El combustible que utilizan los reactores nucleares de la mayor parte de las centrales españolas procede de una fábrica ubicada en Juzbado, un pequeño pueblo de la provincia de Salamanca con menos de 200 habitantes. Esta sofisticada factoría está administrada por la empresa pública ENUSA Industrias Avanzadas (el acrónimo ENUSA procede de su nombre original, que era Empresa Nacional del Uranio, S.A.), y su capacidad de producción no solo le permite abastecer a las centrales nucleares españolas, sino también a varias instalaciones extranjeras.
La suerte de las centrales españolas parece estar echada, pero, paradójicamente, la mayor parte de los ciudadanos no hemos tenido la oportunidad de formarnos una opinión rigurosa y fundada que nos permita valorar con objetividad las ventajas y los inconvenientes de esta forma de producción de energía. Dado que el debate de «lo nuclear» está encima de la mesa nos parece un momento oportuno para publicar una colección de artículos en los que pretendemos indagar en esta tecnología con la máxima profundidad y rigor posibles. Este es el primero de ellos y aborda el primer, y apasionante, eslabón de la cadena: cómo se procesa el uranio enriquecido y cómo se fabrican las barras de combustible que alimentan los reactores nucleares.
Así funciona la fisión nuclear que se lleva a cabo en el interior de los reactores
Antes de que nos adentremos en la fábrica de barras de combustible nuclear que hemos tenido la oportunidad de visitar es importante que repasemos qué es la fisión nuclear y cómo funciona. Y es que estos son los fundamentos de todo lo que vamos a ver a continuación. Afortunadamente, estas nociones son relativamente sencillas, pero resultan cruciales si queremos entender por qué los reactores nucleares utilizan uranio como combustible y cuáles son las razones por las que este elemento químico metálico ligeramente radiactivo debe ser procesado de forma meticulosa.
La fisión nuclear, que es el proceso utilizado actualmente en las centrales nucleares, consiste en romper el núcleo de un átomo en dos o más núcleos para liberar una parte de la energía que contiene. Sin embargo, no podemos fragmentar el núcleo de un átomo cualquiera. En teoría sí puede hacerse, pero en la práctica lo interesante es utilizar un átomo que sea relativamente «fácil y económico» romper. Y el del uranio-235 lo es.
La fisión nuclear consiste en romper el núcleo de un átomo en dos o más núcleos para liberar una parte de la energía que contiene
El uranio se encuentra presente en la naturaleza en concentraciones muy bajas, normalmente en rocas, tierras y agua. De ahí que su obtención sea cara y su tratamiento complejo, pues exige realizar procesos químicos capaces de separarlo de los demás elementos y las impurezas con las que suele convivir. Tiene 92 protones, y otros tantos electrones orbitando en torno al núcleo, y este último incorpora, además de los protones, entre 142 y 146 neutrones.
Es importante que recordemos que el núcleo de un átomo está habitualmente constituido por un cierto número de protones y neutrones (aunque no siempre: el protio, el isótopo del hidrógeno más abundante, tiene en su núcleo un solo protón y ningún neutrón), así como por unos electrones que orbitan a su alrededor. El hecho de que el número de neutrones del núcleo del uranio pueda variar, como acabamos de ver, nos indica que existen varios isótopos de este elemento químico, que no son otra cosa que átomos con el mismo número de protones y electrones, pero distinto número de neutrones.
La razón por la que en los reactores de fisión nuclear se utiliza un átomo de uranio-235, y no otro isótopo de este elemento o cualquier otro elemento químico, consiste en que al bombardear su núcleo con un neutrón (un proceso que se conoce como fisión inducida) el uranio-235 se transforma en uranio-236, que es un elemento más inestable. Esto significa, sencillamente, que el uranio-236 no puede permanecer mucho tiempo en su estado actual, por lo que se divide en dos núcleos, uno de bario-144 y otro de criptón-89, y emite, además, dos o tres neutrones.
