La 4ª Generación de Energía Nuclear: Más Barata, Más Limpia, Más Segura

Desde la Ciencia Ficción Hasta la Estagnación

Decir que la energía nuclear es controvertida es quedarse corto. Muchos la ven como una idea extremadamente peligrosa, evocando el espectro de Chernóbil y Fukushima como prueba, y el problema de los residuos nucleares como algo irresoluble. Otros la consideran una tecnología potencialmente salvadora de la civilización, gracias a su capacidad de generar energía base con emisiones de carbono extremadamente bajas y una huella territorial mínima.

Esta división existía desde temprano, antes de que el cambio climático fuera siquiera un tema.

El mundo tomó conciencia por primera vez del poder extraordinario de la energía nuclear con el bombardeo atómico de Hiroshima y Nagasaki, seguido pronto por la invención de la bomba H y la Guerra Fría. Desde esos orígenes, el potencial destructivo de nuestro recién adquirido dominio del átomo quedó claro.

Pronto, la idea de aprovecharlo con fines pacíficos también se afianzó. Primero surgió la iniciativa “Átomo para la Paz”, luego una ola masiva de construcción de centrales nucleares en todo el mundo. Durante un tiempo, parecía evidente que el futuro era nuclear y que quemar carbón, petróleo y gas pronto sería tan obsoleto como los pintorescos molinos de viento de los Países Bajos.

En la práctica, la producción de energía nuclear dejó de crecer a finales de los años 1990, después de Chernóbil, y se ha estancado globalmente desde entonces, con la creciente producción de China compensando el declive de la industria nuclear europea.

Fuente: Energía Nuclear – Our World in Data

Durante muchos años, parecían ser solo China y Rusia los que estaban dispuestos a desarrollar energía nuclear.

Especialmente China, que es, como dice The Economist, “construyendo reactores nucleares más rápido que cualquier otro país”.

Fuente: The Economist

Hoy, la energía nuclear está experimentando un renacimiento a escala global, a un nivel inimaginable hace unos años, con muchas noticias que apuntan a un cambio de políticas en la mayor parte del mundo:

• Japón acelera el impulso para reiniciar la planta nuclear más grande del mundo
• La secretaria de Energía de EE. UU., Jennifer Granholm, pide triplicar la flota nuclear de EE. UU.
• Nueva energía nuclear incluida en el borrador del plan energético de Corea
• Francia abandona los objetivos de energías renovables y prioriza la nuclear en el nuevo proyecto de ley energética
• Reino Unido planea construir un nuevo reactor nuclear en Escocia
• India construirá 18 reactores nucleares con una capacidad de 13,8 GW para 2032

¿El Enlace Falta para la Descarbonización?

Las preocupaciones de seguridad siguen muy presentes, y son la justificación detrás de la decisión de Alemania de cerrar sus centrales nucleares.

Sin embargo, las preocupaciones sobre las emisiones de carbono y el cambio climático se vuelven más urgentes, y la energía nuclear es en realidad la menor emisora de todas las fuentes de energía, incluso mejor que la eólica y la solar, que requieren mucho más terreno y materias primas.

Fuente: Our World In Data

Aunque espectacular y con consecuencias duraderas, la nuclear es también, en la práctica, tan segura como las renovables cuando se mide la cantidad de muertes que ha causado, incluso incluyendo los desastres mayores.

Por lo tanto, al observarla objetivamente, la nuclear probablemente debería ser una de las herramientas usadas para descarbonizar la red eléctrica y la economía en general. Esto es especialmente cierto a medida que necesitamos más y más energía para la electrificación del transporte (vehículos eléctricos) y la calefacción (bombas de calor), así como nuevas demandas como los centros de datos de IA.

La cantidad de carbón, petróleo y gas que necesita ser reemplazada es asombrosa. Incluso considerando el progreso de las renovables y la adopción de vehículos eléctricos, todavía constituyen la inmensa mayoría de nuestro consumo energético actual.

Fuente: Our World In Data

¿Qué pasa con los residuos nucleares?

El verdadero perfil de seguridad de la nuclear, sin embargo, deja la cuestión de los residuos nucleares.

La idea de dejar para las futuras generaciones desechos tóxicos que serán peligrosos durante un tiempo mucho más largo que la Gran Pirámide es, por decir lo menos, angustiante.

¿Deberíamos envenenar el futuro para salvar el clima? Afortunadamente, al menos dos conjuntos de soluciones están surgiendo del progreso tecnológico para responder a este dilema.

La primera opción es reciclar los residuos nucleares, y la otra es producir casi ningún residuo nuclear. Ambas forman parte de la llamada 4^ª generación de plantas nucleares.

