Energía nuclear

• Introducción
• Capítulo 1 El descubrimiento del átomo y su núcleo
• Capítulo 2 Comprender las reacciones nucleares: fisión y fusión
• Capítulo 3 Los pioneros de la era atómica
• Capítulo 4 Cómo funciona un reactor nuclear
• Capítulo 5 Tipos de reactores nucleares en el mundo
• Capítulo 6 El ciclo del combustible nuclear: de la minería del uranio al reprocesamiento
• Capítulo 7 Generación de electricidad: el papel de las centrales nucleares
• Capítulo 8 Seguridad y protección en instalaciones nucleares
• Capítulo 9 La historia de los accidentes nucleares: lecciones aprendidas
• Capítulo 10 Gestión y eliminación de residuos nucleares
• Capítulo 11 Los efectos de la radiación en la salud
• Capítulo 12 La energía nuclear y el medio ambiente: ¿una solución baja en carbono?
• Capítulo 13 La economía de la energía nuclear
• Capítulo 14 La proliferación nuclear y las salvaguardias internacionales
• Capítulo 15 El papel del Organismo Internacional de Energía Atómica (IAEA)
• Capítulo 16 La percepción pública y los conceptos erróneos sobre la energía nuclear
• Capítulo 17 La política de la energía nuclear
• Capítulo 18 Reactores modulares pequeños: la próxima generación de energía nuclear
• Capítulo 19 La fusión nuclear: la búsqueda de energía ilimitada
• Capítulo 20 Más allá de la generación de energía: medicina nuclear y otras aplicaciones
• Capítulo 21 El uso de la energía nuclear en la exploración espacial
• Capítulo 22 El desmantelamiento de centrales nucleares
• Capítulo 23 Una mirada comparativa a las fuentes de energía globales
• Capítulo 24 El futuro de la energía nuclear en un mundo en cambio
• Capítulo 25 Consideraciones éticas y el camino a seguir

Existe una cantidad asombrosa, casi incomprensible, de energía encerrada dentro del núcleo de un átomo. Es una energía que alimenta a las estrellas y constituye la arquitectura fundamental de nuestra realidad física. Durante la mayor parte de la historia humana, esta colosal fuente de poder permaneció completamente desconocida, un secreto celosamente guardado dentro de las partículas más pequeñas de la materia. Liberarla —aprovechar los propios lazos que mantienen unido al universo— es quizás el empeño tecnológico más ambicioso y controvertido de la humanidad. Este libro trata sobre ese empeño. Es la historia de la energía nuclear, el poder del átomo.

El concepto central es a la vez simple y profundo. La energía ordinaria, la que la humanidad ha utilizado durante milenios, proviene de reacciones químicas. Quemar madera, carbón o gas implica reorganizar los electrones que orbitan el núcleo de un átomo. La energía nuclear, sin embargo, proviene del propio núcleo. Al dividir un núcleo grande, un proceso llamado fisión, o al forzar la unión de dos núcleos pequeños, un proceso conocido como fusión, una porción de su masa se convierte directamente en una tremenda cantidad de energía. Este es el mecanismo que enciende el sol cada mañana y, de una manera mucho más controlada, genera electricidad en centrales eléctricas de todo el mundo.

No es solo una cuestión de escala; es un orden de magnitud completamente diferente. Un solo pastilla de combustible de uranio, más pequeña que la yema de un dedo, puede generar tanta energía como una tonelada de carbón, 149 galones de petróleo o 17.000 pies cúbicos de gas natural. Un kilogramo de uranio, cuando se aprovecha plenamente, contiene de dos a tres millones de veces la energía de un kilogramo de carbón o petróleo. Esta increíble densidad energética es la fuente de la mayor promesa de la energía nuclear. Ofrece el potencial de un mundo con electricidad abundante, generada a partir de una fuente de combustible que requiere muy poca tierra y produce virtualmente ninguna emisión de gases de efecto invernadero durante su operación.

