Uso más inteligente de los residuos nucleares


Nota del editor: esta historia se publicó originalmente en el número de diciembre de 2005 de la revista. A pesar de la preocupación pública de larga data sobre la seguridad de la energía nuclear, cada vez más personas se están dando cuenta de que puede ser la forma más ecológica de generar grandes cantidades de electricidad. Varias

Nota del editor: esta historia se publicó originalmente en el número de diciembre de 2005 de la revista.

A pesar de la preocupación pública de larga data sobre la seguridad de la energía nuclear, cada vez más personas se están dando cuenta de que puede ser la forma más ecológica de generar grandes cantidades de electricidad. Varias naciones, incluyendo Brasil, China, Egipto, Finlandia, India, Japón, Pakistán, Rusia, Corea del Sur y Vietnam, están construyendo o planificando plantas nucleares. Pero esta tendencia global aún no se ha extendido a los EE. UU., Donde el trabajo en la última instalación de este tipo comenzó hace unos 30 años.

Si se desarrolla sensiblemente, la energía nuclear podría ser verdaderamente sostenible y esencialmente inagotable y podría funcionar sin contribuir al cambio climático. En particular, una forma relativamente nueva de tecnología nuclear podría superar los principales inconvenientes de los métodos actuales, a saber, la preocupación por los accidentes del reactor, el potencial de desviación de combustible nuclear hacia armas altamente destructivas, la gestión de desechos radiactivos peligrosos y de larga duración, y El agotamiento de las reservas mundiales de uranio económicamente disponible. Este ciclo de combustible nuclear combinaría dos innovaciones: el procesamiento pirometalúrgico (un método de alta temperatura para reciclar los desechos del reactor en combustible) y los reactores avanzados de neutrones rápidos capaces de quemar ese combustible. Con este enfoque, la radioactividad de los desechos generados podría caer a niveles seguros en unos pocos cientos de años, eliminando así la necesidad de segregar los desechos por decenas de miles de años.

Para que los neutrones causen la fisión nuclear de manera eficiente, deben viajar lentamente o muy rápido. La mayoría de las centrales nucleares existentes contienen lo que se llaman reactores térmicos, que son impulsados ​​por neutrones de rebote de velocidad relativamente baja (o energía) dentro de sus núcleos. Si bien los reactores térmicos generan calor y, por lo tanto, electricidad de manera bastante eficiente, no pueden minimizar la salida de desechos radiactivos.

Todos los reactores producen energía al dividir los núcleos de los átomos pesados ​​de metal (alto peso atómico), principalmente uranio o elementos derivados del uranio. En la naturaleza, el uranio se produce como una mezcla de dos isótopos, el uranio 235 fácilmente fisionable (que se dice que es "fisionable") y el uranio 238 mucho más estable. El fuego de uranio en un reactor atómico es encendido y sostenido por neutrones. Cuando el núcleo de un átomo fisionable es alcanzado por un neutrón, especialmente uno de movimiento lento, lo más probable es que se rompa (fisión), liberando cantidades sustanciales de energía y varios otros neutrones. Algunos de estos neutrones emitidos golpean a otros átomos fisionables cercanos, causando que se separen, propagando así una reacción en cadena nuclear. El calor resultante se transporta fuera del reactor, donde convierte el agua en vapor que se utiliza para hacer funcionar una turbina que acciona un generador eléctrico.

El uranio 238 no es fisionable; se llama "fisionable" porque a veces se divide cuando es golpeado por un neutrón rápido. También se dice que es "fértil", porque cuando un átomo de uranio 238 absorbe un neutrón sin dividirse, se transmuta en plutonio 239, que, como el uranio 235, es fisionable y puede sostener una reacción en cadena. Después de aproximadamente tres años de servicio, cuando los técnicos normalmente eliminan el combustible usado de uno de los reactores actuales debido a la degradación relacionada con la radiación y al agotamiento del uranio 235, el plutonio contribuye con más de la mitad de la energía que genera la planta.

En un reactor térmico, los neutrones, que nacen rápido, se ralentizan (o moderan) por las interacciones con los átomos cercanos de bajo peso atómico, como el hidrógeno en el agua que fluye a través de los núcleos del reactor. Todos menos dos de los 440 o más reactores nucleares comerciales que operan son térmicos, y la mayoría de ellos, incluidos los 103 reactores de potencia de los EE. UU., Emplean agua para retardar los neutrones y para transportar el calor creado por fisión a los generadores eléctricos asociados. La mayoría de estos sistemas térmicos son lo que los ingenieros llaman reactores de agua ligera.

En cualquier planta de energía nuclear, los átomos de metales pesados ​​se consumen a medida que el combustible se "quema". Aunque las plantas comienzan con un combustible cuyo contenido de uranio 235 se ha enriquecido, la mayoría de ese uranio fácilmente fisionado desaparece después de aproximadamente tres años. Cuando los técnicos eliminan el combustible agotado, solo se ha consumido una veinteava parte de los átomos potencialmente fisionables (uranio 235, plutonio y uranio 238), por lo que el llamado combustible gastado aún contiene aproximadamente el 95 por ciento de su energía original. Además, solo alrededor de una décima parte del mineral de uranio extraído se convierte en combustible en el proceso de enriquecimiento (durante el cual la concentración de uranio 235 aumenta considerablemente), por lo que se utiliza menos de una centésima parte del contenido total de energía del mineral para generar energía. Plantas de hoy.

Este hecho significa que el combustible usado de los reactores térmicos actuales todavía tiene el potencial de alimentar muchos incendios nucleares. Debido a que el suministro de uranio del mundo es finito y el crecimiento continuo en el número de reactores térmicos podría agotar las reservas de uranio de bajo costo disponibles en unas pocas décadas, no tiene sentido descartar este combustible gastado o los "relaves" que quedan del enriquecimiento. proceso.

El combustible gastado consiste en tres clases de materiales. Los productos de fisión, que constituyen aproximadamente el 5 por ciento del combustible usado, son los desechos verdaderos: las cenizas, por así decirlo, del fuego de fisión. Comprenden una mezcla de elementos más ligeros creados cuando los átomos pesados ​​se dividen. La mezcla es altamente radioactiva por sus primeros años. Después de aproximadamente una década, la actividad está dominada por dos isótopos, el cesio 137 y el estroncio 90. Ambos son solubles en agua, por lo que deben estar contenidos de manera muy segura. En alrededor de tres siglos, la radioactividad de esos isótopos disminuye en un factor de 1, 000, momento en el cual se han vuelto prácticamente inofensivos.

El uranio constituye la mayor parte del combustible nuclear gastado (alrededor del 94 por ciento); esto es uranio sin filtrar, que ha perdido la mayor parte de su uranio 235 y se asemeja al uranio natural (que es solo 0.71 por ciento de uranio fisionable 235). Este componente es solo ligeramente radiactivo y, si está separado de los productos de fisión y el resto del material en el combustible gastado, podría almacenarse de forma segura para su uso futuro en instalaciones ligeramente protegidas.

El balance del material, la parte verdaderamente preocupante, es el componente transuránico, elementos más pesados ​​que el uranio. Esta parte del combustible es principalmente una mezcla de isótopos de plutonio, con una presencia significativa de americio. Si bien los elementos transuránicos representan solo alrededor del 1 por ciento del combustible gastado, constituyen la principal fuente del problema actual de desechos nucleares. La vida media (el período en que las mitades de radiactividad) de estos átomos se extienden hasta decenas de miles de años, una característica que llevó a los reguladores del gobierno de los EE. UU. A exigir que el depósito de desechos nucleares planificado de alto nivel en Yucca Mountain en Nevada aísle combustible gastado Desde hace más de 10.000 años.

Una estrategia obsoleta
Los primeros ingenieros nucleares esperaban que el plutonio en el combustible gastado de los reactores térmicos se eliminara y luego se usara en reactores de neutrones rápidos, llamados criadores rápidos porque estaban diseñados para producir más plutonio del que consumen. Los pioneros de la energía nuclear también previeron una economía energética que implicaría un comercio abierto de plutonio. Sin embargo, el plutonio se puede usar para hacer bombas. A medida que la tecnología nuclear se extendió más allá de las grandes superpotencias, esta aplicación potencial generó preocupaciones sobre la proliferación descontrolada de armas atómicas a otros estados o incluso a grupos terroristas.

El Tratado de No Proliferación Nuclear abordó parcialmente ese problema en 1968. Los estados que deseaban los beneficios de la tecnología de la energía nuclear podían firmar el tratado y prometían no adquirir armas nucleares, tras lo cual las naciones que poseen armas acordaron ayudar a las demás con aplicaciones pacíficas. Si bien un grupo de inspectores internacionales ha supervisado desde entonces la adhesión de los miembros al tratado, la efectividad de ese acuerdo internacional ha sido irregular porque carece de autoridad y medios de aplicación efectivos.

Los diseñadores de armas nucleares requieren plutonio con un contenido isotópico muy alto de plutonio 239, mientras que el plutonio de las centrales eléctricas comerciales generalmente contiene cantidades sustanciales de los otros isótopos del plutonio, lo que dificulta su uso en una bomba. Sin embargo, el uso de plutonio del combustible gastado en armas no es inconcebible. Por lo tanto, el presidente Jimmy Carter prohibió el reprocesamiento civil de combustible nuclear en los EE. UU. En 1977. Razonó que si el plutonio no se recuperaba del combustible gastado, no podría utilizarse para fabricar bombas. Carter también quería que Estados Unidos diera un ejemplo al resto del mundo. Sin embargo, Francia, Japón, Rusia y el Reino Unido no han seguido su ejemplo, por lo que el reprocesamiento de plutonio para su uso en centrales eléctricas continúa en varias naciones.

Un enfoque alternativo
Cuando se emitió la prohibición, el "reprocesamiento" era sinónimo del método PUREX (para la extracción de p lutonio ur anium), una técnica desarrollada para satisfacer la necesidad de plutonio químicamente puro para las armas atómicas. Sin embargo, la tecnología avanzada de reactor de neutrones rápidos permite una estrategia de reciclaje alternativa que no implica plutonio puro en ninguna etapa. De este modo, los reactores rápidos pueden minimizar el riesgo de que el combustible gastado de la producción de energía se use para la producción de armas, al tiempo que proporciona una capacidad única para exprimir la energía máxima del combustible nuclear. Varios reactores de este tipo han sido construidos y utilizados para la generación de energía en Francia, Japón, Rusia, el Reino Unido y los EE. UU., Dos de los cuales aún están en funcionamiento [ver "Energía nuclear de próxima generación", por James A. Lake, Ralph G. Bennett y John F. Kotek; enero de 2002].

Los reactores rápidos pueden extraer más energía del combustible nuclear que los reactores térmicos, ya que sus neutrones que se mueven rápidamente (energía más alta) causan concentraciones atómicas con mayor eficiencia que los neutrones térmicos lentos. Esta efectividad proviene de dos fenómenos. A velocidades más lentas, muchos más neutrones se absorben en reacciones de no fusión y se pierden. En segundo lugar, la energía más alta de un neutrón rápido hace que sea mucho más probable que un átomo pesimetal fértil como el uranio 238 se desprenda cuando se golpee. Debido a este hecho, no solo es probable que el uranio 235 y el plutonio 239 se sedimenten en un reactor rápido, sino que una fracción apreciable de los átomos transuránicos más pesados ​​también lo harán.

