La geología en el mundo nuclear

La geología es una compleja ciencia que estudia múltiples aspectos de nuestro planeta, desde el actual Cambio Climático hasta fenómenos naturales potencialmente destructivos como son los terremotos y los volcanes. Pero la geología es también una rama profesional que utiliza los conocimientos que aporta esa parte más científica para aplicarlos a diferentes industrias. En la agricultura se usan minerales que aportan nutrientes a las plantas, en la construcción se utilizan materiales de origen geológico o se cuenta con profesionales de la geología que han de estudiar los terrenos o proponer ubicaciones. A nuestro alrededor casi todo lo que vemos y tocamos es en mayor o menor medida geología (ver La geología en la vida cotidiana) y eso también se aplica a todas las formas de energía que existen. Porque para captar energía solar con placas solares requerimos de materiales que han sido previamente obtenidos en una mina, y lo mismo ocurre para el hormigón de las presas hidroeléctricas, para las palas de un molino eólico o para crear el combustible fisionable de las centrales nucleares. La geología es muy importante en casi todas las industrias y eso también se aplica a la industria de la energía nuclear. Así es la geología en el mundo nuclear.

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Imagen de interior del AGP de Onkalo, en Finlandia, el proyecto más avanzado de un almacén geológico profundo que hay en el mundo destinado a residuos nucleares de alta actividad de origen civil (fuente: foronuclear.org).

El ciclo nuclear

Cuando pensamos en energía nuclear normalmente solemos pensar solo en dos cuestiones relacionadas con ella: la producción de energía en las centrales nucleares y la posterior retirada de los residuos en almacenes especiales, los llamados cementerios nucleares. Pero lo cierto es que la producción de energía a partir de la fisión nuclear no sería posible sin una serie de procesos previos que experimenta el combustible nuclear antes de ser irradiado en las centrales. Todos esos procesos que afectan al material fisionable a lo largo de su vida constituyen lo que llamos el ciclo nuclear, que consta de tres fases principales que en este post vamos a denominar Extracción, Producción y Retirada. Y en todas ellas la geología va a tener algo que decir, aunque no en todas su peso es igual de importante.

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El ciclo que vive el combustible nuclear a lo largo de su vida consta de tres fases principales que van desde la extracción minera hasta su retirada definitiva en almacenes de residuos nuclear (imagen obtenida de rosatom-centraleurope.com).

Primera fase: extracción

Del mismo modo que antes de fabricar un martillo necesitamos extraer de la naturaleza el hierro que lo compone, en el mundo de la energía nuclear el primer paso para la obtención del combustible nuclear es puramente geológico. El uranio es un elemento químico relativamente escaso, un metal como el hierro, la plata o el wolframio que forma minerales que podemos encontrar en la tierra. Pero el uranio no es un metal más. Es el elemento químico de mayor número atómico (92) y de mayor masa atómica (238) que existe en la naturaleza. Y también uno de los pocos que no tiene isótopos estables. Esta característica, que tienen otros elementos químicos como son el radio y el polonio, cuyos respectivos descubrimientos le valieron en 1911 el Premio Nobel de Química a Marie Curie, implica que el 100% del uranio es radiactivo. Los elementos químicos suelen tener «variedades» o isótopos, que pueden ser estables o radiactivos, y en el caso del uranio los tres isótopos que se encuentran en la naturaleza (234U, 235U y 238U) son radiactivos, si bien la inmensa mayoría (99.28%) corresponde al 238U.

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El uranio es uno de los numerosos elementos químicos que existen en la naturaleza. Es además el de mayor número atómico y masa atómica (imagen modificada a partir de wikipedia.org).

El uranio puede aparecer en concentraciones ínfimas dentro de minerales que no son de uranio o constituyendo sus propios minerales, por lo general óxidos y sales de vivos colores debido a que es un elemento muy reactivo. Estos minerales pueden aparecer en concentraciones muy bajas o en forma de mineralizaciones de interés económico, estas últimas por lo general asociadas a dos tipos de rocas. Por un lado están las rocas graníticas, rocas plutónicas formadas al final de la vida de un magma y que han cristalizado en profundidad. En ellas la presencia de elementos químicos incompatibles, que por sus características geoquímicas no suelen entrar en la red cristalina de los minerales más frecuentes, es elevada y eso les lleva a formar sus propios y poco comunes minerales. El uranio es un caso. Y por otro lado están las rocas que han sufrido procesos hidrotermales que han movilizado (los elementos químicos se mueven en la tierra) y posteriormente concentrado el uranio en las zonas donde vamos a encontrar las mineralizaciones.

