El combustible nuclear gastado , ocasionalmente llamado combustible nuclear usado , es combustible nuclear que ha sido irradiado en un reactor nuclear (normalmente en una central nuclear ). Ya no es útil para sostener una reacción nuclear en un reactor térmico ordinario y, dependiendo de su punto a lo largo del ciclo del combustible nuclear , tendrá componentes isotópicos diferentes a los que tenía cuando comenzó. [1]
Las barras de combustible nuclear se vuelven progresivamente más radiactivas (y menos útiles térmicamente) debido a la activación de neutrones a medida que se fisionan o "queman" en el reactor. