Energía nuclear

El proceso de fisión nuclear se descubrió en 1938 tras más de cuatro décadas de trabajo en la ciencia de la radiactividad y la elaboración de una nueva física nuclear que describía los componentes de los átomos . Poco después del descubrimiento del proceso de fisión, se comprendió que los neutrones liberados por un núcleo fisionable podían, en las condiciones adecuadas, inducir fisiones en núcleos cercanos, iniciando así una reacción en cadena autosostenida . ^{[ 8 ]} Una vez que esto se confirmó experimentalmente en 1939, científicos de muchos países solicitaron a sus gobiernos apoyo para la investigación de la fisión nuclear, justo antes del inicio de la Segunda Guerra Mundial , con el fin de desarrollar un arma nuclear . ^{[ 9 ]}

En Estados Unidos, estos esfuerzos de investigación condujeron a la creación del primer reactor nuclear artificial , el Chicago Pile-1, ubicado bajo el estadio Stagg Field de la Universidad de Chicago , que alcanzó la criticidad el 2 de diciembre de 1942. El desarrollo del reactor formó parte del Proyecto Manhattan , el esfuerzo aliado para crear bombas atómicas durante la Segunda Guerra Mundial. Esto llevó a la construcción de reactores de producción más grandes y de un solo propósito para la producción de plutonio apto para armas nucleares , que se utilizaría en las primeras armas nucleares. Estados Unidos realizó la primera prueba nuclear en julio de 1945, la prueba Trinity , y los bombardeos atómicos de Hiroshima y Nagasaki ocurrieron un mes después. ^{[ 10 ]}

A pesar del carácter militar de los primeros dispositivos nucleares, en las décadas de 1940 y 1950 existía un gran optimismo respecto a que la energía nuclear pudiera proporcionar energía barata e inagotable. ^{[ 12 ]} La electricidad se generó por primera vez mediante un reactor nuclear el 20 de diciembre de 1951, en la estación experimental EBR-I cerca de Arco, Idaho , que inicialmente produjo unos 100  kW. ^{[ 13 ] [ 14 ]} En 1953, el presidente estadounidense Dwight Eisenhower pronunció su discurso « Átomos para la Paz » en las Naciones Unidas , haciendo hincapié en la necesidad de desarrollar rápidamente usos «pacíficos» de la energía nuclear. A esto le siguió la Ley de Energía Atómica de 1954, que permitió la rápida desclasificación de la tecnología de reactores estadounidenses y fomentó el desarrollo por parte del sector privado. ^{[ 15 ]}

La primera organización en desarrollar energía nuclear práctica fue la Armada de los Estados Unidos , con el reactor S1W para propulsar submarinos y portaaviones . El primer submarino de propulsión nuclear, el USS Nautilus  , fue botado en enero de 1954. ^{[ 16 ] [ 17 ]} El reactor S1W era un reactor de agua a presión . Este diseño se eligió por ser más simple, compacto y fácil de operar en comparación con otros diseños, lo que lo hacía más adecuado para su uso en submarinos. Esta decisión convertiría al reactor de agua a presión en el reactor preferido también para la generación de energía, teniendo así un impacto duradero en el mercado eléctrico civil en los años venideros. ^{[ 18 ]}

El 27 de junio de 1954, la central nuclear de Obninsk en la URSS se convirtió en la primera central nuclear del mundo en generar electricidad para una red eléctrica , produciendo alrededor de 5 megavatios de energía eléctrica. ^{[ 19 ]} La primera central nuclear comercial del mundo, Calder Hall en Windscale, Inglaterra, se conectó a la red eléctrica nacional el 27 de agosto de 1956. Al igual que otros reactores de primera generación , la central tenía el doble propósito de producir electricidad y plutonio-239 , este último para el incipiente programa de armas nucleares en Gran Bretaña . ^{[ 20 ]}

La capacidad nuclear instalada global total aumentó inicialmente con relativa rapidez, pasando de menos de 1 gigavatio (GW) en 1960 a 100  GW a finales de la década de 1970. ^{[ 16 ]} Durante las décadas de 1970 y 1980, el aumento de los costos económicos (relacionados con los prolongados tiempos de construcción debido principalmente a cambios regulatorios y litigios de grupos de presión) ^{[ 21 ]} y la caída de los precios de los combustibles fósiles hicieron que las centrales nucleares en construcción resultaran menos atractivas. En la década de 1980 en Estados Unidos y en la de 1990 en Europa, la liberalización de la electricidad hizo que la inversión en nuevas centrales nucleares (que tienen altos costos de capital iniciales pero bajos costos operativos) fuera menos deseable que la de las centrales de gas natural (que tenían poca oposición política, se construían más rápido y tenían precios de combustible bajos). ^{[ 16 ]}

La crisis del petróleo de 1973 tuvo un efecto significativo en países como Francia y Japón , que dependían en gran medida del petróleo para la generación de electricidad, lo que los impulsó a invertir en energía nuclear. ^{[ 22 ]} Francia construiría 25 centrales nucleares durante los siguientes 15 años, ^{[ 23 ] [ 24 ]} y, en 2019, el 71 % de la electricidad francesa se generaba mediante energía nuclear, el porcentaje más alto del mundo. ^{[ 25 ]}

