lunes, agosto 12, 2013

Por qué decir SI a la Energía Nuclear (Parte 1): "Conceptos para iniciar"




Bienvenidos a la primera parte de esta serie donde hablaré un poco sobre la energía nuclear, antes de hablar a favor o en contra de la energía nuclear, me gustaría empezar por hablar de algunos conocimientos básicos que tuve que adquirir para entender los riesgos y beneficios que hay en dicha energía, así que sin más, vamos a hablar de la energía nuclear.

Bueno en realidad primero tenemos que hablar un poco de la tabla periódica; si estás familiarizado con la tabla periódica  recordarás unos numeritos arriba del símbolo químico, ese número representa el número atómico, que indica el número total de protones que hay en un átomo, por lo que decir que un átomo tiene 92 protones es igual a decir que es Uranio, es inteligente clasificarlos de esta manera ya que son exclusivamente los protones (su cantidad) lo que determina las propiedades que tendrá el campo de electrones de un átomo y por lo tanto sus propiedades químicas, sin embargo la cantidad de neutrones puede variar; así nos podemos encontrar con un átomo que tenga 1 protón y cero neutrones y le llamamos hidrógeno, y podemos encontrar un elemento que tiene 1 protón y 1 neutron y le llamamos hidrógeno pesado o deuterio; químicamente es idéntico al hidrógeno, pero sus propiedades nucleares son distintas. Estos son dos isotopos del mismo elemento.*1





El Uranio se encuentra en su forma más común en su isotopo 238, esto significa que es una forma de uranio que cuenta con 238 nuclidos; sabemos que el Uranio por definición tiene 92 protones, lo que nos dice que tiene 146 neutrones (238 - 92 = 146). El otro isotopo de Uranio que se encuentra en la naturaleza es el Uranio 235, normalmente los núcleos que tienen un número impar de nuclidos son menos estables y tarde o temprano arrojan parte de su núcleo y decaen a estructuras atómicas más estables, por eso algunos isotopos son menos comúnes; el isotopo de Uranio 235 es tan escaso que sólo se encuentra en proporciones menores al menores al 0.8% del Uranio extraído. Al ser una forma de Uranio menos estable, el Uranio-235 es más útil para la fisión nuclear, se requiere almenos una concentración de 2% de Uranio-235 para que se pueda utilizar en un reactor nuclear convencional, cuando un átomo de estos se fisiona, en ocasiones libera dos o tres neutrones más, que salen a altas velocidades y pueden causar nuevas fisiones, así que con un apropiado diseño y control se puede crear una reacción en cadena que se sostiene por sí sola; cuando esta reacción en cadena se encuentra en un estado estable (es decir, que genera tantos neutrones como consume) se dice que está en estado crítico.





Cuando se rompe o fisiona un átomo se liberan distintos tipos de radiación, fragmentos del átomo (¡dos nuevos elementos!) y mucho calor, este calor es el que aprovecha para generar energía eléctrica.










Tipos de Radiación

Ahora veamos a qué se refiere el concepto de radicación; la radiación en su concepto amplio es simplemente la energía liberada en forma de ondas o partículas (o ambos) y se puede clasificar en tres ramas, la radiación electromagnética; que son las ondas de luz visible, las ondas de radio, los rayos-X y los rayos-Gamma; también existe la radiación de partículas cargadas, como lo son los protones, electrones y partículas alpha; y finalmente los otros tipos de radiación  que son los neutrones, los neutrinos y otros tipos de productos más exóticos por llamarlos de alguna manera.


A su vez estos tipos de radiación pueden ser clasificados como radiación ionizante o radiación no ionizante.


La radiación ionizante es aquella que tiene suficiente energía como para ionizar la materia, es decir, desprender uno o dos electrones de otro átomo; cuando un átomo queda con un exceso de carga ya sea positiva o negativa puede provocar reacciones químicas, romper moléculas y alterar el ADN, los neutrones, los rayos X, gamma, beta y alfa provocan ionizaciones en distintos grados *2. Espero que te tranquilice saber que existen más de 39 elementos que tienen alguna clase de isotopo radioactivo*3 de alguna clase, y el cuerpo humano evolucionó sobreviviendo a casi todos ellos, cada uno de nosotros cuenta con mecanismos de reparación tanto a nivel celular como genético que mantienen tu cuerpo en buenas condiciones a pesar de las constantes radiaciones ionizantes que suceden cada minuto dentro de tu cuerpo.

La radiación no ionizante es aquella que no tiene suficiente energía para tumbar electrones de otro átomo o que simplemente no interacuta con los electrones de esa manera; en esta se encuentra la radiación electromagnética, la luz visible, la luz ultravioleta y las ondas de radio; Estos tipos de radiación no alteran las condiciones químicas de los átomos y en bajos niveles pueden ser incluso benéficas; en las siguientes partes de esta serie profundizaré en el efecto que tienen en el cuerpo humano.

Hay que entender que los átomos más pesados como el Uranio expulsan de todos los tipos de radiaciones.


Ciclo del Uranio

El Uranio es un metal natural que se encuentra en la corteza terrestre, es casi 500 veces más común que el oro y casi tan común como el hierro*4. En las betas de Uranio normalmente se encuentran elementos más radioactivos que el Uranio mismo; esto debido a que el Uranio decae con el tiempo y pierde neutrones y protones y cuando pierde protones simplemente ya no es Uranio, estos productos derivados de la fisión natural del Uranio son extraídos también, aunque no son útiles para los reactores nucleares; estos desechos son tratados como los desechos de cualquier mina y son depositados en una zona aislada, normalmente una parte de la misma mina en desuso; cualquiera que viva en una ciudad minera como la mía (Guanajuato) está familiarizado con los depósitos de escombro de las minas.

