos masa de reacción.
Seguridad
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Las plantas de energía nuclear tienen tres características únicas que afectan su seguridad, en comparación con otras plantas de energía. En primer lugar, los materiales intensamente radiactivos están presentes en un reactor nuclear. Su liberación al medio ambiente podría ser peligrosa. En segundo lugar, los productos de fisión, que constituyen la mayoría de las sustancias intensamente radiactivas en el reactor, continúan generando una cantidad significativa de calor de desintegración incluso después de que se detiene la reacción en cadena de fisión. Si no se puede eliminar el calor del reactor, las barras de combustible pueden sobrecalentarse y liberar materiales radiactivos. En tercer lugar, es posible que se produzca un accidente de criticidad (un aumento rápido de la potencia del reactor) en ciertos diseños de reactores si no se puede controlar la reacción en cadena. Estas tres características deben tenerse en cuenta al diseñar reactores nucleares.
Todos los reactores modernos están diseñados para evitar un aumento descontrolado de la potencia del reactor mediante mecanismos de retroalimentación naturales, un concepto conocido como coeficiente de reactividad de vacío negativo. Si aumenta la temperatura o la cantidad de vapor en el reactor, la tasa de fisión disminuye inherentemente. La reacción en cadena también se puede detener manualmente insertando barras de control en el núcleo del reactor. Los sistemas de refrigeración del núcleo de emergencia (ECCS) pueden eliminar el calor de descomposición del reactor si fallan los sistemas de refrigeración normales. Si el ECCS falla, múltiples barreras físicas limitan la liberación de materiales radiactivos al medio ambiente incluso en caso de accidente. La última barrera física es el gran edificio de contención.
Con una tasa de mortalidad de 0,07 por TWh, la energía nuclear es la fuente de energía más segura por unidad de energía generada en términos de mortalidad cuando se considera el historial histórico. La energía producida por el carbón, el petróleo, el gas natural y la energía hidroeléctrica ha causado más muertes por unidad de energía generada debido a la contaminación del aire y los accidentes energéticos. Esto se encuentra cuando se comparan las muertes inmediatas por otras fuentes de energía con las muertes por cáncer indirectas tanto inmediatas como latentes o predichas por accidentes de energía nuclear. Cuando se comparan las muertes directas e indirectas (incluidas las muertes resultantes de la minería y la contaminación del aire) de la energía nuclear y los combustibles fósiles, se calcula que el uso de la energía nuclear evitó alrededor de 1,84 millones de muertes por la contaminación del aire entre 1971 y 2009, por reduciendo la proporción de energía que de otro modo habría sido generada por combustibles fósiles. Tras el desastre nuclear de Fukushima de 2011, se ha estimado que si Japón nunca hubiera adoptado la energía nuclear, los accidentes y la contaminación de las plantas de carbón o gas habrían causado más años de vida perdidos.
Los impactos graves de los accidentes nucleares a menudo no se pueden atribuir directamente a la exposición a la radiación, sino a los efectos sociales y psicológicos. La evacuación y el desplazamiento a largo plazo de las poblaciones afectadas crearon problemas para muchas personas, especialmente para los ancianos y los pacientes hospitalizados. La evacuación forzada de un accidente nuclear puede provocar aislamiento social, ansiedad, depresión, problemas médicos psicosomáticos, comportamiento imprudente y suicidio. Un estudio completo de 2005 sobre las secuelas del desastre de Chernobyl concluyó que el impacto en la salud mental es el mayor problema de salud pública causado por el accidente. Frank N. von Hippel, científico estadounidense, comentó que un miedo desproporcionado a las radiaciones ionizantes (radiofobia) podría tener efectos psicológicos a largo plazo en la población de las zonas contaminadas tras el desastre de Fukushima.
