Estados Unidos tiene la mayor cantidad de centrales nucleares del mundo. Sin embargo, a pesar de esto, sigue siendo un tema divisivo que la gente parece aceptar o evitar en igual medida. No entraremos en este argumento aquí, pero lo que haremos será desglosar la ciencia relativamente simple detrás de los reactores nucleares, cómo funcionan y para qué se pueden utilizar.
Una buena forma de empezar es observando la que debe ser la ecuación más famosa del mundo: E=mc². Esta ecuación explica por qué los reactores nucleares pueden producir tanta energía con relativamente poco combustible. En esta ecuación, E denota energía, m denota masa y c denota la velocidad de la luz. Debido a que la velocidad de la luz al cuadrado es un número enorme, incluso una pequeña cantidad de masa contiene una enorme cantidad de energía. Los reactores nucleares aprovechan esa energía dividiendo los átomos y liberando la energía encerrada dentro de su masa.
Esa es la parte más simple de la ciencia (relativamente hablando). Sin embargo, liberar toda esa energía de una manera controlada y predecible es donde las cosas empiezan a complicarse. Discutiremos cómo funciona esto y cómo los diferentes tipos de reactores aprovechan esa energía con más detalle más adelante, pero básicamente, un reactor nuclear utiliza un proceso de reacción en cadena llamado fisión nuclear. Esto divide los átomos de las barras de combustible de un reactor y libera la energía almacenada en ellas, según la ecuación de Albert Einstein. La energía térmica liberada produce vapor que hace girar una turbina para generar electricidad y, en última instancia, podría cargar su teléfono.
Cómo funcionan los reactores nucleares
La misma física subyace a todos los reactores nucleares. Dentro del núcleo del reactor, las pastillas de combustible (principalmente uranio) están dispuestas en barras de combustible. La clave para liberar energía es la reacción en cadena de fisión; La fisión ocurre cuando partículas de neutrones subatómicos chocan con átomos de uranio. Cuando un neutrón impacta, divide el átomo en dos átomos más pequeños y también libera neutrones adicionales. A su vez, estos impactan sobre otros átomos de uranio, creando la reacción en cadena. Los detalles sobre lo que se produce cuando se divide un átomo pueden variar, pero una reacción típica podría dividir un átomo de uranio-235 en un núcleo de bario y criptón mientras se liberan dos o tres neutrones más.
Ahora bien, lo que no queremos en este momento es que esta reacción continúe sin control. Hay dos formas principales de controlar esto. La primera es mediante el uso de barras de control. Estos están hechos con un material que absorbe el exceso de neutrones y pueden usarse para acelerar, ralentizar o incluso detener la reacción dependiendo de la cantidad que esté expuesta al núcleo. Los materiales comunes utilizados incluyen el boro y la plata. El agua también actúa como moderador y refrigerante al eliminar el exceso de calor.
Estos fundamentos se aplican a todos los reactores nucleares; es la forma en que manejan el circuito de agua lo que define los dos tipos principales de reactores comerciales utilizados en los EE. UU., que cubriremos en detalle a continuación. Sin embargo, independientemente del tipo, una de las partes polémicas del proceso son los problemas asociados con el tratamiento de las barras de combustible gastado. Estos siguen siendo altamente radiactivos y almacenarlos de forma segura es uno de los mayores desafíos que enfrenta el sector.
Los diferentes tipos de reactores nucleares
Hay dos diseños principales de reactores comerciales: los reactores de agua a presión (PWR) y los reactores de agua en ebullición (BWR). La diferencia definitoria entre ellos radica en cómo manejan el agua dentro del reactor y el circuito de vapor.
Los más comunes son los PWR, que representan alrededor del 65% de los reactores comerciales de Estados Unidos. Como sugiere el nombre, en este tipo de reactor, el agua se mantiene a alta presión dentro de un circuito cerrado para evitar que hierva. El agua se calienta mediante la reacción nuclear y luego pasa por un intercambiador de calor. El intercambiador de calor transfiere el calor a un circuito de agua secundario, y el vapor de este circuito es lo que se utiliza para impulsar las turbinas y generar electricidad.
Los BWR también utilizan agua calentada para impulsar turbinas. Sin embargo, en lugar de dos “circuitos de agua” separados, los BWR bombean agua directamente al núcleo del reactor y utilizan un sistema de tuberías para alimentar el vapor del agua directamente a las turbinas. El vapor restante se condensa y se bombea de regreso al núcleo.
También vale la pena observar las diferencias entre estos y los tipos de reactores que alimentan los buques nucleares de la Marina de los EE. UU. Barcos como el USS Gerald R. Ford, el portaaviones más grande del mundo, utilizan PWR reducidos para obtener energía. Sin embargo, a diferencia de los reactores comerciales que utilizan uranio poco enriquecido (LEU), los portaaviones y submarinos utilizan uranio altamente enriquecido (HEU). Este último tiene una densidad energética mucho mayor que el UPE, lo que significa que los barcos estadounidenses de propulsión nuclear pueden pasar décadas sin repostar combustible. Entonces, aunque repostar combustible en un portaaviones de propulsión nuclear puede llevar años, es un proceso que normalmente ocurre sólo una vez en la vida operativa de un barco.