Para más detalles, vea a continuación los reactores rápidos y los reactores de torio.

Por supuesto, más adelante podrían adoptarse otras soluciones, como transportar estos desechos fuera del planeta gracias a cohetes ultra‑confiables. Pero por ahora, es poco probable que se acepte el riesgo de esparcir residuos nucleares sobre medio continente en caso de un fallo de lanzamiento.

Generaciones de Plantas de Energía Nuclear

La 1^ª generación de plantas nucleares era esencialmente prototipos sin utilización comercial.

La 2^ª generación de plantas nucleares representa la mayor parte de la flota actual. Se construyeron entre 1965 y 1996.

La 3^ª generación de plantas nucleares se construyó siguiendo las lecciones aprendidas de la 2^ª generación y trató de remediar los fallos que llevaron a desastres nucleares raros pero catastróficos. Se construyó entre 1996 y 2016. A veces, se describe una generación 3+ como la de los generadores construidos entre 2017 y 2021, con un enfoque en mayor seguridad.

La 4^ª generación de energía nuclear apenas está comenzando y representa una ruptura con las anteriores, con un objetivo de nuevo diseño, concepto e incluso quizá cambiar el combustible nuclear en lugar de mejoras incrementales.

También se discute una planta nuclear de 5^ª generación. Estos diseños son teóricamente posibles pero no se han investigado activamente, generalmente por problemas de viabilidad económica, falta de tecnologías o preocupaciones de seguridad.

Plantas de Energía Nuclear de la 4^ª Generación

Lo que hace que una planta nuclear forme parte de la 4^ª generación es objeto de intenso debate entre los expertos de la industria.

En este artículo, nos centraremos principalmente en diseños de plantas que se alejan radicalmente de los de la 3^ª generación.

Y trataremos de mantener la explicación lo más simple posible, omitiendo algunos detalles cuando sea necesario.

Reactor de Muy Alta Temperatura (VHTR)

Este diseño se caracteriza por temperaturas muy altas, en el rango de 1.000 °C. Es la única planta nuclear de 4^ª generación ya operativa, con el lanzamiento comercial en 2023 de la Central Nuclear Huaneng Shandong Shidao Bay en el este de China.

El diseño a menudo se basa en una “cama de guijarros”, donde esferas cerámicas lo suficientemente pequeñas para sostenerse en la mano protegen un núcleo de uranio, con decenas de miles de estas esferas en un reactor.

Fuente: CGTN

X-Energy (XE )  también está desarrollando una tecnología similar en EE. UU.

Debido a que la reacción requiere alta temperatura y se enfría pasivamente, este es un diseño inherentemente más seguro que las plantas nucleares de 3^ª generación.

La ventaja del diseño de guijarros es permitir el reemplazo sin interrumpir la producción del reactor, y la cerámica también evita cualquier riesgo de fuga de material radiactivo.

Reactor de Sal Fundida (MSR)

En estos reactores, el refrigerante es una mezcla de sal fundida en lugar de agua o gas. En algunos casos, el combustible también está contenido en la sal fundida.

Los reactores de sal fundida tienden a tener mayor eficiencia de salida, queman combustible de forma más eficiente y generan menos residuos nucleares. Debido a que operan a temperaturas más altas, a veces se agrupan junto con los VHTR bajo la categoría de “reactor térmico”.

Sin embargo, un problema de las sales fundidas es que son corrosivas, un problema agravado por el posible debilitamiento de la estructura por la radiactividad. Esto implica la necesidad de un mantenimiento y revisiones extremadamente cuidadosas de tuberías, bombas, etc.

Torio

Desde la década de 1950, casi todos los reactores han usado uranio como combustible. Esto lleva a la gente a asumir que es la única solución.

Pero en realidad fue una elección mayormente política, ya que los reactores de uranio crean plutonio. En aquel entonces se consideraba algo positivo, pues ayudaba a las potencias nucleares a crear material para bombas atómicas.

Una alternativa con un recurso 3 veces mayor que el uranio es el elemento torio. Los sub‑productos de un reactor de torio también son muy poco probables de convertirse en material para armas atómicas.

Fuente: ACS

Otra ventaja clave del torio es la posibilidad de producir hasta 100 veces menos residuos, al menos cuando se usa un diseño de reactor de torio de fluoruro líquido (un reactor de torio de sal fundida).

Aquí, China también lidera con un reactor de torio que puede operar sin agua, lo que lo hace adecuado para regiones desérticas. Y con buques portacontenedores impulsados por un reactor de torio revelado por China State Shipbuilding Corporation (CSSC).

