Una pastilla de combustible nuclear mide ocho milímetros de diámetro por diez de alto, pesa 5,5 gramos y produce, a lo largo de sus cuatro o cinco años dentro de un reactor, 1740 kilovatios-hora eléctricos. La misma electricidad exige quemar 560 kilogramos de carbón. Ese factor cien mil es toda la razón de ser de la industria nuclear, y también la razón de que sus problemas sean distintos de los de cualquier otra fuente de energía: cuando el combustible es cien mil veces más concentrado, los residuos también lo son.
Dónde está el uranio, y por qué eso no es la pregunta
El uranio no es raro. Su abundancia en la corteza terrestre es de unos 2,7 partes por millón: cuarenta veces más que la plata, seiscientas veces más que el oro, y del mismo orden que el estaño. Está en el granito de cualquier montaña —eso es, exactamente, lo que produce el radón del módulo I.2— y en el agua del mar, donde hay 3,3 microgramos por litro.
Esos microgramos por litro suman, en los 1,3 mil millones de kilómetros cúbicos de océano, 4,4 mil millones de toneladas: setenta mil años del consumo mundial actual, que ronda las 60 000 toneladas anuales. Nadie extrae uranio del mar, porque a esa dilución cuesta muchísimo más de lo que vale. Y ahí está la lección que hay que llevarse antes de mirar ninguna cifra de reservas: lo que se agota no es el elemento, es la ley del mineral. Un yacimiento no es un sitio donde hay uranio; es un sitio donde hay bastante.
| Yacimiento o medio | Ley (U) | Mineral para 188 t de U |
|---|---|---|
| Cigar Lake (Canadá), el más rico del mundo | ≈ 15 % | 1300 t |
| Yacimiento de ley alta corriente | 2 % | 9400 t |
| Yacimiento de ley baja | 0,1 % | 188 000 t |
| Olympic Dam (Australia), subproducto del cobre | 0,02 % | 940 000 t |
| Granito corriente | 0,0004 % | 47 millones de t |
| Agua de mar | 3,3 × 10⁻⁷ % | 57 km³ de agua |
Los seis pasos, con las toneladas de cada uno
Todo lo que sigue está calculado para el mismo reactor patrón: 1000 MW eléctricos, 3000 térmicos, un factor de carga del 90 % y un grado de quemado de 45 gigavatios-día por tonelada, que es lo corriente hoy. Ese reactor produce 7,89 TWh al año.
| Paso | Qué sale | Cantidad al año |
|---|---|---|
| 1 · Minería | mineral | de 1300 a 940 000 t según la ley |
| 2 · Concentración | torta amarilla (U₃O₈) | 221 t |
| 3 · Conversión | hexafluoruro de uranio (UF₆) | 278 t, con 188 t de U |
| 4 · Enriquecimiento | UF₆ al 4,2 % + colas | 22 t de producto, 166 t de colas |
| 5 · Fabricación | pastillas de UO₂ en elementos | 25 t de UO₂ · 4,5 millones de pastillas |
| 6 · Descarga | combustible gastado | 22 t |
Las dos cifras que abren el módulo salen del cuarto paso. El balance de materia de una planta de enriquecimiento es aritmética de bachillerato: si de cada kilogramo de producto al 4,2 % salen colas al 0,25 % y la alimentación es uranio natural al 0,711 %,
Ocho kilos y medio de uranio natural por cada kilo de combustible. Para las 22 toneladas que se cargan al año hacen falta 188 toneladas, y las 166 que sobran salen por la otra puerta como uranio empobrecido — al 0,25 % de uranio-235, un tercio del natural. El mundo acumula del orden de 1,6 millones de toneladas de ese material, que no es un residuo radiactivo en sentido estricto pero tampoco es nada: es uranio, y es químicamente tóxico como cualquier metal pesado.
El enriquecimiento: la unidad más rara de la energía
Separar el uranio-235 del uranio-238 no es química: los dos son el mismo elemento y se comportan igual en cualquier reacción. Sólo se distinguen por la masa, y por el 1,3 % que se diferencian en ella. Todos los métodos que funcionan explotan esa diferencia diminuta sobre el gas hexafluoruro de uranio, que es la única molécula de uranio cómodamente volátil —sublima a 56 °C— y que además tiene una ventaja sutil: el flúor tiene un solo isótopo estable, así que toda la diferencia de masa entre las dos moléculas es la del uranio.
El trabajo de separación no se mide en energía ni en masa, sino en una unidad propia: la unidad de trabajo separativo, la UTS. Sale de una función de valor V(x) = (2x − 1)·ln[x/(1 − x)] que mide lo «ordenada» que está una mezcla, y el trabajo es lo que sube ese valor al separar:
Para el reactor patrón salen 6,25 UTS por kilogramo de combustible y 137 000 UTS al año. Y aquí está el número que cambió la industria: enriquecer una UTS cuesta unos 2400 kilovatios-hora por difusión gaseosa y unos 50 por centrifugación. Un factor 48.
Traducido: alimentar ese reactor durante un año costaba, con la tecnología de difusión de los años sesenta, 329 GWh — el 4,2 % de todo lo que el propio reactor produce. Con centrífugas cuesta 6,8 GWh, el 0,087 %. La difusión gaseosa ha desaparecido: la última planta occidental, Georges Besse en Francia, cerró en 2012, y la estadounidense de Paducah en 2013. No las cerró ninguna política ambiental; las cerró ese factor 48.
Problema. El módulo I.1 decía que entre el 5 % y el 90 % de enriquecimiento «hay un proceso industrial de separación isotópica entero». ¿Cuánto trabajo separativo hay ya hecho cuando se llega al 4,2 %?
Solución. Con la fórmula de arriba, y con las mismas colas al 0,25 % de todo el artículo —hay que usar la misma en las dos rutas o la comparación no significa nada—, fabricar un kilogramo de uranio al 90 % desde uranio natural cuesta 208 UTS y se lleva por delante 195 kilogramos de uranio natural. Ahora la misma cuenta en dos etapas. Un kilogramo al 90 % necesita 22,7 kg de material al 4,2 %, que costaron 22,7 × 6,25 = 142 UTS; la segunda etapa, del 4,2 % al 90 %, cuesta sólo 66 UTS más — y 142 + 66 son exactamente las 208 de la ruta directa.
Resultado. El 68 % del trabajo separativo está ya hecho cuando el uranio llega al 4,2 %. La frase del módulo I.1 es cierta en la práctica y engañosa en la física, y merece la versión exacta: lo que separa un combustible de un arma no es el trabajo de separación, que es la parte barata a partir de ahí; es (a) disponer de casi veintitrés kilos de combustible por cada kilo de material militar, (b) una cascada reconfigurada por completo —el número de etapas y el caudal de cada una dependen del enriquecimiento— y (c) hacerlo sin que el Organismo Internacional de la Energía Atómica, que precinta y contabiliza cada kilogramo, se entere. La segunda lección es de método y vale mucho más allá de esto: «queda poco trabajo» y «queda poco camino» no son la misma frase. Aquí la magnitud que se factura dice una cosa y la dificultad real dice otra, y quedarse con la que apoya lo que uno ya pensaba es el error más común al leer sobre proliferación.
La pastilla, el elemento y el quemado
El uranio enriquecido vuelve a óxido, se prensa y se sinteriza en pastillas cilíndricas de 8,2 mm de diámetro por 10 de alto, con una densidad de 10,4 g/cm³ —el 95 % de la teórica, y el 5 % de poros se deja a propósito para que quepan los gases de fisión—. Cada pastilla pesa 5,49 g, de los que 4,84 g son uranio. En el núcleo hay 18,6 millones.
Las pastillas se apilan en tubos de vaina de zircaloy de cuatro metros: una aleación de circonio elegida porque su sección eficaz de absorción es de sólo 0,18 barn —la del hierro es 2,6— y porque resiste el agua a 330 °C. Que ese mismo circonio reaccione violentamente con el vapor por encima de 1200 °C es la peor propiedad del diseño de todos los reactores de agua, y es el artículo siguiente. Unos 264 tubos forman un elemento combustible de sección cuadrada, y unos 157 a 193 elementos, el núcleo.
Lo que mide cuánto se ha aprovechado el combustible es el grado de quemado, en gigavatios-día térmicos por tonelada de metal pesado. Ha ido subiendo toda la historia de la industria —de unos 30 GWd/t en los años setenta a 45–60 hoy—, y subirlo es la mejora más rentable que existe: menos uranio, menos residuos y menos paradas de recarga por el mismo aparato.
Problema. Se repite en todos los folletos que una pastilla de combustible equivale a «una tonelada de carbón». ¿Es verdad?
