Qué es la energía nuclear, cómo funciona y qué papel tiene hoy

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La energía nuclear lleva décadas en el centro del debate energético mundial. Es una fuente capaz de producir enormes cantidades de electricidad con muy bajas emisiones directas de CO2, pero también arrastra problemas serios como los residuos radiactivos y el riesgo de accidente. En España y en el resto del mundo, sigue siendo un tema que despierta opiniones muy polarizadas, tanto entre expertos como entre la ciudadanía.

Para entender de verdad qué hay detrás de esta tecnología, conviene bajar al detalle: cómo funciona por dentro un reactor, qué diferencia hay entre fisión y fusión, qué papel juega la energía nuclear en el mix eléctrico global y cuáles son sus ventajas e inconvenientes reales. A lo largo de este artículo vamos a desgranar todo esto con calma, en un lenguaje cercano y apoyándonos en los datos más relevantes disponibles.

Qué es exactamente la energía nuclear

Cuando hablamos de energía nuclear nos referimos a la energía almacenada en el núcleo de los átomos. Un átomo es la unidad más pequeña en la que se puede dividir un elemento químico conservando sus propiedades, y en su parte central, el núcleo, encontramos protones (con carga positiva) y neutrones (sin carga eléctrica) fuertemente ligados entre sí por la llamada fuerza nuclear fuerte.

Esa fuerza que mantiene “pegados” protones y neutrones es gigantesca comparada con las fuerzas que gobiernan los enlaces químicos habituales. Por eso, cuando se consigue alterar la estructura del núcleo atómico, se libera una cantidad de energía desproporcionada en comparación con la que obtenemos de una reacción química como la combustión del carbón, del gas o del petróleo.

La energía nuclear puede ponerse a nuestro servicio de dos formas básicas: mediante fisión nuclear y mediante fusión nuclear. Ambas son reacciones que modifican el núcleo del átomo, pero lo hacen de manera opuesta: una lo rompe en fragmentos más pequeños y la otra une núcleos ligeros para formar uno más pesado.

En cualquier caso, en estas reacciones nucleares se produce una pequeña pérdida de masa que se transforma en energía de acuerdo con la famosa ecuación de Albert Einstein, E = mc². Aunque la masa perdida sea diminuta, al multiplicarla por el cuadrado de la velocidad de la luz se obtienen cantidades enormes de energía, que se manifiestan en forma de calor y radiación.

Fisión nuclear: la base de las centrales actuales

La fisión nuclear es la reacción que se utiliza hoy en día en las centrales nucleares para generar electricidad. En este proceso, el núcleo de un átomo pesado, como el uranio-235 o el plutonio-239, se divide en dos núcleos más ligeros, acompañados de varios neutrones y una gran liberación de energía.

De forma muy simplificada, la fisión se produce cuando un neutrón impacta contra el núcleo de uno de estos isótopos pesados. Ese núcleo se vuelve inestable y se rompe en dos fragmentos, que son otros elementos químicos (por ejemplo, bario y criptón), y además se emiten dos o tres neutrones adicionales junto con una cantidad muy considerable de energía en forma de calor y radiación.

La parte clave es que esos neutrones liberados pueden chocar a su vez con otros núcleos de uranio-235 cercanos, provocando que también se fisionen. De este modo se desencadena una reacción en cadena: cada fisión genera nuevos neutrones que originan más fisiones, y así sucesivamente, todo ello en fracciones de segundo.

En una bomba nuclear, esa reacción en cadena se deja crecer de forma descontrolada, liberando la energía casi de golpe. En cambio, en un reactor de una central eléctrica lo que se hace es controlar cuidadosamente la reacción, moderando la cantidad de neutrones que siguen provocando nuevas fisiones para que la potencia generada se mantenga estable y segura.

El calor producido en la fisión se usa para calentar agua hasta convertirla en vapor de alta presión. Este vapor mueve una turbina acoplada a un alternador, que es el dispositivo que finalmente produce la electricidad. El esquema básico es muy parecido al de una central de carbón o gas: el gran cambio está en el origen del calor, que en este caso procede del núcleo atómico en lugar de la combustión.

