La energía nuclear

La energía nuclear es el uso de reacciones nucleares para producir electricidad . La energía nuclear se puede obtener a partir de reacciones de fisión nuclear , desintegración nuclear y fusión nuclear . Actualmente, la gran mayoría de la electricidad procedente de la energía nuclear se produce mediante la fisión nuclear del uranio y el plutonio en las centrales nucleares . Los procesos de desintegración nuclear se utilizan en aplicaciones específicas 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 centro de la investigación internacional.

La central nuclear de 1200 MWe Leibstadt en Suiza. El reactor de agua en ebullición (BWR), ubicado dentro de la estructura cilíndrica cubierta con cúpula, se ve empequeñecido en tamaño por su torre de enfriamiento . La estación produce un promedio anual de 25 millones de kilovatios-hora por día, suficiente para alimentar una ciudad del tamaño de Boston . [1]

La energía nuclear civil suministró 2.586 teravatios hora (TWh) de electricidad en 2019, equivalente a aproximadamente el 10% de la generación de electricidad mundial , y fue la segunda fuente de energía baja en carbono más grande después de la hidroelectricidad . En enero de 2021, hay 442 reactores de fisión civiles en el mundo , con una capacidad eléctrica combinada de 392 gigavatios (GW). También hay 53 reactores nucleares en construcción y 98 reactores previstos, con una capacidad combinada de 60 GW y 103 GW, respectivamente. Estados Unidos tiene la flota más grande de reactores nucleares, que genera más de 800 TWh de electricidad sin emisiones al año con un factor de capacidad promedio del 92%. La mayoría de los reactores en construcción son reactores de generación III en Asia.

La energía nuclear tiene 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 . Desde su comercialización en la década de 1970, la energía nuclear ha evitado alrededor de 1,84 millones de muertes relacionadas con la contaminación del aire y la emisión de alrededor de 64 mil millones de toneladas de dióxido de carbono equivalente que de otro modo habrían resultado de la quema de combustibles fósiles . Los accidentes en las plantas de energía nuclear incluyen el desastre de Chernobyl en la Unión Soviética en 1986, el desastre nuclear de Fukushima Daiichi en Japón en 2011, y el accidente más contenido de Three Mile Island en los Estados Unidos en 1979.

Hay un debate sobre la energía nuclear . Los defensores, como la Asociación Nuclear Mundial y los Ecologistas por la Energía Nuclear , sostienen que la energía nuclear es una fuente de energía segura y sostenible que reduce las emisiones de carbono . Los opositores a la energía nuclear , como Greenpeace y NIRS , sostienen que la energía nuclear plantea muchas amenazas para las personas y el medio ambiente.

Orígenes

Las primeras bombillas iluminadas con electricidad generada por energía nuclear en EBR-1 en el Laboratorio Nacional Argonne- Oeste, 20 de diciembre de 1951. [2]

El descubrimiento de la fisión nuclear se produjo en 1938, tras más de cuatro décadas de trabajo sobre 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 comprendió que un núcleo en fisión puede inducir más fisiones en el núcleo, induciendo así una reacción en cadena autosostenida. [3] Una vez que esto se confirmó experimentalmente en 1939, los científicos de muchos países solicitaron a sus gobiernos el apoyo de la investigación de la fisión nuclear, justo en la cúspide de la Segunda Guerra Mundial , para el desarrollo de un arma nuclear . [4]

En los Estados Unidos, estos esfuerzos de investigación llevaron a la creación del primer reactor nuclear artificial, el Chicago Pile-1 , que alcanzó la criticidad el 2 de diciembre de 1942. El desarrollo del reactor fue parte del Proyecto Manhattan , el esfuerzo de los Aliados 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 los bombardeos atómicos de Hiroshima y Nagasaki tuvieron lugar un mes después.

La ceremonia de botadura del USS  Nautilus en enero de 1954. En 1958 se convertiría en el primer buque en llegar al Polo Norte . [5]
La central nuclear de Calder Hall en el Reino Unido, la primera central nuclear comercial del mundo.

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. [6] 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 . [7] [8] En 1953, el presidente estadounidense Dwight Eisenhower pronunció su discurso " Átomos para la paz " en las Naciones Unidas, enfatizando la necesidad de desarrollar usos "pacíficos" 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 Armada de los Estados Unidos , con el reactor S1W con el propósito de propulsar submarinos y portaaviones . El primer submarino de propulsión nuclear, USS  Nautilus , se hizo a la mar en enero de 1954. [9] [10] El reactor S1W era un reactor de agua presurizada . Se eligió este diseño porque era más simple, más compacto y más fácil de operar en comparación con diseños alternativos, por lo que era más adecuado para su uso en submarinos. Esta decisión daría como resultado que el PWR sea el reactor de elección también para la generación de energía, lo que tendrá un impacto duradero en el mercado eléctrico civil en los próximos años. [11]

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. [12] 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 planta tenía el doble propósito de producir electricidad y plutonio-239 , este último para el naciente programa de armas nucleares en Gran Bretaña . [13]

El primer accidente importante en un reactor nuclear ocurrió en 1961 en el SL-1 , un reactor de energía nuclear experimental del Ejército de Estados Unidos 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 un colapso . [14] [15] 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. resultando en 9 tripulantes muertos y 83 heridos. [dieciséis]

Expansión y primera oposición

La capacidad nuclear instalada mundial total aumentó inicialmente con relativa rapidez, pasando de menos de 1 gigavatio (GW) en 1960 a 100 GW a fines de la década de 1970. [9] Durante las décadas de 1970 y 1980, los crecientes costos económicos (relacionados con tiempos de construcción extendidos debido en gran parte a cambios regulatorios y litigios de grupos de presión) [17] y la caída de los precios de los combustibles fósiles hicieron que las plantas de energía nuclear que estaban en construcción fueran menos atractivas. En la década de 1980 en los EE. UU. Y en la de 1990 en Europa, el crecimiento de la red eléctrica plana y la liberalización de la electricidad también hicieron que la adición de grandes generadores de energía de carga base nuevos fuera económicamente poco 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 eléctrica para invertir en energía nuclear. [18] Francia construiría 25 plantas de energía nuclear durante los próximos 15 años, [19] [20] y, a partir de 2019, el 71% de la electricidad francesa fue generada por energía nuclear, el porcentaje más alto de cualquier nación en el mundo. [21]

Alguna oposición local a la energía nuclear surgió en los Estados Unidos a principios de la década de 1960. [22] A finales de la década de 1960, algunos miembros de la comunidad científica comenzaron a expresar preocupaciones puntuales. [23] Estos anti-nucleares preocupaciones relacionadas con accidentes nucleares , la proliferación nuclear , el terrorismo nuclear y la eliminación de desechos radiactivos . [24] A principios de la década de 1970, hubo grandes protestas sobre una planta de energía nuclear propuesta 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. [25] [26]

A mediados de la década de 1970 , el activismo antinuclear ganó un mayor atractivo e influencia, y la energía nuclear comenzó a convertirse en un tema de gran protesta pública. [27] [28] En algunos países, el conflicto de la energía nuclear "alcanzó una intensidad sin precedentes en la historia de las controversias tecnológicas". [29] [30] El aumento de la hostilidad pública hacia la energía nucleoeléctrica llevó a un proceso de obtención de licencias más largo, regulaciones y mayores requisitos para el equipo de seguridad, lo que encareció mucho más las nuevas construcciones. [31] [32] En los Estados Unidos, más de 120 propuestas de reactores LWR fueron finalmente canceladas [33] y la construcción de nuevos reactores se paralizó. [34] El accidente de 1979 en Three Mile Island sin víctimas mortales, jugó un papel importante en la reducción del número de nuevas construcciones de plantas en muchos países. [23]

Chernobyl y renacimiento

La ciudad de Pripyat abandonada desde 1986, con la planta de Chernobyl y el arco del Nuevo Confinamiento Seguro de Chernobyl en la distancia.
Olkiluoto 3 en construcción en 2009. Fue el primer EPR , un diseño PWR modernizado, en comenzar la construcción.

Durante la década de 1980, se puso en marcha un nuevo reactor nuclear cada 17 días en promedio. [35] A finales de la década, la capacidad nuclear instalada mundial alcanzó los 300 GW. Desde finales de la década de 1980, las nuevas adiciones de capacidad se desaceleraron 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 reglamentación. [36] Se considera el peor desastre nuclear de la historia tanto en víctimas totales, con 56 muertes directas, como financieramente, con la limpieza y el costo estimado en 18 mil millones de rublos soviéticos (68 mil millones de dólares en 2019, ajustado por inflación). [37] [38] La organización internacional para promover la conciencia de seguridad y el desarrollo profesional de los operadores en instalaciones nucleares, la Asociación Mundial de Operadores Nucleares (WANO), fue creada como resultado directo del accidente de Chernobyl de 1986. El desastre de Chernobyl jugó un papel importante en la reducción del número de nuevas construcciones de plantas en los años siguientes. [23] 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. [39] Durante este período, los reactores más nuevos de la generación III , como el EPR, comenzaron a construirse, aunque encontraron problemas y retrasos, y superaron significativamente el presupuesto. [40]

  • Generación eléctrica neta por fuente y crecimiento de 1980 a 2010. (Brown) - combustibles fósiles. (Rojo) - Fisión. (Verde) - "todas las energías renovables". En términos de energía generada entre 1980 y 2010, la contribución de la fisión creció más rápidamente.

  • La producción de electricidad en Francia , que muestra el cambio a la energía nuclear.
      termofósil
      hidroeléctrico
      nuclear
      Otras renovables

  • La tasa de construcción de nuevos reactores se detuvo esencialmente a fines de la década 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 cinco principales países productores de energía de fisión (datos de la EIA de EE. UU.)

Fukushima y las perspectivas actuales

Generación de energía nuclear (TWh) y reactores nucleares en funcionamiento desde 1997 [41]

Los planes para un renacimiento nuclear terminaron con otro accidente nuclear. [42] [39] El accidente nuclear de Fukushima Daiichi en 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 de Fukushima Daiichi sufrió tres derrumbes debido a la falla del 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 política de seguridad nuclear y energía nuclear en muchos países. [43] Alemania aprobó planes para cerrar todos sus reactores para 2022, y muchos otros países revisaron sus programas de energía nuclear. [44] [45] [46] [47] Después del desastre, Japón cerró todos sus reactores de energía nuclear, algunos de ellos permanentemente, y en 2015 comenzó un proceso gradual para reiniciar los 40 reactores restantes, luego de controles de seguridad y basados ​​en sobre criterios revisados ​​para operaciones y aprobación pública. [48]

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. [49] A partir de 2015, la tendencia mundial era que las nuevas centrales nucleares que entraran en funcionamiento se equilibraran con el número de centrales antiguas que se retiraban. [50] En 2016, la Administración de Información Energética de EE. UU. Proyectó para su "caso base" que la generación mundial de energía nuclear aumentaría de 2.344 teravatios hora (TWh) en 2012 a 4.500 TWh en 2040. Se esperaba que la mayor parte del aumento previsto se produjera en Asia. [51] En 2018, hay más de 150 reactores nucleares planificados, incluidos 50 en construcción. [52] 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. [53]

"> Reproducir medios
Una animación de un reactor de agua a presión en funcionamiento.
Número de reactores civiles de generación de electricidad por tipo en 2014. [54]
  PWR  BWR  GCR  PHWR  LWGR  FBR

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 enfriamiento, 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. [55]

Cuando un neutrón golpea el núcleo de un átomo de uranio-235 o plutonio , puede dividir el núcleo en dos núcleos más pequeños. La reacción se llama fisión nuclear. La reacción de fisión libera energía y neutrones. Los neutrones liberados pueden golpear otros núcleos de uranio o plutonio, provocando nuevas reacciones de fisión, que liberan más energía y más neutrones. A esto se le llama reacción en cadena . En la mayoría de los reactores comerciales, la velocidad de reacción se controla mediante barras de control que absorben el exceso de neutrones. La controlabilidad de los reactores nucleares depende del hecho de que se retrasa 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. [55] [56]

El ciclo del combustible nuclear comienza cuando el uranio se extrae, se enriquece y se convierte en combustible nuclear (1), que se entrega a una planta de energía nuclear . Después de su uso, el combustible gastado se entrega a una planta de reprocesamiento (2) o a un depósito final (3). En el reprocesamiento nuclear, el 95% del combustible gastado se puede reciclar para volver a utilizarlo en una central eléctrica (4).

El ciclo de vida del combustible nuclear comienza con la extracción de uranio . El mineral de uranio se convierte luego en una forma de concentrado de mineral compacto , conocido como torta amarilla (U 3 O 8 ), para facilitar el transporte. [57] Los reactores de fisión generalmente necesitan uranio-235 , un isótopo fisionable del 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 . [57] En los reactores civiles de agua ligera, el uranio se enriquece típicamente a un 3,5-5% de uranio-235. [58] El uranio generalmente se convierte en óxido de uranio (UO 2 ), una cerámica, que luego se sinteriza por compresión en gránulos de combustible, una pila de los cuales forma barras de combustible de la composición y geometría adecuadas para el reactor en particular. [58]

Después de algún tiempo en el reactor, el combustible habrá reducido el material fisionable y habrá aumentado los productos de fisión, hasta que su uso se vuelva impracticable. [58] En este punto, el combustible gastado se trasladará a una piscina de combustible gastado que proporciona refrigeración para el calor térmico y protección para la radiación ionizante. Después de varios meses o años, el combustible gastado está radiactiva y térmicamente lo suficientemente frío como para trasladarlo a toneles de almacenamiento secos o reprocesarlo. [58]

Recursos de uranio

Proporciones de los isótopos uranio-238 (azul) y uranio-235 (rojo) que se encuentran en el uranio natural y en el uranio enriquecido para diferentes aplicaciones. Los reactores de agua ligera utilizan uranio enriquecido al 3-5%, mientras que los reactores CANDU funcionan con uranio natural.

