Energía
Batería revolucionaria convierte residuos nucleares en energía duradera
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Distintas formas de aprovechar la energía nuclear
La energía nuclear suele asociarse con centrales enormes, grandes torres de refrigeración y el riesgo de accidentes graves. Sin embargo, el sector incorpora nuevos diseños, entre ellos los reactores modulares pequeños (SMR) y las centrales nucleares de cuarta generación (siga los enlaces para consultar informes de inversión detallados sobre ambos).
La mayoría de las centrales de fisión actuales y propuestas aprovechan el calor de la reacción para producir vapor y mover una turbina que genera electricidad, aunque varían mucho en combustible, refrigerante y diseño.
Otra forma de aprovechar la desintegración radiactiva son los generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG), que convierten calor en electricidad y se han usado, normalmente con plutonio-238, en misiones al espacio profundo.
También existen otras vías para aprovechar la radiación. Entre ellas están las baterías betavoltaicas, que convierten la energía de partículas beta en corriente dentro de una unión semiconductora. Este proceso no consiste simplemente en separar electrones de núcleos atómicos.
Investigadores de la Universidad Estatal de Ohio y la Universidad de Toledo probaron un concepto radiovoltaico de dos etapas: un centelleador absorbe radiación y emite luz, y una célula solar convierte esa luz en electricidad. Se trata de un pequeño experimento de laboratorio que no funcionó directamente con combustible nuclear gastado.
El equipo publicó los resultados1 en Optical Materials con el título «Baterías fotovoltaicas nucleares basadas en centelleadores para generar potencia a nivel de microvatios».
Fisión y desintegración radiactiva
La fisión y la desintegración radiactiva son procesos diferentes. En la fisión, un núcleo pesado, como el uranio-235, se divide y libera energía, neutrones y productos de fisión. Otros isótopos se desintegran espontáneamente y emiten partículas alfa o beta, o rayos gamma, según el isótopo y la cadena de desintegración.
Fuente: Britannica
En condiciones adecuadas, los neutrones de la fisión pueden sostener una reacción en cadena controlada dentro del reactor, convirtiendo la energía de fisión en calor y luego en electricidad.
Durante el uso del combustible nuclear se forman productos de fisión y elementos más pesados, y también queda material sin fisionar. El combustible gastado es, por tanto, una mezcla compleja cuyos componentes presentan distintas radiactividades, cargas térmicas y vidas medias.
Algunos de esos isótopos emiten mucho calor y radiación al principio; otros dominan los problemas de gestión de residuos durante periodos mucho más largos.
Gestión del combustible gastado y los residuos nucleares
No todo el material retirado de un reactor carece de utilidad, ni los residuos nucleares son solo «elementos nuevos». Algunos ciclos reprocesan uranio y plutonio, aunque esto añade costes y exigencias de seguridad y no proliferación; los productos de fisión y otros residuos siguen necesitando aislamiento seguro.
Una opción consiste en inmovilizar residuos de alta actividad en vidrio y almacenarlos en contenedores e instalaciones diseñadas, antes de su disposición geológica profunda. La seguridad depende de múltiples barreras técnicas y geológicas, supervisión y regulación, no de enterrarlos y esperar que permanezcan aislados.
Algunos ciclos pueden emplear reactores rápidos, reproductores o quemadores para aprovechar materiales fisibles y transmutar parte de los actínidos. Estos sistemas no eliminan todos los residuos ni la necesidad de almacenamiento y disposición.
Francia operó reactores rápidos experimentales y comerciales en décadas pasadas. Entre los diseños modernos propuestos, todavía no construidos, figura el PRISM rápido refrigerado por sodio de GE Hitachi.
Otro enfoque consiste en convertir una fracción de la energía emitida por determinados radioisótopos en electricidad sin mantener una reacción en cadena. A esta categoría pertenece el prototipo radiovoltaico estudiado.
De radiación a luz y electricidad
Elegir el centelleador adecuado
Los rayos gamma de alta energía son difíciles de convertir directamente en electricidad con buena eficiencia, y la dosis acumulada puede dañar los semiconductores y reducir su rendimiento. El resultado depende de la energía, la dosis, la arquitectura del dispositivo y los materiales de blindaje y conversión.
La conversión radiovoltaica se investiga desde hace décadas, pero los prototipos han solido presentar poca eficiencia y degradación de materiales. Los porcentajes obtenidos en sistemas distintos no constituyen una referencia única aplicable directamente a este dispositivo.
Fuente: Optical Material
El equipo de Ohio utilizó un centelleador que emite luz al recibir radiación y dirigió esa luz a una célula fotovoltaica. La selección del material tuvo que equilibrar varias propiedades:
- Buena absorción de radiación para captar más energía y reducir la exposición de la célula solar.
- Un espectro de emisión que coincida, en lo posible, con la respuesta de la célula solar.
- Resistencia al daño por radiación y estabilidad del rendimiento luminoso.
- Una geometría y un grosor que capten radiación sin reabsorber demasiada luz antes de que alcance la célula.
La elección final fue un granate de gadolinio, aluminio y galio de alto rendimiento luminoso dopado con cerio (GAGG:Ce-HL; Gd3Al2Ga3O12).
Fuente: Optical Material
Prueba de generación eléctrica
Los investigadores usaron una célula solar policristalina de película fina de telururo de cadmio (CdTe), con contactos de oro e indio. La eligieron por su mayor tolerancia a la radiación frente a muchas células de silicio, con referencias de hasta 3 megarays (MGy) en condiciones determinadas.
Fuente: Optical Material
Para probar el concepto expusieron el dispositivo a fuentes de cesio-137 y cobalto-60 en irradiadores de laboratorio. Eran fuentes de ensayo controladas, no una muestra real de residuos de reactor.
Fuente: Optical Material
El experimento mostró que la forma y el tamaño del cristal centelleador influyen mucho en la radiación captada y en la transferencia de luz a la célula, y por tanto en la potencia obtenida.
Un mayor volumen ayudó a captar más radiación en la geometría ensayada, pero aumentar el tamaño por sí solo no garantiza mejor eficiencia: también importan las pérdidas ópticas y el acoplamiento entre el centelleador y la célula.
Fuente: Optical Material
La potencia máxima comunicada fue de unos 1,5 microvatios con una tasa de dosis elevada de 10 kilorads por hora usando cobalto-60; el prototipo tenía unos 4 centímetros cúbicos. Estas cifras describen una prueba de concepto de muy baja potencia, no una batería capaz de alimentar hoy dispositivos de consumo.
«Son resultados decisivos en términos de potencia de salida. Este proceso de dos etapas aún se encuentra en una fase preliminar, pero el siguiente paso consiste en generar más vatios con estructuras de mayor escala.»
Ibrahim Oksuz – investigador asociado en ingeniería mecánica y aeroespacial en Ohio State.
Aplicaciones y limitaciones
Una fuente radiactiva de larga vida podría ofrecer funcionamiento prolongado, pero el dispositivo no funcionaría «para siempre». Su duración depende de la vida media del isótopo, la degradación del centelleador y la célula, la electrónica, el encapsulado y el entorno. El estudio no demostró décadas de vida útil para el sistema completo.
Como el prototipo es experimental y entrega microvatios, está muy lejos de alimentar teléfonos. El uso de isótopos también exige blindaje, licencias, una cadena de suministro y gestión segura al final de su vida.
En el futuro podría servir para sensores de bajo consumo en lugares de difícil acceso, como instalaciones nucleares o entornos submarinos y espaciales. Su viabilidad dependerá del peso, el blindaje, la fiabilidad y el coste frente a alternativas como baterías betavoltaicas y RTG.
El estudio no ofreció un calendario comercial fiable. Antes se deben aumentar la potencia, medir la eficiencia, la vida útil y el daño por radiación, desarrollar una fabricación repetible y cumplir los requisitos de seguridad y regulación.
«Ampliar esta tecnología sería costoso a menos que estas baterías pudieran fabricarse de forma fiable. Se necesita más investigación para evaluar su utilidad y sus limitaciones, incluida la duración que podrían alcanzar una vez implementadas con seguridad.»
Ibrahim Oksuz – investigador asociado en ingeniería mecánica y aeroespacial en Ohio State.
Si la tecnología demuestra su viabilidad, algunos isótopos adecuados podrían convertirse en fuentes para sensores y electrónica especializada. Sin embargo, los dispositivos pequeños solo consumirían una fracción diminuta del inventario de combustible gastado y residuos de alta actividad.