Reactores Rápidos / De Cría / De Quema

Los reactores rápidos dependen de “neutrones rápidos” que no son ralentizados por moderadores como en los reactores nucleares clásicos. Esto permite diseñar el reactor para que use los neutrones rápidos y consuma elementos de la familia de los actínidos (que incluyen uranio y plutonio).

Fuente: Sciences Notes

Porque el combustible de los reactores clásicos se transforma en una mezcla compleja de actínidos de larga vida, esta clase de elementos es el principal problema en los residuos nucleares.

Los reactores quemadores transmutan la mayor parte de los actínidos problemáticos en el combustible nuclear gastado, haciendo que el residuo procesado sea menos activo, 90‑98 % menos voluminoso y problemático solo durante décadas o siglos en lugar de milenios.

Esta categoría de reactores suele clasificarse según su sistema de enfriamiento, que puede usar gas, sodio, o plomo.

Aunque se clasifica como 4^ª generación, no es realmente una tecnología nueva o no probada. Notablemente, Francia’s Phénix y Superphénix quemaron residuos nucleares durante los años 1970‑1990, antes de cerrarse finalmente por costos operativos y presión política del partido Verde.

Versiones modernas de reactores rápidos de cría incluyen, por ejemplo, el PRISM de GE‑Hitachi.

Reactores Modulares Pequeños (SMRs) y Microreactores

La mayoría de los reactores nucleares se conciben como las típicas grandes centrales que imaginamos como plantas nucleares.

Un nuevo tipo de diseño busca reducir el tamaño de las plantas nucleares a una escala que pueda transportarse en un camión (SMR) o incluso en un contenedor estándar (microreactores).

Fuente: Nuscale

En general, se espera que los SMRs se utilicen para alimentar la red o procesos industriales a gran escala, mientras que los microreactores se emplearán más probablemente en áreas remotas, instalaciones militares, y la exploración espacial.

El menor tamaño y el diseño estandarizado también deberían facilitar la adopción de los SMRs por parte de países más pequeños.

Otra ventaja de los SMRs es que pueden producirse en serie, como camiones o barcos, en lugar del diseño único y a medida que suele favorecer la industria. En teoría, esto debería proporcionar economías de escala y reducción de costos.

En la práctica, los costos podrían ser más altos de lo esperado, al menos para los prototipos. Esto provocó una cierta caída del entusiasmo por los SMRs después de que tal vez se hubieran sobrevalorado.

Aún así, es probable que los SMRs se expandan rápidamente, con proyectos avanzando, por ejemplo, en Finlandia, Noruega, Polonia, EE. UU., Canadá, y Argentina.

Puedes leer más sobre el estado de la tecnología SMR en nuestro artículo “Actualización sobre SMRs (Reactor Modular Pequeño) – Aún el Futuro de la Energía Nuclear”

Estación Nuclear Flotante

Aunque tal vez no sea técnicamente de 4^ª generación, las estaciones de energía flotantes son un concepto nuevo que representa una ruptura radical del concepto habitual de planta nuclear.

Mayormente defendido por Rosatom de Rusia, este concepto difiere de los barcos nucleares, como, por ejemplo, algunos portaaviones.

Aquí, el propósito completo del barco es ser una estación de energía, aunque flotante y móvil. Debido a limitaciones de tamaño, también podría describirse como un SMR, aunque muy grande.

Fuente: Power Technology

La aplicación de estos conceptos se dio en el Ártico ruso, alimentando ciudades costeras enfocadas mayormente en la minería y la extracción de petróleo y gas. En este entorno, el “calor residual” de la estación no se desperdicia y puede usarse para calefacción distrital.

Una aplicación más amplia podría ser llevar energía nuclear a países en desarrollo sin experiencia en operar tecnología nuclear. La estación puede ser operada por su fabricante, y la energía se vende al continente simplemente “conectándola” a la red eléctrica.

El concepto también podría proporcionar energía a islas y regiones remotas, así como un sistema de ayuda humanitaria rápidamente movilizable.

Por ejemplo, Guinea ya está considerando trabajar con Rusia en un proyecto de este tipo.

Westinghouse y Prodigy también están investigando la idea, al igual que Korea’s KSOE & Kepco, o Seaborg de Dinamarca combinando tecnología de sal fundida con plantas de energía marítimas.

Costos

Una última crítica utilizada contra la energía nuclear es el costo.

Esto se debe en gran parte a que los proyectos nucleares más recientes en EE. UU. y Europa han sufrido enormes sobrecostos. Por ejemplo, la central de energía Vogtle en Georgia acabó costando $37 mil millones, de los cuales $20 mil millones son sobrecostos. O la central Olkiluoto‑3 de €11 mil millones en Finlandia, en lugar de los €3 mil millones inicialmente esperados.