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autunita_torbenita Cristales de autunita (amarillo) y torbenita (verde), dos minerales de uranio muy llamativos por sus vistosos colores (imagen obtenida de mindat.org, autor Enrico Bonacina).

Como ocurre con tantos otros recursos minerales, la minería de uranio puede ser tanto a cielo abierto como subterránea en función de si el recurso a explotar es profundo o superficial. Las explotaciones minerales que benefician uranio tienen que cumplir la normativa de minas, muy estricta en España, y también la normativa nuclear. En ellas se obtiene el mineral de las rocas mediante una serie de procesos físicos y químicos con los que se va a concentrar y purificar, hasta obtener un material de gran riqueza mineral y color amarillo que recibe el nombre común de yellowcake. En ellas la relación de isótopos de uranio es la misma que tenemos en la naturaleza, con un porcentaje de 235U de tan solo el 0.71%, que es lo que llamamos uranio empobrecido. Pero esto cambia cuando las yellowcakes son transportadas a las instalaciones dedicadas al enriquecimiento nuclear, donde la concentración de 235U crece hasta el 3-5% (nunca más), que es el que se necesita para que sea viable para producción de energía. Con ello ya se tiene un óxido de uranio enriquecido, que será el que se utilice más adelante en la fabricación de las barras de combustible empleadas en las centrales nucleares, y que también contienen otros metales que obtenemos gracias a la minería.

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La conocida como torta amarilla, o yellowcake, es el concentrado de uranio que normalmente se obtiene en la mina. El uranio que lo forma es emprobecido porque todavía mantiene la relación de isótopos que existe en la naturaleza (imagen obtenida de flickr, del usuario Uranium Energy Corp).

En España la primera fase del ciclo nuclear apenas se lleva a cabo. En el campo de la minería no existen minas abiertas de las que se obtenga uranio, si bien existe un proyecto minero en Retortillo (Salamanca) que desde hace varios años intenta ponerse en marcha. En cuanto al enriquecimiento nuclear, en España nunca se ha llevado esta parte del proceso, por lo que toda la energía nuclear española depende del exterior, de otros países que, como Francia o Estados Unidos, sí enriquecen uranio. Lo que sí se hace en España es la fabricación de combustible nuclear, para lo cuál se dispone de una puntera fábrica en Juzbado (Salamanca), que no solo suministra material para las centrales españolas sino también para otras de Francia, Bélgica o Suecia.

Segunda fase: producción

La segunda fase del ciclo nuclear es la producción propiamente dicha de energía dentro de las centrales nucleares. En un primer momento podría parecer que en esta etapa la geología no tendría mucho peso, pero no podemos olvidar que la geología es importante también dentro de la construción de cualquier instalación. La elección del lugar adecuado para levantar una central nuclear requiere de estudios geológicos y geotécnicos que indiquen que en la región, o bien no hay riesgos geológicos importantes, o bien estos se pueden minimizar con medidas enfocadas a ello. Las centrales nucleares hoy en día se diseñan para aguantar terremotos incluso en regiones donde no los hay. Y esto, en realidad, también es geología.

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Imagen de la torre de refrigeración de la central nuclear de Ascó (Tarragona), junto al río Ebro. Este tipo de torres no son exclusivas de las centrales nucleares, pero se han popularizado como el elemento más característico de la energía nuclear (imagen obtenida de eldiario.es).

Aunque sin duda el papel más importante de la geología en la producción de energía nuclear es la de suministrar los materiales necesarios para llevarla a cabo. Ya hemos visto la geología que hay detrás del combustible nuclear, que como concentrado de uranio obtenido en minas tiene un origen geológico, pero además de él hay que tener en cuenta otros materiales que también son de origen mineral. Un ejemplo pueden ser las barras de control, que están hechas a apartir de una aleación que contiene elementos químicos que, como el cadmio o el boro, tienen gran capacidad de absorción de neutrones. Estos elementos de nuevo los obtenemos gracias a la minería, ya que el cadmio suele ser un subproducto de la minería de cinc, cobre o plomo, y el boro se puede obtener a partir del bórax, un borato muy soluble en agua. También el acero de los diferentes utensilios, el cobre de los circuitos o el hormigón tienen su origen geológico porque se han podido fabricar a partir de minerales o materiales obtenidos en minas y canteras.