En Estados Unidos, a principios de la década de 1960, surgió cierta oposición local a la energía nuclear. ^{[ 26 ]} A finales de la década de 1960, algunos miembros de la comunidad científica comenzaron a expresar preocupaciones concretas. ^{[ 27 ]} Estas preocupaciones antinucleares se relacionaban con accidentes nucleares , proliferación nuclear , terrorismo nuclear y eliminación de desechos radiactivos . ^{[ 28 ]} A principios de la década de 1970, hubo grandes protestas contra una propuesta de central nuclear en Wyhl , Alemania. El proyecto fue cancelado en 1975. El éxito del movimiento antinuclear en Wyhl inspiró la oposición a la energía nuclear en otras partes de Europa y América del Norte. ^{[ 29 ] [ 30 ]}

A mediados de la década de 1970, el activismo antinuclear ganó mayor atractivo e influencia, y la energía nuclear comenzó a convertirse en un tema de gran protesta pública. ^{[ 31 ] [ 32 ]} En algunos países, el debate sobre la energía nuclear "alcanzó una intensidad sin precedentes en la historia de las controversias tecnológicas". ^{[ 33 ]} La creciente hostilidad pública hacia la energía nuclear condujo a un proceso de obtención de licencias más largo, más regulaciones y mayores requisitos para el equipo de seguridad, lo que hizo que la construcción de nuevas centrales fuera mucho más costosa. ^{[ 34 ] [ 35 ]} En Estados Unidos, más de 120 propuestas de reactores fueron finalmente canceladas ^{[ 36 ]} y la construcción de nuevos reactores se detuvo. ^{[ 37 ]} El accidente de 1979 en Three Mile Island jugó un papel importante en la reducción del número de nuevas construcciones de centrales en muchos países. ^{[ 27 ]}

Durante la década de 1980, se ponía en marcha un nuevo reactor nuclear cada 17  días en promedio. ^{[ 38 ]} A finales de la década, la capacidad nuclear instalada mundial alcanzó los 300  GW. Desde finales de la década de 1980, las nuevas adiciones de capacidad se ralentizaron significativamente, y la capacidad nuclear instalada alcanzó los 365  GW en 2005. ^{[ 39 ]}

El desastre de Chernóbil de 1986 en la URSS , que involucró un reactor RBMK , alteró el desarrollo de la energía nuclear y llevó a un mayor enfoque en el cumplimiento de las normas internacionales de seguridad y regulación. ^{[ 40 ]} Se considera el peor desastre nuclear de la historia tanto en el total de víctimas, con 56 muertes directas, como en el aspecto financiero, con la limpieza y el costo estimado en 18  mil millones de rublos (US$68 mil millones en 2019, ajustado por inflación). ^{[ 41 ] [ 42 ]} La organización internacional para promover la concienciación sobre seguridad y el desarrollo profesional de los operadores en instalaciones nucleares , la Asociación Mundial de Operadores Nucleares (WANO), se creó como resultado directo del accidente de Chernóbil de 1986. El desastre de Chernóbil jugó un papel importante en la reducción del número de nuevas construcciones de plantas en los años siguientes. ^{[ 27 ]} Influenciada por estos eventos, Italia votó en contra de la energía nuclear en un referéndum de 1987, ^{[ 43 ]} convirtiéndose en la primera gran economía en eliminar por completo la energía nuclear en 1990. ^{[ 44 ]}  

A principios de la década de 2000, la energía nuclear esperaba un renacimiento nuclear , un aumento en la construcción de nuevos reactores, debido a la preocupación por las emisiones de dióxido de carbono . ^{[ 45 ]} Durante este período, se inició la construcción de reactores de nueva generación III , como el EPR . ^{[ 46 ]}

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  Generación eléctrica neta por fuente y crecimiento desde 1980. En términos de energía generada entre 1980 y 2010, la contribución de la fisión fue la que creció más rápidamente.
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  La producción de electricidad en Francia muestra la transición a la energía nuclear.

    termofósil

    hidroeléctrico

    nuclear

    Otras energías renovables
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  El ritmo de construcción de nuevos reactores prácticamente se detuvo a finales de la década de 1980. El aumento del factor de capacidad en los reactores existentes fue el principal responsable del continuo incremento de la energía eléctrica producida durante este período.
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  Tendencias en la generación de electricidad en los principales países productores (Nuestro Mundo en Datos)

Las perspectivas de un renacimiento nuclear se vieron retrasadas por otro accidente nuclear. ^{[ 45 ] [ 47 ]} El accidente nuclear de Fukushima Daiichi de 2011 fue causado por el terremoto y tsunami de Tōhoku , uno de los terremotos más grandes jamás registrados. La central nuclear de Fukushima Daiichi sufrió tres fusiones del núcleo debido a la falla del sistema de refrigeración de emergencia por falta de suministro eléctrico. Esto resultó en el accidente nuclear civil más grave desde el desastre de Chernóbil de 1986. ^{[ 48 ]}

El accidente provocó una revisión de la seguridad nuclear y la política energética nuclear en muchos países. ^{[ 49 ]} Alemania aprobó planes para cerrar todos sus reactores para 2022, y muchos otros países revisaron sus programas de energía nuclear. ^{[ 50 ] [ 51 ]} Tras el desastre, Japón cerró todos sus reactores nucleares, algunos de ellos de forma permanente, y en 2015 comenzó un proceso gradual para reiniciar los 40 reactores restantes, tras controles de seguridad y basándose en criterios revisados ​​para las operaciones y la aprobación pública. ^{[ 52 ]}

En 2022, el gobierno japonés, bajo el liderazgo del primer ministro Fumio Kishida , anunció la reapertura de diez centrales nucleares más tras el desastre de 2011. ^{[ 53 ]} Kishida también impulsa la investigación y construcción de nuevas centrales nucleares más seguras para proteger a los consumidores japoneses de la fluctuación del precio de los combustibles fósiles y reducir las emisiones de gases de efecto invernadero de Japón. ^{[ 54 ]} Kishida pretende que Japón se convierta en un importante exportador de energía y tecnología nuclear a países en desarrollo de todo el mundo. ^{[ 54 ]}

Para 2015, las perspectivas del OIEA sobre la energía nuclear se habían vuelto más prometedoras, reconociendo la importancia de la generación con bajas emisiones de carbono para mitigar el cambio climático . ^{[ 55 ]} A partir de 2015La tendencia global era que la puesta en marcha de nuevas centrales nucleares se equilibrara con el desmantelamiento de plantas antiguas. ^{[ 56 ]} En 2016, la Administración de Información Energética de EE. UU. proyectó, en su "escenario base", que la generación mundial de energía nuclear aumentaría de 2344 teravatios-hora (TWh) en 2012 a 4500  TWh en 2040. Se esperaba que la mayor parte del aumento previsto se produjera en Asia. ^{[ 57 ]} En 2018, había más de 150 reactores nucleares planificados, incluidos 50 en construcción. ^{[ 58 ]} En enero de 2019, China tenía 45 reactores en funcionamiento, 13 en construcción y planeaba construir 43 más, lo que la convertiría en el mayor generador mundial de electricidad nuclear. ^{[ 59 ]} En 2021, se informó que 17 reactores estaban en construcción. Su participación en la electricidad procedente de la energía nuclear fue del 5 % en 2019. ^{[ 60 ]}

En octubre de 2021, el gabinete japonés aprobó el nuevo Plan de Generación de Electricidad hasta 2030, elaborado por la Agencia de Recursos Naturales y Energía (ANRE) y un comité asesor, tras una consulta pública. El objetivo nuclear para 2030 requiere la reactivación de otros diez reactores. En julio de 2022, el primer ministro Fumio Kishida anunció que el país debería considerar la construcción de reactores avanzados y la extensión de las licencias de operación más allá de los 60 años. ^{[ 61 ]}

A partir de 2022, con los precios mundiales del petróleo y el gas en alza, mientras Alemania está reiniciando sus centrales de carbón para hacer frente a la pérdida de gas ruso que necesita para complementar su Energiewende , ^{[ 62 ]} muchos otros países han anunciado ambiciosos planes para revitalizar la capacidad de generación nuclear envejecida con nuevas inversiones. El presidente francés Emmanuel Macron anunció su intención de construir seis nuevos reactores en las próximas décadas, situando la energía nuclear en el centro del impulso de Francia hacia la neutralidad de carbono para 2050. ^{[ 63 ]} Mientras tanto, en Estados Unidos, el Departamento de Energía , en colaboración con las entidades comerciales TerraPower y X-energy , planea construir dos reactores nucleares avanzados diferentes para 2027, con planes adicionales para la implementación de la energía nuclear en sus objetivos a largo plazo de energía verde y seguridad energética. ^{[ 64 ]}

Durante la década de 2020, el interés de la industria nuclear en los reactores modulares pequeños (SMR) creció enormemente, ante la expectativa de que estos reactores más pequeños permitirían un despliegue más rápido con menores costos de financiación durante la construcción, y un menor costo gracias a la fabricación en serie de los componentes principales más pequeños, compensando con creces las economías de escala de los grandes reactores tradicionales. En 2026, Natixis Corporate and Investment Banking informó que el sector de los SMR aún estaba lejos de ser una realidad comercial y que estaba entrando en una fase donde la ambición de la ingeniería debía enfrentarse a la complejidad regulatoria, las realidades de la financiación y la ejecución industrial. ^{[ 65 ]}

El uranio es un elemento bastante común en la corteza terrestre: es aproximadamente tan común como el estaño o el germanio , y unas 40 veces más común que la plata . ^{[ 71 ]} El uranio está presente en concentraciones traza en la mayoría de las rocas, la tierra y el agua de mar, pero generalmente solo se extrae económicamente donde está presente en concentraciones relativamente altas. En 2011, los recursos mundiales conocidos de uranio, económicamente recuperables al precio máximo arbitrario de 130 USD/kg, eran suficientes para abastecer los reactores actuales durante entre 70 y 100 años. ^{[ 72 ]}

Los reactores de agua ligera (que representan casi todos los reactores operativos) hacen un uso relativamente ineficiente del combustible nuclear, utilizando principalmente solo el isótopo uranio-235, muy raro. ^{[ 73 ]} El suministro limitado de uranio-235 puede inhibir una expansión sustancial con la tecnología nuclear actual. ^{[ 74 ]} El reprocesamiento nuclear puede hacer que este residuo sea reutilizable, y los reactores más nuevos también logran un uso más eficiente de los recursos disponibles que los más antiguos. ^{[ 73 ]} Las tecnologías de reactores nucleares más avanzadas, como los reactores rápidos , pueden utilizar mucho más uranio natural, utilizar los residuos nucleares actuales como combustible, así como crear nuevo combustible a partir de material no fisionable (véase reactor reproductor ). Con un ciclo de combustible de reactor rápido puro con una quema de todo el uranio y los actínidos (que actualmente constituyen las sustancias más peligrosas en los residuos nucleares), hay un valor estimado de 160 000 años de uranio en recursos convencionales totales y mineral de fosfato a un precio de 60–100 US$/kg. ^{[ 75 ]} Estos ciclos avanzados de combustible y reprocesamiento nuclear no se utilizan ampliamente en la actualidad porque el precio del uranio es muy bajo en comparación con el costo de las centrales nucleares, por lo que es más viable económicamente extraer uranio nuevo que reprocesarlo. El reprocesamiento nuclear también conlleva un mayor riesgo de proliferación nuclear, ya que separa material que puede utilizarse para fabricar armas nucleares. ^{[ 76 ] [ 77 ] [ 78 ]}

También existen recursos de uranio no convencionales. El uranio está presente de forma natural en el agua de mar a una concentración de aproximadamente 3 microgramos por litro, ^{[ 79 ]} y se estima que hay 4400  millones de toneladas de uranio presentes en el agua de mar en cualquier momento. ^{[ 80 ]} En 2014 se sugirió que sería económicamente competitivo producir combustible nuclear a partir de agua de mar si el proceso se implementara a gran escala. ^{[ 81 ]} En escalas de tiempo geológicas, el uranio extraído a escala industrial del agua de mar se repondría tanto por la erosión fluvial de las rocas como por el proceso natural de disolución del uranio de la superficie del fondo oceánico, los cuales mantienen los equilibrios de solubilidad de la concentración de agua de mar a un nivel estable. ^{[ 80 ]} Algunos comentaristas han argumentado que esto refuerza la idea de que la energía nuclear debe considerarse una energía renovable . ^{[ 82 ]}

El funcionamiento normal de las centrales y las instalaciones nucleares produce residuos radiactivos , o residuos nucleares. Este tipo de residuos también se produce durante el desmantelamiento de las centrales. Existen dos grandes categorías de residuos nucleares: residuos de baja actividad y residuos de alta actividad. ^{[ 84 ]} La primera tiene baja radiactividad e incluye artículos contaminados como ropa, que representan una amenaza limitada. Los residuos de alta actividad son principalmente el combustible gastado de los reactores nucleares, que es muy radiactivo y debe enfriarse y luego eliminarse o reprocesarse de forma segura. ^{[ 84 ]}

Residuos de alta actividad

El principal flujo de residuos de los reactores nucleares es el combustible nuclear gastado , considerado residuo de alta actividad (HLW). En los reactores de agua ligera (LWR), el combustible gastado suele estar compuesto por un 95 % de uranio, un 4 % de productos de fisión y aproximadamente un 1 % de actínidos transuránicos (principalmente plutonio , neptunio y americio ). ^{[ 86 ]} Los productos de fisión son responsables de la mayor parte de la radiactividad a corto plazo, mientras que el plutonio y otros transuránicos son responsables de la mayor parte de la radiactividad a largo plazo. ^{[ 87 ]}

Los residuos de alta actividad deben almacenarse aislados de la biosfera con un blindaje suficiente para limitar la exposición a la radiación. Después de ser retirados de los reactores, los haces de combustible gastado se almacenan durante seis a diez años en piscinas de combustible gastado , que proporcionan refrigeración y blindaje contra la radiación. Después de eso, el combustible está lo suficientemente frío como para poder transferirse de forma segura al almacenamiento en contenedores secos . ^{[ 88 ]} La radiactividad disminuye exponencialmente con el tiempo, de modo que habrá disminuido en un 99,5 % después de 100 años. ^{[ 89 ]} Los productos de fisión de vida corta (SLFP) más intensamente radiactivos se desintegran en elementos estables en aproximadamente 300 años, y después de unos 100 000 años, el combustible gastado se vuelve menos radiactivo que el mineral de uranio natural. ^{[ 83 ] [ 90 ]}

Los métodos comúnmente sugeridos para aislar los desechos de productos de fisión de larga vida (LLFP) de la biosfera incluyen la separación y transmutación , ^{[ 83 ]} tratamientos synroc o almacenamiento geológico profundo. ^{[ 91 ] [ 92 ] [ 93 ] [ 94 ]}

Los reactores de neutrones térmicos , que actualmente constituyen la mayoría de la flota mundial, no pueden consumir el plutonio de grado reactor que se genera durante su funcionamiento. Esto limita la vida útil del combustible nuclear a unos pocos años. En algunos países, como Estados Unidos, el combustible gastado se clasifica en su totalidad como residuo nuclear. ^{[ 95 ]} En otros países, como Francia, se reprocesa en gran medida para producir un combustible parcialmente reciclado, conocido como combustible de óxido mixto o MOX . Para el combustible gastado que no se somete a reprocesamiento, los isótopos más preocupantes son los elementos transuránicos de vida media , encabezados por el plutonio de grado reactor (con una vida media de 24 000 años). ^{[ 96 ]} Algunos diseños de reactores propuestos, como el reactor rápido integral y los reactores de sales fundidas , pueden utilizar como combustible el plutonio y otros actínidos del combustible gastado de los reactores de agua ligera, gracias a su rápido espectro de fisión. Esto ofrece una alternativa potencialmente más atractiva al almacenamiento geológico profundo. ^{[ 97 ] [ 98 ] [ 99 ]}

El ciclo del combustible de torio produce productos de fisión similares, aunque genera una proporción mucho menor de elementos transuránicos a partir de eventos de captura de neutrones dentro de un reactor. El combustible de torio gastado, si bien es más difícil de manipular que el combustible de uranio gastado, puede presentar riesgos de proliferación algo menores. ^{[ 100 ]}

Eliminación de residuos

Tras el almacenamiento provisional en una piscina de combustible gastado , los haces de conjuntos de barras de combustible usadas de una central nuclear típica suelen almacenarse en la propia central en contenedores de almacenamiento en seco . ^{[ 110 ]}

La eliminación de residuos nucleares se considera a menudo el aspecto más divisivo políticamente en el ciclo de vida de una instalación de energía nuclear. ^{[ 111 ]} La falta de movimiento de residuos nucleares en los reactores de fisión nuclear natural  de 2 mil millones de años de antigüedad en Oklo , Gabón, se cita como "una fuente de información esencial en la actualidad". ^{[ 112 ] [ 113 ]} Los expertos sugieren que los depósitos subterráneos centralizados que estén bien gestionados, protegidos y monitoreados, serían una gran mejora. ^{[ 111 ]} Existe un "consenso internacional sobre la conveniencia de almacenar residuos nucleares en depósitos geológicos profundos ". ^{[ 114 ]} Con la llegada de nuevas tecnologías, se han propuesto otros métodos, incluido el almacenamiento mediante perforación horizontal en áreas geológicamente inactivas. ^{[ 115 ] [ 116 ]}

No existen depósitos subterráneos de residuos de alta actividad construidos específicamente para este fin y a escala comercial en funcionamiento. ^{[ 114 ] [ 117 ] [ 118 ]} Sin embargo, en Finlandia, el depósito de combustible nuclear gastado de Onkalo de la central nuclear de Olkiluoto estaba en construcción en 2015. ^{[ 119 ]}

La mayoría de los reactores de neutrones térmicos funcionan con un ciclo de combustible nuclear de un solo paso , principalmente debido al bajo precio del uranio nuevo. Sin embargo, muchos reactores también se alimentan con materiales fisionables reciclados que permanecen en el combustible nuclear gastado. El material fisionable más común que se recicla es el plutonio de grado reactor (RGPu) que se extrae del combustible gastado. Se mezcla con óxido de uranio y se fabrica en combustible de óxido mixto o MOX . Dado que los reactores de agua ligera térmica (LWR) siguen siendo los reactores más comunes en todo el mundo, este tipo de reciclaje es el más frecuente. Se considera que aumenta la sostenibilidad del ciclo del combustible nuclear, reduce el atractivo del combustible gastado para el robo y disminuye el volumen de residuos nucleares de alta actividad. ^{[ 120 ]} El combustible MOX gastado generalmente no se puede reciclar para su uso en reactores de neutrones térmicos. Este problema no afecta a los reactores de neutrones rápidos , que por lo tanto se prefieren para alcanzar todo el potencial energético del uranio original. ^{[ 121 ] [ 122 ]}

El componente principal del combustible gastado de los reactores de agua ligera (LWR) es el uranio ligeramente enriquecido . Este puede reciclarse en uranio reprocesado (RepU), que puede utilizarse en un reactor rápido, directamente como combustible en reactores CANDU o re-enriquecerse para otro ciclo en un LWR. El re-enriquecimiento de uranio reprocesado es común en Francia y Rusia. ^{[ 123 ]} El uranio reprocesado también es más seguro en términos de potencial de proliferación nuclear. ^{[ 124 ] [ 125 ] [ 126 ]}

El reprocesamiento tiene el potencial de recuperar hasta el 95 % del combustible de uranio y plutonio en el combustible nuclear gastado, así como reducir la radiactividad a largo plazo en los residuos restantes. Sin embargo, el reprocesamiento ha sido políticamente controvertido debido al potencial de proliferación nuclear y a las diversas percepciones sobre el aumento de la vulnerabilidad al terrorismo nuclear . ^{[ 121 ] [ 127 ]} El reprocesamiento también conlleva un mayor costo del combustible en comparación con el ciclo de combustible de un solo paso. ^{[ 121 ] [ 127 ]} Si bien el reprocesamiento puede reducir el volumen de residuos de alta actividad en un 80 %, no reduce los productos de fisión que son las principales causas de la generación de calor residual y radiactividad durante el primer siglo fuera del reactor. Por lo tanto, los residuos reprocesados ​​aún requieren un tratamiento casi idéntico al del combustible nuclear gastado, al menos durante los primeros cien años, después de los cuales la radiactividad de los residuos reprocesados ​​puede disminuir más rápidamente. ^{[ 123 ]}

El reprocesamiento de combustible civil procedente de reactores nucleares se lleva a cabo actualmente en Francia, el Reino Unido, Rusia, Japón e India. En Estados Unidos, el combustible nuclear gastado no se reprocesa actualmente. ^{[ 123 ]} La planta de reprocesamiento de La Hague, en Francia, opera comercialmente desde 1976 y, a fecha de 2010, era responsable de la mitad del reprocesamiento mundial. ^{[ 128 ]} Produce combustible MOX a partir de combustible gastado procedente de varios países. A fecha de 2015, se habían reprocesado más de 32 000 toneladas de combustible gastado, la mayoría procedentes de Francia, el 17 % de Alemania y el 9 % de Japón. ^{[ 129 ]}

