DUCRETE ( Depleted Uranium Concrete ) es una alternativa al hormigón de alta densidad que se está investigando para su uso en la construcción de contenedores para el almacenamiento de residuos radiactivos . Se trata de un material compuesto que contiene agregados de dióxido de uranio empobrecido en lugar de grava convencional, con un aglutinante de cemento Portland .
En 1993, la Oficina de Gestión Ambiental del Departamento de Energía de los Estados Unidos inició una investigación sobre el uso potencial del uranio empobrecido en hormigones pesados. El objetivo de esta investigación era encontrar simultáneamente una aplicación para el uranio empobrecido y crear un método nuevo y más eficiente para el almacenamiento y transporte de combustibles nucleares gastados. El material fue concebido por primera vez en el Laboratorio Nacional de Ingeniería y Medio Ambiente de Idaho ( INEEL ) por W. Quapp y P. Lessing, quienes desarrollaron conjuntamente los procesos detrás del material y obtuvieron patentes estadounidenses y extranjeras en 1998 y 2000, respectivamente. [1]
DUCRETE es un tipo de hormigón que sustituye al árido grueso estándar por un material cerámico de uranio empobrecido. Todos los demás materiales presentes en DUCRETE (cemento Portland, arena y agua) se utilizan en la misma proporción volumétrica que el hormigón ordinario. Este material cerámico es un material de protección muy eficaz, ya que presenta un número atómico elevado (uranio) para la protección gamma , y un número atómico bajo (agua ligada en el hormigón) para la protección neutrónica . [1] Existe una relación uranio-aglutinante óptima para una atenuación combinada de la radiación gamma y neutrónica en un espesor de pared determinado. Es necesario establecer un equilibrio entre la atenuación del flujo gamma en el óxido de uranio empobrecido (DUO 2 ) y la fase de cemento con agua para atenuar el flujo neutrónico.
La clave para un blindaje eficaz con hormigón cerámico de uranio empobrecido es la máxima densidad de óxido de uranio. Desafortunadamente, el óxido de uranio empobrecido más denso es también el más inestable químicamente. El DUO2 tiene una densidad teórica máxima de 10,5 g/cm3 con una pureza del 95%. Sin embargo, en condiciones de oxidación, este material se transforma fácilmente en el más estable trióxido de uranio empobrecido (DUO3 ) o en el octaóxido de triuranio empobrecido (DU3O8 ) . [2] Por lo tanto, si se utiliza un agregado de UO2 desnudo, estas transiciones pueden dar lugar a una expansión que puede generar tensiones que podrían agrietar el material, reduciendo su resistencia a la compresión. [ 3 ] Otra limitación para el uso directo de polvo fino de dióxido de uranio empobrecido es que los hormigones dependen de sus agregados gruesos para soportar las tensiones de compresión. Para superar estos problemas, se desarrolló DUAGG.
DUAGG (agregado de uranio empobrecido) es el término aplicado a la cerámica DUO 2 estabilizada. Esta consiste en partículas de DUO 2 sinterizadas con un recubrimiento a base de silicato que cubre las superficies y llena los espacios entre los granos, actuando como una barrera de oxígeno, así como resistencia a la corrosión y lixiviación. DUAGG tiene una densidad de hasta 8,8 g/cm 3 y reemplaza al agregado convencional en el hormigón, produciendo hormigón con una densidad de 5,6 a 6,4 g/cm 3 , en comparación con los 2,3 g/cm 3 del hormigón convencional. [4]
Además, DUCRETE presenta propiedades amigables con el medio ambiente. La siguiente tabla muestra la efectividad de la conversión de uranio empobrecido en concreto, ya que la lixiviación potencial se reduce en gran medida. La prueba de lixiviación utilizada fue el procedimiento de lixiviación característica de toxicidad de la EPA (TCLP), que se utiliza para evaluar los riesgos de los metales pesados para el medio ambiente.
El DUCRETE se produce mezclando un agregado de DUO 2 con cemento Portland . El DU es el resultado del enriquecimiento de uranio para su uso en la generación de energía nuclear y otros campos. [5] El DU generalmente viene unido con flúor en hexafluoruro de uranio . Este compuesto es altamente reactivo y no se puede utilizar en el DUCRETE. [5] Por lo tanto, el hexafluoruro de uranio debe oxidarse en octóxido de triuranio y trióxido de uranio . Estos compuestos luego se convierten en UO 2 ( óxido de uranio ) mediante la adición de gas hidrógeno. Luego, el UO 2 se seca, se tritura y se muele hasta formar un sedimento uniforme. Luego, este se convierte en pequeñas briquetas de una pulgada de largo mediante el uso de alta presión (6000 psi (410 bar)). Luego se agrega el aglutinante de bajo número atómico y se somete a pirólisis . Luego, el compuesto se somete a una sinterización en fase líquida a 1300 °C hasta alcanzar la densidad deseada, generalmente alrededor de 8,9 g/cm 3 . [5] Luego, las briquetas se trituran y se clasifican por huecos y ahora están listas para mezclarse en DUCRETE. [5]
El método VNIINM es muy similar al método estadounidense, excepto que no realiza una separación entre el aglutinante y el UO2 después de triturarlo. [5]
Después de su procesamiento, el compuesto DUCRETE puede utilizarse en recipientes portacontenedores, estructuras de protección y áreas de almacenamiento de contención, todos los cuales pueden utilizarse para almacenar residuos radiactivos. La principal aplicación de este material es dentro de un sistema de almacenamiento en contenedores secos para residuos de alto nivel (HLW) y combustible nuclear gastado (SNF). [5] En un sistema de este tipo, el compuesto sería el componente principal utilizado para proteger contra la radiación a los trabajadores y al público. Los sistemas de contenedores fabricados con DUCRETE son más pequeños y livianos que los fabricados con materiales convencionales, como el hormigón tradicional. Los contenedores DUCRETE solo necesitan tener aproximadamente 1/3 del grosor para proporcionar el mismo grado de protección contra la radiación que los sistemas de hormigón. [5]
Los análisis han demostrado que el DUCRETE es más rentable que los materiales convencionales. El coste de producción de los contenedores fabricados con DUCRETE es bajo en comparación con otros materiales de protección como el acero , el plomo y el metal DU, ya que se requiere menos material como consecuencia de una mayor densidad. En un estudio realizado por Duke Engineering en una instalación de residuos nucleares en Savannah River, se evaluó el sistema de contenedores DUCRETE a un coste menor que un edificio alternativo de almacenamiento de residuos de vidrio. [5] Sin embargo, no se consideró la eliminación del DUCRETE. Dado que el DUCRETE es un compuesto radiactivo de bajo nivel, su eliminación relativamente costosa podría reducir la rentabilidad de dichos sistemas. Una alternativa a dicha eliminación es el uso de contenedores DUCRETE vacíos como contenedor para residuos de bajo nivel de alta actividad. [5]
Si bien DUCRETE muestra potencial para futuros programas de residuos nucleares, estos conceptos están lejos de ser utilizados. Hasta el momento, no se han autorizado sistemas de contenedores DUCRETE en los EE. UU. [5] [6]