Qué es el combustible nuclear: definición, tipos y ejemplos (uranio, plutonio)

Qué es el combustible nuclear: definición, tipos y ejemplos (uranio, plutonio). Usos, ventajas, riesgos y aplicaciones en reactores y generadores.

El combustible nuclear es un material que puede consumirse para hacerse con la energía nuclear, por analogía con el combustible químico que se quema para obtener energía. Los combustibles nucleares son las fuentes de energía más densas que existen: por unidad de masa liberan mucho más energía que los combustibles químicos convencionales.

La mayoría de los combustibles nucleares contienen elementos fisionables pesados que para someterse a una reacción nuclear en cadena de fisión en un reactor nuclear. Los combustibles nucleares más comunes son el uranio y el plutonio, pero no todos los combustibles nucleares se utilizan en los reactores. Algunos de ellos alimentan generadores termoeléctricos de radioisótopos.

Definición y características principales

Un combustible nuclear está formado por materiales que, al sufrir reacciones nucleares (principalmente fisión), liberan energía en forma de calor. Características principales:

• Alta densidad energética: mucha energía por kilogramo.
• Isótopos fisionables: elementos o isótopos capaces de mantener una reacción en cadena (por ejemplo, U‑235, Pu‑239).
• Reactividad controlable: en un reactor la reacción se regula mediante moderadores, barras de control y diseño del núcleo.
• Radiactividad y calor residual: incluso tras su uso genera radiación y calor (calor de decaimiento), por lo que requiere gestión segura.

Tipos de combustible nuclear

• Combustible de fisión para reactores térmicos: típicamente uranio enriquecido (UO2) con 3–5 % de U‑235 en reactores de agua ligera. Se usa en forma de pastillas cerámicas apiladas dentro de varillas y ensamblajes.
• Combustible de plutonio: el plutonio se puede utilizar pura o mezclado con uranio en combustibles MOX (óxidos mixtos). El plutonio usado en reactores suele ser Pu‑239 (fisionable).
• Combustible para reactores rápidos: puede usar plutonio o uranio empobrecido y está diseñado para aprovechar neutrones rápidos; además permite la generación (breeding) de nuevo combustible a partir de U‑238.
• Combustible a base de torio: el torio mismo no es fisionable, pero puede transformarse en U‑233, un combustible fisionable, mediante irradiación en reactores específicos.
• Radioisótopos para generadores termoeléctricos (RTG): combustibles como Pu‑238 no se usan en reactores sino en RTG para proporcionar calor que se convierte en electricidad en sondas espaciales y equipos remotos.

Ejemplos concretos: uranio y plutonio

• Uranio: el uranio natural está compuesto mayoritariamente por U‑238 y ~0,7 % de U‑235. Para la mayoría de los reactores comerciales se enriquece hasta ≈3–5 % U‑235. El óxido de uranio (UO2) en forma de pastillas es la forma más común.
• Plutonio: el plutonio útil para fisión (Pu‑239) se genera a partir de U‑238 en reactores. Puede separarse mediante reprocesamiento y reciclarse en forma de MOX (mixed oxide) mezclado con UO2. El plutonio también aparece en combustible gastado y plantea retos de gestión y proliferación.
• Otros isótopos: U‑233 (producido a partir de torio) es otro isótopo fisionable de interés en ciclos alternativos de combustible. Para RTG se usa principalmente Pu‑238, por su alta potencia por masa y su vida media adecuada para misiones prolongadas.

Formas físicas y componentes del combustible

• Pastillas cerámicas: el combustible usualmente es óxido (UO2) fabricado en forma de pastillas cilíndricas.
• Varillas y ensamblajes: las pastillas se apilan dentro de tubos metálicos (cladding), normalmente de aleaciones como zircaloy, que aíslan el combustible del circuito de refrigerante. Muchas varillas forman un ensamblaje o conjunto de combustible.
• Combustible MOX: la mezcla de óxidos de uranio y plutonio permite usar plutonio recuperado en reactores comerciales.

Ciclo del combustible y gestión del combustible gastado

• Ciclo abierto: el combustible se utiliza en el reactor y, tras enfriamiento, se almacena como combustible gastado en piscinas y/o en contenedores secos (dry casks) sin reprocesamiento.
• Ciclo cerrado: implica reprocesamiento químico (por ejemplo, proceso PUREX) para recuperar uranio y plutonio reutilizables; el residuo final sigue siendo desechos de alta actividad que requieren aislamiento a largo plazo.
• Almacenamiento y enfriamiento: tras retirar el combustible del reactor requiere enfriamiento por años en piscinas para reducir calor y radiactividad, y luego puede pasarse a almacenamiento en seco o reprocesarse.

Aplicaciones fuera de reactores y ejemplos de uso

Además de los reactores de energía, ciertos combustibles nucleares alimentan generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG), que se usan en naves espaciales, boyas y estaciones remotas. En esos casos se emplean radioisótopos con vida media y emisión de calor apropiadas, como Pu‑238.

Seguridad, radiación y consideraciones políticas

• Riesgos radiológicos: el combustible nuevo y especialmente el gastado son altamente radiactivos. Requieren blindaje, control de la exposición y contención para proteger al personal y al público.
• Gestión del calor residual: el calor de decaimiento del combustible gastado obliga a sistemas de enfriamiento continuos; la pérdida de refrigeración puede conducir a daños graves (lecciones aprendidas en accidentes nucleares).
• Proliferación: el plutonio recuperado puede utilizarse con fines bélicos. Por ello existen salvaguardas internacionales (IAEA) y controles sobre el reprocesamiento y el comercio de material fisionable.
• Regulación: el uso y transporte del combustible están estrictamente regulados por organismos nacionales e internacionales, con normativas de seguridad radiológica y protección ambiental.

Resumen

El combustible nuclear es el material que libera energía mediante reacciones nucleares, con el uranio y el plutonio como los ejemplos más habituales. Se presenta en formas técnicas (pastillas, varillas, ensamblajes) y sigue diferentes rutas en el ciclo del combustible (abierto o cerrado). Sus ventajas incluyen una alta densidad energética; sus desafíos abarcan la gestión del combustible gastado, la seguridad radiológica y las preocupaciones de proliferación. Dependiendo de la aplicación (reactores térmicos, reactores rápidos o RTG) se eligen diferentes materiales y diseños para optimizar rendimiento y seguridad.

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