Y aquí viene lo realmente interesante: la suma de las masas de los núcleos de bario-144 y criptón-89 es levemente inferior a la del núcleo de uranio-236 del que proceden («desaparece» alrededor del 0,1% de la masa original). ¿Adónde ha ido la masa que nos falta? Solo cabe una respuesta: se ha transformado en energía. La fórmula E = m c2, probablemente la más popular de la historia de la física, relaciona la masa y la energía, y lo que dice es, sencillamente, que una cierta cantidad de masa equivale a una cantidad concreta de energía, incluso aunque la masa se encuentre en reposo.
De hecho, la equivalencia entre la masa y la energía, propuesta por Albert Einstein en 1905 (como veis, hace más de un siglo), nos dice algo más muy importante. La c de la fórmula representa la velocidad de la luz en el vacío, que, como todos intuimos, es un número muy grande (3 x 108 m/s aproximadamente). Además, está elevado al cuadrado, lo que significa que incluso una masa muy, muy pequeña, como puede ser la porción del núcleo de un átomo, aunque esté en reposo contiene una cantidad grande de energía. Esto es lo que conocemos como energía en reposo.
Este esquema describe el funcionamiento de un antiguo reactor de fisión nuclear Magnox que utiliza uranio natural como combustible. Es una tecnología obsoleta, pero la sencillez de su diseño la hace valiosa desde un punto de vista didáctico.
Si la masa está en movimiento su energía total es mayor que su energía en reposo. Y, si observamos la equivalencia entre la masa y la energía, es sencillo darse cuenta de que la masa de un cuerpo en movimiento también es mayor que su masa en reposo, un fenómeno que nos introduce de lleno en la física relativista, y que trataremos con más detenimiento en otro artículo. En cualquier caso, la energía que obtenemos al fusionar o fisionar núcleos atómicos procede de la fuerza que los mantiene unidos: la interacción nuclear fuerte.
Entender con cierta precisión la relación que existe entre la masa y la energía es importante porque nos ayuda a comprender cómo es posible que una masa tan pequeña como la de un átomo nos permita obtener una cantidad de energía tan grande. En cualquier caso, el proceso de fisión nuclear no termina aquí. Y es que cada uno de los neutrones que hemos obtenido como resultado de la desintegración del núcleo de uranio-236 en los núcleos de bario-144 y criptón-89 puede interaccionar con otros núcleos fisionables, provocando una reacción en cadena.
No obstante, no todos los neutrones emitidos durante la desintegración del núcleo de uranio-236 van a interaccionar con un núcleo fisionable. Pero no hace falta que lo hagan todos ellos. Basta que uno solo de esos neutrones lo consiga para que obtengamos un número de fisiones estable, y, por tanto, una reacción controlada, que es el objetivo de los reactores de las centrales nucleares.
Dentro de la fábrica: el proceso cerámico, en detalle
Las instalaciones de producción de combustible nuclear que tiene ENUSA en Salamanca están divididas en dos áreas claramente diferenciadas: las zonas cerámica y mecánica. En el área cerámica se somete al uranio a los procesos de mezclado, prensado, sinterizado, rectificado e inspección necesarios para obtener las pastillas cilíndricas que irán colocadas en el interior de las barras de combustible. Y en la zona mecánica se fabrican los elementos combustibles que finalmente irán a parar a las centrales nucleares. Durante nuestra visita a la zona cerámica estuvimos acompañados por Mario Portal Garrido, un ingeniero especializado en el tratamiento del uranio enriquecido que nos explicó con todo lujo de detalles los procesos que se llevan a cabo en esta sección de la fábrica.
Antes de acceder a la zona cerámica las dos personas de Xataka que visitamos las instalaciones tuvimos que ponernos unas batas de tela fina, unos gorros, guantes y unas medias calzas que tienen como objetivo minimizar la probabilidad de que una o varias partículas radiactivas se adhieran a nuestro cuerpo o nuestra ropa. Además, también nos entregaron un pequeño dosímetro que debíamos llevar con nosotros en todo momento. Este dispositivo está diseñado para medir con precisión la dosis de radiación a la que íbamos a estar sometidos durante toda la visita y se utiliza con frecuencia en las instalaciones en las que existe riesgo de irradiación.
Mario nos explicó que en la zona cerámica existe el riesgo de contaminación interna, externa e irradiación, mientras que en la zona mecánica, en la que profundizaremos más adelante, solo existe riesgo de irradiación. En cualquier caso, los protocolos y las medidas de seguridad que utilizan en el interior de la fábrica están diseñados para minimizar tanto como es posible el riesgo al que están sometidos los trabajadores.
Estas instalaciones se encuentran en el centro del proceso del ciclo de combustible, lo que significa que reciben un conjunto de materias primas que deben procesar meticulosamente para fabricar los elementos combustibles que irán a parar a los reactores de las centrales nucleares. Algunas de estas materias primas son el óxido de uranio que, después de haber sido procesado, irá colocado en el interior de las barras de combustible, y también los tubos, los tapones, los esqueletos o los cabezales necesarios para generar el elemento combustible final. La fotografía que podéis ver debajo de estas líneas muestra el almacén de la fábrica en el que se guardan los contenedores sellados y blindados que contienen el óxido de uranio en polvo, que procede de Estados Unidos, Rusia, Reino Unido o Francia, entre otros posibles suministradores extranjeros.
El polvo de óxido de uranio que recibe la fábrica ya llega enriquecido, aunque nunca por encima del 5%, que es la proporción fijada por la normativa internacional para la producción de combustible para las centrales nucleares. Esto significa que como mucho solo el 5% de la masa total de uranio es el isótopo uranio-235 (que como hemos visto es el «fácilmente» fisionable), mientras que el resto es mayoritariamente uranio-238. Puede parecer que hay muy poco uranio-235 frente a la masa total de uranio, pero en realidad esta cantidad es suficiente para sostener la reacción de fisión nuclear.
El enriquecimiento del óxido de uranio para fines civiles no puede ser superior al 5%, lo que significa que como mucho solo el 5% de la masa total de uranio es el isótopo uranio-235. El resto es mayoritariamente uranio-238
Lo más curioso es que no todo el óxido de uranio que recibe la fábrica utiliza el mismo enriquecimiento debido a que las distintas tecnologías que usan los reactores nucleares requieren combustible con distinto enriquecimiento que, eso sí, nunca puede ser superior al 5%. De hecho, algunos elementos combustibles incorporan en su interior barras con distinto enriquecimiento. Esta fábrica está cualificada para, cuando es necesario, mezclar polvo de óxido de uranio con distinto enriquecimiento en la proporción adecuada para obtener uranio con un enriquecimiento final determinado. La mezcladora que podéis ver en la siguiente fotografía es una de las máquinas que se responsabilizan de llevar a cabo la mezcla y generar un polvo de óxido de uranio completamente homogéneo a partir de polvo de óxido de uranio virgen, polvo de óxido de uranio reciclado limpio y aditivos.
El dispositivo que podéis ver en la siguiente imagen es una de las cabinas diseñadas para manipular con seguridad el polvo de óxido de uranio en aquellas fases del proceso cerámico en las que los trabajadores podrían verse expuestos a él. Estas cabinas son recipientes sometidos a una depresión respecto al ambiente exterior, de manera que solo el aire exterior puede penetrar en su interior pero sin que el contenido del interior de la cabina pueda salir hacia fuera. De igual forma también hay una depresión en el interior de la fábrica frente al ambiente exterior que tiene como objetivo evitar que puedan salir hacia fuera posibles partículas que pudiesen estar suspendidas en el aire.
La siguiente etapa de la fase de procesado del óxido de uranio requiere el preprensado y granulado del polvo para producir unas pastillas que tienen una densidad controlada. Una vez obtenidas se rompen utilizando una malla con un tamaño específico que permite transformar el polvo de óxido de uranio inicial que tenía un tamaño de partícula de unas 7 micras en un polvo con un tamaño de partícula aproximado de 1,5 mm. Esta transformación es necesaria porque es muy difícil trabajar con polvos que tienen un tamaño de partícula muy pequeño y con tendencia a aglomerarse y compactarse.
A continuación, a este nuevo polvo de óxido de uranio que contiene partículas esféricas de mayor tamaño se le añade un lubricante y se introduce en una prensa capaz de dar forma a las pastillas que posteriormente van a ir colocadas en el interior de las barras de combustible. No obstante, antes tendrán que ser sometidas a otros procesos adicionales en los que indagaremos enseguida. Esta máquina de alta presión tiene un impacto directo en la calidad del producto final. Podéis ver su aspecto en la siguiente fotografía.
