Una sola pastilla de combustible de uranio, apenas más grande que un terrón de azúcar, contiene tanta energía como una tonelada de carbón. Apilando cientos de miles de esas pastillas en un recipiente de acero y dividiendo sus átomos en una reacción en cadena controlada, se puede abastecer de energía a una ciudad durante años sin quemar un solo gramo de combustible fósil. En 2024, los reactores nucleares generaron un total récord de 2.667 teravatios-hora en todo el mundo, más que en cualquier otro año de la historia. ¿Cómo funciona un reactor nuclear, desde la materia prima hasta el enchufe de su casa? Eso es exactamente lo que explica este artículo.
Todo empieza con el uranio
El uranio es un metal pesado que se encuentra en rocas de todo el mundo. El uranio natural contiene dos formas principales: el uranio-238 (la inmensa mayoría) y el uranio-235 (menos del 1 %). Solo el uranio-235 puede sostener una reacción en cadena en los reactores convencionales, por lo que la materia prima debe primero enriquecerse para aumentar la proporción de U-235, generalmente hasta alrededor del 3 al 5 %.
En una instalación de fabricación de combustible, el uranio enriquecido se convierte en polvo de dióxido de uranio (UO2). Este polvo se prensa en pequeñas pastillas cilíndricas y se sinteriza en una forma cerámica densa. Cada pastilla mide poco menos de un centímetro de diámetro y algo más de un centímetro de largo.
Estas pastillas se apilan dentro de tubos largos fabricados con una aleación de circonio resistente a la corrosión. Cada tubo sellado es una barra de combustible. Típicamente, más de 200 barras de combustible se agrupan en un conjunto de combustible. El núcleo de un reactor contiene varios centenares de estos conjuntos, según el nivel de potencia de la planta.
La fisión atómica: cómo los reactores nucleares generan electricidad
El principio fundamental es la fisión nuclearDivisión de un núcleo atómico pesado en dos núcleos más pequeños, liberando gran cantidad de energía y neutrones adicionales. Proceso fundamental de los reactores nucleares.. Cuando un neutrón de baja velocidad choca con un núcleo de uranio-235, este se divide en dos núcleos más pequeños (por ejemplo, bario y kriptón) y libera dos o tres neutrones adicionales. Esos neutrones van a dividir más átomos de uranio, creando una reacción en cadena autosostenida.
Cada evento de fisión libera unos 200 millones de electronvoltios (MeV) de energía, principalmente como energía cinéticaLa energía que posee un objeto debido a su movimiento. Una masa que se desplaza a alta velocidad lleva energía cinética proporcional a su masa y al cuadrado de su velocidad, determinando su capacidad destructiva al impactar. de los fragmentos de fisión. Como estos fragmentos solo pueden recorrer una distancia microscópica en el combustible sólido, su energía cinética se convierte directamente en calor. Ese calor es el motor de toda central nuclear.
Controlar la reacción
Un reactor nuclear no es una bomba. La reacción en cadena se controla cuidadosamente para producir una cantidad de calor constante y predecible.
Dos sistemas lo hacen posible. Primero, las barras de combustible están sumergidas en agua, que actúa como moderador: ralentiza los neutrones rápidos producidos por la fisión hasta velocidades en las que tienen muchas más probabilidades de desencadenar otro evento de fisión. Segundo, las barras de control, fabricadas con materiales absorbentes de neutrones como el boro, la plata y el cadmio, pueden insertarse en el núcleo para capturar neutrones y ralentizar la reacción, o extraerse para acelerarla.
La propia física incorpora una característica de seguridad. Una pequeña fracción de los neutrones de la fisión se emite con un ligero retraso. Estos neutrones retardados son el factor crucial que hace controlable un reactor, dando a los operadores tiempo para ajustar la tasa de reacción en lugar de perseguir cambios instantáneos.
Del calor al vapor y a las turbinas
Una vez que la fisión genera calor, el resto del proceso es conceptualmente sencillo: hervir agua, producir vapor, hacer girar una turbina.
Existen dos diseños principales utilizados en reactores comerciales de todo el mundo:
Los reactores de agua a presión (RAP) son el tipo más común del mundo, representando más del 80 % de la flota nuclear mundial en operación. En un RAP, el agua en el núcleo del reactor se mantiene bajo una enorme presión (unas 155 atmósferas) para evitar que hierva, aunque alcanza unos 320 °C. Esta agua sobrecalentada circula por un intercambiador de calor llamado generador de vapor, donde calienta un segundo circuito de agua a menor presión. Esa agua secundaria hierve convirtiéndose en vapor que impulsa la turbina. Los circuitos primario y secundario nunca se mezclan.