Hoy en día, unos 440 reactores nucleares de potencia están operativos en 31 países, proporcionando colectivamente aproximadamente el 9 % de la electricidad mundial. Esto la convierte en la segunda mayor fuente de energía baja en carbono del planeta, después de la hidroeléctrica. Algunas naciones la han adoptado de todo corazón; Francia, por ejemplo, genera aproximadamente el 65 % de su electricidad a partir de reactores nucleares. En Estados Unidos, las centrales nucleares suministran casi el 20 % de la electricidad del país, formando una columna vertebral crítica de su red eléctrica. Durante más de medio siglo, estas instalaciones han estado generando energía, acumulando alrededor de 20.000 años-reactor de experiencia operativa.

Sin embargo, a pesar de todo su potencial, ninguna otra tecnología inspira una mezcla tan potente de esperanza y temor. Las palabras "energía nuclear" evocan una tormenta de imágenes contradictorias. Por un lado, vemos la eficiencia limpia y silenciosa de una central eléctrica moderna, un símbolo del progreso científico. Por el otro, vemos la nube en forma de hongo de una bomba atómica y el escalofriante desenlace de accidentes en lugares como Chernóbil y Fukushima. Esta dualidad es inherente a la propia tecnología. Los mismos procesos atómicos que pueden hervir agua para crear vapor y generar electricidad también pueden utilizarse para crear armas de destrucción inimaginable.

Esta naturaleza de "doble uso" de la tecnología nuclear se encuentra en el corazón del debate global que la rodea. Muchos de los materiales y tecnologías asociados a un programa nuclear civil podrían potencialmente desviarse con fines militares. Este dilema fundamental ha dado forma a la política internacional durante décadas, dando lugar a complejos tratados y organismos reguladores diseñados para promover el uso pacífico del átomo mientras se previene la proliferación de armas nucleares. Es un acto de equilibrio constante y delicado entre aprovechar una poderosa herramienta para la prosperidad humana y contener su capacidad de devastación.

La relación del público con la energía nuclear ha sido volátil, oscilando a menudo drásticamente a raíz de acontecimientos globales. El apoyo público, que sufrió un pronunciado descenso tras los incidentes de las décadas de 1970 y 1980, ha fluctuado a lo largo de las décadas. Tras el accidente de Fukushima en 2011, la oposición aumentó en muchos países. Sin embargo, en años recientes, a medida que la urgencia del cambio climático se ha intensificado, el sentimiento público y político en muchas partes del mundo ha comenzado a cambiar nuevamente. Las encuestas muestran que el apoyo ha ido aumentando gradualmente, y muchas personas ahora ven la energía nuclear como una herramienta crucial en la lucha por reducir las emisiones de carbono.

A pesar de esto, una parte significativa del público permanece indecisa u opuesta, con opiniones moldeadas por preocupaciones profundamente arraigadas sobre la seguridad, la eliminación de residuos radiactivos y el potencial de accidentes. Las encuestas revelan una curiosa paradoja: las personas en países que ya tienen energía nuclear tienden a ser más partidarias, y existe una clara correlación entre el conocimiento sobre la tecnología y el apoyo a la misma. Sin embargo, muchos admiten no sentirse bien informados, dejando un amplio terreno intermedio susceptible tanto a la desinformación como a ansiedades legítimas. Este libro tiene como objetivo cerrar esa brecha de información.

El objetivo aquí no es convencerle de que la energía nuclear es la salvadora definitiva o un villano imperdonable. En su lugar, es proporcionar una visita completa y accesible a todo el tema. Recorreremos desde los descubrimientos innovadores de principios del siglo XX hasta los diseños de reactores de vanguardia del mañana. Este libro desmitificará la ciencia, narrará la historia, explicará la tecnología y enfrentará directamente las controversias. Exploraremos cómo funciona un reactor, de dónde proviene su combustible y qué sucede con este cuando se agota.

Enfrentaremos las preguntas más desafiantes de frente. ¿Qué tan seguras son las centrales nucleares? ¿Cuáles son los verdaderos efectos en la salud de la radiación? ¿Podemos encontrar alguna vez una solución permanente para los residuos nucleares? ¿Cuál es el coste real de la electricidad nuclear en comparación con otras fuentes como la solar, la eólica y los combustibles fósiles? También miraremos más allá de la generación de energía hacia otras notables aplicaciones de la ciencia nuclear, desde tratamientos médicos que salvan vidas y usos industriales hasta el impulso de misiones al espacio profundo.