La reproducción es el proceso de convertir material no fisionable en material fisionable que puede utilizarse como combustible nuclear. El material no fisionable que puede utilizarse para este proceso se denomina material fértil y constituye la gran mayoría de los residuos nucleares actuales. Este proceso de reproducción se produce de forma natural en los reactores reproductores . A diferencia de los reactores térmicos de neutrones de agua ligera, que utilizan uranio-235 (0,7 % de todo el uranio natural), los reactores reproductores de neutrones rápidos utilizan uranio-238 (99,3 % de todo el uranio natural) o torio. Se consideran fuentes de energía sostenibles o renovables varios ciclos de combustible y combinaciones de reactores reproductores. ^{[ 130 ] [ 131 ]} En 2006 se estimó que, con la extracción de agua de mar, probablemente existían recursos de uranio para cinco mil millones de años que podrían utilizarse en reactores reproductores. ^{[ 132 ]}

La tecnología de reproductores se ha utilizado en varios reactores, pero a partir de 2006, el alto costo del reprocesamiento seguro del combustible requiere precios del uranio de más de US$200/kg antes de que se justifique económicamente. ^{[ 133 ]} Sin embargo, se están desarrollando reactores reproductores por su potencial para quemar todos los actínidos (los componentes más activos y peligrosos) en el inventario actual de desechos nucleares, al tiempo que producen energía y crean cantidades adicionales de combustible para más reactores a través del proceso de reproducción. ^{[ 134 ] [ 135 ]} A partir de 2017, hay dos reproductores que producen energía comercial, el reactor BN-600 y el reactor BN-800 , ambos en Rusia. ^{[ 136 ]} El reactor reproductor Phénix en Francia se apagó en 2009 después de 36 años de operación. ^{[ 136 ]} Tanto China como India están construyendo reactores reproductores. El reactor reproductor rápido prototipo indio de 500 MWe se encuentra en la fase de puesta en marcha, ^{[ 137 ]} con planes para construir más. ^{[ 138 ]}

Otra alternativa a los reactores reproductores de neutrones rápidos son los reactores reproductores de neutrones térmicos que utilizan uranio-233 producido a partir de torio como combustible de fisión en el ciclo del combustible de torio . ^{[ 139 ]} El torio es aproximadamente 3,5 veces más común que el uranio en la corteza terrestre y tiene características geográficas diferentes. ^{[ 139 ]} El programa de energía nuclear de tres etapas de la India incluye el uso de un ciclo de combustible de torio en la tercera etapa, ya que tiene abundantes reservas de torio pero poco uranio. ^{[ 139 ]}

Se han producido algunos accidentes nucleares y de radiación graves . La gravedad de los accidentes nucleares se clasifica generalmente mediante la Escala Internacional de Sucesos Nucleares (INES, por sus siglas en inglés), introducida por el Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA). Esta escala clasifica los sucesos anómalos o accidentes en una escala del 0 (una desviación del funcionamiento normal que no supone ningún riesgo para la seguridad) al 7 (un accidente grave con efectos generalizados). En la industria nuclear civil se han producido tres accidentes de nivel 5 o superior, dos de los cuales, el accidente de Chernóbil y el de Fukushima , se clasifican en el nivel 7.

Los primeros accidentes nucleares importantes fueron el desastre de Kyshtym en la Unión Soviética y el incendio de Windscale en el Reino Unido, ambos en 1957. El primer accidente importante en un reactor nuclear en los EE. UU. ocurrió en 1961 en el SL-1 , un reactor de energía nuclear experimental del Ejército de los EE. UU. en el Laboratorio Nacional de Idaho . Una reacción en cadena incontrolada resultó en una explosión de vapor que mató a los tres miembros de la tripulación y causó una fusión . ^{[ 192 ] [ 193 ]} Otro accidente grave ocurrió en 1968, cuando uno de los dos reactores refrigerados por metal líquido a bordo del submarino soviético K-27  sufrió una falla en el elemento combustible , con la emisión de productos de fisión gaseosos al aire circundante, lo que resultó en 9 muertes de la tripulación y 83 heridos. ^{[ 194 ]}

El accidente nuclear de Fukushima Daiichi fue causado por el terremoto y tsunami de Tohoku de 2011. El accidente no causó muertes relacionadas con la radiación, pero sí provocó contaminación radiactiva en las zonas circundantes. Se estima que la difícil operación de limpieza costará decenas de miles de millones de dólares durante 40 años o más. ^{[ 195 ] [ 196 ]} El accidente de Three Mile Island en 1979 fue un accidente de menor escala, clasificado en el nivel 5 de INES. No hubo muertes directas ni indirectas causadas por el accidente. ^{[ 197 ]}

El impacto de los accidentes nucleares es controvertido. Según Benjamin K. Sovacool , los accidentes de energía de fisión ocuparon el primer lugar entre las fuentes de energía en términos de su costo económico total, representando el 41% de todos los daños a la propiedad atribuidos a accidentes energéticos. ^{[ 198 ]} Otro análisis encontró que los accidentes de carbón, petróleo, gas licuado de petróleo e hidroeléctricos (principalmente debido al desastre de la presa de Banqiao ) han resultado en mayores impactos económicos que los accidentes de energía nuclear. ^{[ 199 ]} El estudio compara las muertes por cáncer latente atribuibles a la energía nuclear con las muertes inmediatas de otras fuentes de energía por unidad de energía generada, y no incluye el cáncer relacionado con combustibles fósiles y otras muertes indirectas creadas por el uso del consumo de combustibles fósiles en su clasificación de "accidente grave" (un accidente con más de cinco muertes). El accidente de Chernóbil en 1986 causó aproximadamente 50 muertes por efectos directos e indirectos, y algunas lesiones graves temporales por síndrome de radiación aguda . ^{[ 200 ]} La mortalidad futura prevista por aumentos en las tasas de cáncer se estima en 4000 en las próximas décadas. ^{[ 201 ] [ 202 ] [ 203 ]}

