La generación de energía nucleoeléctrica* y el futuro progreso técnico

Transcripción

1 de Obninsk, cerca de la cual se halla la central nuclear. El Instituto se fundó en Lógicamente, la tarea de construir una central nuclear estimuló su desarrollo. Hoy día, el Instituto de Física y Técnica de la Energía de Obninsk es famoso por sus realizaciones en la investigación fundamental, por su labor referente a los aspectos técnicos del proyecto de reactores de potencia, así como por los estudios específicos realizados para muchas centrales nucleares. Trascurridos 20 años, es reconfortante recordar cómo la puesta en marcha de la primera central nuclear en la Unión Soviética demostró a todo el mundo que era una realidad la utilización de la energía atómica, no para destruir ciudades y seres humanos, sino al servicio de la felicidad y prosperidad de los hombres. La generación de energía nucleoeléctrica* y el futuro progreso técnico por el Académico A.P. Aleksandrov y el Profesor N.N. Ponomarev-Stepnoy La construcción de la primera central nuclear del mundo por la Unión Soviética en 1954 no sólo marcó el comienzo de una nueva era de la ingeniería energética, sino que demostró además palpablemente la viabilidad de que el hombre aprovechara los fabulosos recursos de la energía nuclear. El descubrimiento de la posibilidad fundamental de utilizar la energía liberada en las reacciones en cadena que acompañan a la fisión de los núcleos pesados y a la fusión de los núcleos ligeros constituyó un maravilloso don de la ciencia. El pleno alcance de este descubrimiento resultará patente más adelante, cuando finalice el presente siglo, pero es ya un hecho evidente que se generalizará el empleo de la energía nuclear procedente de la fisión y la fusión, por ser el único medio técnica y económicamente satisfactorio de superar la escasez de combustibles baratos como el petróleo y el gas natural. El desarrollo en gran escala de la ingeniería de la energía nuclear con los más diversos fines electricidad, calor industrial y calefacción de distritos, abastecimiento de calor y de energía a la industria metalúrgica, potencia y calor para diferentes ramas de la industria química y radioestimulación de productos químicos ha de contribuir a economizar petróleo y gas, de manera que éstos puedan utilizarse en aquellas aplicaciones en que son más difíciles de sustituir. La esfera principal y más racional de utilización del petróleo y del gas será sin duda la industria química orgánica, con su enorme gama de productos obtenidos a partir de los hidrocarburos constitutivos del petróleo y del gas, gama que abarca desde los plásticos y materiales sintéticos hasta las grasas y las proteínas. 12 i

2 Por supuesto que en un futuro inmediato será inevitable seguir utilizando el petróleo y el gas para la producción de energía, ya que será muy difi'cil encontrar sustitutivos de los hidrocarburos empleados por los vehículos terrestres de motor y las aeronaves. Más adelante, quizá puedan muchos vehículos ligeros de transporte utilizar en escala mucho mayor el hidrógeno que no contamina la atmósfera y puede ser objeto de un suministro centralizado sobre todo, si llega a hacerse realidad el sueño de los teóricos de lograr un hidrógeno metaestable en forma suficientemente metálica. Los cambios de esta naturaleza, consecuencia de la utilización profusa de la energía nuclear, darán lugar a una considerable reducción del consumo de oxígeno y, por ende, de las cantidades de dióxido de carbono liberadas, así como de otros gases, que, aunque de carácter local, revisten sin embargo franca importancia. Este aspecto puede ser vital para el futuro desarrollo industrial. Con el actual balance de combustibles, el oxígeno consumido por los combustibles es unas cinco veces superior a la cantidad de oxígeno consumida por la propia problación mundial. En el territorio de muchos países industrializados, la cantidad de oxígeno regenerada por fotosíntesis es varias veces menor que la consumida, y estos países sólo pueden subsistir gracias a la afluencia de oxígeno procedente de las regiones ecuatoriales y de los océanos, donde la cantidad de oxígeno producida por fotosíntesis excede con mucho de la consumida. La energía nucleoeléctrica facilitará considerablemente la solución del problema del oxígeno. De lo dicho se deduce que el desarrollo en gran escala de la ingeniería nucleoeléctrica, de modo que cubra la mayor parte de las necesidades energéticas de todo tipo, constituirá un don inestimable para