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Energía

Viaje al futuro de la energía nuclear: limpia, barata y a prueba de fallos

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El Instituto de Física Aplicada de Shangái prepara un reactor nuclear de sal fundida que evite la fusión del núcleo en un accidente. Inventada hace más de 50 años en EEUU, la tecnología podría ser una realidad en China

  • por Richard Martin | traducido por Diego Soto de Lucas
  • 15 Agosto, 2016


Crédito: Edwin Fotheringham.

En febrero viajé por el interior de una máquina que podría representar el futuro de la energía nuclear. Se trataba de un viaje de realidad virtual en el Instituto de Física Aplicada de Shanghái (China), que durante los próximos años planea construir un reactor experimental cuyo diseño reduzca en gran medida la posibilidad de que se produzca una fusión del núcleo. Dentro del núcleo (un lugar hirviente y muy radioactivo en el que ningún ser humano podría sobrevivir), pude ver cada una de las capas de la central: la cubierta exterior de acero inoxidable, la capa interior fabricada con una aleación de alta tecnología, y finalmente el combustible nuclear, formado por miles de esferas del tamaño de una bola de billar que contenían partículas de material radioactivo.

Teniendo en cuenta el acceso sin precedentes al trabajo interno del avanzado programa de I+D de China, estaba siendo testigo del nacimiento de una nueva tecnología nuclear. A través del reactor virtual discurría un intrincado sistema de tuberías que contenían el fluido que marca la diferencia de este sistema: una sal fundida que refrigera el reactor y que transmite el calor hasta una turbina y genera electricidad. Al menos en teoría, este tipo de reactor no puede sufrir el fallo catastrófico acaecido en Chernóbil y Fukushima. De esta forma, sería innecesario invertir en costosos y repetitivos sistemas de seguridad que incrementan los costes de los reactores convencionales. Lo que es más importante, estas nuevas centrales producirían muy pocos residuos, e incluso podrían consumir residuos nucleares anteriores. Podrían funcionar con uranio, el material que alimenta el 99% de las centrales nucleares del mundo, o bien con torio, un material más limpio y abundante. El objetivo final del Instituto de Shanghái es construir un reactor de sal fundida que sustituya la tecnología de los años setenta de las centrales actuales. Además, mejores centrales nucleares ayudarían a que la población de Shanghái y Pekín se liberara del carbón que contamina el aire y abrir las puertas a una era de energía barata, abundante y limpia.

En las dos próximas décadas, China planea construir la mayor industria de energía nuclear del mundo. Estos planes incluyen 30 nuevas centrales nucleares que operan mediante los métodos tradicionales (además de los otros 34 reactores que tiene en funcionamiento ya), así como una gran variedad de reactores de nueva generación. Los reactores de nueva generación serían de torio con sal fundida, reactores de alta temperatura refrigerados por gas (que al igual que los reactores de sal fundida, son altamente eficientes e inherentemente seguros) y reactores rápidos refrigerados por sodio (estos reactores consumirían el combustible nuclear residual de los reactores convencionales para generar electricidad). Además de expandir drásticamente la capacidad nuclear del país, los diseñadores chinos pretenden convertirse en los principales proveedores de reactores nucleares y sus componentes, algo que los observadores occidentales consideran alarmante.

1942
Un reactor experimental fabricado por Enrico Ferni y su equipo en la Universidad de Chicago (EEUU) produce la primera reacción nuclear controlada en cadena. Crédito: Energy.gov | Flickr.

1957
Puesta en funcionamiento de la central nuclear de Shippingport (EEUU), el primer reactor de tamaño real en suministrar electricidad a la red eléctrica. Estuvo operativo hasta 1982. Crédito: imagen cedida por el Departamento de Energía de EEUU, Programa de Reactores Navales.

1965-69
Científicos del Laboratorio Nacional de Oak Ridge (EEUU) construyen el primer reactor experimental de sal fundida. El programa se clausuró oficialmente en 1973. Crédito: Laboratorio Nacional de Oak Ridge.

1979
Un fallo en el sistema de refrigeración provoca una fusión parcial del núcleo en Three Mile Island (EEUU), lo que causó que la construcción de reactores en EEUU llegase a un punto muerto. Crédito: Metropolitan Edison Company | Informe de la Comisión Presidencial acerca del incidente de Three Mile Island.

1983
Como intento de desarrollar una nueva tecnología nuclear, el reactor reproductor de Clinch River (EEUU) se cancela tras gastar más de 1.000 millones de dólares (aprox. 900 millones de euros). Nunca se llegó a realizar ningún prototipo ni demostración del reactor. Crédito: Autoridad del Valle de Tennessee.

