La tecnología de los reactores nucleares y la tecnología nuclear se utilizan ampliamente en todo el mundo. Algunos usos son la producción de energía, la producción de isótopos y los generadores térmicos utilizados en las sondas espaciales.
Sin embargo, la tecnología nuclear tiene muchas características que la hacen peligrosa para los seres vivos, debido a la radiación que emite. Así, los múltiples retos que conlleva la tecnología y los reactores nucleares han hecho que la industria y la ciencia elaboren numerosos protocolos y medidas de seguridad para evitar las posibles amenazas y mitigar los impactos negativos.
Los peligros de la energía nuclear
En las tecnologías nucleares que utilizan isótopos radiactivos, la generación de residuos es uno de los principales retos a resolver. Si los residuos no se gestionan correctamente, pueden provocar contaminación nuclear en el entorno.
Otros problemas son la posibilidad de que se produzcan reacciones fuera de control en las centrales nucleares, como las de Chernóbil (URSS) y Three-mile Island (EEUU). Otro punto importante en la seguridad nuclear es el peligro de que otros creen armas nucleares (material fisible). Entendamos un poco más sobre estos peligros.
Contaminación nuclear
La tecnología y los reactores nucleares utilizan materiales que emiten radiación; se conocen bajo el nombre de combustible nuclear. La radiación es peligrosa para los seres vivos ya que puede ionizar átomos o moléculas y romper estructuras intracelulares como el ADN.
La ionización es un fenómeno por el cual las partículas de alta energía interactúan con un átomo y cambian su estado eléctrico. En consecuencia, desplazan electrones de sus órbitas y modifican sus propiedades físicas y químicas.
En la tecnología nuclear, cualquier elemento que emita radiación está blindado por una densa pared de material que bloquea la radiación. Sin embargo, la radiación puede escaparse y causar contaminación nuclear, si hay fallos en la estructura de contención o en el manejo de los materiales radiactivos.
Ejemplos de partículas que pueden causar la ionización son las partículas beta y alfa. Los rayos gamma son otra forma de radiación ionizante. Se trata de fotones de alta energía que, tras ser absorbidos por un átomo, dan a los electrones del átomo la energía suficiente para ser emitidos por este.
Residuos nucleares
Durante las reacciones nucleares, los isótopos pesados se convierten en elementos más ligeros, como en los reactores nucleares.
Los elementos más ligeros procedentes de las reacciones nucleares son, en algunos casos, también radiactivos y se denominan residuos.
Los residuos no pueden utilizarse y se almacenan hasta que su emisión de radiación decae lo suficiente como para no ser peligrosa. Los residuos nucleares también pueden proceder de la medicina nuclear, que utiliza isótopos radiados para el rastreo, las técnicas de imagen y la terapia del cáncer.
Un cierto grado de los residuos tiene una gran semivida y será radiactivo durante miles de años. Por otro lado, otros residuos de corta semivida son radiactivos sólo durante unos pocos años. Los residuos de vida corta, en este caso, pueden ser contenidos en tumbas cercanas a la superficie.
En países como Finlandia, Japón, Reino Unido y Estados Unidos se pueden encontrar instalaciones para este tipo de residuos. Los residuos con una descomposición más larga deben enviarse a instalaciones de almacenamiento geológico profundo. Si no se almacenan correctamente, los residuos pueden causar contaminación nuclear.
Reacciones nucleares fuera de control
Los reactores nucleares de las centrales eléctricas utilizan procesos de fisión para convertir energía térmica en electricidad. Las reacciones nucleares dependen del bombardeo de neutrones a otro elemento pesado (isótopo radiactivo) en el núcleo del reactor. El elemento pesado se rompe, tras absorber el neutrón, y crea dos elementos más ligeros. La reacción también libera partículas alfa (radiación alfa), y algunos neutrones libres con altas velocidades.
Los neutrones expulsados se frenan parcialmente para que otros átomos pesados puedan absorberlos y romperse. Los procesos de fisión aumentan el número de neutrones expulsados que interactúan con los otros elementos pesados; a su, vez crean una reacción en cadena que calienta el núcleo de la central. Al aumentar el calor y los neutrones expulsados, la reacción puede salirse de control.
Fig. 1: Arriba, un átomo de uranio-236 se rompe en dos elementos más ligeros (verde) y dos neutrones (rosa), que son absorbidos por átomos de uranio-235. El proceso convierte el uranio-235 en uranio-236, que se rompe de nuevo, lo que vuelve a iniciar la reacción.
En los reactores nucleares, el núcleo está formado por material fisible densamente empaquetado (combustible nuclear). En cuanto un isótopo se desprende y libera neutrones, estos iniciarán la reacción en cadena. Por ello, los reactores nucleares cuentan con barras de control cuya función es detener la reacción en cadena.
Las barras están hechas de materiales que pueden absorber los neutrones de la reacción nuclear sin entrar en fisión. Cuantos más neutrones absorben, menos hay disponibles para que se produzca la reacción nuclear. Las barras son tan eficaces que, si se dejan caer repentinamente en caso de emergencia, apagan el reactor por completo. A continuación se muestra una figura en la que se puede ver el caso de la caída repentina de las barras.
Fig. 2: "A" muestra el momento en el que las barras del reactor se retiran parcialmente para que el reactor pueda ganar potencia. "B" muestra el momento en que las barras se retiran repentinamente para que la reacción se ralentice.