Las pastillas que obtenemos después de someter al polvo de óxido de uranio a la prensa de alta presión no tienen aún las dimensiones finales del producto. Son ligeramente más grandes de lo que deben ser para poder ser introducidas en el interior de los tubos que darán forma a las barras de combustible nuclear. Eso sí, su geometría es la adecuada.
El proceso de prensado es supervisado por un operador que se responsabiliza no solo de vigilar que la prensa lleve a cabo su tarea correctamente, sino también de medir la densidad de cada pastilla para ir ajustando la máquina de prensado. De esta forma todas las pastillas se moverán dentro de las estrictas tolerancias que es necesario asumir para maximizar la calidad del producto final.
Como veremos más adelante, las pastillas de óxido de uranio deberán ser introducidas en el interior de unos tubos metálicos que darán forma a las barras de combustible, pero es crucial que la superficie de contacto entre estas pastillas y el diámetro interior del tubo sea máxima. Esta es la única forma de optimizar la transferencia del calor emitido durante el proceso de fisión nuclear desde las pastillas hasta los tubos mediante conducción, un fenómeno termodinámico que explica cómo se transfiere energía en forma de calor entre dos cuerpos en contacto directo y sin que se produzca intercambio de materia entre ellos.
Las tolerancias con las que trabajan los operadores de la fábrica responsables de la producción de las pastillas oscilan entre las 4 y 5 micras, por lo que son extraordinariamente estrictas
Las tolerancias con las que trabajan los operadores de la fábrica responsables de la producción de las pastillas oscilan entre las 4 y 5 micras, por lo que son extraordinariamente estrictas. En cualquier caso, estas tolerancias son inexcusables cuando, como acabamos de ver, es imprescindible maximizar la transferencia de calor entre las pastillas y los tubos. No obstante, no podemos olvidarnos de algo importante: las pastillas tienen un volumen mayor que el que deben tener para poder ser introducidas en los tubos, y también una densidad ligeramente menor. Precisamente el proceso de sinterizado es el responsable de introducir en ellas los ajustes necesarios para corregirlo.
El sinterizado es un proceso fisicoquímico que consiste en someter a las pastillas a altas temperaturas durante un periodo de tiempo controlado y por debajo de su punto de fusión con el propósito de modificar su volumen, su densidad y su integridad. De esta forma adquieren el tamaño y las propiedades mecánicas de dureza y solidez apropiadas para ser utilizadas como combustible en el interior de los reactores nucleares. Para calentarlas lo suficiente las pastillas se colocan en unos recipientes metálicos (podéis verlos en la fotografía que tenéis encima de estas líneas) y después se introducen en un horno en el que alcanzan una temperatura de 1.780 grados centígrados para, a continuación, volver a enfriarse, provocando su contracción (podéis ver el horno en la siguiente fotografía).
Además, en el interior del horno hay una atmósfera de hidrógeno que tiene un potencial reductor. Esto significa, sencillamente, que este entorno tiene la capacidad de actuar sobre la composición de las pastillas eliminando oxígeno mediante la aportación de hidrógeno. Durante esta fase también se les añaden unos aditivos denominados formadores de poros que sirven para ajustar su densidad con precisión. Todo el material residual se elimina gracias a la aportación de hidrógeno que se efectúa en el interior del horno.
En la siguiente fotografía podéis ver el aspecto metálico que adquieren las pastillas de óxido de uranio después de pasar por el horno. En esta etapa sus propiedades mecánicas permiten manipularlas con más sencillez porque no existe riesgo de contaminación, aunque sí de irradiación, por lo que es posible sostenerlas en la mano siempre y cuando nos protejamos con guantes.
La siguiente etapa requiere evaluar las características físicas de cada pastilla para comprobar que todas ellas cumplen con los estándares estipulados. Para llevar a cabo esta tarea se utilizan instrumentos láser que son capaces de medir cada una de las pastillas con mucha precisión, así como sistemas robotizados de inspección por visión artificial cuya función es identificar cualquier defecto por mínimo que sea. Las pastillas que no cumplen con los estándares se retiran bien para ser reprocesadas, bien para ser desechadas y recicladas si su rectificación no es posible.