El uranio es un elemento bastante común en la corteza terrestre: es aproximadamente tan común como el estaño o el germanio , y es aproximadamente 40 veces más común que la plata . [59] El uranio está presente en concentraciones mínimas en la mayoría de las rocas, la suciedad y el agua del océano, pero generalmente se extrae económicamente solo cuando está presente en concentraciones elevadas. La extracción de uranio puede ser una extracción por lixiviación subterránea, a cielo abierto o 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. En 2011, los recursos de uranio conocidos en el mundo, económicamente recuperables al precio máximo arbitrario de 130 dólares EE.UU. / kg, eran suficientes para durar entre 70 y 100 años. [60] [61] [62] 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. [63]

Los reactores de agua ligera hacen un uso relativamente ineficiente del combustible nuclear, principalmente utilizando sólo el isótopo uranio-235 muy raro. [64] 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. [64] Con un ciclo de combustible de reactor rápido puro con una combustión de todo el uranio y los actínidos (que actualmente constituyen las sustancias más peligrosas en los desechos nucleares), se estima que hay 160.000 años de uranio en recursos convencionales totales y mineral de fosfato. al precio de 60 a 100 dólares EE.UU. / kg. [sesenta y cinco]

También existen recursos de uranio no convencionales. El uranio está presente de forma natural en el agua de mar en una concentración de aproximadamente 3 microgramos por litro, [66] [67] [68] y se considera que 4,4 mil millones de toneladas de uranio están presentes en el agua de mar en cualquier momento. [69] 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. [70] En escalas de tiempo geológicas, el uranio extraído a escala industrial del agua de mar se repondría tanto por la erosión de las rocas por el río como por el proceso natural del uranio disuelto de la superficie del fondo del océano, los cuales mantienen los equilibrios de solubilidad de la concentración de agua de mar. a un nivel estable. [69] Algunos comentaristas han argumentado que esto refuerza el caso de que la energía nuclear se considere una energía renovable . [71]

Desperdicios nucleares

Composición típica del combustible de dióxido de uranio antes y después de aproximadamente 3 años en el ciclo de combustible nuclear de un solo ciclo de un LWR . [72]

El funcionamiento normal de las plantas e instalaciones de energía nuclear produce desechos radiactivos o desechos nucleares. Este tipo de residuos también se produce durante el desmantelamiento de la planta. Hay dos grandes categorías de desechos nucleares: desechos de baja actividad y desechos de alta actividad. [73] El primero tiene baja radiactividad e incluye artículos contaminados como ropa, que presenta una amenaza limitada. Los desechos de alta actividad son principalmente el combustible gastado de los reactores nucleares, que es muy radiactivo y debe enfriarse y luego eliminarse o reprocesarse de manera segura. [73]

Residuos de actividad alta

Actividad del combustible UOx gastado en comparación con la actividad del mineral de uranio natural a lo largo del tiempo. [74] [72]
Recipientes de almacenamiento de barriles secos que almacenan conjuntos de combustible nuclear gastado

La corriente de desechos más importante de los reactores de energía nuclear es el combustible nuclear gastado , que se considera desechos de alta actividad . 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 ). [75] El plutonio y otros transuránicos son responsables de la mayor parte de la radiactividad a largo plazo, mientras que los productos de fisión son responsables de la mayor parte de la radiactividad a corto plazo. [76]

Los residuos de alta actividad requieren tratamiento, gestión y aislamiento del medio ambiente. Estas operaciones presentan desafíos considerables debido a los períodos extremadamente largos que estos materiales siguen siendo potencialmente peligrosos para los organismos vivos. Esto se debe a los productos de fisión de larga duración (LLFP), como el tecnecio-99 (vida media 220.000 años) y el yodo-129 (vida media 15,7 millones de años). [77] Las LLFP dominan la corriente de desechos en términos de radiactividad, después de que los productos de fisión de vida corta (SLFP) , más intensamente radiactivos, se hayan desintegrado en elementos estables, lo que lleva aproximadamente 300 años. [72] Después de unos 500 años, los desechos se vuelven menos radiactivos que el mineral de uranio natural. [78] Los métodos comúnmente sugeridos para aislar los desechos de LLFP de la biosfera incluyen la separación y transmutación , [72] tratamientos de sincronización o almacenamiento geológico profundo. [79] [80] [81] [82]

Los reactores de neutrones térmicos , que actualmente constituyen la mayor parte de la flota mundial, no pueden quemar el plutonio de grado de reactor que se genera durante la operación del reactor. Esto limita la vida útil del combustible nuclear a unos pocos años. En algunos países, como Estados Unidos, el combustible gastado se clasifica en su totalidad como residuo nuclear. [83] En otros países, como Francia, se reprocesa en gran medida para producir un combustible parcialmente reciclado, conocido como combustible de óxidos mixtos o MOX . En el caso del combustible gastado que no se somete a reprocesamiento, los isótopos más preocupantes son los elementos transuránicos de vida media , que están dirigidos por el plutonio apto para reactores (vida media de 24.000 años). [84] 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 en el combustible gastado de los reactores de agua ligera, gracias a su espectro de fisión rápida . Esto ofrece una alternativa potencialmente más atractiva a la eliminación geológica profunda. [85] [86] [87]

El ciclo del combustible de 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 es más difícil de manipular que el combustible de uranio gastado, puede presentar riesgos de proliferación algo menores. [88]

Residuos de baja actividad

La industria nuclear también produce un gran volumen de desechos de baja actividad , con baja radiactividad, en forma de artículos contaminados como ropa, herramientas de mano, resinas purificadoras de agua y (al desmantelar) los materiales con los que se construye el reactor. Los desechos de baja actividad se pueden almacenar en el lugar 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 baja actividad. [89]

Residuos en relación con otros tipos

En los 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 largos períodos. [64] En general, la energía nuclear produce mucho menos material de desecho en volumen que las centrales eléctricas basadas en combustibles fósiles. [90] Las plantas de combustión de carbón, en particular, producen grandes cantidades de cenizas tóxicas y levemente radiactivas como resultado de la concentración de materiales radiactivos naturales en el carbón. [91] 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 energía nuclear, y que la dosis equivalente efectiva de la población de la radiación de las plantas de carbón es 100 veces mayor que la de la operación de plantas nucleares. [92] Aunque las cenizas de carbón son mucho menos radiactivas que el combustible nuclear gastado en 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 utilizan blindajes para proteger el medio ambiente de los materiales radiactivos. [93]