1986
Ocurre el accidente nuclear más grave de la historia en Chernóbil (Ucrania), lo que alimenta el movimiento antinuclear de las décadas de los ochenta y noventa. Crédito: Heribert Proepper | AP.

1996
La Unidad N.º 1 de la central nuclear de Watts Bar (EEUU) comienza a generar electricidad. Fue el último reactor nuclear en ponerse en funcionamiento hasta 2016, cuando entró en funcionamiento la Unidad N.º 2. Crédito: Autoridad del Valle de Tennessee.

2011
Un terremoto y un tsunami causan un fallo de refrigeración y una fusión del núcleo en la central nuclear de Fukushima-Daiichi (Japón). Esto provoca que varios países comiencen a desactivar progresivamente sus centrales nucleares. Crédito: Yasushi Kanno | AP.

2011
El Laboratorio Nacional de Oak Ridge firma un acuerdo con la Academia China de Ciencias para desarrollar reactores de sal fundida. Crédito: Instituto de Física Aplicada de Shanghái.

El esfuerzo del Instituto de Shanghái (China) para desarrollar reactores de sal fundida, una tecnología prácticamente en el olvido en EEUU durante décadas, refleja la audacia de la ambición nuclear china. Por el momento, el Gobierno ha invertido cerca de 2.000 millones de yuanes (270 millones de euros) durante los últimos cinco años para investigar y desarrollar el reactor de sal fundida. Construir las centrales reales requerirá decenas de miles de millones más. Al igual que las nuevas tecnologías nucleares en desarrollo por todo el mundo, no existen demasiadas garantías. Aunque los investigadores han puesto en funcionamiento pequeños reactores experimentales de sal fundida, nadie ha construido ninguno a escala funcional ni lo ha conectado a la red eléctrica. Sin embargo, el Gobierno chino espera contar con una central de escala comercial en funcionamiento en un plazo de 15 años, algo que ayudaría a revivir una industria nuclear diezmada.

Los primeros experimentos con un reactor de sal fundida se realizaron en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (EEUU) a finales de la década de los cincuenta bajo la dirección de Alvin Weinberg. El programa actual de China es el fruto de una colaboración controvertida y única entre Oak Ridge y el Instituto de Shanghái. El programa de investigación de EEUU, activo durante más de una década, se clausuró en pos de la tecnología que emplean actualmente la mayoría de las centrales nucleares. En retrospectiva, esa decisión contribuyó no solo a la caída de una tecnología nuclear muy prometedora, también al estancamiento de la industria.

No obstante, si queremos limitar los efectos del cambio climático, el mundo necesita la energía nuclear más que nunca. Según la Agencia Internacional de Energía (AIE), el mundo necesita aumentar su capacidad a más del doble a mediados de siglo si queremos mantenerse dentro del límite de calentamiento de 2ºC. Según el panorama actual, no parece muy probable. Muchos países, entre los que se incluyen China e India, se han embarcado en la construcción de gigantescas infraestructuras para energía nuclear, aunque la mayoría de ellos emplearán reactores convencionales, una tecnología inaccesible para gran parte de los demás países. Incluso países como Alemania, que sí puede permitirse los costes de la energía nuclear, están empezando a retirarla gradualmente por miedo a otra catástrofe. Este hecho hace que el desarrollo de centrales nucleares a prueba de fallos sea un asunto muy urgente.

Si queremos limitar los efectos del cambio climático, el mundo necesita la energía nuclear más que nunca

Después de mi visita virtual, uno de los principales científicos del programad de sal fundida Kun Chen, me llevó de vuelta al edificio principal de administración del Instituto. Durante la noche había nevado y hacía un frío terrible. En el auditorio se había reunido una pequeña multitud de trabajadores para escuchar una charla del director del programa de sal fundida, Xu Hongjie. Era la semana previa a las largas fiestas del nuevo año lunar, y esa noche se celebraba el banquete anual del Instituto. Xu habló durante más de dos horas sobre la historia de los reactores de sal fundida y sus perspectivas de futuro.

"Este ha sido el sueño de China desde hace medio siglo", dijo. "Antes no contábamos con los conocimientos y las habilidades necesarias para hacerlo realidad. Ahora tenemos los recursos, la tecnología y los conocimientos. Ahora podemos hacerlo."