Accidentes
Se han producido algunos accidentes nucleares y de radiación graves. La gravedad de los accidentes nucleares generalmente se clasifica utilizando la Escala Internacional de Sucesos Nucleares (INES) introducida por la Agencia Internacional de Energía Atómica (OIEA). La escala clasifica eventos anómalos o accidentes en una escala de 0 (una desviación de la operación normal que no representa un riesgo para la seguridad) a 7 (un accidente mayor con efectos generalizados). Ha habido tres accidentes de nivel 5 o superior en la industria de energía nuclear civil, dos de los cuales, el accidente de Chernobyl y el accidente de Fukushima, están clasificados en el nivel 7.
Los primeros accidentes nucleares importantes fueron el desastre de Kyshtym en la Unión Soviética y el incendio de Windscale en el Reino Unido, ambos en 1957. El primer accidente importante en un reactor nuclear en EE. UU. ocurrió en 1961 en el SL-1, un Reactor de energía nuclear experimental del Ejército de EE. UU. en el Laboratorio Nacional de Idaho. Una reacción en cadena descontrolada resultó en una explosión de vapor que mató a los tres miembros de la tripulación y provocó una fusión. Otro accidente grave ocurrió en 1968, cuando uno de los dos reactores refrigerados por metal líquido a bordo del submarino soviético K-27 sufrió una falla en el elemento combustible, con la emisión de productos de fisión gaseosos al aire circundante, lo que provocó la muerte de 9 tripulantes y 83 heridos.
El accidente nuclear de Fukushima Daiichi fue causado por el terremoto y tsunami de Tohoku de 2011. El accidente no ha causado ninguna muerte relacionada con la radiación, pero resultó en la contaminación radiactiva de las áreas circundantes. Se espera que la difícil operación de limpieza cueste decenas de miles de millones de dólares durante 40 años o más. El accidente de Three Mile Island en 1979 fue un accidente de menor escala, clasificado en el nivel 5 de INES. No hubo muertes directas o indirectas causadas por el accidente.
El impacto de los accidentes nucleares es controvertido. Según Benjamin K. Sovacool, los accidentes de energía de fisión ocuparon el primer lugar entre las fuentes de energía en términos de su costo económico total, y representan el 41 por ciento de todos los daños a la propiedad atribuidos a accidentes de energía. Otro análisis encontró que el carbón, el petróleo, el gas licuado de petróleo y los accidentes hidroeléctricos (principalmente debido al desastre de la represa de Banqiao) han resultado en mayores impactos económicos que los accidentes de energía nuclear. El estudio compara las muertes por cáncer latente atribuibles a la energía nuclear con las muertes inmediatas por otras fuentes de energía por unidad de energía generada, y no incluye el cáncer relacionado con los combustibles fósiles y otras muertes indirectas creadas por el uso de combustibles fósiles en su "accidente grave& #34; (un accidente con más de cinco muertes) clasificación. El accidente de Chernobyl en 1986 causó aproximadamente 50 muertes por efectos directos e indirectos, y algunas lesiones graves temporales por síndrome de radiación aguda. La futura mortalidad prevista por aumentos en las tasas de cáncer se estima en 4000 en las próximas décadas. Sin embargo, los costos han sido grandes y están aumentando.
La energía nuclear funciona bajo un marco de seguros que limita o estructura las responsabilidades por accidentes de acuerdo con las convenciones nacionales e internacionales. A menudo se argumenta que este posible déficit de responsabilidad representa un costo externo no incluido en el costo de la electricidad nuclear. Este costo es pequeño, asciende a alrededor del 0,1% del costo nivelado de la electricidad, según un estudio de la Oficina de Presupuesto del Congreso de los Estados Unidos. Estos costos de seguro más allá de lo normal para los peores escenarios no son exclusivos de la energía nuclear. Las plantas de energía hidroeléctrica tampoco están completamente aseguradas contra un evento catastrófico como fallas en las represas. Por ejemplo, la falla de la presa de Banqiao causó la muerte de unas 30.000 a 200.000 personas y 11 millones de personas perdieron sus hogares. Dado que las aseguradoras privadas basan las primas del seguro de represas en escenarios limitados, el estado también proporciona seguros contra grandes desastres en este sector.