La discusión es más urgente ahora que nunca. El mundo enfrenta la monumental tarea de abandonar los combustibles fósiles que han impulsado la civilización industrial durante siglos pero que ahora amenazan con alterar irrevocablemente nuestro clima. Se proyecta que la demanda de electricidad aumente significativamente en las próximas décadas, impulsada por una creciente población global y la electrificación del transporte y la industria. Satisfacer esta demanda mientras se logran simultáneamente emisiones netas cero es un desafío de proporciones asombrosas.

Las fuentes de energía renovable como la eólica y la solar se están expandiendo rápidamente y sin duda desempeñarán un papel central en nuestro futuro energético. Pero también vienen con su propio conjunto de desafíos, particularmente su intermitencia: el sol no siempre brilla y el viento no siempre sopla. La energía nuclear, por el contrario, proporciona una fuente de electricidad constante, fiable, las 24 horas del día, los 7 días de la semana, lo que la convierte en un componente único y poderoso de una red eléctrica estable y baja en carbono.

Este libro está estructurado para guiarle lógicamente a través de este complejo panorama. Comenzaremos con el propio átomo, explorando los descubrimientos que desvelaron sus secretos. Luego conoceremos a los pioneros de la era atómica y profundizaremos en las reacciones fundamentales —fisión y fusión— que liberan el poder del átomo. A partir de allí, nos adentraremos en el mundo práctico de los reactores nucleares, examinando los diferentes tipos en uso hoy en día y el intrincado ciclo del combustible que los sustenta.

Los capítulos posteriores abordarán las cuestiones críticas de la seguridad, los accidentes, la gestión de residuos y las realidades económicas y políticas que moldean la industria. Investigaremos el papel de los organismos internacionales en la salvaguarda de los materiales nucleares y exploraremos la percepción pública a menudo polarizada de esta tecnología. Finalmente, dirigiremos nuestra mirada hacia el horizonte, examinando la próxima generación de reactores modulares más pequeños y la tentadora búsqueda de décadas para lograr la fusión nuclear controlada —un proceso que podría proporcionar algún día una fuente verdaderamente ilimitada de energía limpia.

Navegar por el mundo de la energía nuclear requiere una visión clara, que reconozca tanto sus inmensos beneficios como sus riesgos inherentes. Es una tecnología nacida del ingenio humano, un testimonio de nuestra capacidad para sondear los funcionamientos más profundos de la naturaleza. Pero también es una tecnología que exige un nivel sin precedentes de responsabilidad, previsión y cooperación internacional. La historia de la energía nuclear no trata solo de física e ingeniería; trata de política, economía, psicología y ética. Es una historia sobre la difícil, y a menudo tortuosa, relación de la humanidad con sus propias creaciones más poderosas. El viaje para entender el poder del átomo comienza ahora.

Durante casi tanto tiempo como los humanos han contemplado la naturaleza del mundo, se han preguntado de qué está hecho. Si tomas un trozo de materia —una roca, una hoja, una gota de agua— y lo cortas por la mitad, y luego otra vez por la mitad, y así sucesivamente, ¿puedes hacer esto para siempre? ¿O llegas eventualmente a una partícula final y fundamental que no puede cortarse más? Alrededor del año 400 a. C., el filósofo griego Demócrito defendió esta última idea. Propuso que toda la materia estaba compuesta por partículas diminutas, indivisibles e indestructibles que llamó atomos, la palabra griega para "indivisible".

La teoría de Demócrito fue de una notable previsión, pero era solo eso: una teoría nacida de la filosofía, no de la experimentación. Su contemporáneo, Aristóteles, propuso una idea más popular y, en última instancia, más influyente: que toda la materia era una combinación de cuatro elementos fundamentales: tierra, aire, fuego y agua. La visión de Aristóteles prevaleció durante dos milenios, y el concepto de átomos fue relegado a los márgenes del pensamiento intelectual. La idea no fue olvidada por completo, pero pasarían más de 2000 años antes de que fuera resucitada y puesta sobre una base científica sólida.