Los reactores de agua en ebullición (RAE) adoptan un enfoque más directo. El agua se bombea por el núcleo del reactor, se calienta por fisión y hierve directamente convirtiéndose en vapor dentro del recipiente del reactor. Ese vapor va directamente a la turbina. Menos componentes, pero el vapor que toca la turbina ha estado dentro del reactor, lo que complica el mantenimiento.
En ambos diseños, el vapor hace girar una turbina conectada a un generador eléctrico, convirtiendo la energía mecánica en electricidad.
Del generador a su hogar
El generador de una central nuclear produce electricidad típicamente a entre 15.000 y 24.000 voltios. Es demasiado baja para la transmisión a larga distancia. Un transformador elevador en la planta aumenta el voltaje a 225.000 a 400.000 voltios, lo que permite que la electricidad viaje cientos de kilómetros por la red con pérdidas de energía mínimas. Cerca de su hogar, transformadores reductores vuelven a reducir el voltaje a niveles utilizables.
Tras pasar por la turbina, el vapor gastado debe enfriarse hasta convertirse de nuevo en agua para poder recalentarse y reutilizarse. Esa es la función del condensador, que se alimenta de una fuente de agua de refrigeración separada: un río, el océano o grandes torres de refrigeración que liberan el calor residual como vapor de agua a la atmósfera. Esas características columnas de vapor que se elevan de las torres de las centrales nucleares no son humo; son vapor de agua.
¿De cuánta energía estamos hablando?
Las cifras son llamativas. Un reactor típico necesita unas 27 toneladas de combustible nuevo al año. Una central de carbón que produzca la misma cantidad de electricidad quemaría más de dos millones y medio de toneladas de carbón.
En 2024, la flota mundial de 440 reactores operó con un factor de capacidad medio del 83 %, lo que significa que produjeron el 83 % de la electricidad máxima que teóricamente podrían haber generado. Es más alto que cualquier otra gran fuente de electricidad. El mismo informe constató que la energía nuclear contribuyó a evitar 2.100 millones de toneladas de emisiones de CO2 en comparación con la generación equivalente con carbón.
¿El inconveniente? Solo alrededor de un tercio del calor generado por la fisión se convierte realmente en electricidad. El resto es calor residual que se lleva el sistema de refrigeración. Esto no es exclusivo de la energía nuclear; es un límite fundamental de todas las máquinas térmicas, regido por las leyes de la termodinámica.
Una sola pastilla de combustible de dióxido de uranio, de aproximadamente 8 mm de diámetro y 10 mm de longitud, contiene tanta energía como una tonelada de carbón. La densidad energética del uranio-235 fisionable es de aproximadamente 82 TJ/kg, unas 3,4 millones de veces la del carbón. En 2024, la flota nuclear mundial estableció un récord de generación: 2.667 TWh procedentes de 440 reactores operativos. Este artículo recorre la cadena completa de conversión de energía por la que los reactores nucleares generan electricidad, etapa termодinámica y eléctrica tras etapa.
Fabricación del combustible: del UF6 a las pastillas cerámicas
El ciclo del combustible comienza con el hexafluoruro de uranio (UF6), la forma química utilizada en el enriquecimiento. En una instalación de fabricación, el UF6 se calienta hasta su forma gaseosa y luego se procesa químicamente para convertirlo en polvo de dióxido de uranio (UO2). La conversión puede seguir una ruta seca (UF6 reaccionado con vapor de agua e hidrógeno en un horno rotativo) o una ruta húmeda (UF6 disuelto en agua, precipitado como diuranato de amonio o carbonato de uranilo amónico, y luego reducido a UO2).
El polvo de UO2 se prensa a varios cientos de MPa en pastillas cilíndricas y se sinteriza a aproximadamente 1.750 °C bajo atmósfera reductora de argón-hidrógeno. El resultado es una cerámica densa con dimensiones y microestructura controladas con precisión. Para los reactores de agua ligera, el uranio se enriquece hasta aproximadamente un 4,8 % de U-235.
Las pastillas se cargan en tubos de aleación de circonio (zircaloy), elegido por su baja sección transversal de absorción de neutrones y su alta resistencia a la corrosión. Cada tubo se purga con helio, se presuriza a varios MPa y se sella mediante soldadura de precisión. Un espacio de plenario por encima de la pila de pastillas compensa la expansión térmica y la acumulación de gases de fisión.