Fusión nuclear: la energía de las estrellas

La otra gran vía para obtener energía nuclear es la fusión, el proceso que tiene lugar en el interior del Sol y de las demás estrellas. En la fusión, dos núcleos ligeros, típicamente de isótopos de hidrógeno como el deuterio y el tritio, se unen para formar un núcleo más pesado, liberando también una enorme cantidad de energía.

El interés de la fusión viene de que, sobre el papel, podría convertirse en una fuente de energía prácticamente inagotable, con menos residuos de larga vida y sin el mismo tipo de riesgo de accidente que la fisión convencional. El combustible principal (deuterio) se puede extraer del agua de mar y el proceso no produce CO2 durante la generación de electricidad.

Sin embargo, lograr en la Tierra las condiciones extremas de temperatura y presión que se dan en el interior del Sol es un reto mayúsculo. Para que los núcleos ligeros venzan su repulsión eléctrica y lleguen a fusionarse, hay que alcanzar temperaturas de decenas de millones de grados, lo que exige sistemas de confinamiento muy sofisticados.

En la actualidad, la fusión nuclear se encuentra en una fase de investigación y desarrollo. Existen grandes proyectos internacionales, como ITER en Francia, y numerosos prototipos en distintos países, pero todavía no se ha conseguido que un reactor de fusión produzca de forma continua más energía de la que se necesita para mantener la reacción. Por ahora, la producción comercial de electricidad sigue siendo terreno exclusivo de la fisión.

De masa a energía: la ecuación de Einstein en la práctica

Tanto en la fisión como en la fusión se observa que la suma de las masas de los productos finales es ligeramente menor que la masa inicial de los núcleos participantes. Esa pequeña diferencia de masa no desaparece sin más: se transforma en energía, según la ya mencionada ecuación E = mc².

Esto significa que una cantidad relativamente pequeña de combustible nuclear puede generar una cantidad descomunal de energía. Por ejemplo, unos pocos gramos de material fisionable pueden liberar la misma energía que varias toneladas de carbón, lo que explica por qué la energía nuclear es tan densa y por qué las centrales requieren mucho menos volumen de combustible que una planta térmica convencional.

La energía liberada en estas reacciones se manifiesta como calor y radiación. El calor se aprovecha para producir vapor y mover turbinas, mientras que la radiación (principalmente rayos gamma, neutrones rápidos y otros tipos de radiación ionizante) se gestiona mediante gruesas barreras de hormigón y sistemas de blindaje para proteger a las personas y al medio ambiente.

Aunque solemos asociar la energía nuclear casi exclusivamente con la generación de electricidad, también tiene usos en otros ámbitos, como la medicina (radioterapia, diagnóstico por imagen con isótopos radiactivos), la industria (medición y control de procesos, esterilización) o incluso la investigación ambiental y la datación de materiales.

Cómo funciona una central nuclear

Una central nuclear de fisión utiliza como combustible principalmente uranio enriquecido, en forma de pequeñas pastillas cerámicas que se agrupan en barras y estas, a su vez, en conjuntos llamados elementos combustibles. Estos se colocan en el interior del reactor, donde se produce la reacción en cadena controlada.

Para regular el proceso, el reactor cuenta con barras de control, fabricadas con materiales capaces de absorber neutrones (como el boro o el cadmio). Al introducir o extraer estas barras en el núcleo, se controla cuántos neutrones quedan disponibles para seguir produciendo fisiones, ajustando así la potencia del reactor o incluso deteniéndolo por completo si es necesario.

El calor generado en el interior del núcleo se transfiere a un circuito de agua que actúa como refrigerante y, en muchos diseños, también como moderador de neutrones. Esa agua, sometida a alta presión para evitar que hierva en el propio reactor (en el caso de los reactores de agua a presión) o dejándola hervir controladamente (en los reactores de agua en ebullición), acaba generando vapor de alta presión que mueve las turbinas.

El circuito de vapor y turbinas suele estar separado del circuito primario del reactor para minimizar la posible contaminación radiactiva. Tras pasar por la turbina, el vapor se enfría en un condensador, se vuelve a convertir en agua líquida y se recircula. En este proceso intervienen también torres de refrigeración o tomas de agua de ríos y mares, lo que explica el alto consumo de agua asociado a estas instalaciones.