El volumen de residuos nucleares es pequeño en comparación con la energía producida. Por ejemplo, en la central nuclear de Yankee Rowe , que generó 44 mil millones de kilovatios hora de electricidad cuando estuvo en servicio, su inventario completo de combustible gastado está contenido en dieciséis barriles. [94] Se estima que para producir un suministro de energía de por vida para una persona con un estándar de vida occidental (aproximadamente 3 GWh ) se requeriría del orden del volumen de una lata de refresco de uranio poco enriquecido , lo que da como resultado un volumen similar de combustible gastado generado. [95] [96] [97]

Deposito de basura

Storage of radioactive waste at WIPP
Los frascos de desechos nucleares generados por los Estados Unidos durante la Guerra Fría se almacenan bajo tierra en la Planta Piloto de Aislamiento de Desechos (WIPP) en Nuevo México . La instalación se considera una demostración potencial para almacenar combustible gastado de reactores civiles.

Después del almacenamiento provisional en una piscina de combustible gastado , los haces de conjuntos de barras de combustible usadas de una central nuclear típica se almacenan a menudo en el lugar en recipientes de almacenamiento de barriles secos . [98] Actualmente, los desechos se almacenan principalmente en sitios de reactores individuales y hay más de 430 ubicaciones en todo el mundo donde el material radiactivo continúa acumulándose.

La eliminación de desechos nucleares a menudo se considera el aspecto políticamente más divisivo en el ciclo de vida de una instalación de energía nuclear. [99] 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". [100] [101] Los expertos sugieren que los repositorios subterráneos centralizados que estén bien administrados, vigilados y monitoreados serían una gran mejora. [99] Existe un "consenso internacional sobre la conveniencia de almacenar los desechos nucleares en depósitos geológicos profundos ". [102] Con el advenimiento de nuevas tecnologías, se han propuesto otros métodos que incluyen la disposición horizontal de sondajes en áreas geológicamente inactivas. [103] [104]

La mayoría de los envases de residuos, la química de reciclaje de combustible experimental a pequeña escala y el refinamiento de radiofármacos se llevan a cabo dentro de celdas calientes manipuladas a distancia .

No existen depósitos subterráneos de residuos de alta actividad a escala comercial en funcionamiento. [102] [105] [106] Sin embargo, en Finlandia, el depósito de combustible nuclear gastado de Onkalo de la central nuclear de Olkiluoto se está construyendo en 2015. [107]

Reprocesamiento

La mayoría de los reactores de neutrones térmicos funcionan con un ciclo de combustible nuclear de un solo paso , 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 el reactor más común 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 alta actividad. [108] Generalmente, 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 el potencial energético total del uranio original. [109] [110]

El principal componente del combustible gastado de los LWR es el uranio ligeramente enriquecido . Esto se puede reciclar en uranio reprocesado (RepU), que se puede utilizar en un reactor rápido, se puede utilizar directamente como combustible en los reactores CANDU o se puede volver a enriquecer para otro ciclo mediante un LWR. El reenriquecimiento del uranio reprocesado es común en Francia y Rusia. [111] El uranio reprocesado también es más seguro en términos de potencial de proliferación nuclear. [112] [113] [114]

El reprocesamiento tiene el potencial de recuperar hasta el 95% del combustible de uranio y plutonio en el combustible nuclear gastado, así como reducir la radiactividad a largo plazo dentro de los desechos restantes. Sin embargo, el reprocesamiento ha sido políticamente controvertido debido al potencial de proliferación nuclear y las diversas percepciones de aumentar la vulnerabilidad al terrorismo nuclear . [109] [115] El reprocesamiento también conduce a un mayor costo de combustible en comparación con el ciclo de combustible de un solo paso. [109] [115] Si bien el reprocesamiento reduce el volumen de desechos de actividad alta, no reduce los productos de fisión que son las principales causas de generación de calor residual y radiactividad durante los primeros siglos fuera del reactor. Por lo tanto, los residuos reprocesados ​​todavía requieren un tratamiento casi idéntico durante los primeros cientos de años.

El reprocesamiento de combustible civil de reactores de potencia se realiza actualmente en Francia, el Reino Unido, Rusia, Japón e India. En los Estados Unidos, el combustible nuclear gastado actualmente no se reprocesa. [111] El La Haya el reprocesamiento de las instalaciones en Francia ha operado comercialmente desde 1976 y es responsable de la mitad de reprocesamiento del mundo a partir de 2010. [116] Se produce combustible MOX del combustible gastado procedente de varios países. En 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. [117]

Cría

Los conjuntos de combustible nuclear están siendo inspeccionados antes de ingresar a un reactor de agua a presión en los Estados Unidos.

La cría es el proceso de convertir material no fisible en material fisible que se puede utilizar como combustible nuclear. El material no fisible 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. Varios ciclos del combustible y combinaciones de reactores reproductores se consideran fuentes de energía sostenibles o renovables. [118] [119] En 2006 se estimó que con la extracción de agua de mar, había probablemente cinco mil millones de años de recursos de uranio para su uso en reactores reproductores. [120]

La tecnología de reproducción 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 200 dólares EE.UU. / kg antes de justificarse económicamente. [121] Sin embargo, los reactores reproductores se están desarrollando por su potencial para quemar todos los actínidos (los componentes más activos y peligrosos) en el inventario actual de desechos nucleares, mientras que también producen energía y crean cantidades adicionales de combustible para más reactores a través del proceso de cría. [122] [123] A partir de 2017, hay dos reproductores que producen energía comercial, el reactor BN-600 y el reactor BN-800 , ambos en Rusia. [124] El reactor reproductor Phénix en Francia se apagó en 2009 después de 36 años de funcionamiento. [124] Tanto China como la India están construyendo reactores reproductores. El prototipo de reactor reproductor rápido indio de 500 MWe está en la fase de puesta en servicio, [125] con planes para construir más. [126]

Otra alternativa a los reproductores de neutrones rápidos son los reactores reproductores de neutrones térmicos que utilizan uranio-233 obtenido de torio como combustible de fisión en el ciclo del combustible de torio . [127] El torio es aproximadamente 3,5 veces más común que el uranio en la corteza terrestre y tiene diferentes características geográficas. [127] El programa de energía nuclear de tres etapas de la India incluye el uso de un ciclo de combustible de torio en la tercera etapa, ya que tiene abundantes reservas de torio pero poco uranio. [127]