Reacciones en cadena

Alvin Weinberg fue por primera a vez a Oak Ridge en 1945, justo después de que se construyesen sus laboratorios en las colinas al norte de Tennessee (EEUU) para elaborar uranio y plutonio para uso militar. Veterano del Proyecto Manhattan, en el que se desarrolló la primera bomba atómica, Weinberg se convirtió en 1955 en director del laboratorio que crecía rápidamente y el cual dirigió hasta 1973. Fue un pionero de la física nuclear, así como un filósofo de la misma, al que le gustaba emplear la frase "pacto faustiano" para describir la tensión existente entre la sed de energía de la sociedad industrializada y la vigilancia extrema que se necesitaba para que la energía nuclear fuese segura. Según creía, había que romper la relación entre las armas nucleares y la energía para que esta fuese limpia y muy barata. Y la forma de eliminar este vínculo era el reactor de sal fundida.

Bajo el liderazgo de Weinberg, un grupo de jóvenes y entusiastas químicos, físicos e ingenieros hicieron funcionar un pequeño reactor de sal fundida entre 1965 y 1969. El reactor de Oak Ridge se alimentaba de uranio, aunque el objetivo final de Weinberg era que pudiese trabajar únicamente con torio ya que, y al contrario que el uranio, éste no podía convertirse en una bomba fácilmente. Pero el experimento de sal fundida se abandonó a principios de los años setenta. Una de las principales razones fue que Weinberg consiguió alienar a sus superiores alertándoles de los peligros de la energía nuclear convencional en un momento en el que docenas de reactores se estaban construyendo o planificando.

Hacia finales del siglo XX, EEUU había construido 104 reactores nucleares. Aunque seguían construyéndose más, la tecnología seguía estancada en los años setenta. Los reactores tradicionales son tremendamente costosos porque requieren costosas vasijas de contención enormes que pueden explotar en condiciones extremas, además de sistemas de refrigeración externos que aseguren que el núcleo de combustible sólido no se recaliente y provoque una reacción descontrolada que cause la fusión del núcleo. Son inversiones de un coste considerable. Los dos reactores que se construyen actualmente en Georgia (EEUU) podrían llegar a costar 21.000 millones de dólares (unos 18.950 millones de euros), un 50% más del presupuesto original de 14.000 millones de dólares (más de 12.600 millones de euros). Un módico precio a cambio de una tecnología de 40 años de antigüedad.

Sin embargo, a medida que se acelera el cambio climático y gobiernos y científicos buscan una tecnología nuclear sin los costosos inconvenientes que bloquean la tecnología tradicional, la sal fundida está viviendo su renacimiento. Empresas como Terrestrial Energy, Transatomic Power, Moltex y Flibe Energy están compitiendo por desarrollar reactores de sal fundida. Actualmente se encuentran en curso varios programas de investigación sobre diferentes versiones de la tecnología en universidades de Japón, Francia, Rusia y Estados Unidos, además de la que lleva a cabo el Instituto de Shanghái. Aparte del desarrollo de reactores con combustible sólido refrigerados con sal fundida (como el que visité virtualmente en Shanghái), existen diseños más radicales que también utilizan materiales radioactivos disueltos en la sal fundida como combustible (tal como se hizo en el experimento de Weinberg).

Como todas las centrales nucleares, los reactores de sal fundida excitan los átomos de un material radioactivo para crear una reacción en cadena controlada. La reacción genera el calor que pone el agua en ebullición para que el vapor active una turbina que produce electricidad. Los reactores de combustible sólido refrigerados con sal fundida pueden funcionar a una temperatura más alta que los reactores convencionales, lo que los hace más eficientes y que funcionen a presión atmosférica. De esta forma, no necesitan costosas vasijas, como la que se quebró en Chernóbil. Los reactores de sal fundida que emplean combustible líquido tienen una ventaja adicional: cuando el núcleo alcanza una temperatura determinada, el líquido se expande, lo que frena la reacción nuclear y permite que el núcleo se refrigere. Para sacar partido a esta cualidad, el reactor se construye como si fuese una bañera: cuenta con un tapón en el fondo. Si la temperatura del núcleo sube demasiado, el tapón se derrite y drena el combustible en un tanque blindado, generalmente bajo tierra y donde se almacena de forma segura hasta que se enfría. Estos reactores deberían ser capaces de extraer más energía que los convencionales de la que dispone el material radioactivo. Eso significa que también deberían reducir muchísimo los residuos nucleares que hay que manipular y almacenar.

Gracias a que no necesitan enormes estructuras de contención y requieren menos combustible para producir la misma cantidad de electricidad, estos reactores son más compactos que las centrales nucleares actuales. Pueden producirse en masa en fábricas y combinarse para crear centrales eléctricas más grandes.