la humanidad y resolverá muchos problemas intrincados. Ahora bien, importa determinar hasta qué punto la ingeniería nucleoeléctrica puede verse limitada por la disponibilidad de recursos de combustibles nucleares. La información que se ha publicado sobre las reservas de uranio y de torio no refleja en absoluto la situación real. Como resultado de varios años de desbordada actividad en la prospección y explotación de yacimientos de uranio, el mercado mundial se caracteriza actualmente por una oferta mayor que la demanda. En consecuencia, se ha reducido la explotación de ciertos yacimientos, así como la prospección geológica, y los trabajos se han centrado sobre todo en la indentificación de nuevas reservas en yacimientos explotables ya conocidos. Sólo en Australia y en Africa se han descubierto nuevos yacimientos importantes de uranio barato. En ciertos países europeos, en los Estados Unidos y en el Canadá, la prospección de los yacimientos de uranio y su evaluación se han efectuado más a fondo que en otras partes del mundo, pero incluso en estos países tan sólo se dispone de datos más o menos seguros ^P sobre las reservas de uranio de precio más barato, de hasta 22 dólares/kg de U como máximo, y las cifras relativas a las reservas de precios comprendidos entre 22 y 33 dólares/kg de U son de muy poca confianza y sólo reflejan la escala de los gastos de prospección. A partir de los datos publicados es imposible establecer una correlación definitiva entre el aumento del volumen de recursos y el precio creciente del uranio, aunque no cabe duda de que tal aumento con un precio creciente no tiene por qué ser menos pronunciado en el caso del uranio que en el de metales de origen geológico análogo. Por ejemplo, un incremento del precio del uranio por un factor de 10 permitirá probablemente incluir entre las reservas disponibles de uranio el 10% como mínimo de las 4 X 10 9 toneladas de uranio contenido en los océanos. Además, existen enormes recursos de uranio en los esquistos y en otros minerales de baja ley que se encuentran prácticamente en todo el mundo. En vista de esta incertidumbre, es esencial tratar de estimar los recursos de uranio y su distribución de alguna otra forma. Existe una cantidad bastante grande de uranio 13

3 dispersa por la corteza terrestre - del orden de 4 X 10" 6 gramos por gramo de roca - sobre todo en las capas superiores de la misma, al parecer dentro de una capa de espesor medio no superior a 20 kilómetros. La estimación de los recursos de uranio puede pecar por defecto si se basa en los extensos territorios de un país de características geológicas variables, en los que se han efectuado prospecciones de uranio de un modo prolongado y en gran escala. Tomemos por ejemplo los Estados Unidos como modelo, donde en 1 de enero de 1973 los recursos de uranio razonablemente seguros se calculaban en 259 X 10 3 toneladas, con unos recursos adicionales estimados de 538 X 10 3 toneladas (a un precio de 22 dólares/kgde U ) más 70 X 10 3 toneladas (al mismo precio) como subproducto de la obtención de cobre y fosfatos, es decir, un total de 867 X 10 3 toneladas. Teniendo en cuenta que esta cifra se ha aumentado casi a una cuarta parte en el curso de los tres últimos años, pese a que en los Estados Unidos no se han realizado muchos trabajos encaminados a hallar nuevas reservas, puede observarse que con este modelo se obtendrá probablemente una estimación demasiado baja de los recursos mundiales. En primera aproximación, estos recursos deberían ser proporcionales a la razón entre la superficie total de tierra firme del mundo y en el territorio de los Estados Unidos. Prescindiendo de la Antártida y de las posibles reservas de las plataformas marinas y de los fondos oceánicos, los recursos probables estimados, a un precio de 22 dólares/kg de U 3 0 8, son del orden de 12 X 10 6 toneladas. Al nivel técnico que ha alcanzado en la actualidad, la energía nucleoeléctrica está en condiciones de competir con el petróleo, aun sin tener en cuenta el encarecimiento de este último, incluso si el precio del uranio es superior a 22 dólares/kg de U en un factor de 1,5, es decir, hasta 33 dólares/kg de U 3 0 8, refiriéndose a precios de 1972, con lo que aumenta en cerca del 10% el costo de la energía generada. Por consiguiente, considerando los recursos disponibles para la energía nucleoeléctrica, se debe también tener en cuenta el uranio comprendido en la categoría de hasta 33 dólares/kg de U Escasean aún los datos relativos a las reservas de esta categoría de precios, y se ha invertido poco en aumentar estas reservas, porque existen sustanciales recursos, razonablemente seguros, de uranio más barato, y hoy día la oferta supera a la demanda. Haciendo un cálculo aproximado, y por analogía con otros metales de origen geológico parecido, los recursos estimados comprendidos en el intervalo de precios de 22 a 33 dólares/kg de U 3 0 8, se elevan por lo menos al doble de los recursos de un precio de hasta 22 dólares/kg como máximo, es decir, representan unas 25 X 10 6 toneladas. Por lo tanto, los recursos mundiales probables estimados, apropiados para la generación de electricidad en reactores de neutrones térmicos, sin tener en cuenta la reproducción de combustible nuclear en los reactores reproductores, es del orden de 30 a 40 millones de toneladas, tomando a los Estados Unidos como modelo, y de unos 25 millones de toneladas tomando como modelo al Canadá. No es de esperar que en los próximos diez años cambie notablemente la estructura de la producción nucleoeléctrica. Hasta 1985, esta producción seguirá manteniéndose en su primera etapa, y el consumo de uranio vendrá determinado principalmente por las necesidades de los reactores térmicos, aunque en los nuevos aumentos de capacidad intervendrá en gran escala el empleo de los reactores rápidos. La posible expansión de la energía nucleoeléctrica en todo el mundo puede estimarse a partir de la actual tendencia, ya ascendente. A lo largo del período , la capacidad nucleoeléctrica habrá aumentando de 2 y media a 3 veces cada cinco años. Para el período disminuirá el ritmo de planificación y se supone que por término medio la capacidad se duplicará cada cinco años. Si esta tendencia persiste hasta el 14

4 año 2000, la capacidad nuclear total instalada en el mundo será para aquellas fechas de 4 X 10 9 kw (frente a 1 X 10 9 kw en 1990), alcanzando el consumo de uranio natural la cifra de unas toneladas/año. Según parece, se trata de una estimación máxima. Si se supone que las centrales nucleares tienen una vida útil de 25 a 30 años, se puede llegar a la conclusión de que ya en los primeros decenios del siglo XXI no habrá suficiente uranio natural para que la energía nucleoeléctrica pueda seguir expansionándose sobre la base de reactores térmicos. En cambio, durante el siglo actual no son de prever limitaciones por lo que respecta a los recursos de uranio natural suponiendo cualquier ritmo realista de desarrollo de la energía nucleoeléctrica, a condición de que se intensifiquen los trabajos para hallar nuevas reservas y aumente en consonancia la producción minera del uranio. Hay que tener presente que el período de tiempo que media entre el descubrimiento de un yacimiento industrial de uranio y su explotación en plena escala es de unos 8 a 10 años, por lo que una planificación deficiente puede dar lugar a graves interrupciones en el suministro. En principio, durante la segunda etapa de desarrollo de la energía nucleoeléctrica la basada en los reactores reproductores rápidos, debería ser posible superar la situación crítica resultante de la escasez de uranio natural en el próximo siglo, aunque durante el 'siglo actual el empleo de los reactores reproductores no ejercerá ninguna influencia marcada sobre el consumo de uranio. El desarrollo del programa de reactores reproductores y de la ingeniería nucleoeléctrica en general sólo será de importancia decisiva si los reactores reproductores son capaces de reciclar el plutonio con la celeridad suficiente para alcanzar el necesario ritmo de producción de energía utilizando únicamente uranio de desecho y parte del plutonio reciclado. El precio del uranio natural no debería afectar entonces grandemente al costo de la energía generada por los reactores reproductores, y la energía obtenida de cada tonelada de uranio natural aumentará de 20 a 30 veces. En tal supuesto, se puede proyectar la generación de energía nucleoeléctrica en cualquier escala, y los recursos de combustible nuclear secundario serán ilimitados. Esta modalidad de desarrollo fue objeto de planificación en la Unión Soviética hace ya muchos años, pero todavía no se ha comprendido bien la importancia esencial que tiene. Por ejemplo, en los Estados Unidos, y en otros muchos países occidentales, se ha trabajado durante muchos años en los programas de reactores reproductores sin tener en cuenta la función decisiva que representa el factor denominado tiempo de duplicación. Se ha pensado en los reactores reproductores como