El desmantelamiento nuclear es el proceso de desmantelamiento de una instalación nuclear hasta el punto de que ya no requiere medidas de protección radiológica [128], devolviendo la instalación y sus partes a un nivel lo suficientemente seguro como para ser confiada para otros usos. [129] Debido a la presencia de materiales radiactivos, el desmantelamiento nuclear presenta desafíos técnicos y económicos. [130] 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. [131]

Proporción de la producción de electricidad procedente de la energía nuclear, 2015 [132]

Generación mundial de electricidad por fuente en 2018. La generación total fue de 26,7 PWh . [133]

  Carbón (38%)
  Gas natural (23%)
  Hidro (16%)
  Nuclear (10%)
  Viento (5%)
  Aceite (3%)
  Solar (2%)
  Biocombustibles (2%)
  Otro (1%)

La energía nuclear civil suministró 2.586 teravatios hora (TWh) de electricidad en 2019, equivalente a aproximadamente el 10% de la generación de electricidad mundial , y fue la segunda fuente de energía baja en carbono más grande después de la hidroelectricidad . [41] [134] Dado que la electricidad representa aproximadamente el 25% del consumo mundial de energía , la contribución de la energía nuclear a la energía mundial fue de aproximadamente el 2,5% en 2011. [135] Esto es un poco más que la producción mundial combinada de electricidad a partir de energía eólica, solar, biomasa y energía geotérmica, que juntas proporcionaron el 2% del consumo mundial de energía final en 2014. [136] 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 nuclear se ha vuelto más difícil. [137]

A partir de enero de 2021,Hay 442 reactores de fisión civiles en el mundo , con una capacidad eléctrica combinada de 392 gigavatios (GW). También hay 53 reactores nucleares en construcción y 98 reactores previstos, con una capacidad combinada de 60 GW y 103 GW, respectivamente. [138] Estados Unidos tiene la mayor flota de reactores nucleares, que genera más de 800 TWh al año con un factor de capacidad medio del 92%. [139] La mayoría de los reactores en construcción son reactores de generación III en Asia. [140]

Las diferencias regionales en el uso de la energía nucleoeléctrica son grandes. Estados Unidos produce la mayor cantidad de energía nuclear del mundo, y la energía nuclear proporciona el 20% de la electricidad que consume, mientras que Francia produce el mayor porcentaje de su energía eléctrica a partir de reactores nucleares: 71% en 2019. [21] En la Unión Europea , la energía nuclear proporciona el 26% de la electricidad en 2018. [141] La energía nuclear es la mayor fuente de electricidad con bajas emisiones de carbono en los Estados Unidos, [142] y representa dos tercios de las emisiones de bajas emisiones de carbono de la Unión Europea . electricidad. [143] 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, propulsados ​​por unos 180 reactores. [144] [145] Estos incluyen barcos militares y algunos civiles, como rompehielos de propulsión nuclear . [146]

Continúan las investigaciones internacionales sobre usos adicionales del calor de proceso, como la producción de hidrógeno (en apoyo de la economía del hidrógeno ), para desalinizar agua de mar y para su uso en sistemas de calefacción urbana . [147]

La planta de energía nuclear de Ikata , un reactor de agua a presión que se enfría mediante la utilización de un intercambiador de calor de refrigerante secundario con una gran masa de agua, un enfoque de enfriamiento alternativo a las grandes torres de enfriamiento .

La economía de las nuevas centrales nucleares es un tema controvertido, ya que existen opiniones divergentes sobre este tema, y ​​las inversiones multimillonarias dependen de la elección de una fuente de energía. Las plantas de energía nuclear suelen tener altos costos de capital para construir la planta, pero bajos costos de combustible. 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 de capital para las centrales nucleares. El alto costo de construcción es uno de los mayores desafíos para las centrales nucleares. Se estima que una nueva planta de 1.100 MW costará entre $ 6 mil millones y $ 9 mil millones. [148] Las tendencias de los costos de la energía nuclear muestran una gran disparidad según la nación, el diseño, la tasa de construcción y el establecimiento de familiaridad en la experiencia. Las únicas dos naciones para las que se dispone de datos que vieron disminuciones de costos en la década de 2000 fueron India y Corea del Sur. [149]

El análisis de la economía de la energía nucleoeléctrica también debe tener en cuenta quién corre con los riesgos de futuras incertidumbres. A partir de 2010, todas las plantas de energía nuclear en funcionamiento han sido desarrolladas por monopolios de servicios eléctricos regulados o de propiedad estatal . [150] 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 nuevas plantas de energía nuclear. [151]

El costo nivelado de la electricidad de una nueva planta de energía nuclear se estima en 69 USD / MWh, según un análisis de la Agencia Internacional de Energía y la Agencia de Energía Nuclear de la OCDE . Esto representa el costo medio estimado para una planta de energía nuclear enésima de su tipo que se completará en 2025, con una tasa de descuento del 7%. Se descubrió que la energía nuclear era la opción de menor costo entre las tecnologías despachables . [152] 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 escala de servicios públicos de 56 USD / MWh. [152] Con el costo de emisión de CO 2 asumido de 30 USD por tonelada, la energía a partir del carbón (88 USD / MWh) y el gas (71 USD / MWh) es más cara que las tecnologías bajas en carbono. Se encontró que la electricidad proveniente de la operación a largo plazo de plantas de energía nuclear por extensión de su vida útil era la opción de menor costo, a 32 USD / MWh. [152] 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. [153] [154]

Los nuevos reactores modulares pequeños , como los desarrollados por NuScale Power , tienen como objetivo reducir los costos de inversión para nuevas construcciones haciendo que los reactores sean más pequeños y modulares, de modo que puedan construirse en una fábrica.

Ciertos diseños tuvieron considerables resultados económicos positivos iniciales, como el CANDU , que logró un factor de capacidad y una confiabilidad mucho más altos en comparación con los reactores de agua ligera de la generación II hasta la década de 1990. [155]

Las plantas de energía nuclear, aunque son capaces de seguir la carga de la red , generalmente funcionan tanto como sea posible para mantener el costo de la energía eléctrica generada lo más bajo posible, suministrando principalmente electricidad de carga base . [156] Debido al diseño del reactor de reabastecimiento de combustible en línea, los PHWR (del que forma parte el diseño CANDU) continúan ocupando muchos récords mundiales de generación continua de electricidad más prolongada, a menudo más de 800 días. [157] El récord específico a partir de 2019 lo tiene un PHWR en la central de energía atómica de Kaiga , que genera electricidad de forma continua durante 962 días. [158]

El generador termoeléctrico de radioisótopos multimisión (MMRTG), utilizado en varias misiones espaciales como el rover Curiosity Mars