La energía nuclear opera bajo un marco de seguros que limita o estructura las responsabilidades por accidentes de acuerdo con convenios nacionales e internacionales. ^{[ 204 ]} A menudo se argumenta que este posible déficit en la responsabilidad representa un costo externo no incluido en el costo de la electricidad nuclear. Este costo es pequeño, ascendiendo a aproximadamente el 0,1 % del costo nivelado de la electricidad , según un estudio de la Oficina de Presupuesto del Congreso de los Estados Unidos. ^{[ 205 ]} Estos costos de seguro adicionales para los peores escenarios no son exclusivos de la energía nuclear. Las centrales hidroeléctricas tampoco están totalmente aseguradas contra un evento catastrófico como fallas en las presas . Por ejemplo, la falla de la presa de Banqiao causó la muerte de entre 30 000 y 200 000 personas, y 11  millones de personas perdieron sus hogares. Dado que las aseguradoras privadas basan las primas de los seguros de presas en escenarios limitados, el seguro contra grandes desastres en este sector también es proporcionado por el Estado. ^{[ 206 ]}

Los terroristas podrían atacar centrales nucleares en un intento de liberar contaminación radiactiva en la comunidad. La Comisión del 11-S de Estados Unidos ha declarado que las centrales nucleares fueron objetivos potenciales considerados inicialmente para los ataques del 11 de septiembre de 2001. Un ataque a la piscina de combustible gastado de un reactor también podría ser grave, ya que estas piscinas están menos protegidas que el núcleo del reactor. La liberación de radiactividad podría provocar miles de muertes a corto plazo y un número aún mayor de víctimas mortales a largo plazo. ^{[ 207 ]}

En Estados Unidos, la Comisión Reguladora Nuclear lleva a cabo ejercicios de "fuerza contra fuerza" (FOF, por sus siglas en inglés) en todas las centrales nucleares al menos una vez cada tres años. ^{[ 207 ]} En Estados Unidos, las centrales están rodeadas por una doble hilera de vallas altas que se monitorean electrónicamente. Los terrenos de la central son patrullados por un considerable contingente de guardias armados. ^{[ 208 ]}

El sabotaje interno también es una amenaza porque los empleados internos pueden observar y eludir las medidas de seguridad. ^{[ 209 ]} En 1971, un incendio provocado intencionalmente por un trabajador de mantenimiento causó  daños por valor de entre 5 y 10 millones de dólares en el Indian Point Energy Center de Nueva York . ^{[ 210 ] [ 211 ]}

La energía nuclear es uno de los principales métodos de generación de energía con bajas emisiones de carbono para producir electricidad y, en términos de emisiones totales de gases de efecto invernadero del ciclo de vida por unidad de energía generada , tiene valores de emisión comparables o inferiores a los de la energía renovable . ^{[ 230 ] [ 231 ]} Un análisis de 2014 de la literatura sobre la huella de carbono realizado por el Panel Intergubernamental sobre el Cambio Climático (IPCC) informó que la intensidad de emisión total incorporada del ciclo de vida de la energía nuclear tiene un valor medio de 12 g CO ₂ eq / kWh , que es el más bajo entre todas las fuentes de energía de carga base comerciales . ^{[ 229 ] [ 232 ]} Esto se contrasta con el carbón y el gas natural, que tienen 820 y 490 g CO ₂ eq/kWh. ^{[ 229 ] [ 232 ]} A partir de 2021, los reactores nucleares en todo el mundo han ayudado a evitar la emisión de 72 mil millones de toneladas de dióxido de carbono desde 1970, en comparación con la generación de electricidad a partir de carbón, según un informe. ^{[ 185 ] [ 233 ]}   

La dosis promedio de radiación de fondo natural es de 2,4 milisievert por año (mSv/a) a nivel mundial. Varía entre 1  mSv/a y 13  mSv/a, dependiendo principalmente de la geología del lugar. Según las Naciones Unidas ( UNSCEAR ), el funcionamiento regular de las centrales nucleares, incluido el ciclo del combustible nuclear, aumenta esta cantidad en 0,0002  mSv/a de exposición pública como promedio mundial. La dosis promedio de las centrales nucleares en funcionamiento para las poblaciones locales a su alrededor es inferior a 0,0001  mSv/a. ^{[ 203 ]} En comparación, la dosis promedio para quienes viven a menos de 80 km (50 millas) de una central eléctrica de carbón es más del triple de esta dosis, alcanzando los 0,0003 mSv/a. ^{[ 234 ]}  

Chernóbil provocó que las poblaciones circundantes más afectadas y el personal masculino de rescate recibieran una dosis inicial promedio de 50 a 100  mSv durante unas pocas horas o semanas, mientras que el legado global restante del peor accidente de una central nuclear en términos de exposición promedio es de 0,002  mSv/año y está disminuyendo continuamente a un ritmo decreciente, desde el máximo inicial de 0,04  mSv por persona promediado en toda la población del hemisferio norte en el año del accidente en 1986. ^{[ 203 ]}