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El combustible nuclear, pero también otros materiales empleados para la obtención de energía a partir de la fisión de uranio, procede de minas y por tanto tiene un origen geológico (foronuclear.org).

La segunda fase del ciclo nuclear finaliza con el procesamiento del combustible después de haber sido utilizado para la producción de energía. A partir de este punto podemos hablar de dos tipos de materiales que van a sufrir caminos diferentes y que, aunque ya forman parte de la tercera fase, las vamos a explicar brevemente aquí. Por un lado tenemos el material que todavía se puede emplear en seguir produciendo energía y que será reprocesado para volver a utilizarlo en centrales nucleares. Gracias al reciclado del material fisionable el aprovechamiento del uranio es máximo, aunque no siempre se lleva a cabo. En España, por ejemplo, el combustible nuclear utilizado en una central, después de ser irradiado y utilizado para generar electricidad, se considera como residuo nuclear y por tanto pasa directamente a la tercera fase del ciclo, la encargada de retirarlo definitivamente.

Tercera fase: RETIRADA

Una vez que el combustible nuclear deja de utilizarse para producir energía es momento de buscar una manera de rerirarlo para que la radiactividad que sigue generando no afecte negativamente ni a la sociedad ni al medio ambiente. Es ahora cuando se almacena en instalaciones especiales en las que no solo se van a guardar los residuos de las centrales nucleares, sino también otros materiales que puedan estar contaminados y que han sido utilizados previamente en otras industrias y servicios. Uno de estos servicios es el sector de la sanidad, ya que actividades médicas como las radiografías o los escáneres nos exponen a radiactividad y las batas, las toallas o los guantes empleados quedan contaminados y deben ser retirados. No todo es energía nuclear cuando hablamos de residuos nucleares.

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En la zona de rayos de un hospital existe riesgo de contaminación por el uso de elementos radiactivos y los propios Rayos X para hacer radiografías y contrastes. Los materiales empleados, como batas o toallas, constituyen una de las partes más importantes de los residuos nucleares que genera un país (fuente: stocksy.com, de Sean Locke).

Para un correcto tratamiento de los residuos nucleares estos se clasifican en tres categorías en función de los niveles de radiactividad que tengan y del periodo de semidesintegración de sus principales radionucleidos (isótopos radiactivos). De esta manera tenemos cinco tipos diferentes de residuos nucleares que normalmente se agrupan en tres grandes bloques. Los residuos de muy baja actividad y los residuos de baja y media actividad son aquellos que tienen un periodo de semidesintegración inferior a 30 años. Estos residuos son los que se generan en la minería del uranio y en la fabricación de combustible nuclear, en el desmantelamiento de centrales nucleares y también en los hospitales, y su almacenamiento se puede producir en almacenes superficiales. Los residuos de alta actividad son aquellos que tienen cantidades importantes de radionucleidos de vida larga (superior a 30 años). Estos materiales corresponden con el combustible irradiado en las centrales nucleares después de su uso para producción eléctrica y por su peligrosidad requieren de tres fases de almacenamiento durante su retirada: un almacenamiento inicial de varios años en las propias instalaciones de la central; un almacenamiento intermedio de varias décadas en almacenes temporales individualizados (ATI) o centralizados (ATC); y por último un almacenamiento definitivo en un almacén geológico profundo (AGP).

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Tabla del 4º Informe Nacional de la Convención Conjunta en la que se muestra la clasificación actual de los residuos radiactivos en España, indicando además sus correspondientes vías de gestión ya operativas o previstas (fuente: csn.es).

