¿Por qué el torio no se usa en reactores nucleares a pesar de ser más seguro que el uranio?

La investigación y el desarrollo pioneros en el ámbito nuclear se realizaron con el propósito de crear armas nucleares. Dado que la fisión del torio no produce plutonio (uno de los elementos utilizados en las armas nucleares) como subproducto, el uranio, el combustible nuclear de doble propósito, tuvo prioridad. Sin embargo, las naciones finalmente han comenzado a comprender los aspectos de seguridad del torio como combustible nuclear y han comenzado a desarrollar reactores nucleares basados ​​en torio.

Después de atracarme recientemente en el programa Chernobyl, me encontré en lo profundo de las madrigueras de Google, indagando en los misterios de los reactores nucleares y cómo funcionan. Pronto descubrí que la historia de la humanidad moderna está llena de accidentes nucleares. Desde el inicio de la primera planta nuclear en 1954, ha habido más de 100 accidentes nucleares graves, cada uno de los cuales ha afectado la vida de miles, ¡o incluso millones! – de humanos y animales.

En el meollo de estos accidentes está el uranio, el elemento utilizado como combustible nuclear primario en todos los reactores nucleares construidos hasta este momento. Sin embargo, para mi sorpresa, descubrí que en realidad existe una alternativa mejor y potencialmente más segura al uranio en forma de torio.

Esto me hizo preguntarme… ¿Se podría haber evitado la larga lista de accidentes nucleares y sus consecuencias utilizando torio en lugar de uranio? ‘.

El torio se encuentra dos lugares a la izquierda del uranio en la tabla periódica y posee propiedades comparables.

¿Cómo funcionan los reactores nucleares?

Antes de lanzar acusaciones a los primeros científicos nucleares por usar uranio en lugar de torio, echemos un vistazo rápido a cómo funcionan los reactores nucleares.

Los reactores nucleares funcionan aprovechando la energía liberada durante la fisión nuclear, una reacción química en la que un núcleo más grande se divide en dos o tres núcleos más pequeños, liberando una gran cantidad de calor y neutrones. La energía térmica liberada durante la fisión se utiliza para evaporar el agua en vapor, que luego se utiliza para hacer funcionar una turbina y convertir la energía térmica en electricidad o energía mecánica. Simple, ¿verdad? Bueno, todo el proceso es en realidad mucho más complicado de lo que parece y requiere una gran cantidad de atención y experiencia para administrarlo de manera segura.

Funcionamiento de una central nuclear.

Concentrándose solo en el lado químico de las cosas, el uranio enriquecido es la sustancia (combustible nuclear) que sufre fisión en la mayoría de los reactores (algunos reactores nucleares usan MOX, una mezcla de plutonio y alguna forma de uranio, como combustible nuclear). Aproximadamente el 99% del uranio encontrado en la Tierra es 238U, el isótopo no fisionable, mientras que menos del 1% es 235U, el isótopo de uranio fisible y por lo tanto más valioso. El uranio enriquecido, mediante la aplicación de técnicas como la separación de isótopos, contiene un porcentaje aumentado de 235U en la mezcla total.

Una reacción de fisión comienza cuando el uranio enriquecido es bombardeado con un neutrón. Tras el impacto, 235U comienza a dividirse en núcleos más pequeños y libera neutrones de alta energía. Los neutrones de alta energía son absorbidos por otros átomos de 235U, provocando una reacción en cadena dentro del reactor nuclear. En el proceso se libera una gran cantidad de energía térmica, junto con la liberación de radiación gamma y neutrones adicionales.

La cantidad de energía térmica producida depende de la velocidad de estas reacciones de fisión encadenadas. Contener la velocidad y el alcance de estas reacciones en cadena también marca la línea entre un reactor nuclear y un arma nuclear.

El uso principal de la energía nuclear

Mucho antes del desarrollo de la primera planta nuclear, la energía nuclear se utilizó originalmente con fines destructivos. El Proyecto Manhattan, una iniciativa de investigación y desarrollo de armas encargada por el gobierno de los Estados Unidos, fue pionero en el uso de la energía nuclear al presentar las primeras armas nucleares. Establecido en 1939, el Proyecto Manhattan asustó al mundo con la detonación de la primera arma nuclear (una demostración conocida como la prueba Trinity) en 1945. Un mes después, la misma nación estableció aún más el inmenso potencial destructivo de las armas nucleares al bombardear infamemente Hiroshima y Nagasaki, poniendo fin de manera efectiva al papel de Japón en la Segunda Guerra Mundial.

El temor de que una nación enemiga poseyera una destreza tan destructiva llevó a otras naciones involucradas en la Segunda Guerra Mundial a comenzar su propia investigación individual en el dominio nuclear. Lo que siguió fue un aumento en la producción de armas nucleares, en lugar del desarrollo de la energía nuclear comercial.

La Unión Soviética, el Reino Unido, Francia y la República Popular China, seguidos de India y Pakistán, han desarrollado armas nucleares a lo largo de los años. También se cree que algunas otras naciones, incluidas Corea del Norte e Israel, han desarrollado armas nucleares. Otro país que desarrolló armas nucleares es Sudáfrica, pero destruyó voluntariamente todas sus existencias de armas nucleares y descontinuó la producción en la década de 1990.