El agua no se puede emplear en un reactor rápido para transportar el calor desde el núcleo; ralentizaría los neutrones rápidos. Por lo tanto, los ingenieros suelen utilizar un metal líquido como el sodio como refrigerante y transportador de calor. El metal líquido tiene una gran ventaja sobre el agua. Los sistemas enfriados por agua funcionan a una presión muy alta, de modo que una pequeña fuga puede convertirse rápidamente en una gran liberación de vapor y quizás en una rotura grave de la tubería, con una rápida pérdida del refrigerante del reactor. Sin embargo, los sistemas de metal líquido operan a la presión atmosférica, por lo que presentan un potencial mucho menor para una liberación mayor. Sin embargo, el sodio se inflama si se expone al agua, por lo que debe manejarse con cuidado. Se ha acumulado una considerable experiencia industrial en el manejo de la sustancia a lo largo de los años y los métodos de gestión están bien desarrollados. Pero las reservas de sodio han ocurrido, y sin duda habrá más. Un incendio de sodio comenzó en 1995 en el reactor rápido de Monju en Japón. Hizo un desastre en el edificio del reactor, pero nunca representó una amenaza para la integridad del reactor, y nadie resultó herido ni irradiado. Los ingenieros no consideran que la inflamabilidad del sodio sea un problema importante.

Los investigadores del Laboratorio Nacional de Argonne comenzaron a desarrollar tecnología de reactores rápidos en los años cincuenta. En la década de 1980, esta investigación se dirigió hacia un reactor rápido (denominado reactor de metal líquido avanzado o ALMR), con combustible metálico enfriado por un metal líquido, que se integraría con una unidad de procesamiento pirometalúrgico de alta temperatura para reciclar y reponer el combustible. . Los ingenieros nucleares también han investigado varios otros conceptos de reactores rápidos, algunos combustibles de uranio metálico o plutonio, otros que utilizan combustibles de óxido. Se han utilizado refrigerantes de plomo líquido o una solución de plomo-bismuto. El combustible metálico, tal como se usa en el ALMR, es preferible al óxido por varias razones: tiene algunas ventajas de seguridad, permitirá la obtención más rápida de combustible nuevo y se puede combinar más fácilmente con el reciclaje pirometalúrgico.

Piroprocesamiento
El proceso pirometalúrgico ("pyro" para abreviar) extrae del combustible usado una mezcla de elementos transuránicos en lugar de plutonio puro, como en la ruta PUREX. Se basa en la galvanoplastia: el uso de electricidad para recolectar, en un electrodo de metal conductor, el metal extraído como iones de un baño químico. Su nombre deriva de las altas temperaturas a las que deben someterse los metales durante el procedimiento. Se han desarrollado dos enfoques similares, uno en los Estados Unidos y el otro en Rusia. La principal diferencia es que los rusos procesan el combustible de cerámica (óxido), mientras que el combustible en un ALMR es metálico.

En el piroproceso estadounidense, los técnicos disuelven el combustible metálico gastado en un baño químico. Luego, una fuerte corriente eléctrica recoge selectivamente el plutonio y los otros elementos transuránicos en un electrodo, junto con algunos de los productos de fisión y gran parte del uranio. La mayoría de los productos de fisión y parte del uranio permanecen en el baño. Cuando se acumula un lote completo, los operadores retiran el electrodo. A continuación, raspan los materiales acumulados del electrodo, los funden, los echan en un lingote y los pasan a una línea de refabricación para convertirlos en combustible de reactor rápido. Cuando el baño se satura con productos de fisión, los técnicos limpian el solvente y procesan los productos de fisión extraídos para su eliminación permanente.

Por lo tanto, a diferencia del método PUREX actual, el piroprocesamiento recoge prácticamente todos los elementos transuránicos (incluido el plutonio), con una transferencia considerable de uranio y productos de fisión. Solo una porción muy pequeña del componente transuránico termina en el flujo final de residuos, lo que reduce drásticamente el tiempo de aislamiento necesario. La combinación de productos de fisión y transuránicos no es adecuada para armas o incluso para combustible de reactor térmico. Sin embargo, esta mezcla no solo es tolerable sino también ventajosa para alimentar reactores rápidos.