Después de ser extraído, el Uranio se lleva al molino, donde se muele y refina para separarlo de otros minerales, normalmente por un medio químico de oxidación y tener Uranio puro (tan puro como es posible). El Oxido de Uranio, llamado normalmente "pastel amarillo".



Una vez separado la gran mayoría pasa por un proceso más que lo convierte  en Hexafloruro de Uranio, en esta forma se puede separar el Uranio-238 del Uranio-235 y luego enriquecer el uranio subiendo la concentración por gramo del Uranio-235 hasta un 5%. Originalmente el Uranio se enriquecía a través de un método químico, sin embargo una tecnología mucho más sencilla es la que se utiliza en la actualidad, y son las centrifugadoras que separan el isotopo más ligero (el Uranio-235) y se unen en cascada para juntar grandes cantidades de este isotopo.



Ya enriquecido el Uranio se deja que se sedimente y se somete a altas presiones para convertirlo en pequeñas tabletas de cerámica, estas tabletas son cilindros de aproximadamente 1 cm de diámetro 1.5 cm de alto; estas paletas son puestas en un contenedor resistente y enviadas al reactor, el combustible está listo para ser utilizado; no es la única forma en que se procesa el Uranio otros reactores los utilizan en forma de pequeñas esferas del tamaño de bolas de tenis, sin embargo estos son menos comunes, por ahora centrémonos en los reactores de cilindros.




Los cilindros de Uranio se meten en linea por largos tubos de una aleación rica en circonio, donde pasarán los próximos 18 y hasta 36 meses liberando su calor en una reacción estable; más adelante hablaré del funcionamiento del reactor, pero por ahora centrémonos en qué pasa con el Uranio y sus productos secundarios.




Con el paso del tiempo los productos de la fisión (entre ellos el plutonio) van subiendo en proporción hasta que ya no es práctico seguir utilizándolo y finalmente es removido del reactor y se deposita en contenedores herméticos; Los residuos radioactivos siguen emitiendo radiación y calor, así que los contenedores se colocan en piscinas de enfriamiento que se encuentran adyacentes al contenedor del reactor y ahí se enfriarán por los próximos meses o hasta años esperando el momento en que su temperatura baje lo suficiente como para que puedan ser transportados sin peligro de que derritan el contenedor.



Una vez enfriados pueden suceder dos cosas; o el desperdicio nuclear es llevado a un depósito geológico donde pasara los próximos cientos o miles de años enfriándose o se enviará a una planta de re-procesamiento para ser reingresado a un reactor; al salir del reactor, lo que llamamos desperdicio nuclear aún contiene un 96% de Uranio-238, y todo es reciclable, así que reutilizarlo tiene mucho sentido, el 4% restante está conformado por Plutonio que también se puede reincorporar al reactor y el resto son productos no utilizables que se pueden cristalizar y desechar en los depósitos geológicos; cada reactor produce aproximadamente unos 750 kg de este desperdicio al año.


En las plantas de re-procesamiento se combina con más Uranio-235 y un poco del Plutonio producido en el reactor (el plutonio es tan inestable que si alguna vez hubo en estado natural en el planeta debió decaer en otros elementos hace muchos años); a esta nueva mezcla de combustible se le llama MOX (mixed oxide), y puede ser utilizado en el mismo tipo de reactores.



Aunque existen acuerdos internacionales sobre cómo deben ser manejados los desperdicios nucleares (por ahora está prohibido tirarlos al mar o exportarlos) no todos los países cuentan con los depósitos geológicos donde deberían ser depositados los residuos, en Estados Unidos por ejemplo la mayoría del desperdicio nuclear se encuentra aún en las piscinas de enfriamiento esperando a que se solucionen los asuntos políticos que les impiden trasladarlos al depósito preparado para contenerlos.



Fin de la primera parte

Ahora que hemos visto los conceptos básicos para entender de donde viene y a dónde va el combustible nuclear podemos pasar a ver qué pasa en el corazón de un reactor, ver cuáles son los tipos de reactores que existen, examinar los accidentes nucleares que ha habido y en general ver los riesgos que la radiación implican al ser humano; la siguiente parte será un poco pesimista, así que si eres entusiasta de la energía nuclear no desesperes; Parte de lo que hace a la energía nuclear la más segura de la industria es que se entienden con profundidad los riesgos que implica manejarla.

Gracias por leer.



Referencias

*1- ¿qué son los isotopos? http://es.wikipedia.org/wiki/Is%C3%B3topo



2 comentarios:

Rafael Baralt dijo...

Un tema interesante Rafa. Estaré pendiente de leer tu posición final sobre el uso de la energía nuclear. Todo tiene sus pro y sus contra, en este caso las proporciones son descomunales. Muy bueno el recorrido desde lo más simple hasta lo complejo de este aspecto físico/químico del tema.

Un abrazo,

Rafael Baralt

Rafael Cuen dijo...

Muchas gracias tocayo, espero estar a la altura y no ser descuidado en mi análisis. Espero que las próximas publicaciones te parezcan tan interesantes como esta :)