Reactores de ciclo cerrado para usar el uranio una y otra vez

Hace unos días se celebró en Moscú el foro internacional «World Atomic Week». La cita, organizada por Rosatom (corporación nacional rusa de energía nuclear), conmemoraba los 80 años de la industria y pretendía servir de escaparate para los avances tecnológicos y el futuro de esta energía. En ese contexto, el presidente de Rusia, Vladimir Putin, anunció que espera poner en funcionamiento en 2030 la primera central de ciclo cerrado, una planta capaz de reutilizar el 95% del combustible gastado. La planta estará en Siberia y sería un hito por su capacidad de reducir el volumen de residuos atómicos y la necesidad de extracción minera al mismo tiempo que extrae más energía durante más tiempo.

La clave está en el término «ciclo cerrado». Las centrales actuales, la inmensa mayoría de las que hay en el mundo incluidas las españolas, usan el combustible durante 3-4 años y una vez gastado se transforma irremediablemente en residuo. La idea de las centrales de ciclo cerrado es reprocesar el combustible gastado y devolverlo al reactor para extraer nueva energía. «El uranio que se extrae de la mina tiene un 0,7% de uranio 235. Antes de llegar al reactor se somete a un proceso de enriquecimiento (un máximo del 5% por temas de seguridad) en el que generamos mucha cantidad de uranio 238, que casi no se usa. Eso significa que tenemos kilos y toneladas de uranio 238, que no estamos utilizando pero que están ahí y que servirían para dar energía durante mil años. Basta pensar que el petróleo que tenemos solo tiene 100 años y la nuclear comercial 40», comenta Óscar Cabellos, catedrático del departamento de Ingeniería Nuclear de la Universidad Politécnica de Madrid. Casi todas las centrales en funcionamiento ahora mismo a nivel mundial son de agua ligera, es decir usan agua para refrigerar y «en ese tipo de reactores, el combustible se usa durante 3 o 4 años, hasta alcanzar lo que nosotros llamamos un quemado, o una extracción de energía que corresponde del orden de unos 50.000 MW día por cada tonelada de uranio que se introduce. Ese «residuo» todavía tiene un potencial energético de hasta un millón de MW», comenta el investigador.

Países como Francia, India o China cuentan a día de hoy con reactores y plantas de reprocesamiento en los que se recicla ese combustible gastado. Fabrican lo que se llama óxidos mixtos de uranio y plutonio, MOX por siglas, un mix de uranio empobrecido y plutonio. «Si analizas el combustible después de pasar por el reactor, del uranio 235 que has metido inicialmente lógicamente queda muy poco, pero queda mucho uranio 238. En una planta puedes separar químicamente, isótopos, por ejemplo de plutonio que usarás para fabricar un nuevo combustible mezclándolo con óxidos de uranio. Esa mezcla es lo que llamamos MOX y es lo que se vuelve a quemar en la central con unos límites (igual que el uranio 235 tiene un límite de enriquecimiento) y se opera igual. Se dice que el de Francia es un ciclo parcialmente cerrado, porque reutiliza una vez ese plutonio que le ha salido como residuo. El MOX irradiado no se reprocesa sucesivamente», comenta Francisco Álvarez Velarde, investigador del Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (Ciemat). De hecho, los reactores de agua ligera convencionales solo pueden soportar un único reciclado de plutonio y dos o tres de uranio, según explican medios rusos.

Sin embargo, el proyecto de nuevo reactor BRiEST-OD-300, que está construyendo Rusia va un paso más allá. No solo cuentan con planta de reprocesamiento, sino que el reactor es de tipo rápido, es decir utiliza como refrigerante plomo en lugar de agua ligera lo que permite aumentar la temperatura de los reactores y quemar más combustibles sin perder el refrigerante ya que el agua se transforma en vapor a partir de los 375 grados. «Es lo que necesitas para tener un ciclo totalmente cerrado en el que puedes quemar MOX y reprocesar y volver a quemar una y otra y otra vez el mismo combustible», matiza Álvarez. Estos reactores aprovechan de forma más eficiente el combustible. «En vez de quemar hasta 50.000 megavatios día puedes llegar a quemar mucho más. Se está trabajando en varios diseños; hay reactores rápidos de sodio, de plomo... instalaciones que se están construyendo para comprobar que la tecnología funciona, aunque todavía no estén produciendo electricidad. Todavía tiene cosas que resolver como el problema de los materiales porque se dañan o cuadrar la parte económica», matiza Cabellos.