Todo esto debería permitir que fuesen más baratas de fabricar. Al contrario que la energía eólica y solar, que se han vuelto mucho más baratas con los años, las centrales nucleares se han vuelto más caras. Según la Administración de Información Energética (EIA, por sus siglas en inglés) de EEUU, el coste ajustado a la inflación de construir una central nuclear aumentó de 1.500 dólares (aproximadamente 1.350 euros) por kilovatio de capacidad a principios de los años sesenta a más de 4.000 dólares (más de 3.600 euros) por kilovatio a mediados de la década de los setenta. En su última estimación en el año 2013, la EIA reveló que la cifra había aumentado a más de 5.500 dólares (casi 5.000 euros). Significa que son más caras que una central eléctrica solar, un parque eólico terrestre, y por supuesto mucho más que una central de gas natural. Ese desembolso inicial aumenta debido al gran tamaño de los reactores: según la media anunciada por la EIA, una central de un gigavatio costaría 5.500 millones de dólares (unos 5.000 millones de euros), una inversión arriesgada para cualquier empresa.

Este gasto inicial se compensar debido a que las centrales nucleares son relativamente baratas durante su funcionar: en centrales nucleares nuevas, el balance de costes de electricidad (el cual mide el coste de la energía generada a lo largo de la vida útil de la planta) es de 95 dólares (86 euros) por hora. Según la EIA, es un coste comparable al coste de la electricidad generada en centrales eléctricas de carbón, e inferior a una central solar, la cual cuesta 125 dólares (113 euros) por megavatio-hora. No obstante, las centrales de gas natural son considerablemente más baratas de construir, y el coste de la electricidad producida también es más bajo: 75 dólares (68 euros) por megavatio-hora, según la EIA. El endurecimiento de la normativa sobre emisiones de carbono hace que la energía nuclear sea más atractiva, pero reducir el coste de construcción es vital para un futuro de energía nuclear sin emisiones.

Gráfico: la producción de electricidad mundial (en teravatios-hora) en centrales nucleares ha descendido desde su máximo alcanzado la década pasada. Fuente: Asociación Nuclear Mundial

Esa es la promesa de una nueva remesa de start-ups que trabajan en reactores nucleares más avanzados, muchas de las cuales están financiadas por inversores de Silicon Valley (EEUU). Transatomic Power, por ejemplo, fue fundada por una pareja de doctores del MIT, Leslie Dewan y Mark Massie, que diseñaron una central de 520 megavatios (con un tamaño similar al de una central de carbón media) que creen que puede construirse por 2.000 millones de dólares (unos 1.800 millones de euros), o lo que es lo mismo, 3.846 dólares (3472 euros) por kilovatio de capacidad. Este coste se asemeja al de construir una central solar, aunque con la gran ventaja de producir energía de forma constante y no solo cuando brille el sol. Terrestrial Energy, que recientemente ha obtenido una subvención del Gobierno canadiense para construir un prototipo del reactor, afirma que su reactor de sal fundida podría construirse por solo 2.000 dólares (1.805 euros) por kilovatio.

Pero aunque los diseños de reactores de sal fundida hayan potenciado la inventiva de los jóvenes tecnólogos, conseguir los permisos y construir una central nuclear innovadora en EEUU supone una perspectiva desalentadora. Solamente solicitar el permiso de la Comisión Reguladora Nuclear (NRC, por sus siglas en inglés) puede tardar años y costar cientos de miles de dólares, razón por la cual muchas start-ups nunca llegan a despegar. Y lo que es más, incluso 2.000 millones de dólares (unos 1.800 millones de euros) suponen un gran gasto para los inversores, un dinero destinado a unos servicios y una tecnología sin aprobar que tiene unas ventajas financieras cuestionables. Esa es la razón por la cual el programa que más cerca está de construir un reactor operativo es el de la República Popular de China.

Pensar a lo grande

A pesar de que el primer experimento con sal fundida se detuvo en EEUU en la década de los setenta, un pequeño grupo de investigadores del Instituto de Física Aplicada de Shanghái (China), el cual forma parte de la Academia China de Ciencias, lanzó su propia investigación sobre los reactores de sal fundida alimentados por torio. Sin embargo, China no pudo poner en funcionamiento su primera central nuclear hasta 1991; carecía del conocimiento y el capital para la sofisticada maquinaria y adquirir los costosos materiales necesarios para desarrollar los reactores avanzados. En el siglo XXI, al igual que otros países con energía nuclear, China confía en los reactores tradicionales. Pero las ascuas de la idea todavía ardían en las mentes de los científicos nucleares chinos.

Los plazos son muy ajustados, al menos para los estándares de la industria nuclear.