Todo este sistema está rodeado por varias barreras físicas de seguridad, como la vasija del reactor y el edificio de contención de hormigón armado, diseñados para evitar la liberación de material radiactivo al exterior en caso de incidentes. Los requisitos de diseño y operación son muy estrictos y están supervisados por organismos reguladores nacionales e internacionales.

El papel de la energía nuclear en el mix eléctrico mundial

Según los datos más recientes del Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA), las centrales nucleares generan en torno a un 10 % de la electricidad mundial. Esto convierte a la nuclear en la segunda fuente de energía baja en carbono más importante del planeta, solo por detrás de la energía hidroeléctrica.

En la Unión Europea, la presencia de esta tecnología es especialmente significativa. Aproximadamente un 26 % de la electricidad producida en la UE procede de reactores nucleares repartidos en 13 de los 27 Estados miembros. Dentro del bloque, Francia es el país con mayor número de unidades en funcionamiento, con una flota de 56 reactores que proporcionan más de la mitad de la electricidad nuclear europea.

A escala global, a finales de 2023 se contabilizaban 413 reactores operativos en 31 países, responsables de alrededor de un 10 % del total de la electricidad generada en el mundo. Además, había otras 59 centrales en construcción en 17 naciones, con proyectos destacados en países como China, Rusia o Egipto, entre otros.

Si ampliamos un poco el foco temporal, las cifras se mantienen en valores similares: más de 400 reactores en servicio en una treintena de países, con alrededor del 11 % de la producción eléctrica mundial atribuida a la energía nuclear. Aunque la proporción ha variado ligeramente con los años, sigue siendo un pilar relevante en el sistema energético global.

En el interior de la propia Unión Europea, cerca de un tercio de la energía consumida en algunos momentos llega a estar vinculada a la energía nuclear, sumando tanto la producción interna como los intercambios entre países. Esto explica que el debate sobre el futuro de la nuclear sea especialmente intenso en el contexto comunitario.

A escala global, además de los 413 reactores en operación, destacan los proyectos en construcción en países emergentes y en economías en crecimiento que buscan reforzar su seguridad de suministro sin incrementar al máximo sus emisiones directas de CO2. Rusia y China, en particular, están muy activas tanto en la construcción interna como en la exportación de tecnología nuclear.

La industria nuclear defiende que las centrales modernas incorporan protocolos de seguridad mucho más exigentes que las plantas de generaciones anteriores y que los reactores actualmente en diseño (conocidos como de cuarta generación) tendrán mejoras significativas en eficiencia, seguridad pasiva y reducción de residuos.

Los críticos, en cambio, consideran que, pese a esas mejoras, el riesgo residual y el problema de los residuos siguen sin quedar satisfactoriamente resueltos, por lo que interpretan que estas supuestas ventajas no son suficientes para compensar los peligros asociados.

Ventajas de la energía nuclear

Uno de los principales argumentos a favor de esta fuente es que, durante la operación normal de las centrales, no se emiten gases de efecto invernadero en cantidades apreciables. A diferencia de una planta de carbón, petróleo o gas, la producción de electricidad nuclear no implica combustión, de modo que las emisiones directas de CO2 son muy reducidas.

Esta característica hace que muchos expertos consideren a la energía nuclear como una aliada potencial en la lucha contra el cambio climático, especialmente en países que necesitan reemplazar grandes cantidades de generación fósil y garantizan, al mismo tiempo, un suministro estable de electricidad las 24 horas del día.

Otra ventaja es la elevada densidad energética del combustible nuclear. Con muy poca cantidad de uranio se obtiene mucha más energía que quemando grandes volúmenes de combustibles fósiles. Eso facilita el almacenamiento de combustible, reduce la dependencia de grandes cadenas logísticas y permite que las centrales funcionen largos periodos entre recargas.