La persona que trajo el átomo del reino de la filosofía al laboratorio fue John Dalton, un químico, físico y meteorólogo inglés. A principios del siglo XIX, Dalton llevó a cabo una serie de experimentos con gases que lo llevaron a formular la primera teoría atómica moderna. Postuló que toda la materia está compuesta de átomos, a los que imaginó como pequeñas esferas sólidas. Según la teoría de Dalton, todos los átomos de un elemento particular son idénticos en masa y propiedades. Además, propuso que los compuestos se forman cuando átomos de diferentes elementos se combinan en proporciones simples de números enteros, y que las reacciones químicas son simplemente la reorganización de estos átomos.

El modelo de Dalton fue un paso monumental. Proporcionó una base científica para la química, explicando las leyes de conservación de la masa y de composición constante. Sin embargo, su concepción del átomo como una bola simple, indivisible y dura no duraría. La primera grieta en este modelo no provino de un químico, sino de un físico que exploraba un fenómeno extraño que ocurría cuando se aplicaba un alto voltaje a un gas en un tubo de vidrio sellado a baja presión. Estos tubos de descarga de gas producían una forma inusual de energía que emanaba del electrodo negativo, conocido como el cátodo.

El físico británico J. J. Thomson retomó el estudio de estos "rayos catódicos" en la década de 1890. En una serie de experimentos ingeniosos en 1897, demostró que los rayos no eran luz, sino más bien una corriente de partículas increíblemente pequeñas con carga negativa. Demostró que estas partículas podían ser desviadas por campos tanto eléctricos como magnéticos. Midiendo cuidadosamente estas desviaciones, Thomson pudo calcular la relación masa-carga de las partículas. Descubrió que esta relación era la misma independientemente del tipo de gas en el tubo o del metal utilizado para los electrodos.

La implicación de los hallazgos de Thomson fue asombrosa. Estas partículas eran aproximadamente 1800 veces más ligeras que el átomo conocido más ligero, el hidrógeno. Había descubierto la primera partícula subatómica. Dado que estas partículas eran componentes universales de toda la materia, significaba que el átomo indivisible de Dalton podía, de hecho, dividirse. Thomson llamó a estas partículas "corpúsculos", aunque pronto serían conocidas por el nombre que usamos hoy: electrones.

El descubrimiento del electrón puso en tela de juicio el modelo del átomo. Si los átomos contenían estas diminutas partículas negativas, también debían contener una carga positiva para permanecer eléctricamente neutros. Pero, ¿cómo estaban dispuestos estos componentes? Thomson propuso lo que se conoció como el modelo del "pudín de pasas" en 1904. Imaginó el átomo como una esfera de carga positiva distribuida uniformemente, con electrones cargados negativamente incrustados en su interior, como pasas en un pudín. En este modelo, el átomo era una bola blanda y nebulosa, con su masa y carga distribuidas por todo su volumen.

Justo cuando la comunidad científica estaba lidiando con la idea de las partículas subatómicas, surgió de París un descubrimiento nuevo y aún más desconcertante. En 1896, el físico francés Henri Becquerel investigaba la fosforescencia, el fenómeno por el cual ciertos materiales brillan después de ser expuestos a la luz. Estaba particularmente interesado en si los minerales fosforescentes emitían los recién descubiertos rayos X. Su experimento consistió en colocar sales de uranio sobre una placa fotográfica envuelta en papel negro y exponerla a la luz solar. Como esperaba, la placa se veló, lo que sugería que el uranio, después de absorber la luz solar, emitía alguna forma de radiación penetrante.

La prueba definitiva, sin embargo, llegó por accidente. Después de uno de estos experimentos, París estuvo nublado durante varios días, lo que impidió que Becquerel expusiera sus sales de uranio a la luz solar. Guardó la placa fotográfica envuelta y la muestra de uranio en un cajón oscuro y esperó cielos despejados. Unos días después, por razones que no podía explicar del todo, decidió revelar la placa de todos modos. Para su asombro, la imagen en la placa era fuerte y clara. La sal de uranio estaba emitiendo radiación continuamente, por sí sola, sin ninguna fuente de energía externa como el sol. Había descubierto la radiactividad natural.

