Del uranio al combustible

Mina, concentración, conversión, enriquecimiento y fabricación. Teoría, fórmulas, ejemplos resueltos y aplicaciones.

El pequeño pellet tiene una cadena larga

De la roca al concentrado: la primera transformación

El uranio natural no aparece en la naturaleza como un metal puro, sino disperso en minerales dentro de la roca, en concentraciones normalmente muy bajas. Se extrae de tres formas principales: minería subterránea, minería a cielo abierto, o lixiviación in situ, una técnica que inyecta una solución química directamente en el yacimiento para disolver el uranio y bombearlo a la superficie sin excavar la roca. Cualquiera de las tres rutas exige después triturar y procesar químicamente grandes volúmenes de material para concentrar el uranio en un producto intermedio conocido como «yellowcake» o concentrado de uranio — y cualquiera de las tres deja tras de sí estériles y relaves que contienen productos radiactivos naturales (el uranio siempre estuvo ahí, la minería solo lo concentra y lo expone), por lo que exigen confinamiento, control del agua y restauración del terreno igual que cualquier otra actividad minera.

Conversión y enriquecimiento: por qué hace falta un paso químico intermedio

El uranio natural contiene solo una pequeña proporción del isótopo uranio-235, el que realmente sostiene la reacción en cadena en la mayoría de los reactores comerciales; el resto es uranio-238, mucho menos fisionable. Para que el combustible funcione en un reactor de agua ligera —el diseño más extendido del mundo— hay que enriquecer esa proporción, un proceso que exige convertir primero el concentrado de uranio en un compuesto gaseoso, y después separar los dos isótopos aprovechando la ligerísima diferencia de masa entre ellos mediante centrifugadoras de alta velocidad girando a decenas de miles de revoluciones por minuto. Es una de las etapas industrialmente más exigentes de toda la cadena energética: requiere instalaciones altamente especializadas, consume una cantidad significativa de electricidad, y está sometida a un régimen de seguridad y salvaguardias internacionales particularmente estricto, precisamente porque la misma tecnología de enriquecimiento que produce combustible civil, llevada a un nivel de concentración mucho mayor, puede producir material apto para armamento.

De gas a pastilla: la fabricación del combustible

Una vez enriquecido, el uranio vuelve a convertirse en un óxido sólido, se compacta en pequeñas pastillas cerámicas —cada una del tamaño aproximado de un dedal, pero capaz de liberar, a lo largo de su vida útil en el reactor, tanta energía como varias toneladas de carbón—, se introducen en tubos metálicos de aleación especial resistentes a la corrosión y a la radiación, y se ensamblan en conjuntos que finalmente entran en el núcleo del reactor. Cada etapa de esta fabricación exige un control de calidad extremo: un defecto microscópico en una vaina puede, con los años de operación, comprometer la contención de productos radiactivos dentro de esa barra concreta.

Lo que sale del reactor no se parece a lo que entró

Después de varios años dentro del núcleo, el combustible que se retira del reactor es un material radicalmente distinto del que entró: contiene productos de fisión intensamente radiactivos y calientes, y también elementos nuevos —como el plutonio— generados por la propia operación del reactor. Ese combustible usado se enfría primero en una piscina dentro de la propia central durante varios años, y después sigue uno de los caminos que desarrolla la hoja de residuos de esta misma sección: almacenamiento en seco, reprocesado, o preparación para disposición final.

Evaluar solo un extremo de la cadena es engañarse a uno mismo

Hablar únicamente del reactor en funcionamiento —sin combustión, sin humo— oculta el coste energético y ambiental real de la minería y el enriquecimiento; hablar únicamente del residuo final, presentándolo como el problema definitorio de la tecnología, omite la enorme cantidad de electricidad libre de carbono que ese mismo combustible produjo durante años de operación. La evaluación completa y honesta de la energía nuclear exige seguir toda la cadena: calidad y origen del mineral, energía consumida en el enriquecimiento, fabricación del combustible, operación del reactor, desmantelamiento de la central y custodia del residuo — no se puede juzgar la tecnología completa mirando solo uno de esos eslabones.

Lo que hace sensible a toda la cadena

A favor: un proceso industrial maduro, con siete décadas de experiencia, capaz de convertir una cantidad muy pequeña de mineral en una cantidad muy grande de electricidad continua y libre de carbono en la fase de operación.

A vigilar, de forma estructural: la misma tecnología de enriquecimiento que produce combustible civil (típicamente entre el 3% y el 5% de uranio-235) puede, llevada mucho más lejos, producir material apto para uso militar. Por eso toda la cadena está sometida a salvaguardias internacionales de no proliferación, con inspecciones y controles de trazabilidad que no existen para ninguna otra fuente de energía de esta sección.

El punto que más varía entre países: el origen del uranio y la localización de la conversión y el enriquecimiento. Un país que depende de un único proveedor extranjero para estas etapas tiene una vulnerabilidad estratégica distinta —y a menudo subestimada en el debate público— de la de un país con toda la cadena nacionalizada.

Antes de comparar el coste del combustible nuclear con el de un combustible fósil: recuerda que el coste del combustible representa una fracción mucho menor del coste total de la electricidad nuclear que en una central de gas o de carbón, donde el combustible es el gasto dominante. Esto hace que la economía de la nuclear dependa mucho más del coste de construcción y financiación que del precio internacional del uranio.

Los números, con su origen

Un salto de concentración de más de cuatro veces

El uranio tal como se encuentra en la naturaleza contiene aproximadamente un 0,7% de uranio-235, el isótopo que sostiene la reacción en cadena, y un 99,3% de uranio-238. El combustible para la mayoría de los reactores comerciales de agua ligera necesita enriquecerse hasta aproximadamente entre el 3% y el 5% de uranio-235 — un salto de concentración de cuatro a siete veces respecto al mineral natural, logrado haciendo pasar el uranio convertido en gas por miles de centrifugadoras en cascada, cada una girando a decenas de miles de revoluciones por minuto para separar los isótopos por su ligerísima diferencia de masa. Para uso militar, la concentración necesaria supera el 90%: la diferencia de escala entre el enriquecimiento civil y el militar —no la tecnología en sí misma, que es esencialmente la misma— es la base de todo el régimen internacional de salvaguardias.

Fuente: World Nuclear Association — Conversion, Enrichment and Fabrication.

Una pastilla del tamaño de un dedal, la energía de varias toneladas de carbón

Cada pastilla de combustible cerámico pesa unos pocos gramos y mide poco más de un centímetro, pero a lo largo de su vida útil dentro de un reactor libera, según estimaciones estándar de la industria, una cantidad de energía comparable a la de varias toneladas de carbón. Esa relación de escala es la que explica por qué la logística de combustible de una central nuclear es tan distinta de la de una central térmica: un reactor se recarga solo cada uno o dos años, con un volumen de combustible fresco que cabe en un número reducido de camiones, mientras que una central de carbón de potencia comparable necesita un suministro ferroviario o marítimo prácticamente continuo.

Qué falta en esta tabla

Estas cifras describen la cadena del combustible fresco; no incluyen el coste energético ni la huella de la minería y restauración de terrenos uraníferos, que varía mucho según el país y el método de extracción, ni el coste del combustible ya usado — desarrollado en la hoja de residuos de esta misma sección.

Fuentes