¿Cómo se transforma una roca en uno de los ingredientes fundamentales de un reactor nuclear de fisión?
En esta entrada daremos respuesta a esa pregunta y te contaremos el viaje del uranio desde su extracción en la mina hasta su fabricación como elemento combustible de una central nuclear. ¡Vamos allá!
Empecemos por el principio. La generación de energía en las centrales nucleares actuales se basa en la reacción de fisión: un núcleo atómico pesado se divide en dos (en raras ocasiones tres) núcleos más pequeños a causa del impacto de un neutrón, liberando muchísima energía, tal como muestra esta imagen de nuestro amigo Operador Nuclear. Si queréis saber más, podéis ir al este hilo de Twitter donde lo explica perfectamente.
Para que se produzca una fisión necesitamos un isótopo físil, es decir, un átomo capaz de experimentar una fisión con neutrones de cualquier energía. El combustible nuclear actual se basa en el uranio, aunque más adelante veremos que no todos sus isótopos son físiles.
Para aquellos que no estéis familiarizados con el concepto de isótopo, de nuevo Operador Nuclear acude al rescate en este hilo de Twitter (junto con otros muchos conceptos).
Nuestro punto de partida por tanto es obtener uranio. ¿Dónde encontramos y cómo extraemos el mineral? Afortunadamente se trata de un recurso muy diversificado. En 2020 los países con mayores reservas identificadas eran Australia, Kazajistán y Canadá. Sin ir más lejos, en España se encuentran yacimientos naturales de uranio en Salamanca y Lérida.
El mineral de uranio puede obtenerse a través de excavaciones a cielo abierto o subterráneas, aunque la tecnología más utilizada es la lixiviación. ¡Cada año se producen cerca de 60.000 toneladas de uranio en todo el mundo!
¿Y qué es la lixiviación? La lixiviación consiste en bombear agua subterránea con productos químicos añadidos a través del yacimiento para disolver el uranio. La solución resultante se bombea hasta la superficie para recuperarlo. Si te pica la curiosidad tienes más información aquí.
Después de su extracción, el mineral de uranio se somete a distintos procesos de pulverizado, tratamiento químico con ácidos, filtrado y secado. El resultado final es un concentrado de óxido de uranio (U3O8)con un fuerte color amarillo muy característico, conocido como yellow cake o tarta amarilla.
Hasta aquí todo bien, pero ¡ahora llega el problema del enriquecimiento! Resulta que el uranio natural del yellow cake contiene principalmente dos isótopos: U-235 y U-238. Ambos se caracterizan por tener 92 protones en su núcleo, pero presentan distinto número de neutrones (143 vs 146).
Para que un núcleo de uranio experimente una fisión, el número de neutrones importa, y MUCHO. A los nuevos en el mundillo de la neutrónica: la gráfica muestra en las ordenadas la probabilidad (a veces también referida como sección eficaz o cross section) de que un átomo de U-235 (azul) o U-238 (verde) fisione en función de la energía del neutrón incidente (eje de abscisas). Como se ve, las fisiones son varios órdenes de magnitud más probables en el U-235 que en el U-238: ¡3 neutrones pueden ser decisivos para la energía nuclear!
Si el combustible nuclear que introducimos en los reactores nucleares se fabricara a partir de uranio natural, la probabilidad de fisión sería demasiado baja como para sostener la reacción en cadena. Por tanto, debemos incrementar la proporción de U-235, es decir, enriquecer. El enriquecimiento aumenta la proporción de U-235, desde el 0.7% hasta típicamente un 3-5%, y tiene lugar en plantas de Francia, Estados Unidos y otros países. La siguiente pregunta es: ¿Cómo lo hacemos?
Dado que dos isótopos del mismo elemento, uranio en nuestro caso, tienen el mismo número de protones, no podemos usar ningún método químico ya que ambos isótopos se comportan igual químicamente. Nuestra única opción es algún método físico y como ocurre en otras ocasiones, el secreto está en la masa: una consecuencia de tener un número distinto de neutrones es que las masas del U-235 y U-238 son distintas siendo los átomos de U-235 un 1% más ligeros. Esta diferencia de masa por pequeñísima que sea (¡de 3 neutrones!) puede usarse para el enriquecimiento. ¿Tienes alguna idea de cómo lo podemos hacer? Dale vueltas y seguro que llegas a la solución 😉.
¡Resulta que darle vueltas es la clave!: si convertimos la yellow cake en el compuesto gaseoso de UF6 y lo sometemos a una fuerza centrífuga, por ejemplo, dentro de un cilindro con un rotor, las moléculas más pesadas (U-238) tenderán a concentrarse en la periferia y las más ligeras (U-235) en el centro, permitiendo así su separación.
En un sólido, la fuerza centrífuga no tendría ningún efecto sobre la posición de sus átomos. De ahí que la conversión previa a un compuesto gaseoso sea necesaria. Cabe destacar que la centrifugación no es el único método de enriquecimiento, pero sí el más utilizado a nivel mundial y el más eficiente.
La penúltima etapa del combustible es la segunda conversión. Esta consiste en convertir el UF6 enriquecido en polvo de dióxido de uranio (UO2, sólido) mediante distintos procesos químicos.
Finalmente, llegamos a la fase de fabricación: el polvo de UO2 se prensa y somete a un proceso de sinterización para transformarlo en pastillas cerámicas, las cuales se introducen en tubos de aleaciones de circonio que una vez cargados reciben el nombre de barras de combustible:
Dato importante: la fabricación del combustible nuclear de los 5 reactores de las centrales nucleares españolas de Almaraz, Ascó y Vandellòs II se lleva a cabo en la fábrica de elementos combustibles de Enusa en Juzbado, Salamanca.
Terminamos con una fantástica infografía de Foro Nuclear que resume todos los procesos que hemos explicado. Esta solo ha sido la primera etapa de la vida del combustible nuclear, la llamada fase pre-reactor. Las dos siguientes fases reactor y post-reactor las dejamos para otra entrada, ¡esperamos que os haya gustado!