Demanda en aumento

Es innegable que la nuclear ha vuelto al debate público revigorizado, si así se puede decir, a raíz del informe del IPCC y la COP 28 que recomiendan triplicar el número de reactores del mundo para producir energía. «Estamos hablando de construir 800 reactores en 25 años. Una barbaridad. Probablemente no haya uranio en la naturaleza para hacer frente a tanto a un coste razonable. Hablamos de que en 20 años tenemos que hacer el doble de lo que hemos hecho en 40», opina Álvarez del Ciemat. Por otro lado, están las estimaciones de la OCDE de que los recursos de uranio podrían agotarse para 2090. Todo ello aumenta el interés por desarrollar plantas de reprocesado y reactores rápidos, «En todo el mundo se producen unas 100 toneladas de plutonio en el combustible irradiado cada año. Un reciclado simple incrementa la energía que se deriva del uranio original en un 12% aproximadamente y si se recicla el uranio se alcanzará el 20%», explica el Foro de la Industria Nuclear Española.

Los países del Sur y Esta global dominan ahora mismo la apuesta por la construcción de nuevos reactores. «China está construyendo un reactor de cada tipo para decidir qué tecnología implementará de forma masiva. A día de hoy tiene 57 reactores y está construyendo otros 29. Francia quiere desde hace décadas asegurar su suministro y por eso quiere ser conocedor del reprocesamiento para cuando llegue el momento de sustituir toda su flota de reactores por modelos rápidos», comenta Francisco Álvarez, de Ciemat. Rusia cuenta con sus propios desarrollos como estamos viendo e India «también está desarrollando ese tipo de tecnologías porque tienen mucho Torio 232, que pueden transformar en uranio 233 en ese tipo de reactores de una manera sencilla», matiza a el investigador de la UPM, Óscar Cabellos.

Por otro lado, están las llamadas SMR o centrales nucleares modulares en las que Rusia o India tienen mucho empeño. «Es muy atractivo, por ejemplo, para zonas remotas o países que tienen una red eléctrica que no igual es capaz de absorber 1.000 MW eléctricos, pero sí 100 o 300 y luego si necesitas ampliar añades módulos. Son prometedores pero claro, hay que empezar a construirlos. Eso significa que será caro. Por otro lado, están los llamados reactores de cuarta generación que buscan mayor seguridad con sistemas pasivos, es decir que no necesitan de un técnico que apriete un botón si pasa algo, sino que utilizan la física para dar soluciones automáticas ante problemas. Además, tienen en cuenta parámetros de sostenibilidad y, por ejemplo, permiten cerrar totalmente el ciclo y minimizar residuos (se divide entre 100 la cantidad de resto que luego necesitaría almacenamiento geológico profundo)», comenta Cabellos.

De proyectiles al reactor

Mientras la fusión llega, el camino de la fisión nuclear puede ensancharse gracias a nuevos combustibles que se transforman en fisibles. «El uranio 238 es mucho más abundante y hasta ahora ha sido considerado un residuo y solo rse ha utilizado en algunos casos como, por ejemplo, para hacer proyectiles de cañones, porque es un material muy pesado. Es decir que no es radioactivo o tiene muy poca radiactividad, pero se puede transformar en plutonio 239 y en nuevo combustible nuclear. Luego hay otro isótopo fisible, el uranio 233. Y ese uranio 233 se crea a partir de torio 232, otro material radioactivo enormemente abundante que ahora mismo no se emplea. Lo tenemos casi en cualquier montaña granítica. Si convertimos el uranio 238 en plutonio 239 y el torio 232 en uranio 233 estamos generando combustible de isótopos que actualmente no sirven para nada. La disponibilidad de combustible nuclear aumentaría enormemente de ser así, disminuiría la minería y las centrales en principio serían mucho más rentables. Y eso se manifestaría en que en lugar de cargar como ahora cada dos años, el combustible se cambiaría cada 15. Eso es lo que dicen, porque como no tenemos ninguna todavía funcionando, no lo sabemos», opina José Díaz Medina, del Instituto de Física Corpuscular de la Universidad de Valencia.

Más de 60 centrales en construcción

►China, Japón o Estados Unidos lideran actualmente la construcción de reactores nucleares. Se calcula que hay más de 60 en construcción ahora mismo. En Europa también se ha incluido en la taxonomía verde como fuente de energía en la que invertir para lograr la descarbonización y, aunque en el viejo continente hay mucha contestación social se están dando pasos para el relanzamiento nuclear. Alemania que decidió apagar sus reactores tras el accidente de Fukushima, y lo hizo de forma absoluta en 2023, ha acercado posiciones con Francia, líder absoluto de nuclear en Europa. Su gobierno asegura ahora que no obstaculizará ninguna iniciativa de apoyo a la energía nuclear.