Para frenar el calentamiento global se requiere una transición a una economía baja en carbono , principalmente mediante la quema de muchos menos combustibles fósiles . Esto ha generado un considerable interés y controversia en la determinación del mejor camino para reemplazar rápidamente los combustibles fósiles en la matriz energética mundial , ^{[ 268 ] [ 269 ]} con un intenso debate académico. ^{[ 270 ] [ 271 ]} A veces, la AIE afirma que los países sin energía nuclear deberían desarrollarla, además de sus energías renovables. ^{[ 272 ]}

La energía nuclear es comparable, y en algunos casos inferior, a muchas fuentes de energía renovables en términos de vidas perdidas por unidad de electricidad suministrada. ^{[ 183 ] [ 181 ] [ 274 ]}

Los reactores nucleares producen un volumen de residuos mucho menor en comparación con las fuentes de energía renovables, aunque los residuos nucleares son mucho más tóxicos, costosos de gestionar y tienen una vida útil más larga que los residuos de las tecnologías renovables. ^{[ 275 ] [ 224 ]} Los residuos nucleares pueden ser peligrosos si se filtran al medio ambiente y deben almacenarse de forma segura durante miles o incluso cientos de miles de años. ^{[ 276 ] [ 277 ] [ 278 ]}

Las centrales nucleares también son mucho más complejas de desmantelar en comparación con las centrales de energía renovable. Una central nuclear necesita ser desmontada y retirada, y gran parte de la central desmantelada debe almacenarse como residuo nuclear de baja actividad durante algunas décadas. ^{[ 279 ]}

La energía nuclear también puede plantear el riesgo de proliferación nuclear . El plutonio separado y el uranio enriquecido podrían utilizarse para fabricar armas nucleares , lo que supone un riesgo global sustancial para la civilización humana y el medio ambiente. ^{[ 223 ] [ 224 ] [ 225 ] [ 226 ]}

Los reactores de fisión actualmente en funcionamiento en todo el mundo son sistemas de segunda o tercera generación , y la mayoría de los sistemas de primera generación ya han sido retirados. La investigación sobre tipos avanzados de reactores de cuarta generación (GIF) fue iniciada oficialmente por el Foro Internacional de la Generación IV (GIF) basándose en ocho objetivos tecnológicos, entre ellos mejorar la economía, la seguridad, la resistencia a la proliferación, el uso de recursos naturales y la capacidad de consumir los residuos nucleares existentes en la producción de electricidad. La mayoría de estos reactores difieren significativamente de los reactores de agua ligera actualmente en funcionamiento y se espera que estén disponibles para la construcción comercial después de 2030. ^{[ 287 ]}

La energía nuclear híbrida es un método propuesto para generar energía mediante la combinación de procesos de fusión y fisión nuclear. El concepto data de la década de 1950 y fue brevemente defendido por Hans Bethe durante la década de 1970, pero permaneció prácticamente inexplorado hasta que resurgió el interés en 2009, debido a los retrasos en la consecución de la fusión pura. Cuando se construya una central de fusión nuclear sostenida, tendrá el potencial de extraer toda la energía de fisión restante en el combustible nuclear gastado, reduciendo el volumen de residuos nucleares en órdenes de magnitud y, lo que es más importante, eliminando todos los actínidos presentes en el combustible gastado, sustancias que generan problemas de seguridad. ^{[ 288 ]}

Las reacciones de fusión nuclear tienen el potencial de ser más seguras y generar menos residuos radiactivos que la fisión. ^{[ 290 ] [ 291 ]} Estas reacciones parecen potencialmente viables, aunque técnicamente bastante difíciles y aún no se han creado a una escala que pueda utilizarse en una central eléctrica funcional. La energía de fusión ha sido objeto de investigación teórica y experimental desde la década de 1950. La investigación sobre fusión nuclear está en marcha, pero es poco probable que la energía de fusión se generalice comercialmente antes de 2050. ^{[ 292 ] [ 293 ]}

Existen varios reactores e instalaciones experimentales de fusión nuclear. El proyecto internacional de fusión nuclear más grande y ambicioso actualmente en marcha es ITER , un gran tokamak en construcción en Francia. Se planea que ITER allane el camino para la energía de fusión comercial al demostrar reacciones de fusión nuclear autosostenidas con ganancia de energía positiva. La construcción de la instalación ITER comenzó en 2007, pero el proyecto ha sufrido muchos retrasos y sobrecostos. Ahora no se espera que la instalación comience a operar hasta el año 2034. ^{[ 294 ]} Se ha propuesto una estación de energía de fusión nuclear comercial posterior, DEMO . ^{[ 295 ] [ 296 ]} También hay sugerencias para una central eléctrica basada en un enfoque de fusión diferente, el de una central de energía de fusión inercial .

Inicialmente se creyó que la generación de electricidad mediante fusión nuclear sería fácilmente alcanzable, al igual que la energía eléctrica por fisión. Sin embargo, los requisitos extremos para reacciones continuas y contención del plasma llevaron a que las proyecciones se extendieran varias décadas. En 2020, más de 80 años después de los primeros intentos , se consideraba improbable la comercialización de la producción de energía por fusión antes de 2050. ^{[ 295 ] [ 292 ] [ 297 ] [ 293 ] [ 298 ]}

Para mejorar y acelerar el desarrollo de la energía de fusión, el Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE) otorgó 46  millones de dólares a ocho empresas, entre ellas Commonwealth Fusion Systems y Tokamak Energy Inc., en 2023. Esta ambiciosa iniciativa tiene como objetivo introducir la fusión a escala piloto en el plazo de una década. ^{[ 299 ]}