La geología en la fase de almacenamiento es fundamental, no solo porque las instalaciones requieren de nuevo de estudios geotécnicos y geológicos favorables, sino porque la barrera geológica es uno de los pilares de los almacenes geológicos profundos (AGP). El fundamento de estos almacenes es el de imponer una serie de barreras a profundidades de unos 500 m para aislar por completo los residuos de alta actividad. Para ello estos se meten en contenedores metálicos que se almacenan en el interior de formaciones geológicas estables que se sellan con materiales absorbentes y terrenos de baja permeabilidad. Por tanto, para el confinamiento y aislamiento en los AGP la geología es crucial, primero porque la primera gran barrera en ellos es la roca en la que se construye la instalación, pero también porque no solo determina el enclave sino los materiales utilizados para el sellado, muchas veces arcillas con características especiales.

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Los almacenes geológicos profundos (AGP) son en la actualidad la solución internacionalmente aceptada para los residuos nucleares de alta actividad. En ellos se pretente aislar los materiales interponiendo varias barreras tecnológicas y naturales, de entre las que la más importante es la que impone la propia geología del enclave (fuente: jovenesnucleares.org).

En España no existen almacenamientos preparados para residuos de alta actividad y solo existe uno, el Centro de Almacenamiento El Cabril, en la provincia de Córdoba, para el almacenamiento de residuos de baja y media actividad. Por eso desde hace años se ha propuesto la construcción de un ATC, si bien la elección actual de Villar de Cañas no parece la más idónea por las características geológicas del entorno. Respecto a la construcción de un AGP en España, por el momento no existe un proyecto que busque un enclave que pueda reunir las características necesarias, aunque sí que los ha habido en el pasado. Pero por el momento no hay ningún emplazamiento aceptado, solo 20 posibles localizaciones en las tres litologías principales que se contemplan internacionalmente para este tipo de proyectos (arcillas, granitos y sales). Hay que tener en cuenta que en realidad en la actualidad solo existe un proyecto de AGP en marcha, el WIPP de Nuevo México (Estados Unidos), dedicado no para residuos de centrales nucleares sino del programa militar norteamericano. Para residuos procedentes de uso civil el proyecto más próximo de ser una realidad es el AGP de Onkalo, en Finlandia, cuya puesta en marcha se espera para 2024.

Consideraciones finales

La geología tiene una gran importancia dentro del mundo de la energía nuclear porque es la encargada de aportar las materias primas y también de retirar los residuos una vez estos dejan de ser útiles. Es también la responsable de asegurarse de que las instalaciones sean seguras frente a diversas posibles catástrofes naturales, como puede ser un terremoto o un tsunami. Y todo esto es así porque la geología, lejos de lo que se suele considerar muchas veces, es una ciencia que está presente en muchas industrias, con un peso que en ocasiones es inmenso. Porque en el mundo de la energía nuclear, de nuevo la geología importa. Y mucho.

Bibliografía

Borja Muñoz Mardones (2017): «Almacenamiento final de residuos nucleares: El AGP«. Artículo publicado en la web de Jóvenes Nucleares (ver online).

Consejo de Seguridad Nuclear (CSN): «Monografía sobre el combustible nuclear y su ciclo«. Ver online.

Consejo de Seguridad Nuclear (CSN): «Monografía sobre residuos radiactivos«. Ver online.

ENRESA (1995): «Almacenamiento geológico profundo de los residuos radiactivos de alta actividad (AGP). Diseños conceptuales genéricos«. Publicación técnica número 11/95, 96 páginas (ver online).

ENRESA (2018): «8º Plan de Investigación y Desarrollo (8º Plan I+D) de ENRESA 2019-2023. Versión 1«. 183 páginas (ver online).

Foro Nuclear: Página web del Foro de la Industria Nuclear española (enlace).

Jóvenes Nucleares: Página web que forma parte de la Sociedad Nuclear Española (enlace).

Juan Carlos López (2019): «En Salamanca hay una fábrica de barras de combustible nuclear de alta tecnología que exporta a toda Europa: la hemos visitado«. Artículo publicado en Xataka (ver online).

Juan Carlos López (2020): «Esta es la sala de control de una central nuclear por dentro y así es como los operadores mantienen la fisión nuclear bajo control«. Artículo publicado en Xataka (ver online).

SIEMCALSA (2009): «El uranio en Castilla y León«. Junta de Castilla y León, Consejería de Economía y Empleo, Dirección General de Energía y Minas, 20 páginas (ver online).

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