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 donde la energía solar no está disponible en cantidad suficiente, como en la sonda espacial Voyager 2 . [159] Se han lanzado algunos vehículos espaciales utilizando reactores nucleares : 34 reactores pertenecen a la serie soviética RORSAT y uno fue el estadounidense SNAP-10A . [159]

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 . [159] [160]

Tasas de muerte por contaminación del aire y accidentes relacionados con la producción de energía, medidas en muertes por teravatios hora (TWh)
Muertes por TWh por fuente de energía en la Unión Europea

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 haya detenido 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. [161]

Todos los reactores modernos están diseñados de modo que se evite un aumento incontrolado de la potencia del reactor mediante mecanismos de retroalimentación natural, un concepto conocido como coeficiente de reactividad vacío negativo . Si aumenta la temperatura o la cantidad de vapor en el reactor, la velocidad 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 enfriamiento del núcleo de emergencia (ECCS) pueden eliminar el calor de descomposición del reactor si fallan los sistemas de enfriamiento normales. [162] Si el ECCS falla, múltiples barreras físicas limitan la liberación de materiales radiactivos al medio ambiente incluso en el caso de un accidente. La última barrera física es el gran edificio de contención . [161]

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. [163] 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 al comparar las muertes inmediatas de otras fuentes de energía con las muertes por cáncer indirectas tanto inmediatas como latentes, o pronosticadas, por accidentes de energía nuclear . [164] [165] 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, [166] se ha calculado que el uso de la energía nuclear ha evitado alrededor de 1,8 millones de muertes. entre 1971 y 2009, al reducir la proporción de energía que de otro modo habría sido generada por combustibles fósiles. [167] [168] Tras el desastre nuclear de Fukushima en 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. [169]

Los efectos graves de los accidentes nucleares no suelen atribuirse directamente a la exposición a la radiación, sino a efectos sociales y psicológicos. La evacuación y el desplazamiento a largo plazo de las poblaciones afectadas crearon problemas para muchas personas, especialmente los ancianos y los pacientes hospitalarios. [170] La evacuación forzada de un accidente nuclear puede provocar aislamiento social, ansiedad, depresión, problemas médicos psicosomáticos, comportamiento imprudente y suicidio. Un estudio exhaustivo 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. [171] Frank N. von Hippel , un científico estadounidense, comentó que un miedo desproporcionado a la radiación ionizante ( radiofobia ) podría tener efectos psicológicos a largo plazo en la población de las áreas contaminadas después del desastre de Fukushima. [172] En enero de 2015, el número de evacuados de Fukushima era de alrededor de 119.000, en comparación con un máximo de alrededor de 164.000 en junio de 2012. [173]

Accidentes

Tras el desastre nuclear de Fukushima Daiichi de 2011 , el peor accidente nuclear del mundo desde 1986, 50.000 hogares fueron desplazados después de que la radiación se filtró al aire, el suelo y el mar. [174] Los controles de radiación dieron lugar a la prohibición de algunos envíos de verduras y pescado. [175]
Calor de desintegración del reactor como una fracción de la potencia total después del apagado del reactor, utilizando dos correlaciones diferentes. Para eliminar el calor de desintegración, los reactores deben enfriarse después del cierre de las reacciones de fisión. La pérdida de la capacidad de eliminar el calor de descomposición provocó el accidente de Fukushima .

Se han producido algunos accidentes nucleares y radiológicos graves . La gravedad de los accidentes nucleares se clasifica generalmente utilizando la Escala Internacional de Eventos Nucleares (INES) introducida por el Organismo 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 presenta ningún riesgo de seguridad) a 7 (un accidente mayor con efectos generalizados). Ha habido 3 accidentes de nivel 5 o superior en la industria de la energía nuclear civil, dos de los cuales, el accidente de Chernobyl y el de Fukushima , están clasificados en el nivel 7.

El accidente de Chernobyl en 1986 causó aproximadamente 50 muertes por efectos directos e indirectos, y algunas lesiones temporales graves por síndrome de radiación aguda . [176] La mortalidad prevista en el futuro por aumentos en las tasas de cáncer se estima en alrededor de 4000 en las próximas décadas. [177] [178] [179] 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 en 40 años o más. [180] [181] 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. [182]

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, lo que representa el 41 por ciento de todos los daños a la propiedad atribuidos a los accidentes de energía. [183] Otro análisis encontró que los accidentes de carbón, petróleo, gas licuado de petróleo e hidroeléctricas (principalmente debido al desastre de la presa de Banqiao ) han tenido como resultado mayores impactos económicos que los accidentes de energía nuclear. [184] El estudio compara las muertes por cáncer latente atribuibles a la energía nuclear con las muertes inmediatas de 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 consumo de combustibles fósiles en su "accidente severo Clasificación "(un accidente con más de 5 víctimas mortales).

La energía nuclear funciona bajo un marco de seguros que limita o estructura las responsabilidades por accidentes de acuerdo con los convenios nacionales e internacionales. [185] 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, que 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. [186] Estos costos de seguro más allá de lo normal para los peores escenarios no son exclusivos de la energía nucleoeléctrica. De manera similar, las plantas de energía hidroeléctrica no están completamente aseguradas contra un evento catastrófico, como fallas de presas . Por ejemplo, la falla de la presa de Banqiao provocó 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 desastres importantes en este sector. [187]

Ataques y sabotajes

Los terroristas podrían atacar las 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. [188]

En los Estados Unidos, la NRC lleva a cabo ejercicios "Force on Force" (FOF) en todas las plantas de energía nuclear al menos una vez cada tres años. [188] En los Estados Unidos, las plantas están rodeadas por una doble hilera de vallas altas que se controlan electrónicamente. Los terrenos de la planta están patrullados por una fuerza considerable de guardias armados. [189]

El sabotaje interno también es una amenaza porque los internos pueden observar y sortear las medidas de seguridad. Los delitos internos exitosos dependían de la observación y conocimiento de los perpetradores de las vulnerabilidades de seguridad. [190] Un incendio causó daños por valor de 5 a 10 millones de dólares en el Indian Point Energy Center de Nueva York en 1971. [191] El pirómano resultó ser un trabajador de mantenimiento de la planta. [192]

Arsenales de armas nucleares de Estados Unidos y URSS / Rusia , 1945-2006. El Programa de megavatios a megavatios fue la principal fuerza impulsora de la fuerte reducción de la cantidad de armas nucleares en todo el mundo desde que terminó la guerra fría. [193] [194]

La proliferación nuclear es la propagación de armas nucleares , material fisionable y tecnología nuclear relacionada con las 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 . [195] La reorientación de las industrias nucleares civiles para fines militares sería una violación del Tratado de No Proliferación , al que se adhieren 190 países. En abril de 2012, hay treinta y un países que tienen centrales nucleares civiles, [196] 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 mundial es minimizar los riesgos de proliferación nuclear asociados con la expansión de la energía nuclear. [195] La Asociación Mundial para la 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 enriquecimiento de uranio. programa. 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 una transferencia de tecnología. . [197] 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:

El resurgimiento del interés por la energía nucleoeléctrica podría dar lugar a la difusión mundial de tecnologías de enriquecimiento de uranio y reprocesamiento de combustible gastado, que presentan riesgos obvios de proliferación, ya que estas tecnologías pueden producir materiales fisionables que se pueden utilizar directamente en armas nucleares. [198]

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 megavatios a megavatios se considera el programa de no proliferación más exitoso hasta la fecha. [193] Hasta 2005, el programa había procesado $ 8 mil millones de uranio altamente enriquecido y apto para armas en uranio poco enriquecido adecuado como combustible nuclear para reactores comerciales de fisión diluyéndolo con uranio natural . Esto corresponde a la eliminación de 10.000 armas nucleares. [199] 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 estadounidense, con un total de alrededor de 7.000 TWh de electricidad producida. [200] En total, se estima que costó $ 17 mil millones, una "ganga para los contribuyentes estadounidenses", y Rusia se benefició de $ 12 mil millones del acuerdo. [200] Beneficio muy necesario para la industria rusa de supervisión nuclear, que después del colapso de la economía soviética , tuvo dificultades para pagar el mantenimiento y la seguridad de las ojivas y uranio altamente enriquecido de las Federaciones rusas. [201] El programa de megavatios a megavatios 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 el número de armas nucleares en todo el mundo desde que terminó la guerra fría. [193] Sin embargo, sin un aumento de los reactores nucleares y una mayor demanda de combustible fisible, el costo del desmantelamiento y la reducción de la mezcla ha disuadido a Rusia de continuar con su desarme. A partir de 2013, Rusia parece no estar interesada en ampliar el programa. [202]

Emisiones de carbon

Emisiones de gases de efecto invernadero durante el ciclo de vida de las tecnologías de suministro de electricidad, valores medios calculados por el IPCC [203]

La energía nuclear es uno de los principales métodos de generación de energía de bajo 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 . [204] [205] Un análisis de 2014 de la bibliografía sobre la huella de carbono del Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC) informó que la intensidad de emisión total incorporada del ciclo de vida de la energía nucleoeléctrica tiene un valor medio de 12 g de CO
2eq / kWh , que es el más bajo entre todas las fuentes de energía de carga base comerciales . [203] [206] Esto se contrasta con el carbón y el gas natural a 820 y 490 g de CO
2eq / kWh. [203] [206] Desde el comienzo de su comercialización en la década de 1970, la energía nuclear ha evitado la emisión de aproximadamente 64 mil millones de toneladas de dióxido de carbono equivalente que de otro modo habrían resultado de la quema de combustibles fósiles en centrales térmicas . [168]

Radiación

La dosis media de la radiación de fondo natural es de 2,4 milisievert por año (mSv / a) a nivel mundial. Varía entre 1 mSv / ay 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 mundial. La dosis promedio de las centrales nucleares en funcionamiento a las poblaciones locales que las rodean es inferior a 0,0001 mSv / a. [207] A modo de comparación, la dosis promedio para quienes viven a 50 millas de una planta de energía de carbón es más de tres veces esta dosis, a 0,0003 mSv / a. [208]

Chernobyl dio como resultado 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 del peor accidente de una central nuclear en exposición promedio es de 0.002 mSv / ay es continuamente cayendo a la tasa de descomposición, desde el máximo inicial de 0.04 mSv por persona promediado en toda la población del hemisferio norte en el año del accidente en 1986. [207]

Protesta antinuclear cerca del centro de eliminación de desechos nucleares en Gorleben, en el norte de Alemania

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 con fines civiles. [28] [209] [29]

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 las fuentes de energía importadas. [210] [211] [212] M. King Hubbert , quien popularizó el concepto de cenit del petróleo , vio el petróleo como un recurso que se agotaría y consideró la energía nuclear como su reemplazo. [213] Los proponentes también afirman que la cantidad actual de desechos nucleares es pequeña y puede reducirse mediante la última tecnología de reactores más nuevos y que el historial de seguridad operacional de la electricidad de fisión es incomparable. [17] Otros comentaristas que han cuestionado los vínculos entre el movimiento antinuclear y la industria de los combustibles fósiles. [214]

Kharecha y Hansen estimaron que "la energía nuclear mundial ha evitado un promedio de 1,84 millones de muertes relacionadas con la contaminación del aire y 64 gigatoneladas de emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) equivalentes a CO 2 (GtCO 2 -eq) que habrían resultado de la quema de combustibles fósiles" y, de continuar, podría prevenir hasta 7 millones de muertes y 240 GtCO 2 -eq emisiones para 2050. [168]

Los opositores creen que la energía nuclear plantea muchas amenazas para las personas y el medio ambiente [215] [216] , como el riesgo de proliferación de armas nucleares y el terrorismo. [217] [218] También sostienen que los reactores son máquinas complejas en las que muchas cosas pueden y han salido mal. [219] [220] En años anteriores, también argumentaron que cuando se consideran todas las etapas intensivas en energía de la cadena de combustible nuclear , desde la extracción de uranio hasta el desmantelamiento nuclear, la energía nuclear no es una fuente de electricidad baja en carbono ni económica. [221] [222] [223]

Ambos lados del debate utilizan argumentos de economía y seguridad.

Comparación con energías renovables

La desaceleración del calentamiento global requiere una transición a una economía baja en carbono , principalmente mediante la quema de mucho menos combustible fósil . Limitar el calentamiento global a 1,5 grados C es técnicamente posible si no se construyen nuevas plantas de energía de combustibles fósiles a partir de 2019. [224] Esto ha generado un interés y una disputa considerables para determinar el mejor camino a seguir para reemplazar rápidamente los combustibles fósiles en la combinación energética mundial. , [225] [226] con intenso debate académico. [227] [228] A veces, la AIE dice que los países sin energía nuclear deberían desarrollarla al igual que su energía renovable. [229]

Suministro mundial total de energía primaria de 162 494 TWh (o 13 792 Mtep ) por combustibles en 2017 (AIE, 2019) [230] : 6,8

  Aceite (32%)
  Carbón / Turba / Esquisto (27,1%)
  Gas natural (22,2%)
  Biocombustibles y residuos (9,5%)
  Nuclear (4,9%)
  Hidro (2,5%)
  Otros ( Renovables ) (1,8%)
Un portaaviones de propulsión nuclear que se somete a operaciones de reabastecimiento de combustible para aviones en el mar mediante engrasadores de reabastecimiento .