Solución. Los 4,84 g de uranio de una pastilla, a 45 GWd/t, dan
y con un rendimiento del 33 %, 1740 kWh eléctricos. Un kilogramo de hulla tiene 29,3 MJ, que a un 38 % de rendimiento son 3,09 kWh eléctricos. Dividiendo: 563 kg de carbón.
Resultado. Media tonelada, no una: el folleto se pasa por un factor dos. Y la manera correcta de decirlo es que no hace falta exagerar. Media tonelada de carbón son unos cincuenta kilos de ceniza y 1,5 toneladas de dióxido de carbono a la atmósfera, y salen de un cilindro que cabe en la yema de un dedo. La segunda lección es más útil que la comparación: fíjate en de qué depende el resultado. Si el quemado sube de 45 a 60 GWd/t, la misma pastilla vale 750 kg de carbón; si se compara con carbón de peor calidad, más; si se compara energía térmica con energía térmica en vez de eléctrica con eléctrica, el número cambia otra vez. Una comparación energética sin sus tres hipótesis declaradas no significa nada, y ésa es la razón de que circulen cifras que se diferencian en un orden de magnitud para el mismo objeto.
Lo que sale: 22 toneladas, y qué son exactamente
Un elemento combustible sale del reactor tras cuatro o cinco años. Contra lo que sugiere la palabra «gastado», sigue siendo uranio en más del 93 %. La composición de un combustible de agua ligera descargado a 45 GWd/t, con las cantidades del reactor patrón:
| Componente | Fracción en masa | Al año | Qué es |
|---|---|---|---|
| Uranio | 93,4 % | 20 500 kg | al 0,8 % de ²³⁵U: más rico que el natural |
| Plutonio | 1,15 % | 252 kg | fabricado por el propio reactor; útil o peligroso, según |
| Actínidos menores | 0,14 % | 31 kg | neptunio, americio, curio: los que duran 10⁵ años |
| Productos de fisión | 5,31 % | 1164 kg | muy activos y de vida corta; a los 300 años, ya no |
Los 283 kilogramos de transuránidos —plutonio más actínidos menores— son exactamente los «unos 280 kg» que el módulo I.1 anunciaba sin desglosar. Y la primera fila esconde una ironía que conviene mirar: el uranio que sale de un reactor está al 0,8 % de uranio-235, más enriquecido que el uranio natural del que se partió. Reprocesarlo tiene sentido físico. Que lo tenga económico depende del precio del uranio, que lleva cuarenta años siendo demasiado bajo.
Sobre el reprocesado, dicho sin propaganda de ninguno de los dos bandos. Francia, Rusia y Japón separan el plutonio del combustible gastado y lo devuelven al reactor como MOX, óxido mixto de uranio y plutonio; La Hague trata del orden de 1000–1700 toneladas al año. Estados Unidos, Suecia, Finlandia, Canadá y España no reprocesan: van al ciclo abierto, en el que el combustible gastado es el residuo. Los argumentos a favor son que se aprovecha más uranio y se reduce el volumen de residuo de alta actividad; los argumentos en contra son que sale caro y que separar plutonio puro es, literalmente, el paso que la no proliferación intenta evitar. Ninguna de las dos vías está equivocada: son dos respuestas distintas a la pregunta de qué se prefiere minimizar.
Dónde acaba
Al salir del reactor, un elemento combustible produce todavía kilovatios de calor residual —el artículo anterior— y hay que meterlo en una piscina, donde pasa entre tres y cinco años. Después puede ir a un contenedor de acero y hormigón refrigerado sólo por el aire, en el propio emplazamiento. Ninguna de las dos cosas es una solución: son almacenamientos que necesitan que alguien siga vigilándolos.
La solución técnica que existe se llama almacenamiento geológico profundo y consiste en devolver el material a donde estaba, cuatrocientos o quinientos metros bajo tierra, en una formación geológicamente estable, dentro de contenedores diseñados para durar más que ninguna institución humana. En el mundo hay uno construido para combustible civil: Onkalo, en Olkiluoto (Finlandia), excavado en granito a 400–450 m, con capacidad para 6500 toneladas de uranio, con los residuos encapsulados en cobre y rodeados de arcilla de bentonita. Ha entrado en fase de pruebas en esta década.
El volumen del residuo, con las dos exageraciones desmontadas a la vez. El inventario mundial de combustible gastado en almacenamiento ronda las 400 000 toneladas de metal pesado. Como óxido, y a 10,4 g/cm³, eso son 43 600 metros cúbicos: un cubo de 35 metros de lado, o un campo de fútbol reglamentario con seis metros de profundidad. Es setenta años de toda la energía nuclear del planeta.
