Cuando hablamos de energía nuclear, uno de los términos que suele aparecer es agua pesada. Aunque su nombre suena exótico, se trata simplemente de una variante del agua común, con una diferencia fundamental en su composición atómica que la hace clave en ciertas aplicaciones científicas e industriales.
¿Qué es el agua pesada?
El agua pesada, conocida en inglés como heavy water y cuya fórmula química es D₂O, es similar al agua que usamos a diario (H₂O), pero con una diferencia: en lugar de contener átomos de hidrógeno "ligero" (protones), contiene deuterio, un isótopo del hidrógeno que tiene un neutrón adicional en su núcleo.
Este cambio pequeño, pero significativo, hace que el agua pesada sea aproximadamente un 10% más densa que el agua común y que tenga propiedades físicas ligeramente distintas. Aunque visualmente es indistinguible, su comportamiento en ciertas reacciones nucleares la convierte en una herramienta esencial en el ámbito de la energía nuclear.
Usos del agua pesada
Gracias a sus propiedades únicas, el agua pesada tiene diversas aplicaciones, especialmente en el campo de la energía nuclear y la investigación científica.
1. Moderador de neutrones en reactores nucleares
Su uso más conocido es como moderador de neutrones en algunos tipos de reactores nucleares, especialmente en los reactores tipo CANDU (Canada Deuterium Uranium). En una reacción de fisión, los neutrones liberados tienen mucha energía (son "rápidos"), y para que puedan provocar nuevas fisiones con mayor eficacia, deben ser ralentizados.
El agua pesada ralentiza estos neutrones sin absorberlos significativamente —algo que el agua común sí hace en mayor medida—. Esto permite que los reactores CANDU funcionen con uranio natural, sin necesidad de enriquecimiento, lo que supone una ventaja estratégica y económica.
Además de su papel como moderador, el agua pesada también puede funcionar como refrigerante, extrayendo el calor generado en el reactor y permitiendo su conversión en electricidad mediante turbinas de vapor.
2. Producción de tritio
En algunos reactores, el agua pesada puede servir como base para la producción de tritio (³H), un isótopo radiactivo del hidrógeno con aplicaciones en armamento, investigación científica y ciertos dispositivos de iluminación. Este proceso no es trivial e implica reacciones nucleares específicas dentro del reactor, no simplemente la radiación del agua.
3. Investigación científica y medicina
En el ámbito de la ciencia, el agua pesada se utiliza como trazador isotópico en estudios biológicos y químicos. Al seguir el recorrido del deuterio en los procesos celulares o reacciones químicas, los científicos pueden obtener información valiosa sin alterar significativamente el sistema que estudian.
También se emplea como disolvente en técnicas como la resonancia magnética nuclear (RMN), donde su presencia evita interferencias en la detección del hidrógeno normal.
¿Cómo se produce el agua pesada?
El deuterio, aunque natural, es muy escaso: solo representa alrededor del 0,015% del hidrógeno que encontramos en el agua. Por eso, la obtención de agua pesada requiere procesos de separación isotópica altamente especializados. Los métodos principales son:
Destilación fraccionada
Aprovecha la diferencia en el punto de ebullición entre H₂O y D₂O. Mediante múltiples ciclos de destilación, es posible concentrar progresivamente el deuterio.
Intercambio químico isotópico
En este método, se favorecen reacciones químicas que intercambian deuterio entre diferentes compuestos. El proceso Girdler sulfide, que usa sulfuro de hidrógeno, ha sido ampliamente utilizado a nivel industrial.
Electrólisis
Al aplicar corriente eléctrica al agua, el hidrógeno ligero se libera con más facilidad que el deuterio. Tras sucesivas etapas, se obtiene una solución enriquecida en D₂O.
Ventajas y desventajas en reactores nucleares
Ventajas:
- Uso de uranio natural: No se necesita enriquecer el combustible, lo que simplifica el ciclo del uranio.
- Alta eficiencia de moderación: Permite una mayor tasa de fisión con menor absorción de neutrones.
- Flexibilidad de combustibles: Puede utilizar no solo uranio, sino también torio u otras variantes.
- Menor producción de residuos: La mejor eficiencia puede traducirse en menos residuos radiactivos por unidad de energía generada.
Desventajas:
- Alto coste: El agua pesada es cara de producir y mantener debido a la complejidad del proceso y los requisitos de pureza.
- Riesgo de proliferación: Puede facilitar la producción de plutonio si no se controla adecuadamente.
- Manejo delicado: Aunque no es radiactiva en sí misma, puede activarse al estar en contacto con la radiación en el reactor, por lo que requiere un manejo cuidadoso.