Ataques y sabotaje
Los terroristas podrían apuntar a plantas de energía nuclear en un intento de liberar contaminación radiactiva en la comunidad. La Comisión del 11 de septiembre de Estados Unidos ha dicho que las plantas de energía nuclear eran objetivos potenciales originalmente considerados para los ataques del 11 de septiembre de 2001. Un ataque a la piscina de combustible gastado de un reactor también podría ser grave, ya que estas piscinas están menos protegidas que el núcleo del reactor. La liberación de radiactividad podría provocar miles de muertes a corto plazo y un mayor número de muertes a largo plazo.
En los Estados Unidos, la NRC lleva a cabo "Fuerza sobre fuerza" (FOF) ejercicios en todos los sitios de las centrales nucleares al menos una vez cada tres años. En los Estados Unidos, las plantas están rodeadas por una doble fila de cercas altas que se controlan electrónicamente. Los terrenos de la planta están patrullados por una fuerza considerable de guardias armados.
El sabotaje interno también es una amenaza porque los internos pueden observar y eludir las medidas de seguridad. Los delitos internos exitosos dependían de los perpetradores & # 39; observación y conocimiento de las vulnerabilidades de seguridad. Un incendio causó daños por valor de 5 a 10 millones de dólares en el Indian Point Energy Center de Nueva York en 1971. El pirómano era un trabajador de mantenimiento de la planta.
Proliferación
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La proliferación nuclear es la propagación de armas nucleares, material fisionable y tecnología nuclear relacionada con armas a estados que aún no poseen armas nucleares. Muchas tecnologías y materiales asociados con la creación de un programa de energía nuclear tienen una capacidad de doble uso, ya que también pueden usarse para fabricar armas nucleares. Por esta razón, la energía nuclear presenta riesgos de proliferación.
El programa de energía nuclear puede convertirse en una ruta que conduzca a un arma nuclear. Un ejemplo de esto es la preocupación por el programa nuclear de Irán. La reorientación de las industrias nucleares civiles para fines militares sería una violación del Tratado de No Proliferación, al que se adhieren 190 países. A partir de abril de 2012, hay treinta y un países que tienen centrales nucleares civiles, de los cuales nueve tienen armas nucleares. La gran mayoría de estos estados con armas nucleares han producido armas antes que las centrales nucleares comerciales.
Un objetivo fundamental para la seguridad global es minimizar los riesgos de proliferación nuclear asociados con la expansión de la energía nuclear. La Asociación Mundial de Energía Nuclear fue un esfuerzo internacional para crear una red de distribución en la que los países en desarrollo que necesitan energía recibirían combustible nuclear a un precio reducido, a cambio de que esa nación aceptara renunciar a su propio desarrollo autóctono de un programa de enriquecimiento de uranio. El Eurodif/European Gaseous Diffusion Uranium Enrichment Consortium, con sede en Francia, es un programa que implementó con éxito este concepto, con España y otros países sin instalaciones de enriquecimiento comprando una parte del combustible producido en la instalación de enriquecimiento controlada por Francia., pero sin transferencia de tecnología. Irán fue uno de los primeros participantes desde 1974 y sigue siendo accionista de Eurodif a través de Sofidif.
Un informe de las Naciones Unidas de 2009 decía que:
la reactivación del interés en la energía nuclear podría dar lugar a la difusión mundial de tecnologías de enriquecimiento de uranio y de reprocesamiento de combustible gastado, que presentan riesgos evidentes de proliferación, ya que estas tecnologías pueden producir materiales fisionables directamente utilizables en armas nucleares.