Estas barras de combustible selladas se ensamblan en estructuras de red rígidas. Un núcleo de RAP de 1.100 MWe contiene típicamente 193 conjuntos de combustible, con más de 50.000 barras de combustible y unos 18 millones de pastillas. Un conjunto estándar de RAP utiliza una red de barras 17×17, mide de 4 a 5 metros de altura, pesa alrededor de media tonelada e incluye posiciones vacías para la inserción de barras de control e instrumentación.
Fisión nuclearDivisión de un núcleo atómico pesado en dos núcleos más pequeños, liberando gran cantidad de energía y neutrones adicionales. Proceso fundamental de los reactores nucleares.: la fuente de energía
Cuando un neutrón térmico (energía cinéticaLa energía que posee un objeto debido a su movimiento. Una masa que se desplaza a alta velocidad lleva energía cinética proporcional a su masa y al cuadrado de su velocidad, determinando su capacidad destructiva al impactar. ~0,025 eV, velocidad ~2 km/s) es capturado por un núcleo de U-235, el núcleo compuesto U-236 resultante es altamente inestable. Se divide en dos fragmentos de fisión (típicamente con números másicos distribuidos alrededor de 95 y 135) y libera 2 a 3 neutrones, con una media de 2,45 neutrones por evento de fisión.
La liberación total de energía promedia unos 200 MeV (3,2 x 10-11 J) por fisión. El balance energético se desglosa así:
- ~85 % como energía cinética de los fragmentos de fisión (convertida en calor a escasos micrómetros del punto de fisión)
- ~2,5 % como energía cinética de neutrones prontos
- ~2,5 % como radiación gamma pronta
- ~10 % como energía retardada procedente de la desintegración beta de los productos de fisión y la posterior emisión gamma
Los productos de fisión (isótopos de bario, kriptón, estroncio, cesio, yodo, xenón y otros) son altamente radiactivos y continúan produciendo calor de decaimiento incluso después de que la reacción en cadena se detenga. Por ello, la refrigeración del reactor debe continuar tras la parada: inmediatamente después del scram, el combustible sigue generando alrededor del 6 % de la potencia térmica nominal, y aún después de un año, el combustible usado típico produce unos 10 kW de calor de decaimiento por tonelada.
Cómo los reactores nucleares generan electricidad: neutrónica y control del reactor
Mantener una reacción en cadena controlada requiere mantener la criticidadEstado de un reactor nuclear en el que cada fisión produce exactamente un neutrón que desencadena otra fisión, manteniendo una reacción en cadena estable.: el estado en que exactamente un neutrón de cada fisión provoca otra fisión. Los mecanismos clave:
Moderación. Los neutrones rápidos de la fisión (~2 MeV, ~20.000 km/s) tienen una sección transversal de fisión muy pequeña para el U-235. Deben frenarse hasta energías térmicas (~0,025 eV), donde la sección transversal de fisión se vuelve muy grande. En los reactores de agua ligera, el agua ordinaria actúa como moderador, frenando los neutrones mediante colisiones elásticas con núcleos de hidrógeno.
Barras de control. Las barras de materiales absorbentes de neutrones pueden insertarse en el núcleo del reactor para reducir la tasa de reacción o extraerse para aumentarla. Los RAP utilizan típicamente aleaciones de plata-indio-cadmio (80 % Ag, 15 % In, 5 % Cd), mientras que los RAE usan carburo de boro (B4C). La composición de la aleación aprovecha distintas energías de resonancia de absorción de neutrones para una captura de amplio espectro.
Neutrones retardados. Alrededor del 0,66 % de los neutrones de la fisión del U-235 son retardados, emitidos segundos o minutos después de la fisión mediante la desintegración beta de ciertos productos de fisión. El grupo de neutrones retardados de mayor vida media tiene una semivida de unos 56 segundos. Esta pequeña fracción es lo que hace que los reactores sean controlables en escalas de tiempo humanas. Sin neutrones retardados, el período del reactor (el tiempo para que la potencia cambie por un factor e) sería una fracción de milisegundo, haciendo imposible el control mecánico.
Absorbentes combustibles. El combustible fresco con alto enriquecimiento produciría una reactividad inicial excesiva. Se incorpora óxido de gadolinio o diboruro de circonio en pastillas de combustible seleccionadas para absorber neutrones al inicio de la vida útil del combustible. A medida que estos absorbentes se consumen por captura neutrónica, liberan progresivamente reactividad para compensar el agotamiento del combustible, permitiendo ciclos de operación más largos entre recargas.
Conversión termodinámica: el ciclo RankineCiclo termodinámico de las centrales de vapor: el agua se calienta para producir vapor que impulsa una turbina, luego se condensa y recircula en el sistema.