reactores que durante sus 25 a 30 años de vida útil consumen de dos a cuatro veces menos uranio natural que los térmicos, pero no se han concebido como un medio para contar con un abastecimiento ilimitado de combustible para la futura generación de electricidad nuclear. Ahora bien, para abrir el camino a una generación de energía nucleoeléctrica en escala realmente grande en el próximo siglo, no basta con que los reactores reproductores gracias al reciclado del plutonio permitan la construcción de nuevos reactores reproductores a un ritmo lo suficientemente rápido para marchar paralelamente con el crecimiento industrial de un país, sino que deben proporcionar asimismo un suministro adicional de plutonio para cargar los reactores de neutrones térmicos que utilizan uranio o torio de desecho. Entre el 25 y el 50% de la futura capacidad nucleoeléctrica estará representada por fuentes de calor a alta temperatura, centrales reguladoras, centrales de abastecimiento local, etc., capaces de funcionar adecuadamente con reactores térmicos. El tiempo de duplicación del combustibleque resultará preciso en la Unión Soviética hacia los años noventa del presente siglo será de 4 a 6 años, dado que la economía soviética exige que la producción de energía se duplique cada 8 años y en vista de la estructura que probablemente tendrá la industria nucleoeléctrica a finales de siglo. 15

5 No obstante, sería erróneo creer que los reactores reproductores rápidos van a sustituir por completo a los reactores de neutrones térmicos. Carecería de sentido hacer funcionar a los reactores reproductores si no es a plena carga, o bien emplearlos para regular las redes (hacer frente a los picos de la demanda, etc.), puesto que entonces se prolonga su tiempo de duplicación y ya no resultan competitivos frente a los reactores térmicos. Una estructura nucleoeléctrica óptima ha de comprender una combinación de reactores reproductores rápidos, con tiempos de duplicación de 4 a 6 años, y reactores térmicos. Cuanto más corto sea el tiempo de duplicación de los reactores reproductores, tanto mayor será la proporción de reactores térmicos. En las actuales condiciones de la Unión Soviética, en que el tiempo de duplicación de la demanda de energía es de 8 años, las proporciones relativas de reactores térmicos y de reactores rápidos serán iguales, si el tiempo de duplicación del combustible de los reactores reproductores es de 4 años. Tan pronto como se hizo patente la posibilidad de utilizar la energía de fisión en la economía nacional, se decidió inmediatamente encauzarla hacia la generación de energía eléctrica. La generación de electricidad representa del 25 al 30% de la energía obtenida de los combustibles en los países industrializados, de modo que el desarrollo de la electricidad nuclear alivia mucho las dificultades dimanantes de la necesidad de un costoso transporte de los combustibles a largas distancias. Ahora bien, la irrupción de la energía nuclear en el campo de la generación de electricidad es sólo un primer paso y el más sencillo. La producción de calor para la industria y para la calefacción, el empleo de la energía nuclear para producir agentes reductores necesarios en metalúrgica, y su utilización en la industria química, constituyen aplicaciones de la misma envergadura que la propia generación de electricidad, y en los años venideros seremos sin duda testigos y coautores de su introducción en estos nuevos dominios. La mejor manera de abordar el problema de la calefacción por distritos es utilizar los actuales tipos de reactores de agua ligera. Sin embargo, los problemas de la industria siderúrgica, cuyo consumo de energía representa cerca del 20% del volumen de combustibles que se gastan, exigen una solución especial. La temperatura requerida es del orden de los 1000 C, y en algunos casos incluso más. Dentro del circuito del reactor el calor debe ser transportado por una sustancia químicamente inerte, por ejemplo, el helio, mientras que en la parte metalúrgica de la planta se utiliza el hidrógeno como refrigerante y reductor. Hay que resolver este problema, dado que la tecnología tradicional de los altos hornos de la industria siderúrgica, debido a la creciente escasez de coque y a la contaminación del medio ambiente, está siendo gradualmente sustituida por técnicas de reducción directa de los minerales, y precisamente estos procesos pueden combinarse favorablemente con las posibilidades de producción de energía nuclear. En diversos países, se lleva muchos años trabajando en la construcción de reactores de alta temperatura refrigerados por helio; se han construido ya reactores experimentales en cuyo núcleo la temperatura de trabajo es de alrededor de 1000 C, siendo la temperatura de salida del gas de unos 900 C. Estos reactores son de gran interés económico, ya que pueden utilizarse simultáneamente para producir electricidad y calor a alta temperatura. El microcombustible elaborado para ellos retiene bastante bien los fragmentos de fisión y permite un grado de quemado muy alto, del orden de MWd/t, tras lo cual no se requiere prácticamente ningún tratamiento radioquímico, al menos a fines de producción de energía. 16

6 Por supuesto, quedan todavía por resolver muchos problemas complejos: cambiadores de calor de alta temperatura, que ofrezcan la debida fiabilidad y sean apropiados para el calentamiento del hidrógeno, el blindaje térmico de las vasijas de hormigón pretensado, sistemas de control resistentes a las altas temperaturas y, más adelante, turbinas de gas de ciclo cerrado, etc. No obstante, los trabajos correspondientes están ya muy avanzados y no se plantean problemas básicamente insolubles; el desarrollo gradual de reactores dotados de sistemas auxiliares de este tipo será posible a medida que se vayan perfeccionando los cambiadores de calor de alta temperatura. Las ventajas que ofrece este tipo de proceso son la ausencia de ciertas características de los altos hornos, tales como el desprendimiento de grandes cantidades de dióxido de carbono y de dióxido de azufre, y el hecho de que el hierro obtenido está exento de azufre y de fósforo. El desarrollo de reactores de alta temperatura refrigerados por gas, paralelamente con el de los reactores reproductores, constituirá una de las características de la evolución estructural que experimentará la ingeniería nucleoeléctrica hacia los años noventa del siglo actual. BEI desarrollo de los reactores reproductores refrigerados por sodio, con un tiempo de duplicación de 4 a 6 años, puede resultar difícil o incluso inviable, ya que cualquier ablandamiento apreciable de los espectros neutrónicos por el sodio reduce la razón de reproducción. En este aspecto, puede ofrecer buenas perspectivas el reactor reproductor refrigerado por gas, de propiedades físicas algo más favorables, aunque los elevadísimos esfuerzos térmicos que intervienen darán lugar a altas presiones y dificultarán la refrigeración de parada en caso de accidente. Sin embargo, merece la pena seguir trabajando con este tipo de reactores, sobre todo si se tiene en cuenta que un acortamiento del tiempo de duplicación en los reactores reproductores refrigerados por metal exige necesariamente pasar de combustibles a base de óxidos a combustibles más densos del tipo de carburos o nitruroso bien metálicos, que son más estables en un medio químicamente inerte de helio que en uno de sodio. Una cuestión sumamente importante que requiere a todas luces una colaboración internacional es la del almacenamiento de los desechos radiactivos en condiciones de seguridad. En la actualidad las cantidades más grandes de desechos radiactivos se originan en la reelaboración radioquímica de los combustibles irradiados. Los trabajos en esta esfera deberían desarrollarse evidentemente en colaboración internacional, teniendo presente que en estos últimos años han aparecido nuevas posibilidades, tales como la fijación de los gases radiactivos criptón y xenón en compuestos sólidos, la "calcinación" de ciertos isótopos en reactores de alto flujo, etc., y que se ha adquirido notable experiencia en la concentración y almacenamiento de fragmentos de fisión, etc. La división del trabajo en esta esfera entre los países que deseen desarrollar la energía nucleoeléctrica permitiría conseguir economías considerables, estudiar y aplicar a renglón seguido y a escala universal las soluciones más eficaces, y obtener alguna garantía contra la contaminación accidental grave. Los problemas planteados por el abastecimiento de combustible para la producción de energía nucleoeléctrica, el tratamiento de los desechos radiactivos, la contaminación térmica, etc., precisan de los esfuerzos combinados de toda la humanidad, y su solución abrirá el camino a un desarrollo milenario libre de la amenaza de la escasez de energía. Esta tarea es fundamental, porque la insuficiencia de los recursos totales de nuestro planeta sólo podrá superarse reforzando el arsenal energético del hombre con los recursos inagotables del átomo. 17