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 mundial de energía para 2050. [231] Mientras que en los países desarrollados la geografía económicamente viable para la nueva energía hidroeléctrica es A falta, con todas las áreas geográficamente adecuadas ya explotadas en gran parte, [232] los defensores de la energía eólica y solar afirman que estos recursos por sí solos podrían eliminar la necesidad de energía nuclear. [228] [233]

La energía nuclear es comparable, y en algunos casos más baja, que muchas fuentes de energía renovable en términos de vidas perdidas por unidad de electricidad entregada. [166] [164] [234] Los reactores nucleares también producen un volumen de desechos mucho menor, aunque mucho más tóxico. [235] Una planta nuclear también necesita ser desmontada y removida y gran parte de la planta nuclear desmontada necesita ser almacenada como desechos nucleares de baja actividad durante algunas décadas. [236]

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 los combustibles fósiles de la red eléctrica por completo en 10 años. Este hallazgo se basó en la tasa históricamente modesta y probada a la que se agregó energía nuclear en Francia y Suecia durante sus programas de construcción en la década de 1980. [237] [238]

En un análisis similar, Brook había determinado anteriormente que el 50% de toda la energía global , incluidos los combustibles sintéticos para el transporte , etc., podría generarse en aproximadamente 30 años si la tasa de acumulación de fisión nuclear global fuera idéntica a las tasas históricas probadas de instalación calculadas en GW por año. por unidad de PIB mundial (GW / año / $). [239] Esto contrasta con los estudios conceptuales para sistemas de energía 100% renovable , que requerirían una inversión global de órdenes de magnitud más costosa por año, lo que no tiene precedentes históricos. [240] Estos escenarios renovables también necesitarían mucho más terreno dedicado a proyectos eólicos, undimotrices y solares, y la suposición inherente de que el uso de energía disminuirá en el futuro. [239] [240] Como señala Brook, "las principales limitaciones de la fisión nuclear no son técnicas, económicas o relacionadas con el combustible, sino que están vinculadas a cuestiones complejas de aceptación social, inercia fiscal y política, y evaluación crítica inadecuada de la realidad -Las limitaciones mundiales que enfrentan [las otras] alternativas bajas en carbono ". [239]

Requisitos de almacenamiento de energía estacional

Algunos analistas sostienen que las energías renovables convencionales, eólica y solar no ofrecen la escalabilidad necesaria para una descarbonización a gran escala de la red eléctrica, principalmente por consideraciones relacionadas con la intermitencia . [241] [242] [243] Un análisis de 2018 del MIT argumentó que, para ser mucho más rentables a medida que se acercan a la descarbonización profunda , los sistemas eléctricos deben integrar recursos de carga base bajos en carbono, como la energía nuclear, con energías renovables, almacenamiento y respuesta a la demanda. . [244]

En algunos lugares que tienen como objetivo eliminar gradualmente los combustibles fósiles en favor de la energía con bajas emisiones de carbono , como el Reino Unido , el almacenamiento de energía estacional es difícil de proporcionar, por lo que tener energías renovables que suministren más del 60% de la electricidad podría ser costoso. A partir de 2019Aún se está investigando y debatiendo si los interconectores o la nueva energía nuclear serían más costosos que tomar energías renovables por encima del 60%. [245]

Uso del suelo

Las centrales nucleares requieren aproximadamente un kilómetro cuadrado de terreno por reactor típico. [246] [247] Los ecologistas y conservacionistas han comenzado a cuestionar las propuestas de expansión de la energía renovable global, ya que se oponen al uso frecuentemente controvertido de tierras que alguna vez fueron boscosas para ubicar los sistemas de energía renovable. [248] Setenta y cinco conservacionistas académicos firmaron una carta, [249] sugiriendo una política más efectiva para mitigar el cambio climático que implica la reforestación de esta tierra propuesta para la producción de energía renovable, a su paisaje natural anterior , mediante los árboles nativos que habitaban anteriormente junto con la menor huella de uso de la tierra de la energía nuclear, como el camino para asegurar tanto el compromiso con la reducción de emisiones de carbono como para tener éxito con los programas de reconstrucción del paisaje que son parte de las iniciativas globales de protección y reintroducción de especies nativas. [250] [251] [252]

Estos científicos argumentan que los compromisos del gobierno para aumentar el uso de energía renovable al mismo tiempo que se comprometen a expandir áreas de conservación biológica son dos resultados de uso de la tierra que compiten entre sí, que están entrando en conflicto cada vez más. Dado que las áreas protegidas existentes para la conservación en la actualidad se consideran insuficientes para salvaguardar la biodiversidad, "el conflicto por el espacio entre la producción de energía y el hábitat seguirá siendo uno de los problemas de conservación clave a resolver en el futuro". [250] [251]

Diseños avanzados de reactores de fisión

Hoja de ruta de la generación IV del Laboratorio Nacional de Argonne

Los reactores de fisión que se encuentran 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 de Generación IV (GIF) inició oficialmente la investigación sobre los tipos de reactores avanzados de generación IV sobre la base de 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. [253]

Fusión-fisión nuclear híbrida

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 Hans Bethe lo defendió brevemente durante la década de 1970, pero permaneció en gran parte inexplorado 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 causan problemas de seguridad. [254]

Fusión nuclear

Esquema del tokamak ITER en construcción en Francia.

Las reacciones de fusión nuclear tienen el potencial de ser más seguras y generar menos desechos radiactivos que la fisión. [255] [256] Estas reacciones parecen potencialmente viables, aunque técnicamente bastante difíciles y aún no se han creado a una escala que podría usarse en una planta de energía funcional. El poder de fusión ha estado bajo investigación teórica y experimental desde la década de 1950.

Existen varios reactores e instalaciones experimentales de fusión nuclear. El proyecto internacional de fusión nuclear más grande y ambicioso actualmente en curso es ITER , un gran tokamak en construcción en Francia. El ITER está previsto para allanar el camino para la energía de fusión comercial demostrando reacciones de fusión nuclear autosostenidas con ganancia de energía positiva. La construcción de la instalación del ITER comenzó en 2007, pero el proyecto ha sufrido muchos retrasos y sobrecostos presupuestarios. Ahora no se espera que la instalación comience a operar hasta el año 2027-11 años después de lo inicialmente previsto. [257] Se ha propuesto una continuación de la central comercial de fusión nuclear, DEMO . [258] [259] También hay sugerencias para una planta de energía basada en un enfoque de fusión diferente, el de una planta de energía 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 las reacciones continuas y la contención del plasma llevaron a que las proyecciones se extendieran por varias décadas. En 2010, más de 60 años después de los primeros intentos, todavía se creía que la producción de energía comercial era poco probable antes de 2050. [258]

  • Batería atómica
  • Energía nuclear por país
  • Debate sobre armas nucleares
  • Energía nuclear basada en torio
  • Debate sobre la minería de uranio
  • Consumo energético mundial

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