Aunque la tecnología de reciclaje pirometalúrgico no está lista para su uso comercial inmediato, los investigadores han demostrado sus principios básicos. Se ha demostrado con éxito a nivel piloto en centrales eléctricas operativas, tanto en los EE. UU. Como en Rusia. Todavía no ha funcionado, sin embargo, en una escala de producción completa.

Comparando ciclos
Las capacidades operativas de los reactores térmicos y rápidos son similares en algunos aspectos, pero en otros las diferencias son enormes. Una planta de reactor térmico eléctrico de 1.000 megavatios, por ejemplo, genera más de 100 toneladas de combustible gastado al año. La producción anual de residuos de un reactor rápido con la misma capacidad eléctrica, por el contrario, es un poco más que una tonelada de productos de fisión, además de trazas de transuranics.

La gestión de residuos mediante el ciclo ALMR se simplificaría enormemente. Debido a que los desechos del reactor rápido no contendrían una cantidad significativa de transuránicos de larga vida, su radiación se descompondría hasta el nivel del mineral del que provenía en varios cientos de años, en lugar de decenas de miles.

Si los reactores rápidos se usaran exclusivamente, el transporte de materiales altamente radiactivos se produciría solo en dos circunstancias: cuando los residuos del producto de fisión se enviaran a Yucca Mountain o un sitio alternativo para su eliminación y cuando el combustible de arranque se enviara a un nuevo reactor. El comercio en plutonio sería efectivamente eliminado.

Algunas personas abogan por que EE. UU. Se embarque en un extenso programa de procesamiento PUREX del combustible del reactor, produciendo óxidos mixtos de uranio y plutonio para volver a los reactores térmicos. Aunque el método de óxido mixto (MOX) se está utilizando actualmente para estropear el exceso de armas de plutonio para que no se pueda emplear en bombas, una buena idea, creemos que sería un error desplegar la infraestructura PUREX, mucho más grande, que se requeriría para Procesamiento de combustible civil. Las ganancias de recursos serían modestas, mientras que el problema del desperdicio a largo plazo se mantendría, y todo el esfuerzo demoraría por un corto tiempo la necesidad de reactores rápidos eficientes.

El sistema de reactor rápido con piroprocesamiento es notablemente versátil. Podría ser un consumidor neto o un productor neto de plutonio, o podría ejecutarse en un modo de equilibrio. Operado como un productor neto, el sistema podría proporcionar materiales de inicio para otras plantas de energía de reactores rápidos. Como consumidor neto, podría agotar el exceso de plutonio y materiales de armas. Si se eligiera un modo de equilibrio, el único combustible adicional que necesitaría una planta nuclear sería una infusión periódica de uranio empobrecido (uranio del cual se ha eliminado la mayor parte del uranio fisionable 235) para reemplazar los átomos de metales pesados ​​que han sufrido fisión.

Los estudios de negocios han indicado que esta tecnología podría ser económicamente competitiva con las tecnologías de energía nuclear existentes. Ciertamente, el reciclado pirometalúrgico será mucho menos costoso que el reprocesamiento de PUREX, pero en verdad, la viabilidad económica del sistema no se puede conocer hasta que se demuestre. La economía general de cualquier fuente de energía depende no solo de los costos directos, sino también de lo que los economistas denominan "externalidades", los costos difíciles de cuantificar de los efectos externos resultantes del uso de la tecnología. Cuando quemamos carbón o petróleo para producir electricidad, por ejemplo, nuestra sociedad acepta los efectos perjudiciales para la salud y los costos ambientales que conllevan. Por lo tanto, los costos externos en efecto subsidian la generación de energía de combustibles fósiles, ya sea directamente o por medio de efectos indirectos en la sociedad en general. Aunque son difíciles de considerar, las comparaciones económicas que no toman en cuenta las externalidades son poco realistas y engañosas.