Por otro lado, los reactores de potencia también pueden reducir los arsenales de armas nucleares cuando se reprocesan materiales nucleares de grado militar para usarlos como combustible en plantas de energía nuclear. El Programa de megatones a megavatios se considera el programa de no proliferación más exitoso hasta la fecha. Hasta 2005, el programa había procesado $8 mil millones de uranio altamente enriquecido apto para armas en uranio poco enriquecido adecuado como combustible nuclear para reactores de fisión comerciales al diluirlo con uranio natural. Esto corresponde a la eliminación de 10.000 armas nucleares. Durante aproximadamente dos décadas, este material generó casi el 10 por ciento de toda la electricidad consumida en los Estados Unidos, o aproximadamente la mitad de toda la electricidad nuclear de los EE. UU., con un total de alrededor de 7000 TWh de electricidad producida. En total, se estima que costó 17.000 millones de dólares, una "ganga para los contribuyentes estadounidenses", y Rusia se benefició con 12.000 millones de dólares del acuerdo. Ganancias muy necesarias para la industria rusa de supervisión nuclear, que después del colapso de la economía soviética, tuvo dificultades para pagar el mantenimiento y la seguridad del uranio altamente enriquecido y las ojivas de la Federación Rusa. El Programa Megatons to Megawatts fue aclamado como un gran éxito por los defensores de las armas antinucleares, ya que ha sido en gran medida la fuerza impulsora detrás de la fuerte reducción en la cantidad de armas nucleares en todo el mundo desde que terminó la guerra fría. Sin embargo, sin un aumento de los reactores nucleares y una mayor demanda de combustible fisible, el costo del desmantelamiento y la mezcla han disuadido a Rusia de continuar con su desarme. A partir de 2013, Rusia parece no estar interesada en extender el programa.
Impacto ambiental
Al ser una fuente de energía baja en carbono con requisitos de uso de la tierra relativamente bajos, la energía nuclear puede tener un impacto ambiental positivo. También requiere un suministro constante de cantidades significativas de agua y afecta al medio ambiente a través de la minería y la molienda. Sus mayores impactos negativos potenciales en el medio ambiente pueden surgir de sus riesgos transgeneracionales de proliferación de armas nucleares que pueden aumentar los riesgos de su uso en el futuro, riesgos de problemas asociados con la gestión de los desechos radiactivos, como la contaminación de las aguas subterráneas, riesgos de accidentes y de riesgos de diversas formas de ataques a los sitios de almacenamiento de desechos o plantas de reprocesamiento y energía. Sin embargo, estos siguen siendo en su mayoría solo riesgos, ya que históricamente solo ha habido algunos desastres en las plantas de energía nuclear con impactos ambientales conocidos relativamente importantes.
Emisiones de carbono
La energía nuclear es uno de los principales métodos de generación de energía con bajas emisiones de carbono para producir electricidad y, en términos de emisiones totales de gases de efecto invernadero durante el ciclo de vida por unidad de energía generada, tiene valores de emisión comparables o inferiores a los de la energía renovable. Un análisis de 2014 de la literatura sobre la huella de carbono realizado por el Panel Intergubernamental sobre el Cambio Climático (IPCC) informó que la intensidad de emisión total incorporada del ciclo de vida de la energía nuclear tiene un valor medio de 12 g CO2eq/kWh, que es la más baja entre todas las fuentes de energía comerciales de carga base. Esto se contrasta con el carbón y el gas natural a 820 y 490 g CO2 eq/kWh. A partir de 2021, los reactores nucleares en todo el mundo han ayudado a evitar la emisión de 72 mil millones de toneladas de dióxido de carbono desde 1970, en comparación con la generación de electricidad a base de carbón, según un informe.
Radiación
La dosis promedio de la radiación de fondo natural es de 2,4 milisievert por año (mSv/a) en todo el mundo. Varía entre 1 mSv/a y 13 mSv/a, dependiendo principalmente de la geología de la ubicación. Según las Naciones Unidas (UNSCEAR), las operaciones regulares de las centrales nucleares, incluido el ciclo del combustible nuclear, aumentan esta cantidad en 0,0002 mSv/a de exposición pública como promedio global. La dosis media de las centrales nucleares en funcionamiento a las poblaciones locales que las rodean es inferior a 0,0001 mSv/a. A modo de comparación, la dosis promedio para quienes viven a menos de 50 millas de una central eléctrica de carbón es más de tres veces esta dosis, a 0,0003 mSv/a.