Desde el punto de vista chino, el torio tiene una ventaja particular: mientras que la China continental tiene un pequeño porcentaje del uranio mundial, tiene grandes cantidades de torio. Contar con una fuente abundante de energía sin emisiones de carbono resolvería los dilemas energéticos del país de un plumazo. "A ojos del gobierno central, no estamos aquí para madurar una tecnología; tenemos que crear algo nuevo, algo estratégico", afirma el científico que me guió durante mi visita virtual en Shanghái, Kun Chen. "Hay que pensar a lo grande".

Educado en la prestigiosa Universidad de Ciencia y Tecnología de China, ubicada en la ciudad de Hefei, Chen obtuvo su doctorado de la Universidad de Indiana (EEUU), y trabajó durante varios años en el Laboratorio Nacional Argonne (también en EEUU), el cual al igual que Oak Ridge pertenece al Departamento de Energía de EEUU. Sin embargo, decidió volver a China para construir un reactor que revolucionase el mundo.

Escuchó la idea en 2009, cuando visitó Shanghái para presentar un seminario en el Instituto de Física Aplicada. Un científico de allí le habló acerca del reactor de sal fundida alimentado con torio, un proyecto que todavía no se había anunciado ni financiado. "Nuestro equipo obtuvo la mayoría de los documentos técnicos de internet, ya que el equipo de Oak Ridge los había publicado", recuerda el director del programa de sal fundida, Xu Hongjie, mientras sacude la cabeza en un gesto de admiración o sorpresa ante la transparencia de los estadounidenses. "Publicaban todo de forma gratuita".

Chen se unió al Instituto de Shanghái a instancias de Xu en 2010, y actualmente se encarga de colaborar con Oak Ridge. El laboratorio estadounidense contribuye al proyecto con materiales, sistemas de control y simulaciones digitales. También ha construido un gran instalación de prueba para el sistema de sal fundida financiada por la Academia China de Ciencias. Mientras que algunos científicos y defensores de la energía nuclear se oponen vehementemente a la idea de ayudar a China a desarrollar una industria nuclear revolucionaria, muchos ingenieros de Oak Ridge están ansiosos por ver cómo se construyen reactores de sal fundida en algún lugar del mundo. "Es importante ser conscientes de que un gran número de personas fundamentales para el programa de reactores de sal fundida se están retirando rápidamente, o han fallecido", declara el director de la colaboración de Oak Ridge con el Instituto de Shanghái, David Holcombe. "No se puede simplemente contratar un nuevo equipo si queremos mantener esta capacidad. China ofrece la financiación que permite transferir estos conocimientos y obtener experiencia práctica a la hora de construir y hacer funcionar estos reactores".

Me sorprendió la confianza y el idealismo de los jóvenes científicos que trabajaban en el instituto, un optimismo que no se veía en los círculos nucleares de EEUU desde hacía décadas.

Para empezar, el Instituto de Shanghái piensa adoptar un enfoque híbrido: utilizar sal fundida para refrigerar un núcleo de combustible sólido, similar a los que existen en las centrales nucleares convencionales. Después, según afirma Chen, el equipo pasará a utilizar combustible líquido, lo que revelaría su auténtico potencial respecto a seguridad y eficiencia. En un principio, se utilizaría uranio como material fisible, aunque los ingenieros chinos planean sustituirlo más adelante por torio.

Los plazos son muy ajustados, al menos para los estándares de la industria nuclear. El Instituto de Shanghái planea iniciar una planta de combustible sólido a escala comercial en 2030, y contar con un reactor de combustible líquido para demostración con una potencia de 100 megavatios hacia 2035. Según me confesó Chen, la mayoría del trabajo actual está orientado a solucionar los problemas de bombeo de sal fundida, que es tremendamente corrosiva. Me sorprendió la seguridad y el idealismo de los jóvenes científicos del instituto, un optimismo que no se veía en los círculos nucleares estadounidenses desde los tiempos de Weinberg.

En mi último día en Shanghái, Kun Chen y yo paseamos por los terrenos del instituto. Gran parte de la nieve se había fundido, aunque el gélido viento seguía siendo cortante. Me mostró el último proyecto de construcción del campus: un edificio de tres plantas, del tamaño de un almacén, destinado a albergar el programa de sal fundida y torio. Todos los laboratorios químicos, todos los talleres de maquinaria, todos los ordenadores, todas las oficinas, todos los circuitos de pruebas, estaciones de bombeo y prototipos tendrían un nuevo hogar una vez que el edificio abriese sus puertas a finales de este año. En ese momento era un cascarón vacío, pero a su vez un símbolo del compromiso de China por avanzar hasta la siguiente era nuclear. El sueño de los científicos estadounidenses de Oak Ridge, hace ya medio siglo, está tomando forma aquí, a miles de kilómetros.

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