Además, las centrales nucleares son instalaciones diseñadas para operar de forma continua y estable, lo que aporta potencia firme al sistema eléctrico. A diferencia de algunas renovables variables como la eólica o la solar fotovoltaica, la nuclear no depende directamente del viento o del sol, lo que puede ayudar a estabilizar la red cuando la penetración de renovables es muy alta.

Por último, no hay que olvidar ciertos usos no eléctricos asociados al sector nuclear, como la producción de radioisótopos para aplicaciones médicas o industriales, o los proyectos que estudian el uso del calor de los reactores para obtener hidrógeno o suministrar calor industrial, campos que todavía están en desarrollo pero que ofrecen posibilidades adicionales.

Inconvenientes y riesgos de la energía nuclear

La cara menos amable de la energía nuclear está encabezada por la cuestión de los desechos radiactivos. El combustible gastado y otros residuos generados en la operación de las centrales contienen radionúclidos que pueden tardar miles de años en perder su peligrosidad, lo que obliga a planificar su gestión y almacenamiento seguro a muy largo plazo.

Estos residuos de alta actividad son muy peligrosos para la salud y el medio ambiente si se liberan sin control, por lo que se conservan en piscinas de enfriamiento y posteriormente en contenedores blindados y almacenes especializados. El debate sobre el mejor tipo de almacenamiento geológico profundo y sobre quién asume la responsabilidad a lo largo de generaciones sigue abierto en muchos países.

Otro punto delicado es el riesgo de accidente grave, por muy bajo que sea estadísticamente. Episodios como Chernóbil o Fukushima han dejado una huella profunda en la opinión pública y han demostrado que, aunque la probabilidad de fallo severo se reduzca mucho con el diseño y la regulación, el impacto potencial puede ser enorme en caso de que algo salga realmente mal.

Además, si se analizan las emisiones asociadas a toda la cadena de valor (desde la minería del uranio hasta el desmantelamiento de las plantas, pasando por el enriquecimiento y el transporte), organizaciones como Greenpeace sostienen que la huella de carbono de la nuclear no es tan baja como a veces se presenta, y que el elevado consumo de agua para la refrigeración añade problemas en contextos de sequía y calentamiento global.

Por motivos de proliferación nuclear y seguridad internacional, el vínculo histórico de esta tecnología con el uso militar tampoco puede ignorarse. El conocimiento y las infraestructuras asociadas a la energía nuclear civil pueden acercar a un país a la capacidad de desarrollar armamento, lo que obliga a contar con fuertes mecanismos de control y verificación internacionales.

Centrales nucleares en Europa y en el resto del mundo

Si miramos el mapa mundial, vemos una distribución muy desigual. Hay países que apuestan fuerte por la nuclear, otros que la están abandonando y otros que nunca han desarrollado esta tecnología. Europa es uno de los escenarios donde la diversidad de posturas es más evidente.

Dentro de la Unión Europea, como se ha comentado, funcionan más de 150 reactores en 13 Estados miembros. Francia es el caso más llamativo, con una fuerte dependencia de esta fuente para su electricidad. Otros países como Finlandia, Suecia o Hungría también la utilizan de forma significativa, mientras que Alemania, por ejemplo, ha decidido cerrar sus centrales.

A escala global, además de los 413 reactores en operación, destacan los proyectos en construcción en países emergentes y en economías en crecimiento que buscan reforzar su seguridad de suministro sin incrementar al máximo sus emisiones directas de CO2. Rusia y China, en particular, están muy activas tanto en la construcción interna como en la exportación de tecnología nuclear.

La industria nuclear defiende que las centrales modernas incorporan protocolos de seguridad mucho más exigentes que las plantas de generaciones anteriores y que los reactores actualmente en diseño (conocidos como de cuarta generación) tendrán mejoras significativas en eficiencia, seguridad pasiva y reducción de residuos.

Los críticos, en cambio, consideran que, pese a esas mejoras, el riesgo residual y el problema de los residuos siguen sin quedar satisfactoriamente resueltos, por lo que interpretan que estas supuestas ventajas no son suficientes para compensar los peligros asociados.