Chernobyl provocó que las poblaciones circundantes más afectadas y el personal de recuperación masculino recibieran un promedio inicial de 50 a 100 mSv durante unas pocas horas o semanas, mientras que el legado global restante de lo peor accidente de planta de energía nuclear en la exposición promedio es 0.002 mSv/a y está cayendo continuamente a la tasa de descomposición, desde el máximo inicial de 0.04 mSv por persona promediado sobre toda la población del hemisferio norte en el año del accidente en 1986.
Debate
LCOE es una medida del costo neto medio presente de la generación de electricidad para una planta generadora durante su vida útil. Como métrica, sigue siendo polémica ya que la vida útil de las unidades no son independientes sino proyecciones de fabricantes, no una longevidad demostrada.
El debate sobre la energía nuclear se refiere a la controversia que ha rodeado el despliegue y uso de reactores de fisión nuclear para generar electricidad a partir de combustible nuclear para fines civiles.
Los defensores de la energía nuclear la consideran una fuente de energía sostenible que reduce las emisiones de carbono y aumenta la seguridad energética al disminuir la dependencia de otras fuentes de energía que también suelen depender de las importaciones. Por ejemplo, los defensores señalan que, anualmente, la electricidad generada por energía nuclear reduce 470 millones de toneladas métricas de emisiones de dióxido de carbono que, de otro modo, provendrían de los combustibles fósiles. Además, la cantidad de residuos comparativamente baja que genera la energía nuclear se elimina de forma segura en las instalaciones de producción de energía nuclear a gran escala o se reutiliza/recicla para otros usos energéticos. M. King Hubbert, quien popularizó el concepto del pico del petróleo, vio el petróleo como un recurso que se acabaría y consideró la energía nuclear como su reemplazo. Los defensores también afirman que la cantidad actual de desechos nucleares es pequeña y puede reducirse a través de la última tecnología de reactores más nuevos y que el historial de seguridad operativa de la electricidad de fisión en términos de muertes es hasta ahora 'inigualable'. Kharecha y Hansen estimaron que "la energía nuclear global ha evitado un promedio de 1,84 millones de muertes relacionadas con la contaminación del aire y 64 gigatoneladas de CO2-equivalente (GtCO2-eq) emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) que habrían resultado de la quema de combustibles fósiles" y, si continúa, podría prevenir hasta 7 millones de muertes y 240 GtCO2 Emisiones -eq para 2050.
Los defensores también llaman la atención sobre el costo de oportunidad de utilizar otras formas de electricidad. Por ejemplo, la Agencia de Protección Ambiental estima que el carbón mata a 30.000 personas al año, como resultado de su impacto ambiental, mientras que 60 personas mueren en el desastre de Chernobyl. Un ejemplo del mundo real del impacto proporcionado por los proponentes es el aumento de 650 000 toneladas en las emisiones de carbono en los dos meses posteriores al cierre de la planta nuclear Vermont Yankee.
Los opositores creen que la energía nuclear plantea muchas amenazas para la salud de las personas y el medio ambiente, como el riesgo de proliferación de armas nucleares, la gestión segura de desechos a largo plazo y el terrorismo en el futuro. También sostienen que las plantas de energía nuclear son sistemas complejos en los que muchas cosas pueden salir mal y han salido mal. Los costos del desastre de Chernobyl ascienden a ≈$68 mil millones a partir de 2019 y están aumentando, se estima que el desastre de Fukushima costará a los contribuyentes ~$187 mil millones, y se estima que la gestión de desechos radiactivos costará a los operadores nucleares de la UE ~$250 mil millones para 2050. Sin embargo, en En los países que ya usan energía nuclear, cuando no consideran el reprocesamiento, los costos intermedios de eliminación de desechos nucleares podrían ser relativamente fijos en ciertos grados, pero desconocidos, 'ya que la mayor parte de estos costos proviene de la operación de la instalación de almacenamiento intermedio'.
