Agua pesada: un insumo estratégico para el futuro argentino

Parece exactamente igual a la común: no tiene color, olor ni sabor. Pero el precio de un litro de agua pesada puede valer 700 dólares o más. El motivo es que se trata de un insumo producido por muy pocos países, cuya fabricación requiere mucha energía y que es imprescindible para el funcionamiento de los reactores nucleares que utilizan uranio natural como combustible.

La Argentina tiene tres centrales nucleares: Atucha I, con una potencia de 362 megavatios; Atucha II, de 745 MW, y Embalse, de 656 MW. Las tres usan uranio natural como material de fisión y, por lo tanto, necesitan agua pesada para funcionar. Para asegurarse el abastecimiento y no depender de otros países, en los años ’70 la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA) desarrolló un plan para producir este insumo estratégico.

Como parte de este plan se levantó la Planta de Industrial de Agua Pesada (PIAP) en Arroyito, provincia de Neuquén. La inauguraron en 1993. A tres décadas de ese hito, la CNEA ahora trabaja para reabrir esta planta, que quedó paralizada en 2017. La idea es que vuelva a producir en 2025. El objetivo es recuperar la independencia y volver a dominar el ciclo de combustibles para la operación de las centrales nucleares del país.

Qué es el agua pesada y por qué es esencial para los reactores nucleares de uranio natural

El agua pesada no es tóxica ni radiactiva, pero es un 10% más densa: un litro pesa 1.105 gramos, contra los 1.000 gramos de igual volumen de agua común. Es que las moléculas del agua pesada se componen de dos átomos de deuterio y uno de oxígeno, mientras que las del agua natural tienen dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. Otra diferencia es que esta última se congela a 0° C y hierve a 100°, y la pesada a 3,8° y 101,4%, respectivamente.

Primera muestra de agua pesada grado reactor producida en la Planta Industrial de Agua Pesada

El deuterio es un isótopo del hidrógeno, pero es más pesado. Los isótopos son átomos con el mismo número de protones que los átomos normales, pero diferente número de neutrones. Por eso, aunque su comportamiento químico es similar, su comportamiento físico es diferente. Tanto el hidrógeno como el deuterio tienen un solo protón en su núcleo. Pero el átomo de deuterio además tiene un neutrón, que es el que determina las propiedades del agua pesada.

En los reactores nucleares alimentados con uranio natural, el agua pesada se usa como moderadora. Durante una reacción nuclear en cadena, se desprenden neutrones de los núcleos que se desplazan a gran velocidad y chocan con los núcleos de otros átomos, provocando su fragmentación o fisión y la liberación de energía en forma de calor y más neutrones con elevada energía cinética. A su vez, estos últimos impactan y fisionan otros núcleos. El agua pesada reduce la velocidad y la energía de esos neutrones sin absorberlos. La común no sirve, porque es 40 veces más absorbente que la pesada y no permitiría mantener la reacción en cadena. En cambio, sí es apta cuando el combustible es uranio enriquecido.

El agua pesada también se usa como refrigerante y como transmisora del calor generado en la fisión. Porque para que el reactor funcione bien, hace falta un fluido que transfiera ese calor y evite que se llegue a temperaturas excesivamente elevadas. Además, el fluido sirve para recuperar ese calor con el fin de generar energía. Según el tipo de central nuclear, hace falta un inventario inicial de entre 0,8 y 1 tonelada de agua pesada por megavatio eléctrico de potencia instalada. Durante su funcionamiento, el reactor consume un 1% de esa agua por año.

El agua natural contiene un solo átomo de deuterio por cada 7.000 átomos de hidrógeno. Para fabricar un litro de agua pesada, hay que tratar 10.000 litros de agua común en grandes y costosas instalaciones, además de la requerida para refrigeración y consumo. Para que sirva para una central nuclear de uranio natural, el agua pesada debe tener un nivel de pureza superior al 99,8% o “grado reactor”.

La creación de la Planta Industrial de Agua Pesada (PIAP) y el plan para reactivarla

Así como en enero de 1958 la CNEA inauguró el primer reactor experimental de América Latina, construido con tecnología y especialistas propios, en los años 70 también se propuso tender hacia la independencia tecnológica en materia de reactores de potencia.

“La Argentina siempre deseó tener una tecnología nuclear independiente, lo que entre las décadas del 70 y del 80 significaba producir energía eléctrica de origen nuclear con centrales instaladas en el país que no dependieran de insumos de otros países. Esto involucraba los combustibles nucleares y todo lo necesario para que funcionara el reactor”, explican desde el área de Control de la Tecnología y la Infraestructura, una división de la gerencia de Producción de Materias Primas de la CNEA.

Había que elegir entre dos tecnologías disponibles para los reactores destinados a la generación eléctrica: la de uranio enriquecido y agua común o la de uranio natural y agua pesada. Nuestro país no tenía la tecnología para enriquecer uranio, pero se evaluó que sí era factible desarrollar la necesaria para fabricar agua pesada o comprar una planta. Por eso se optó por la segunda alternativa.

En 1974, se conectó al Sistema Eléctrico Nacional la Central Nuclear Atucha I, el primer reactor de potencia de América Latina. En aquel momento, el agua pesada fue comprada como parte integral del reactor.
En ese mismo año, un hecho internacional generó dificultades para conseguir insumos relacionados con la energía atómica. La India accedió a tecnología nuclear a través de Canadá y utilizó parte de ella para desarrollar una bomba que hizo explotar para mostrar su poderío a Pakistán y otros países vecinos. Esto le puso un freno al suministro de este tipo de tecnologías e insumos y complicó el plan argentino para adquirir una planta de agua pesada.