El descubrimiento de Becquerel cautivó a una joven científica de origen polaco en París llamada Marie Sklodowska Curie. Para su tesis doctoral, decidió investigar estos misteriosos "rayos de Becquerel". Junto a su esposo, Pierre Curie, comenzó una búsqueda sistemática de otros elementos que emitieran esta extraña energía. Pronto descubrió que el elemento torio también era radiactivo. Fue Marie Curie quien acuñó el término "radiactividad" para describir esta emisión espontánea de radiación por ciertos elementos.

Mientras estudiaban un mineral de uranio llamado pechblenda, los Curie notaron algo peculiar. El mineral era significativamente más radiactivo de lo que la cantidad de uranio puro que contenía podía explicar. Plantearon la hipótesis de que la pechblenda debía contener uno o más elementos altamente radiactivos aún no descubiertos. Lo que siguió fue un arduo proceso de análisis químico. Trabajando en un cobertizo primitivo, procesaron meticulosamente toneladas de pechblenda para aislar estas sustancias desconocidas.

Su trabajo incansable dio frutos. En julio de 1898, anunciaron el descubrimiento de un nuevo elemento que llamaron "polonio" en honor a la Polonia natal de Marie. Unos meses después, en diciembre, anunciaron el descubrimiento de un elemento aún más intensamente radiactivo al que llamaron "radio". El descubrimiento de estos elementos demostró que la radiactividad no era exclusiva del uranio, sino que era una propiedad de ciertos tipos de átomos. Insinuaba una poderosa fuente de energía que residía en lo profundo del propio átomo, una fuente completamente independiente de los enlaces químicos.

El hombre que finalmente miraría dentro del átomo y revelaría su verdadera estructura fue Ernest Rutherford, un brillante físico de Nueva Zelanda que entonces trabajaba en Manchester, Inglaterra. Rutherford ya había distinguido y nombrado dos tipos de radiación emitidos por elementos radiactivos: las partículas alfa, que eran pesadas y con carga positiva, y las partículas beta, que eran ligeras y con carga negativa (y más tarde se demostró que eran electrones). Intrigado por el modelo del pudín de pasas de Thomson, Rutherford ideó un experimento para sondear la estructura interna del átomo utilizando partículas alfa como diminutos proyectiles.

El experimento, realizado en 1909 por sus asistentes Hans Geiger y Ernest Marsden, se conoce hoy como el experimento de la lámina de oro. La configuración era sencilla: una fuente de partículas alfa se dirigía hacia una lámina extremadamente delgada de oro. Se colocó una pantalla fosforescente que se iluminaría al ser golpeada por una partícula alfa alrededor de la lámina para detectar la trayectoria de las partículas después de atravesarla.

Según el modelo del pudín de pasas de Thomson, la carga positiva y la masa de los átomos de oro estaban dispersas en todo su volumen. Por lo tanto, Rutherford esperaba que las partículas alfa, rápidas y relativamente masivas, atravesaran la lámina sin apenas desviaciones, como una bala que atraviesa un trozo de papel de seda. Y en su mayor parte, eso es exactamente lo que sucedió. La gran mayoría de las partículas alfa atravesaron la lámina sin ser desviadas.

Pero entonces llegó la sorpresa. Una fracción muy pequeña de las partículas alfa, aproximadamente 1 de cada 8000, se desviaron en grandes ángulos. Aún más asombroso, algunas rebotaron casi directamente hacia atrás desde la lámina. Rutherford describió más tarde su reacción: "Fue el evento más increíble que me haya sucedido en mi vida. Fue casi tan increíble como si dispararas un obús de 15 pulgadas contra un trozo de papel de seda y este rebotara y te golpeara".

Los resultados eran completamente incompatibles con el modelo del pudín de pasas. La única forma de explicar las desviaciones de gran ángulo era si la carga positiva y la masa del átomo no estaban distribuidas, sino que se concentraban en una región diminuta y densa en el centro. La mayoría de las partículas alfa atravesaban el vasto espacio vacío del átomo, pero las pocas que se acercaban a este denso núcleo central eran repelidas tan fuertemente por su carga positiva concentrada que se desviaban bruscamente.

En 1911, Rutherford presentó su revolucionario nuevo modelo del átomo, basado en los resultados del experimento de la lámina de oro. Propuso que el átomo consiste en un núcleo muy pequeño, denso y con carga positiva, al que llamó núcleo. El núcleo contenía casi toda la masa del átomo. Los electrones, mucho más ligeros y con carga negativa, orbitaban este núcleo a una distancia, de manera similar a como los planetas orbitan el sol. Por primera vez, la humanidad tenía una imagen del átomo nuclear.