El calor de la fisión impulsa un ciclo de vapor Rankine, el mismo principio termodinámico que en las centrales de carbón y gas. La diferencia fundamental es la fuente de calor.
Los reactores de agua a presión operan con un sistema de dos circuitos. El refrigerante primario (agua a ~15,5 MPa, ~155 atmósferas) circula por el núcleo y se calienta hasta aproximadamente 320 °C sin hervir. Transfiere ese calor a través de generadores de vapor de tubo en U a un circuito secundario, donde el agua a menor presión se evapora para producir vapor a aproximadamente 6 MPa y 275 °C. Este vapor casi saturado (título x ≈ 0,995) entra en la etapa de turbina de alta presión.
Tras la etapa de alta presión, el vapor pasa por separadores-recalentadores de humedad para eliminar las gotitas de agua y elevar la temperatura del vapor antes de entrar en las etapas de baja presión. Sin recalentamiento, el vapor de baja calidad erosionaría los álabes de la turbina. El vapor exhausto entra en el condensador a aproximadamente 0,008 MPa (muy por debajo de la presión atmosférica), parcialmente condensado con un título cercano al 90 %.
Los reactores de agua en ebullición simplifican el sistema produciendo vapor directamente dentro del recipiente del reactor. La presión de operación es más baja (~7 MPa frente a ~15,5 MPa en los RAP), y el vapor va directamente a la turbina. Esto elimina el generador de vapor, pero significa que la isla de turbinas debe diseñarse para manejar vapor ligeramente radiactivo (principalmente por la activación de N-16 del agua).
La eficiencia máxima teórica (Carnot) para un RAP típico, con un depósito caliente a ~549 K y un depósito frío a ~315 K, es de aproximadamente el 42,6 %. Las irreversibilidades reales (fricción, pérdidas de calor, expansión no ideal) reducen la eficiencia térmica real a aproximadamente el 33 %. Esto significa que un reactor de 3.000 MWth produce alrededor de 1.000 MWe de potencia eléctrica. Los dos tercios restantes de la energía térmica se rechazan como calor residual a través del condensador y el sistema de refrigeración.
Conversión eléctrica e integración en la red
El eje de la turbina impulsa un generador síncrono que produce típicamente corriente alterna trifásica a la frecuencia de la red (50 Hz o 60 Hz según la región). La tensión de salida del generador es típicamente de 15 a 24 kV.
Un transformador elevador de bloque aumenta inmediatamente esa tensión a 225.000 a 400.000 voltios para la transmisión de alta tensión. La física es directa: mayor tensión significa menor corriente para la misma potencia, y las pérdidas resistivas en las líneas de transmisión son proporcionales al cuadrado de la corriente (P = I2R). La transmisión a larga distancia en alta tensión es esencial para suministrar electricidad de manera económica a los centros de consumo.
Las centrales nucleares operan típicamente como generadores de carga base. Su factor de capacidad medio global del 83 % en 2024 es el más alto de cualquier gran fuente de electricidad, lo que refleja tanto la física (un núcleo de reactor tiene combustible para 12 a 18 meses entre recargas) como la economía (alto coste de capital, bajo coste de combustible, favoreciendo la operación continua).
El problema del calor residual y el bono del plutonio
Los dos tercios de la energía térmica rechazados como calor residual no son un defecto de diseño; son consecuencia del segundo principio de la termodinámica. El techo de eficiencia lo fija la diferencia de temperatura entre el vapor y el condensador. Las centrales nucleares operan a temperaturas de vapor más bajas que las modernas centrales de carbón o gas (que pueden alcanzar 600 °C o más), lo que limita su eficiencia de Carnot. Los diseños de reactores de agua supercrítica, aún en desarrollo, apuntan a presiones de operación superiores a 22,1 MPa y podrían alcanzar eficiencias térmicas del 45 %.
Mientras tanto, el reactor realiza un truco adicional. La captura neutrónica por el U-238 produce plutonio-239, que es a su vez fisionable. A lo largo de un ciclo de combustible típico de tres años, el Pu-239 contribuye aproximadamente a un tercio de la producción total de energía. El reactor crea y quema un segundo combustible mientras opera.
En 2024, toda esta cadena de conversión contribuyó a evitar 2.100 millones de toneladas de emisiones de CO2 en comparación con la generación equivalente con carbón. La física no ha cambiado desde que el primer reactor alcanzó la criticidad en 1942. Lo que ha cambiado es la escala, la precisión y el reconocimiento creciente de que la fisión atómica sigue siendo una de las fuentes de energía más concentradas a disposición de la civilización.