Ciclo de vida y duración de las centrales nucleares

Otro de los puntos calientes del debate es cuánto tiempo deben operar las centrales nucleares y qué sucede al final de su vida útil. Tradicionalmente se consideraba que la vida de diseño típica de una planta rondaba los 40 años, pero la experiencia acumulada y las inversiones en mejora han llevado a ampliar ese horizonte en muchos casos.

En la actualidad, existen alrededor de 147 reactores en el mundo a los que las autoridades reguladoras han concedido autorizaciones de funcionamiento más allá de esos 40 años iniciales. Esto implica inspecciones muy exhaustivas, sustitución de componentes críticos y una evaluación continua del estado de las estructuras clave.

En Estados Unidos, por ejemplo, cuatro unidades nucleares han obtenido permiso oficial para operar hasta los 80 años, algo inédito hasta ahora. Las asociaciones industriales del sector, como Foro Nuclear en España, sostienen que distintos estudios internacionales demuestran que es técnicamente viable explotar las centrales más allá de su diseño inicial manteniendo los estándares de seguridad y fiabilidad requeridos.

Al mismo tiempo, el cierre de una central no significa que el trabajo haya terminado. Llega entonces la fase de desmantelamiento y gestión de residuos, que puede prolongarse durante décadas y requiere importantes inversiones. Es necesario desmontar equipos, descontaminar estructuras y gestionar cuidadosamente todos los materiales radiactivos generados.

Estos costes de desmantelamiento y de almacenamiento a largo plazo de los residuos de alta actividad forman parte de la discusión sobre si la energía nuclear es verdaderamente competitiva cuando se tienen en cuenta todos los costes del ciclo de vida, incluidos los que recaen sobre generaciones futuras.

De las bombas nucleares a la producción de electricidad

La historia de la energía nuclear está marcada desde el principio por un contraste muy fuerte entre su cara militar y su cara civil. Aunque los fundamentos científicos se desarrollaron a lo largo de la primera mitad del siglo XX, fue al finalizar la Segunda Guerra Mundial cuando el mundo descubrió, de forma brutal, el potencial destructivo de esta tecnología con el uso de las bombas atómicas.

Tras esa etapa inicial, la comunidad internacional trató de reconducir el enorme poder del núcleo atómico hacia aplicaciones pacíficas. Ingenieros y físicos nucleares comenzaron a investigar cómo aprovechar la fisión para generar electricidad de forma controlada, dando lugar a los primeros reactores experimentales.

En diciembre de 1951 se consiguió por primera vez producir electricidad a partir de un reactor nuclear, con una instalación experimental en Estados Unidos que alcanzó una potencia de unos 100 kilovatios. Fue un hito simbólico que demostró que era posible convertir la energía del núcleo atómico en energía eléctrica utilizable.

Pocos años después, en 1954, la central nuclear soviética de Obninsk se conectó a la red, convirtiéndose en una de las primeras plantas en suministrar electricidad de manera continua a una población. Y en 1956 entró en funcionamiento el primer reactor de fisión comercial a gran escala en el Reino Unido, marcando el arranque de la industria nuclear civil tal y como la conocemos.

A partir de ahí, muchas naciones industrializadas apostaron por construir reactores durante las décadas de 1960 y 1970. Con el tiempo, los accidentes graves, las preocupaciones sobre los residuos y los cambios en el contexto energético han ido modulando esa expansión, llevando a algunos países a frenar o revertir sus programas, y a otros a mantener o incluso reforzar su apuesta por la nuclear.

Hoy, la energía nuclear sigue generando casi una tercera parte de la electricidad baja en carbono del mundo y continúa situada en el centro de la discusión sobre la transición energética. Para sus defensores, es una herramienta más —junto con las renovables y la eficiencia— para descarbonizar la economía; para sus detractores, supone un obstáculo por los riesgos y los costes asociados cuando se contempla todo su ciclo de vida.

Al final, la energía nuclear representa un equilibrio complejo entre beneficios y riesgos: una tecnología capaz de aportar grandes volúmenes de electricidad con pocas emisiones directas, pero que plantea desafíos de seguridad, residuos y aceptación social a muy largo plazo. La forma en que cada sociedad sopesará estos factores determinará el papel que la nuclear jugará en el sistema energético de las próximas décadas.