Cómo funcionan los reactores de agua pesada y por qué son importantes

Un tipo de agua más pesada

En la mayoría de las centrales nucleares, el agua ordinaria cumple una doble función: enfría el núcleo del reactor y ralentiza —o "modera"— los neutrones que mantienen la reacción en cadena. Pero una clase más pequeña y estratégicamente significativa de reactores se basa en algo diferente: agua pesada, una molécula en la que ambos átomos de hidrógeno son reemplazados por deuterio, un isótopo de hidrógeno más pesado que transporta un neutrón adicional. Químicamente escrita como D₂O, el agua pesada se ve y se comporta de manera muy parecida a la ordinaria, pero es aproximadamente un 10 por ciento más densa y, para los ingenieros nucleares, mucho más útil.

Por qué el deuterio lo cambia todo

La física se reduce a una sola propiedad: la absorción de neutrones. Cuando los átomos de uranio se dividen, liberan neutrones rápidos que deben ralentizarse antes de que puedan desencadenar más fisiones. El agua ordinaria ("ligera") es un moderador decente, pero también absorbe una parte significativa de esos neutrones, desperdiciándolos. El deuterio ralentiza los neutrones con la misma eficacia, pero absorbe muchos menos. Esa "economía de neutrones" superior significa que los reactores de agua pesada pueden mantener una reacción en cadena utilizando uranio natural, el mineral tal como sale del suelo, con solo un 0,7 por ciento de uranio-235 fisionable, en lugar del combustible enriquecido que requieren los reactores de agua ligera.

Esta compensación es la característica definitoria de la tecnología. El agua pesada es cara y difícil de producir, y normalmente se separa del agua ordinaria mediante destilación o electrólisis que consumen mucha energía. Pero ese coste se ve compensado por la eliminación de la necesidad de una infraestructura de enriquecimiento de uranio, que es en sí misma técnicamente exigente y está estrechamente controlada.

CANDU: El diseño de caballo de batalla

El reactor de agua pesada más exitoso es el CANDU (Canada Deuterium Uranium) de Canadá, desarrollado en la década de 1950 y que ahora opera en siete países, incluidos Argentina, Corea del Sur, Rumania, China e India. Los reactores CANDU utilizan agua pesada presurizada tanto como moderador como refrigerante, haciéndola circular a través de cientos de tubos de presión horizontales que contienen cada uno un haz de combustible de uranio natural.

Una ventaja distintiva es el reabastecimiento en línea: los operadores de CANDU pueden intercambiar haces de combustible gastado por otros nuevos sin necesidad de apagar el reactor, lo que aumenta la disponibilidad. El diseño también acepta una variedad de tipos de combustible, incluido el uranio reciclado de otros reactores y los combustibles basados en torio, un área de investigación activa en la India, que opera la flota más grande del mundo de reactores de agua pesada autóctonos.

La sombra de la proliferación

La misma eficiencia de neutrones que hace que los reactores de agua pesada sean flexibles en cuanto al combustible también crea un riesgo de armas. Cuando el uranio natural absorbe neutrones dentro del reactor, parte de él se convierte en plutonio-239, un material fisionable adecuado para armas nucleares. Si el combustible se retira pronto y se reprocesa, se puede extraer plutonio apto para armas. La India lo demostró claramente en 1974, cuando detonó un dispositivo nuclear utilizando plutonio producido en un reactor de investigación suministrado por Canadá y moderado por agua pesada proporcionada por Estados Unidos.

Esa historia es la razón por la que el Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA) aplica estrictas salvaguardias a las transferencias de agua pesada y a la tecnología de producción. El complejo de agua pesada de Arak en Irán, por ejemplo, se convirtió en un punto focal del acuerdo nuclear de 2015 precisamente porque su reactor de investigación de 40 megavatios previsto podría haber producido suficiente plutonio para aproximadamente un arma por año. En virtud del acuerdo, Irán acordó rediseñar el núcleo del reactor y rellenar el original con hormigón.

Una historia de origen de la Segunda Guerra Mundial

La importancia estratégica del agua pesada se reconoció mucho antes del primer reactor de potencia. Durante la Segunda Guerra Mundial, la Alemania nazi persiguió el agua pesada como moderador para su propio programa nuclear, obteniéndola de la planta de Norsk Hydro en Vemork, en la Noruega ocupada, entonces el único productor industrial del mundo. En febrero de 1943, nueve comandos noruegos se infiltraron en la planta en la Operación Gunnerside, destruyendo el equipo de producción de agua pesada y más de 100 galones de producto acumulado. Un sabotaje de seguimiento en 1944 hundió un ferry que transportaba las existencias restantes de Alemania. Los historiadores atribuyen a las incursiones un retraso significativo en el esfuerzo alemán por construir la bomba.

Sigue siendo relevante hoy en día

Los reactores de agua pesada representan una pequeña fracción de la flota nuclear mundial: aproximadamente 50 de los aproximadamente 440 reactores de potencia en funcionamiento en el mundo. Sin embargo, siguen siendo estratégicamente importantes. Su capacidad para funcionar con uranio natural atrae a los países sin capacidades de enriquecimiento. Sus ciclos de combustible flexibles apoyan la investigación de combustibles de nueva generación. Y su vínculo con la producción de plutonio los mantiene en el centro de la diplomacia de no proliferación, desde Irán hasta el sur de Asia.

Comprender cómo funcionan los reactores de agua pesada es esencial para comprender por qué ciertas instalaciones nucleares atraen tanta atención internacional y por qué una molécula que es solo un 10 por ciento más pesada que el agua ordinaria puede cambiar el equilibrio de la seguridad mundial.