Una nube en forma de hongo se formó después de la detonación de la primera arma nuclear exitosa (prueba Trinity). (Crédito de la foto: Departamento de Energía de los Estados Unidos / Wikimedia Commons)

¿Por qué el uranio?

El uranio enriquecido puede contener un porcentaje mayor de 235U, pero también retiene 238U en cantidades significativas. 238U, al absorber uno de los neutrones de alta energía que flotan en el reactor, se transmuta en 239U antes de descomponerse en otros compuestos radiactivos, como neptunio-239 y plutonio-239. El último de los dos productos secundarios es lo que intrigó a todos los que trabajan en el desarrollo y la energía nuclear.

Descubierto justo en el clímax de la Segunda Guerra Mundial, los científicos y las naciones se apresuraron a comprender el potencial destructivo del plutonio-239. La bomba atómica lanzada en Nagasaki fue una bomba de plutonio-239 llamada ‘Fat Man’, mientras que la lanzada en Hiroshima fue una bomba de uranio-235. El plutonio-239 tiene la masa crítica más pequeña de todos los combustibles nucleares, lo que significa que el plutonio puede sostener una reacción en cadena con la menor cantidad de materia.

Sin embargo, casi todo el plutonio es artificial y solo una cantidad insignificante puede extraerse de la corteza terrestre. El único lugar donde se encuentra plutonio-239 en cantidades significativas es dentro de un reactor nuclear donde el uranio-238 está interactuando con neutrones. En los EE. UU., Se han establecido reactores en el sitio de Savannah River y Hanford para la producción de plutonio-239.

Por otro lado, la fisión del torio no produce plutonio-239 como subproducto. El ciclo del combustible de torio (mostrado arriba) comienza con la transmutación de 232Th en 233U a través de una serie de desintegraciones. 233U continúa desempeñando el papel de combustible nuclear en estos reactores. El ciclo del combustible de torio también produce plutonio, pero el isótopo no armable (plutonio-238). El 233U también se puede usar en armas nucleares, pero la presencia de 232U en la mezcla niega sus capacidades.

Para reconstruir todo esto, el torio no puede ser armado, lo que significó que la investigación y el desarrollo de reactores de uranio de doble propósito fueron alentados (y también financiados) en varias naciones después de la Segunda Guerra Mundial. Los investigadores que expresaron sus opiniones y alentaron a los reactores de torio fueron: expulsados ​​de sus respectivas organizaciones o las ideas fueron descartadas en favor de los usos militares del uranio.

Uranio vs torio como combustible nuclear

Además de ser un combustible nuclear no armable, ¡el torio triunfa sobre el uranio también de varias otras formas!

El torio es tres veces más abundante que el uranio y no necesita ser reprocesado ni enriquecido como el uranio-235. Las estimaciones predicen que hay suficiente torio solo en los EE. UU. Para alimentar al país durante otros 1.000 años (al nivel energético actual del país). Además, el mineral de torio contiene un porcentaje mayor de torio que la cantidad de uranio que se encuentra en su respectivo mineral, lo que hace que la extracción de torio sea más rentable y respetuosa con el medio ambiente.

En cuanto a los aspectos de seguridad, los reactores de torio generarán menos desechos nucleares que sus equivalentes de uranio. También se prevé que la radiactividad de sus desechos nucleares disminuya a niveles seguros después de unos pocos cientos de años, mientras que los desechos nucleares producidos por los reactores actuales permanecen radiactivos durante miles de años. Esto reduce el coste de gestionar el combustible gastado y los residuos.

Más importante aún, el torio es un material fértil, pero no fisible. Los elementos fértiles no sufren reacciones de fisión por sí solos, pero al ser irradiados en reactores nucleares, pueden convertirse en material fisible. Esto implica que los reactores de torio se pueden apagar casi de inmediato simplemente apagando la fuente de neutrones.

Ultimas palabras

Con varios beneficios conocidos y previstos sobre los reactores de uranio tradicionales, ¿por qué el mundo no ha visto reinar de forma suprema a los reactores de torio? ¡Porque con la virtud viene el vicio!

Aún es necesario realizar mucha investigación, trabajo práctico y pruebas antes de cambiar al torio, junto con el requisito de capital para la obtención de licencias y la fabricación de combustible. Además, la palabra “nuclear” se ha convertido en sinónimo de uranio, por lo que la posibilidad de una alternativa más segura es inaudita por las masas e incluso por algunas autoridades del dominio nuclear.

Sin embargo, hay alguna esperanza de cambio, ya que muchos países han comenzado la investigación y el desarrollo de reactores nucleares a base de torio. Liderando desde el frente está India, con un plan de tres etapas para satisfacer el 30% de las necesidades eléctricas del país utilizando reactores de torio para 2050, mientras que el mundo podría ver su primer reactor de torio comercial a partir de 2025. Otros países como Canadá, China, Noruega, el Reino Unido y los EE. UU. También están dando un paso hacia la utilización de la energía nuclear limpia y más segura del torio.

En cuanto a la pregunta formulada anteriormente, ¿podrían haberse evitado las consecuencias y los daños de esos muchos desastres nucleares? Tal vez sí. Tal vez no … ¡pero favorecer una alternativa probada más segura definitivamente habría ayudado!