Los críticos encuentran que uno de los mayores inconvenientes de construir nuevas plantas de energía de fisión nuclear son los altos costos de construcción y operación en comparación con las alternativas de fuentes de energía sostenibles. Otros costos incluyen costos de investigación y desarrollo en curso, reprocesamiento costoso en los casos en que se practica y desmantelamiento. Sin embargo, los defensores señalan que centrarse en el costo nivelado de energía (LCOE) ignora la prima de valor asociada con la electricidad despachable las 24 horas, los 7 días de la semana y el costo de los sistemas de almacenamiento y respaldo necesarios para integrar fuentes de energía variables en una red eléctrica confiable. "Por lo tanto, la energía nuclear sigue siendo la tecnología despachable con bajas emisiones de carbono con los costos esperados más bajos en 2025. Solo los grandes embalses hidroeléctricos pueden proporcionar una contribución similar a costos comparables, pero siguen dependiendo en gran medida de las dotaciones naturales de los países individuales."
En general, muchos opositores encuentran que la energía nuclear no puede contribuir significativamente a la mitigación del cambio climático. En general, encuentran que es demasiado peligroso, demasiado costoso, que toma demasiado tiempo para el despliegue, que es un obstáculo para lograr una transición hacia la sostenibilidad y la neutralidad de carbono, siendo efectivamente una competencia que distrae la atención por los recursos (es decir, humanos, financieros, tiempo, infraestructura y experiencia) para el despliegue y desarrollo de tecnologías de sistemas energéticos alternativos y sostenibles (por ejemplo, para la energía eólica, oceánica y solar, incluida, por ejemplo, la energía solar flotante), así como formas de gestionar su intermitencia distintas de la generación de carga base nuclear, como la energía despachable renovables, diversificación, superredes, demanda y oferta de energía flexibles que regulan las redes inteligentes y las tecnologías de almacenamiento de energía).
Sin embargo, hay investigaciones y debates en curso sobre los costos de la nueva energía nuclear, especialmente en regiones donde, i.a. el almacenamiento de energía estacional es difícil de proporcionar y cuyo objetivo es eliminar los combustibles fósiles a favor de la energía baja en carbono más rápido que el promedio mundial. Algunos encuentran que los costos de transición financiera para un sistema energético europeo 100 % basado en energías renovables que haya eliminado por completo la energía nuclear podrían ser más costosos para 2050 según las tecnologías actuales (es decir, sin considerar los avances potenciales en, por ejemplo, hidrógeno verde, capacidades de transmisión y flexibilidad, formas para reducir las necesidades energéticas, la energía geotérmica y la energía de fusión) cuando la red solo se extiende por toda Europa. Ambos lados del debate utilizan argumentos de economía y seguridad.
Comparativa con las energías renovables
Reducir el calentamiento global requiere una transición a una economía baja en carbono, principalmente quemando mucho menos combustible fósil. Limitar el calentamiento global a 1,5 °C es técnicamente posible si no se construyen nuevas plantas de energía de combustibles fósiles a partir de 2019. Esto ha generado un interés y una disputa considerables para determinar el mejor camino a seguir para reemplazar rápidamente combustibles de origen fósil en el mix energético mundial, con un intenso debate académico. A veces, la AIE dice que los países sin energía nuclear deberían desarrollarla al igual que su energía renovable.
Suministro mundial de energía primaria 162.494 TWh (o 13,792 Mtoe) por combustibles en 2017 (IEA, 2019)
Varios estudios sugieren que teóricamente podría ser posible cubrir la mayor parte de la generación de energía mundial con nuevas fuentes renovables. El Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático (IPCC) ha dicho que si los gobiernos apoyaran, el suministro de energía renovable podría representar cerca del 80% del uso de energía mundial para 2050. Si bien en las naciones desarrolladas falta la geografía económicamente factible para la nueva energía hidroeléctrica, con todas las áreas geográficamente adecuadas en gran parte ya explotadas, algunos defensores de la energía eólica y solar afirman que estos recursos por sí solos podrían eliminar la necesidad de la energía nuclear.