El hecho de que Vogtle tardó 14 años en construirse y Olkiluoto entró en servicio 12 años después de la estimación inicial es una de las principales causas del aumento de costos.

Pero esto no es fatal. En el mismo periodo, Bloomberg reveló que China construyó 6 reactores nucleares por solo $17 mil millones.

El crecimiento de los costos en Occidente está vinculado principalmente a tres factores:

1. Aumento de la carga regulatoria.
   1. Si bien parte de esto se debe a una mayor vigilancia de la seguridad, algunos lo describen como burocracia excesiva y obstáculos políticamente motivados para la industria.
2. Aumento del costo del capital.
   1. Como los costos de las plantas nucleares son mayormente anticipados por la construcción, los bajos costos de capital reducen drásticamente el precio final. Típicamente, los proyectos nucleares chinos reciben préstamos a bajo interés del Estado.
3. Pocos proyectos.
   1. Si se construyen más plantas consecutivamente, los fabricantes pueden estandarizar la producción y fabricar equipos por lotes o series, en lugar de diseños personalizados únicos cada vez.
   2. Un flujo más constante de proyectos también ayuda a formar y retener personal calificado.

Cada uno de estos problemas puede resolverse.

La carga regulatoria excesiva puede reducirse, el capital puede movilizarse por el gobierno. Y más proyectos y una política energética estable reconstruirán la cadena de suministro.

Empresas de Energía Nuclear

1. Cameco Corporation

La energía nuclear depende del suministro de uranio. El uranio no es un recurso muy escaso, aunque los depósitos de alta concentración no se encuentran fácilmente.

El mercado está dominado por Kazatomprom en Kazajistán y Cameco en Canadá. Existen otros productores de uranio, pero estos 2 son, de lejos, los más grandes y los que tienen costos de producción más bajos. Como resultado, Cameco estará en el centro del suministro de materias primas requeridas por las plantas nucleares actuales y futuras.

Fuente: Cameco

Sin embargo, la parte minera de Cameco es solo la mitad de la historia. Esto se debe a que, en 2022, Cameco tomó la decisión de adquirir el control mayoritario de Westinghouse, el principal constructor de plantas nucleares en EE. UU., junto con una gran firma de inversión, Brookfield.

Esto le brinda a Cameco acceso a los ingresos constantes de Westinghouse por el servicio de plantas existentes y al control de una gran parte de la cadena de suministro nuclear. Debido a la estricta regulación, esas piezas y equipos serán requeridos para cualquier nueva planta, ya sea tradicional o SMR.

Una buena demostración del potencial innovador de Westinghouse es su recientemente revelado diseño SMR AP300, que probablemente se desplegará en Eslovaquia, Finlandia, y Suecia.

Así, Cameco es tanto una apuesta a los precios del uranio como a Westinghouse manteniendo un sólido control del mercado de construcción de plantas nucleares que solía dominar. Cabe señalar que la copropiedad con Brookfield también podría ayudar, ya que la compañía posee una enorme división de generación de energía renovable/baja en carbono bajo $19 mil millones de Brookfield Renewable Partners (BEP.UN.TO ) (BEPC ) (BEP )  (BEP).

2. Mirion Technologies, Inc.

Aparte de los reactores y las tecnologías de combustible, la generación de energía nuclear depende en gran medida de muchos captadores, piezas y otros equipos “menores” que, sin embargo, deben funcionar perfectamente.

Una de esas categorías es la detección de radiación, el negocio principal de Mirion (EE. UU.). La regulación nuclear exige controles muy estrictos de la exposición a radiación del personal, del medio ambiente y la detección temprana de cualquier posible fuga o contaminación. Lo mismo se aplica al uso médico de compuestos radiactivos, como tratamientos contra el cáncer e imágenes.

Fuente: Mirion

La empresa también está activa en mediciones físicas para análisis científicos e investigación, así como en dispositivos de desmantelamiento y descontaminación para la industria de defensa, ciberseguridad y servicios de entrenamiento. La compañía salió a bolsa en 2020.

Los ingresos de Mirion han crecido de forma constante, impulsados por igual su segmento médico y sus clientes industriales.

Mirion es una parte menos “glamurosa” de la cadena de suministro nuclear, monitoreando y midiendo radiación en lugar de crear nuevos diseños de reactores, combustible de alta densidad o aplicaciones militares. Esto no la hace menos interesante desde el punto de vista financiero.

Así, Mirion es más bien una acción de “pico y pala” que se beneficiará del renovado interés e inversiones en nuclear. También obtendrá ganancias de la aún alta sospecha pública sobre la energía nuclear, reforzando los requisitos de sensores y monitores de radiación omnipresentes, eficientes y fiables proporcionados por proveedores probados y de confianza.