También en 1974, se empezó a construir la segunda central nuclear del país: la de Embalse, de tipo CANDU (Canadian Deuterium Uranium), que inició su operación comercial diez años después. Para su funcionamiento hubo que rentarle 600 toneladas de agua pesada a Canadá, que era el vendedor del reactor, las cuales fueron devueltas luego con producción nacional.

El plan nuclear argentino contemplaba originalmente la construcción de diez centrales antes de 2000, pero se hicieron solo dos y la tercera se completó recién en 2014. Todas iban a necesitar agua pesada y comprarla significaba depender de otros países. Pero después de lo ocurrido con India, tampoco era fácil que le vendieran a la Argentina una planta para fabricarla.

En este contexto, la CNEA armó su estrategia. Mientras buscaba comprar una planta llave en mano, a fines de los 70 planificó la construcción de una piloto de poca capacidad, con el fin de demostrar que la Argentina podía desarrollar esta tecnología. La Planta Experimental de Agua Pesada (PEAP) fue instalada en el predio de Atucha. Era un prototipo basado en el intercambio de agua con ácido sulfhídrico, con una capacidad de producción de 2 toneladas anuales. El objetivo era usar la experiencia para llevar adelante el proyecto de ingeniería de una planta de agua pesada de escala industrial llamada “Módulo 80”, porque produciría 80 toneladas al año, escalables luego a mayor producción. La PEAP no llegó a operar, pero su desarrollo abrió las puertas para que le vendieran una planta de agua pesada a la Argentina, porque el país pudo demostrar que dominaba esa tecnología.

Así nació la Planta Industrial de Agua Pesada (PIAP), ubicada en Arroyito, Neuquén, con una capacidad de producción de 200 toneladas anuales. A principios de los 80, la CNEA firmó un contrato con la empresa suiza Sulzer Brothers, ganadora de una licitación internacional para el diseño, construcción y montaje de la planta.

En 1989 se creó la Empresa Neuquina de Servicios de Ingeniería Sociedad del Estado (ENSI), conformada por la CNEA y el Gobierno de la Provincia de Neuquén, con el objetivo de finalizar la planta, ponerla en marcha y producir y comercializar agua pesada. La PIAP fue inaugurada en 1993 y era la más grande del mundo. En 2017 quedó paralizada, y desde entonces se importa agua pesada de Rumania.
En mayo, la CNEA y ENSI firmaron un acuerdo específico para el mantenimiento, acondicionamiento y una nueva puesta en marcha de la PIAP, con una inversión inicial de 20.000 millones de pesos. En la actualidad, se está acondicionando una de sus dos líneas de trabajo para que vuelva a funcionar en 2025, con una producción de 80 toneladas anuales.

Parte de esa producción será para cubrir la demanda de las tres centrales nucleares argentinas hasta el fin de su vida útil. La sobrante será exportada porque en los últimos años el agua pesada se ha convertido en un insumo muy demandado a nivel mundial. Además, contar con ella facilita que la Argentina pueda sumar una cuarta central nuclear de uranio natural.

Por otra parte, en el marco de un acuerdo firmado por la CNEA, la Provincia de Neuquén, ENSI e YTEC (YPF Tecnología) en 2022, en la segunda línea de producción de la PIAP se podrían fabricar amoníaco y urea para ser utilizados como fertilizante.

Cómo se fabrica el agua pesada

Las plantas de producción deben ubicarse en lugares con mucha disponibilidad de agua. La de Arroyito está 54 kilómetros al sur de la ciudad de Neuquén y bombea la del río Limay. Después de filtrarla y desmineralizarla, la transforma en agua pesada con el método de intercambio isotópico monotérmico amoníaco-hidrógeno, que consiste en la extracción del deuterio, su enriquecimiento y su oxidación.

El agua natural contiene 145 partes por millón de deuterio. Para su extracción, se lo captura con moléculas de vapor de amoníaco. El agua sobrante recibe varios procesos de tratamiento para cumplir con todos los cuidados medioambientales y es devuelta al río.

En la etapa de enriquecimiento, se reemplazan todos los átomos de hidrógeno del amoníaco por deuterio. Este amoníaco pesado ingresa a un horno de craqueo o cracking, donde se obtiene un gas de síntesis (una mezcla gaseosa de nitrógeno y deuterio o ND3). Parte de esta corriente gaseosa se deriva a la etapa final del proceso y el resto vuelve a la columna de enriquecimiento para intercambiar deuterio con el amoníaco a enriquecer. Mientras tanto, del tope de esta columna sale gas empobrecido en deuterio, que en el reactor de síntesis es reconvertido en amoníaco para volver al comienzo y reiniciar el ciclo de extracción.

Al mismo tiempo, una pequeña corriente de gas rica en deuterio se deriva para su procesamiento en la etapa de oxidación. El deuterio de ese gas es oxidado con aire seco en presencia de un catalizador para generar óxido de deuterio, es decir agua pesada. Finalmente, esta se envasa en tambores o tanques especiales de acero inoxidable, bajo atmósfera de nitrógeno.

Fuente: CNEA