La energía nuclear es comparable y, en algunos casos, inferior a muchas fuentes de energía renovable en términos de vidas perdidas en el pasado por unidad de electricidad entregada. Dependiendo del reciclaje de las tecnologías de energía renovable, los reactores nucleares pueden producir un volumen mucho menor de desechos, aunque mucho más tóxicos, costosos de gestionar y de mayor duración. Una planta nuclear también debe desmontarse y retirarse, y gran parte de la planta nuclear desmontada debe almacenarse como desechos nucleares de bajo nivel durante algunas décadas. La eliminación y gestión de la amplia variedad de desechos radiactivos, de los cuales hay más de un cuarto de millón de toneladas a partir de 2018, puede causar daños y costos futuros en todo el mundo durante cientos de miles de años, posiblemente más de un millón. años, debido a problemas tales como fugas, recuperación maligna, vulnerabilidad a los ataques (incluido el reprocesamiento y las plantas de energía), contaminación de las aguas subterráneas, radiación y fugas a la superficie, fugas de salmuera o corrosión bacteriana. El Centro Común de Investigación de la Comisión Europea descubrió que, a partir de 2021, las tecnologías necesarias para la eliminación geológica de los desechos nucleares ya están disponibles y se pueden implementar. Los expertos en corrosión señalaron en 2020 que posponer el problema del almacenamiento por más tiempo "no es bueno para nadie". El plutonio separado y el uranio enriquecido podrían usarse para armas nucleares que, incluso con el control centralizado actual (por ejemplo, a nivel estatal) y el nivel de prevalencia, se consideran un riesgo global difícil y sustancial para impactos futuros sustanciales en la salud humana, vidas, la civilización y el medio ambiente.
Velocidad de transición e inversión necesaria
Un análisis realizado en 2015 por el profesor Barry W. Brook y sus colegas encontró que la energía nuclear podría desplazar o eliminar completamente los combustibles fósiles de la red eléctrica en 10 años. Este hallazgo se basó en la tasa históricamente modesta y comprobada a la que se agregó la energía nuclear en Francia y Suecia durante sus programas de construcción en la década de 1980. En un análisis similar, Brook había determinado anteriormente que el 50 % de toda la energía mundial, incluidos los combustibles sintéticos para el transporte, etc., podría generarse en aproximadamente 30 años si la tasa de generación de fisión nuclear mundial fuera idéntica a las tasas de instalación comprobadas históricas calculadas en GW por año. por unidad de PIB mundial (GW/año/$). Esto contrasta con los estudios conceptuales para sistemas de energía 100% renovable, que requerirían un orden de magnitud de inversión global más costosa por año, que no tiene precedentes históricos. Estos escenarios renovables también necesitarían mucho más terreno dedicado a proyectos eólicos terrestres y solares terrestres. Brook señala que las "principales limitaciones de la fisión nuclear no son técnicas, económicas o relacionadas con el combustible, sino que están vinculadas a problemas complejos de aceptación social, inercia fiscal y política, y una evaluación crítica inadecuada de las limitaciones del mundo real que enfrentan". [las otras] alternativas bajas en carbono."
Los datos científicos indican que, asumiendo los niveles de emisiones de 2021, la humanidad solo tiene un presupuesto de carbono equivalente a 11 años de emisiones restantes para limitar el calentamiento a 1,5 °C mientras se construyen nuevas los reactores nucleares tardaron una mediana de 7,2 a 10,9 años en 2018-2020, mucho más que, junto con otras medidas, ampliar el despliegue de la energía eólica y solar, especialmente para tipos de reactores nuevos, además de ser más riesgosos, a menudo demorados y más dependientes. sobre el apoyo estatal. Los investigadores han advertido que las nuevas tecnologías nucleares, que han estado en desarrollo durante décadas, se prueban menos, tienen mayores riesgos de proliferación, tienen más problemas de seguridad nuevos, a menudo están lejos de la comercialización y son más caras, no están disponibles a tiempo. Los críticos de la energía nuclear a menudo solo se oponen a la energía de fisión nuclear pero no a la fusión nuclear; sin embargo, es poco probable que la energía de fusión se generalice comercialmente antes de 2050.
Uso del suelo
La mediana de la superficie terrestre utilizada por las centrales nucleares de EE. UU. por 1 GW de capacidad instalada es de 1,3 millas cuadradas. Para generar la misma cantidad de electricidad anualmente (teniendo en cuenta los factores de capacidad) a partir de la energía solar fotovoltaica se necesitarían alrededor de 60 millas cuadradas y de un parque eólico alrededor de 310 millas cuadradas. No se incluyen los terrenos necesarios para las líneas de transmisión asociadas, el suministro de agua, las líneas ferroviarias, la extracción y el procesamiento de combustible nuclear y la eliminación de desechos.
Investigación
Diseños avanzados de reactores de fisión
Los reactores de fisión actualmente en funcionamiento en todo el mundo son sistemas de segunda o tercera generación, y la mayoría de los sistemas de primera generación ya se han retirado. El Foro Internacional Generación IV (GIF, por sus siglas en inglés) inició oficialmente la investigación sobre los tipos de reactores de cuarta generación avanzados en base a ocho objetivos tecnológicos, que incluyen mejorar la economía, la seguridad, la resistencia a la proliferación, la utilización de los recursos naturales y la capacidad de consumir los desechos nucleares existentes en la producción de electricidad. La mayoría de estos reactores difieren significativamente de los reactores de agua ligera que funcionan actualmente y se espera que estén disponibles para la construcción comercial después de 2030.
Híbrido fusión-fisión
La energía nuclear híbrida es un medio propuesto para generar energía mediante el uso de una combinación de procesos de fusión y fisión nuclear. El concepto data de la década de 1950 y fue defendido brevemente por Hans Bethe durante la década de 1970, pero permaneció en gran medida sin explorar hasta un resurgimiento del interés en 2009, debido a retrasos en la realización de la fusión pura. Cuando se construye una planta de energía de fusión nuclear sostenida, tiene el potencial de ser capaz de extraer toda la energía de fisión que queda en el combustible de fisión gastado, reduciendo el volumen de desechos nucleares en órdenes de magnitud y, lo que es más importante, eliminando todos los actínidos presentes en el combustible gastado, sustancias que plantean problemas de seguridad.
Fusión
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Las reacciones de fusión nuclear tienen el potencial de ser más seguras y generar menos desechos radiactivos que la fisión. Estas reacciones parecen potencialmente viables, aunque técnicamente bastante difíciles y aún no se han creado a una escala que pueda usarse en una planta de energía funcional. La energía de fusión ha estado bajo investigación teórica y experimental desde la década de 1950. La investigación de la fusión nuclear está en marcha, pero no es probable que la energía de fusión se generalice comercialmente antes de 2050.
Existen varios reactores e instalaciones experimentales de fusión nuclear. El mayor y más ambicioso proyecto internacional de fusión nuclear actualmente en curso es ITER, un gran tokamak en construcción en Francia. Está previsto que ITER allane el camino para la energía de fusión comercial mediante la demostración de reacciones de fusión nuclear autosostenidas con ganancia de energía positiva. La construcción de la instalación ITER comenzó en 2007, pero el proyecto ha sufrido muchos retrasos y excesos presupuestarios. Ahora no se espera que la instalación comience a operar hasta el año 2027, 11 años después de lo previsto inicialmente. Se ha propuesto una continuación de la central eléctrica de fusión nuclear comercial, DEMO. También hay sugerencias para una central eléctrica basada en un enfoque de fusión diferente, el de una central eléctrica de fusión inercial.
Inicialmente, se creía que la generación de electricidad impulsada por fusión era fácilmente alcanzable, como lo había sido la energía eléctrica de fisión. Sin embargo, los requisitos extremos para reacciones continuas y contención de plasma hicieron que las proyecciones se extendieran por varias décadas. En 2020, más de 80 años después de los primeros intentos, se pensaba que la comercialización de la producción de energía de fusión era poco probable antes de 2050.
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