Ahora la otra mitad, que casi nunca se dice cuando se cita ese cubo. Ese volumen es el del óxido desnudo. El residuo real lleva vainas, rejillas, cabezales, contenedores de acero de veinte centímetros de pared y hormigón, y un almacén geológico necesita además separación entre galerías para evacuar el calor: el volumen que hay que excavar es entre diez y veinte veces mayor. Onkalo son decenas de kilómetros de túneles para 6500 toneladas. Las dos afirmaciones —«cabe en un campo de fútbol» y «hacen falta setenta kilómetros de túnel»— son ciertas y describen cosas distintas. La honesta es decir las dos: el problema de los residuos de alta actividad no es de volumen, es de plazo y de calor.
Ejercicios
Las colas de enriquecimiento salen al 0,25 % de uranio-235, cuando el uranio natural tiene 0,711 %. ¿Por qué no se apura más, hasta dejarlas al 0,05 %?
Solución
Porque hay una disyuntiva económica entre uranio y trabajo separativo, y el punto óptimo se mueve con los dos precios. Bajar las colas del 0,25 % al 0,10 % ahorra uranio natural —la alimentación por kilo de producto caería de 8,57 a 6,71 kg— pero exige más UTS, porque hay que exprimir una mezcla cada vez más pobre. Con el uranio barato conviene tirar colas ricas; con el uranio caro y las centrífugas baratas, conviene apurar. Las plantas ajustan ese tails assay literalmente por semanas, según el mercado. La segunda lección es la que importa: «desperdiciar» no es un concepto físico, sino la relación entre dos costes. Y hay un corolario histórico bonito: como hoy se enriquece con centrífugas baratísimas, se ha vuelto rentable volver a pasar por la planta las colas antiguas al 0,3 %, que se acumularon cuando el enriquecimiento era caro. Son minas de uranio que están en superficie, en bidones, ya extraídas.
Un reactor produce 252 kg de plutonio al año. ¿Por qué eso no convierte a cada central en una fábrica de armas?
Solución
Por la composición isotópica, que es lo que decide y casi nunca se menciona. El plutonio-239 se fabrica cuando el uranio-238 captura un neutrón, pero si se queda dentro del reactor sigue capturando más y se convierte en plutonio-240, 241 y 242. A 45 GWd/t, el plutonio de un combustible de agua ligera lleva más de un 20 % de plutonio-240, y el plutonio-240 tiene una tasa de fisión espontánea altísima: emite neutrones por su cuenta, sin que nadie se lo pida. En un arma de implosión eso significa que la reacción arranca antes de que el material esté comprimido del todo, y el artefacto se desmonta a sí mismo con una fracción minúscula de su rendimiento. Por eso el plutonio militar se produce en reactores dedicados con quemados bajísimos —de menos de 1 GWd/t, descargando el combustible cada pocas semanas—, y por eso una de las cosas que vigila el OIEA no es sólo cuánto plutonio hay, sino cada cuánto se recarga el reactor. La lección general: en física nuclear la pregunta «¿cuánto hay?» casi nunca basta; hay que preguntar además «¿de qué isótopo?».
Con los datos del artículo, ¿cuánta electricidad da un kilogramo de uranio natural? Compáralo con el carbón y di qué esconde esa comparación.
Solución
Los 7,89 TWh anuales entre las 188 toneladas de uranio natural dan 42 000 kWh por kilogramo: catorce años del consumo eléctrico de una vivienda española media. Frente a los 3,09 kWh de un kilo de hulla, un factor 13 600. Lo que esconde: primero, que el kilo de uranio natural es la comparación honesta y el kilo de combustible enriquecido es la comparación halagadora, porque da 360 000 kWh —116 000 veces el carbón— sin contar las otras 7,57 toneladas que hubo que mover para fabricarlo. Segundo, y más importante: el carbón se quema entero y el uranio no. De las 188 toneladas sólo se fisiona un 0,6 %; el resto acaba en las colas o en el combustible gastado. La segunda lección es que ese desperdicio es la oportunidad técnica del sector: un ciclo cerrado con reactores rápidos sacaría del mismo kilogramo de uranio natural sesenta veces más energía, y eso convertiría un recurso de siglos en uno de decenas de miles de años. La física está resuelta desde los años cincuenta; lo que no está resuelto es que salga a cuenta.