Tipos de reactores de acoplamiento
Si se utilizan reactores rápidos avanzados, al principio se quemará el combustible del reactor térmico gastado que se ha reciclado utilizando piroprocesamiento. Los desechos, que ahora se almacenan "temporalmente" en el sitio, se transportarán a las plantas que podrían procesarlos en tres flujos de salida. La primera corriente, altamente radioactiva, contendría la mayoría de los productos de fisión, junto con rastros inevitables de elementos transuránicos. Se transformaría en una forma físicamente estable, quizás una sustancia parecida al vidrio, y luego se enviaría a Yucca Mountain o algún otro sitio de eliminación permanente.

El segundo flujo capturaría virtualmente todos los transuránicos, junto con algunos productos de uranio y fisión. Se convertiría en un combustible metálico de reactor rápido y luego se transferiría a reactores de tipo ALMR.

La tercera corriente, que representa aproximadamente el 92 por ciento del combustible gastado del reactor térmico, contendría la mayor parte del uranio, ahora en un estado de agotamiento. Podría guardarse para uso futuro como combustible de reactor rápido.

Tal escenario no se puede realizar de la noche a la mañana, por supuesto. Si empezáramos hoy, el primero de los reactores rápidos podría estar en línea en aproximadamente 15 años. En particular, ese cronograma es razonablemente compatible con el cronograma planificado para el envío de combustible de reactor térmico gastado a Yucca Mountain. En su lugar, podría ser enviado para su reciclaje en combustible de reactor rápido.

A medida que los reactores térmicos de hoy llegan al final de su vida útil, podrían ser reemplazados por reactores rápidos. Si eso ocurriera, no habría necesidad de extraer más mineral de uranio durante siglos y ningún requisito adicional, nunca, para el enriquecimiento de uranio. A muy largo plazo, reciclar el combustible de los reactores rápidos sería tan eficiente que los suministros de uranio disponibles en la actualidad podrían durar indefinidamente.

Tanto India como China han anunciado recientemente que planean ampliar sus recursos energéticos mediante el despliegue de reactores rápidos. Entendemos que sus primeros reactores rápidos usarán combustible de óxido o carburo en lugar de metal, un camino menos que óptimo, elegido presumiblemente porque la tecnología de reprocesamiento de PUREX está madura, mientras que el piroprocesamiento aún no se ha demostrado comercialmente.

No es demasiado pronto para que EE. UU. Complete el desarrollo básico del sistema de reacción rápida / piroprocesamiento para combustible metálico. Para el futuro previsible, la dura verdad es esta: solo la energía nuclear puede satisfacer las necesidades energéticas a largo plazo de la humanidad mientras preserva el medio ambiente. Para que continúe la producción de energía nuclear sostenible a gran escala, el suministro de combustible nuclear debe durar mucho tiempo. Eso significa que el ciclo de energía nuclear debe tener las características del ALMR y el piroprocesamiento. Parece el momento adecuado para tomar este nuevo rumbo hacia el desarrollo de energía sensible.

SOBRE LOS AUTORES)

WILLIAM H. HANNUM, GERALD E. MARSH y GEORGE S. STANFORD son físicos que trabajaron en el desarrollo de reactores rápidos antes de retirarse del Laboratorio Nacional de Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. Hannum se desempeñó como jefe de investigación de desarrollo de física nuclear y seguridad de reactores en el DOE. También fue director general adjunto de la Agencia de Energía Nuclear de la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económicos en París. Marsh, miembro de la American Physical Society, trabajó como consultor del Departamento de Defensa de los EE. UU. Sobre política y tecnología nuclear estratégica en las administraciones de Reagan, Bush y Clinton y es coautor de The Phantom Defense: America's Pursuit of the Star Wars Ilusión (Praeger Press). Stanford, cuya investigación se centró en física nuclear experimental, física de reactores y seguridad de reactores rápidos, es coautor de Nuclear Shadowboxing: Contemporary Threats from Cold War Weaponry (Fidlar Doubleday).

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