El descubrimiento del núcleo por Rutherford abrió un nuevo conjunto de preguntas. ¿De qué estaba hecho el núcleo? El trabajo de Rutherford ya había demostrado que el núcleo de un átomo de hidrógeno era el núcleo más ligero y parecía ser una unidad fundamental de carga positiva. En 1919, sus experimentos que implicaban bombardear gas nitrógeno con partículas alfa mostraron que los núcleos de hidrógeno eran expulsados de los átomos de nitrógeno. Concluyó que este núcleo de hidrógeno era una partícula fundamental y un constituyente de todos los demás núcleos. Hacia 1920, había nombrado a esta partícula el protón.

Sin embargo, el protón por sí solo no podía explicar la masa total del núcleo. Un núcleo de helio, por ejemplo, tenía una carga de +2 (lo que significa dos protones), pero una masa que era aproximadamente cuatro veces la de un solo protón. Durante años, los científicos lucharon por explicar esta discrepancia de masa. Una teoría era que el núcleo contenía protones adicionales cuya carga era cancelada por electrones también presentes dentro del núcleo.

El propio Rutherford especuló en 1920 sobre la posible existencia de una partícula con la masa de un protón pero sin carga eléctrica. Incluso acuñó el término "neutrón" para esta partícula hipotética. La búsqueda del neutrón resultó difícil precisamente porque no tenía carga, lo que significaba que no sería desviado por campos eléctricos o magnéticos y no dejaría rastro en una cámara de niebla.

La pieza final del rompecabezas nuclear fue colocada por James Chadwick, uno de los antiguos estudiantes de Rutherford, en 1932. Chadwick investigaba una radiación desconcertante emitida por el berilio cuando era bombardeado con partículas alfa. Otros investigadores habían confundido esta radiación con rayos gamma de alta energía. Chadwick, sin embargo, realizó experimentos que mostraban que esta nueva radiación podía expulsar protones de un bloque de parafina con una fuerza tremenda.

Sus cálculos mostraban que los rayos gamma no tendrían suficiente momento para hacer esto. La radiación tenía que estar compuesta de partículas sin carga con una masa casi idéntica a la de un protón. Chadwick había encontrado la partícula faltante de Rutherford: el neutrón. Su descubrimiento, publicado en un artículo modestamente titulado "Possible Existence of a Neutron", completó el modelo básico del núcleo del átomo.

Con el descubrimiento del neutrón, la imagen del núcleo estaba esencialmente completa. Era un núcleo denso compuesto de protones con carga positiva y neutrones eléctricamente neutros, representando estas dos partículas casi toda la masa del átomo. Rodeando este núcleo había una nube de electrones en órbita. El número de protones determinaba la identidad del elemento, mientras que la suma de protones y neutrones determinaba su masa.

Un refinamiento final a este modelo planetario provino del físico danés Niels Bohr en 1913. Bohr abordó un defecto crítico en el modelo de Rutherford: según la física clásica, un electrón en órbita debería irradiar energía continuamente, perder velocidad y espiralizar hacia el núcleo. Bohr incorporó ideas del emergente campo de la teoría cuántica para proponer que los electrones solo podían existir en órbitas discretas y específicas, o niveles de energía, sin irradiar energía. Podían "saltar" entre estos niveles absorbiendo o emitiendo una cantidad específica de energía, lo que explicaba los espectros de luz característicos emitidos por los elementos.

A principios de la década de 1930, el que una vez fue el átomo indivisible había sido revelado como un sistema complejo. Era principalmente espacio vacío, gobernado por un núcleo diminuto y denso repleto de una cantidad extraordinaria de materia y unido por fuerzas aún por comprender completamente. Este nuevo conocimiento de la estructura del átomo, particularmente la composición de su núcleo, preparó el escenario para el siguiente gran capítulo en la ciencia: la manipulación deliberada del propio núcleo. La búsqueda para comprender la naturaleza fundamental de la materia había llevado inadvertidamente a la humanidad al umbral de una fuente de energía de un poder inimaginable.