Por tanto, las baterías radiovoltaicas no resolverían por sí solas el problema de los residuos nucleares. Incluso podrían requerir separación, fabricación, blindaje y transporte, y al final dejarían una fuente radiactiva que seguiría necesitando gestión segura.
«El concepto de batería nuclear es muy prometedor. Todavía hay mucho margen de mejora, pero creo que en el futuro este enfoque encontrará un lugar importante tanto en la generación de energía como en la industria de los sensores.»
Ibrahim Oksuz – investigador asociado en ingeniería mecánica y aeroespacial en Ohio State.
Una empresa vinculada al sector nuclear
Cameco y Westinghouse Electric Company
CCJ Gráfico de precios
Cameco y Brookfield anunciaron en 2022 la compra de Westinghouse. La operación se cerró después con una estructura que concede el 49% a Cameco y el 51% al consorcio liderado por Brookfield. La inversión expone a Cameco a combustible, servicios y diseño de reactores, pero también a riesgos de ejecución, financiación y ciclos de proyecto largos.
Brookfield Renewable Partners (BEP.UN.TO ) (BEPC ) (BEP ) gestiona activos de energía renovable y de transición, mientras Brookfield Corporation (BN ) opera globalmente en la gestión de activos. Los activos administrados y el capital disponible cambian con el tiempo; el tamaño del grupo no garantiza la financiación de cada proyecto nuclear.
La propiedad compartida puede ampliar el acceso de Westinghouse a capital y socios, pero los proyectos nucleares requieren años de desarrollo, permisos y construcción. Pueden sufrir retrasos, sobrecostes o cancelación antes de generar los ingresos previstos.
Westinghouse obtiene ingresos de ingeniería, componentes, combustible y servicios en distintas etapas; no existe un sexto año fijo en el que todo reactor empiece a producir ingresos. El momento y la duración de los flujos dependen del contrato, el diseño, el país y la situación del proyecto.
Fuente: Cameco
El AP1000, un reactor de agua a presión, es el principal diseño grande de Westinghouse y cuenta con unidades en operación y construcción. No utiliza un «estándar CANDU»: CANDU es un diseño distinto de agua pesada, aunque Westinghouse ofrece productos y servicios para operadores CANDU.
Westinghouse también desarrolla el reactor modular pequeño AP300 y ha firmado acuerdos o estudios sobre AP1000 y AP300 en Eslovaquia, Finlandia y Suecia. Estos pasos no garantizan despliegues. También trabaja en el microrreactor eVinci, todavía sujeto a desarrollo y licencias.
Fuente: Westinghouse
Westinghouse suministra combustible, componentes, servicios e ingeniería a una parte amplia de la cadena nuclear. La experiencia regulatoria y las barreras de certificación pueden ser ventajas, pero no aseguran que gane todos los proyectos, tradicionales o SMR.
La participación en Westinghouse puede diversificar la exposición de Cameco más allá del precio del uranio. No obstante, el retorno depende de la demanda real, los márgenes, la ejecución, la financiación y la regulación; no cabe asumir beneficios durante décadas al margen del mercado y los proyectos.
La minería y el procesamiento de uranio siguen siendo actividades esenciales de Cameco, con activos principales en Canadá y participación en operaciones de Kazajistán. La empresa podría beneficiarse de mayor demanda nuclear, pero mantiene riesgos de precio, operación, política y cadena de suministro.
Las empresas de uranio y reactores se han visto afectadas históricamente por accidentes, costes, regulación y gestión de residuos. Los diseños más nuevos y ciertas tecnologías de combustible pueden mejorar la confianza y la economía, pero no eliminan esos riesgos; el prototipo radiovoltaico está lejos de cambiar esa ecuación.
La demanda de electricidad baja en carbono podría respaldar la energía nuclear junto con renovables, redes y almacenamiento más flexibles. Aun así, cada inversión depende de costes, plazos, precios eléctricos y política pública; la necesidad de energía firme no garantiza un renacimiento uniforme en todos los mercados.
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Referencia del estudio:
1. Ibrahim Oksuz, Sabin Neupane, Yanfa Yan, Lei R. Cao. (2025). Optical Materials. Volumen 25, febrero de 2025, 100401. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590147825000038#abs0010