Proliferación nuclear
Otro peligro consiste en que el material nuclear puede utilizarse para crear armas nucleares. Por eso, hay organizaciones encargadas de velar por el cumplimiento de la normativa y las revisiones de los reactores nucleares. Dentro de estas organizaciones, el Organismo Internacional de Energía Atómica y la Oficina de Asuntos de Desarme de las Naciones Unidas también disuaden del uso de material nuclear para fabricar armas nucleares. Estas organizaciones se encargan de detectar el mal uso de la tecnología nuclear, en cuyo caso aplican y promueven activamente los tratados para prohibir la proliferación nuclear.
Medidas de seguridad en las tecnologías nucleares
La energía y las tecnologías nucleares cuentan con elevadas normas de seguridad, desde la forma de construir los reactores y prevenir los accidentes nucleares, hasta la gestión de los residuos producidos por las diversas tecnologías que utilizan materiales radiactivos.
Precauciones para evitar un accidente nuclear
Los reactores nucleares tienen muchas medidas de seguridad para garantizar su correcto funcionamiento interno. A continuación, enumeramos algunas de ellas.
Barras de control: para reducir el número de neutrones en el núcleo, los reactores utilizan barras de control. Estas permiten disminuir la velocidad de la reacción nuclear, absorbiendo un elevado número de neutrones sin entrar en fisión.
Recarga a distancia: la recarga de material de los reactores debe hacerse a distancia. La recarga de los reactores puede variar, dependiendo de la planta y del diseño.
Contención estructural con una vida útil muy larga: los componentes estructurales de una central nuclear deben ser capaces de soportar la actividad sísmica y los fuertes impactos en el área exterior de la estructura. En el lado interno, el calor y la radiación degradan los materiales utilizados en la construcción del núcleo del reactor, por lo que en estos casos se utilizan materiales capaces de soportar estas condiciones durante periodos más largos que el ciclo de vida de la central.
Diversos sensores: como cámaras, sensores térmicos y sensores de radiación analizan la información recogida para informar adecuadamente a los operarios del reactor sobre su estado.
Muchos sistemas mecánicos y eléctricos se replican (duplicados o triplicados), para que el fallo de un componente no afecte a la planta.
Almacenamiento de residuos nucleares
El almacenamiento de residuos nucleares es una técnica utilizada para aislar los residuos. Los residuos nucleares pueden dividirse en residuos de baja actividad, residuos de alta actividad y residuos transuránicos —que son residuos capaces de emitir partículas alfa y que están compuestos por elementos más pesados que el uranio—.
Cada tipo de contención para cada tiempo de residuo es diferente y depende del tipo de radiación y del tiempo durante el cual el residuo será radiactivo.
Los residuos de baja actividad pueden colocarse, a veces, en lugares aislados bajo entierros poco profundos, hasta que pierdan su radiactividad.
Fig. 3: Cementerio nuclear de baja actividad en Clive, Utah.
Por otro lado, los residuos de alta actividad deben contenerse en enterramientos más profundos, conocidos como depósitos geológicos profundos. Los enterramientos pueden alcanzar hasta \(1\,\mathrm{km}\) de profundidad, en algunos casos. Estos enterramientos están diseñados para una contención de muy larga duración sin exigir de mantenimiento. Un ejemplo de estos sistemas es el que se está construyendo en Onkalo (Finlandia).
Los depósitos geológicos profundos se construyen en lugares geológicos con gran estabilidad, lo que garantiza que no sufrirán cambios geológicos que puedan causar fugas. Los materiales se empaquetan en un contenedor hermético que está sellado y blindado.
Aunque se siguen construyendo, los lugares donde se entierran los residuos de manera profunda siguen siendo objeto de investigación. Como el material nuclear puede crear altas temperaturas a grandes profundidades, el tipo de roca debe soportar las grandes temperaturas durante largos periodos de tiempo. El granito es uno de los principales candidatos, ya que es una roca resistente a la erosión que puede durar cientos de millones de años.
El futuro de la fisión
Las centrales nucleares actuales pueden denominarse centrales de tercera generación, pero, a pesar de ser modernas, sus medidas de seguridad actuales son mejorables. Las futuras centrales se clasifican como de cuarta generación. Sus diseños incorporan un proceso conocido como reprocesamiento.
El reprocesamiento es la capacidad de recuperar el combustible nuclear ya utilizado, lo que haría el proceso más eficiente. Sus defensores afirman que se reducen los residuos y que su vida útil será mucho menor.
Se han propuesto otros diseños de reactores con mayores medidas de seguridad, como los reactores de sal fundida —que, en teoría, podrían evitar accidentes nucleares— o los reactores de torio. En la actualidad, todavía se debate qué opción para el futuro reactor de fisión podría ser la más segura. Sin embargo, la tecnología, el diseño de la investigación y la inversión siguen en su búsqueda.
Aspectos de seguridad de reactores nucleares - Puntos clave
- La tecnología nuclear plantea muchos retos que requieren grandes medidas de seguridad. Algunos de ellos son el manejo de residuos nucleares, la contaminación nuclear, los controles de las reacciones nucleares y la no proliferación de armas nucleares.
- Los residuos nucleares pueden clasificarse en residuos de baja actividad, residuos de alta actividad y materiales transuránicos. El tipo de almacenamiento, la radiactividad y la vida útil dependen del tipo de residuo.
- Los residuos de alta actividad se almacenan en depósitos geológicos profundos que son geológicamente estables. La investigación de este tipo de instalaciones aún está en curso.
- Las barras de control son un método para reducir o, incluso, detener la reacción en el núcleo de un reactor nuclear. Absorben los neutrones responsables de la reacción en cadena, pero no atraviesan procesos de fisión.
- La construcción de los reactores nucleares debe resistir largos periodos sin degradarse.
- La proliferación nuclear es otro de los peligros de la tecnología nuclear. Para hacer frente a este problema, los países y organizaciones han firmado tratados para detener la creación de armas nucleares y para reducir su número.
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