Un dato sorprendente: una sola pastilla de óxido de uranio no mayor que la yema de un dedo es capaz de proporcionar la potencia eléctrica que requiere un hogar español medio durante uno o dos meses
Aquellas pastillas que superan todos los controles de calidad se colocan en una bandeja como la que podéis ver en la siguiente fotografía, no sin antes someterlas a un proceso de mecanizado que afina su acabado final de acuerdo con las tolerancias de las que hablábamos antes. Esta etapa se conoce como rectificado. Un apunte interesante: las pastillas que no satisfacen los niveles de calidad estipulados son sometidas a un proceso de oxidación que permite recuperar su contenido bajo la forma de óxido de uranio reciclado que es nuevamente introducido en el proceso de mezclado inicial.
Un dato sorprendente que refleja la energía que podemos extraer de una sola pastilla de óxido de uranio mediante el proceso de fisión nuclear es que es capaz de proporcionar la potencia eléctrica que requiere un hogar español medio durante uno o dos meses. Como podéis ver en las fotografías su volumen no es mayor que el de la yema de un dedo meñique promedio. Llegados a este punto las pastillas que han superado todos los controles de calidad ya pueden ser introducidas en el interior de las barras, que tienen una longitud de unos 4 metros. No obstante, antes de llevar a cabo la carga de las pastillas en las barras un operario comprueba concienzudamente que todas y cada una de las barras tienen la geometría idónea y no han sufrido ninguna deformación.
Las barras que contienen las pastillas de óxido de uranio y los tapones que se emplean para cerrarlas una vez que se han introducido las pastillas en su interior son de aleación de circonio. Alrededor del 95% de su masa total es circonio y el 5% restante se reparte entre varios metales, como niobio, hierro, níquel, cromo o estaño, entre otros. La elección del circonio no es casual. Y es que este elemento tiene las propiedades mecánicas idóneas, como su alta dureza y su ductilidad, así como una capacidad muy baja de absorción de neutrones térmicos. Por otra parte, los otros metales que también están presentes en las barras contribuyen a dotarlas de las propiedades mecánicas que acabo de mencionar, así como a incrementar su resistencia a la corrosión.
En la siguiente fotografía podéis ver cómo un operador introduce de forma manual las pastillas de óxido de uranio en el interior de las barras de aleación de circonio. La forma ondulada de las bandejas sobre las que se depositan las pastillas facilita mucho este proceso, que, como podéis intuir observando la fotografía, puede llevarse a cabo con bastante rapidez.
Los tubos de aleación de circonio, que, como hemos visto unos párrafos más arriba, miden alrededor de 4 metros, se llenan prácticamente completos con las pastillas de óxido de uranio. Tan solo quedan desocupados unos pocos centímetros en uno de los extremos. Para evitar que las pastillas se desplacen en el interior de los tubos se coloca un muelle en el extremo abierto que ejercerá sobre las pastillas la presión adecuada para mantenerlas bien fijadas.
Una vez que el tubo está lleno de pastillas y se ha colocado el muelle en el extremo abierto es necesario introducir en su interior un gas inerte que sirve para ajustar la presión a la que estarán sometidas las pastillas. Este proceso recibe el nombre de presurización. Por último, se cierra el tubo soldándole un tapón de aleación de circonio idéntico al que se utilizó en el otro extremo antes de introducir las pastillas. Esta fábrica produce entre 1.800 y 2.000 kg de pastillas de óxido de uranio cada día, así como 1.000 barras de combustible diarias, aunque estas cifras pueden incrementarse cuando la demanda lo exige.
Una vez que se ha soldado el segundo tapón y la barra está terminada es necesario someterla a varios controles de calidad muy minuciosos que recurren a ultrasonidos, escáneres, corrientes inducidas y radiografías para comprobar que cumple todos los requisitos estipulados en la especificación. Además, estos controles aseguran que no hay ninguna fisura por la que pueda escapar el contenido de la barra de combustible hacia el exterior. En la siguiente fotografía podéis ver uno de los equipos de radiografía digital que se responsabilizan de comprobar que la soldadura del segundo tapón de aleación de circonio preserva la estanqueidad de la barra.
El proceso mecánico: así se fabrican los elementos combustibles
Cuando una barra de combustible está completamente ensamblada y ha superado todos los controles de calidad comienza para ella el proceso mecánico, durante el que pasará a formar parte de un elemento combustible, que es el producto final que reciben las centrales nucleares para que sea instalado en el interior del reactor nuclear. La persona que nos guio durante esta fase de nuestra visita fue José Ángel Herrero, un ingeniero especializado en la puesta a punto y el ensamblaje de todos los componentes que constituyen los elementos combustibles que esta fábrica proporciona a sus clientes.
Los dos cajones que podéis ver en la siguiente fotografía se utilizan para iniciar el ensamblaje de los esqueletos que acabarán dando forma a los elementos combustibles finales. Un esqueleto es una estructura constituida por unas barras metálicas, unos cabezales y unas rejillas que actúan como soporte de las barras de combustible. Los controles de calidad a los que están sometidos los elementos que se ensamblan durante el proceso mecánico son tan minuciosos como los del proceso cerámico porque deben garantizar la integridad de los elementos combustibles finales, y también que estos se ciñen a las especificaciones.
La siguiente fotografía muestra cómo un brazo robotizado va introduciendo las barras de soporte una a una y con delicadeza en el interior de cada cajón. La mayor parte de los huecos serán ocupados posteriormente por las barras de combustible, pero, curiosamente, no todas ellas tienen por qué ser idénticas. De hecho, no lo son. Las hay con distintos niveles de enriquecimiento, de manera que sus características condicionan la posición en la que cada una de ellas debe ir colocada en la estructura, y posteriormente en el elemento combustible, con el objetivo de contribuir a que la fisión nuclear y el proceso de generación de energía se lleven a cabo de forma óptima.
En la siguiente fotografía podemos ver con claridad el aspecto que tiene un esqueleto durante su ensamblaje con las barras, los cabezales y las rejillas que van a permitir manejar un conjunto de barras de combustible como una única estructura cohesionada.
Poco a poco los esqueletos van tomando forma hasta quedar completamente ensamblados con las barras de combustible, los cabezales y las estructuras de soporte que van a permitir manejarlos con relativa comodidad, a pesar de sus considerables dimensiones y peso. Una vez finalizado el proceso de ensamblaje tendremos un elemento combustible tal y como será introducido en el interior del reactor de fisión de una central nuclear.
Antes de embalarlos para que puedan ser transportados hasta las centrales, los elementos combustibles deben ser minuciosamente inspeccionados para verificar que mantienen una integridad total. Para examinarlos se colocan en posición vertical junto a las dos torres metálicas que podéis ver en la siguiente fotografía. En la de la derecha se lleva a cabo la inspección del contorno con unos sensores que permiten medir sus características geométricas, como su rectitud y la ausencia de torsión. También se mide la separación que existe entre las barras de combustible para asegurar que van a poder ser introducidas en las celdas del reactor sin dificultad. Por último, en la torre de la izquierda se lleva a cabo la inspección visual del elemento combustible.
Una vez que los elementos combustibles han superado la fase de inspección se someten a una operación de lavado con un chorro de agua que tiene como propósito eliminar las diminutas virutas que pueden producirse al introducir las barras de combustible en las rejillas. Estos residuos se originan debido al desprendimiento de pequeños fragmentos del material blando con el que están fabricadas las rejillas cuando se produce la fricción con la aleación de circonio de las barras de combustible. Es importante eliminar estas partículas para evitar que queden suspendidas en el agua de los reactores.
Al concluir la fase de lavado los elementos combustibles están preparados para ser introducidos en los contenedores homologados para su transporte que podéis ver en la última fotografía. Estos recipientes se llevan hasta las centrales nucleares en camiones, pero han sido diseñados para que no exista ningún riesgo incluso si el camión se ve involucrado en un accidente de tráfico. La seguridad es crucial y en este ámbito no puede dejarse nada al azar.
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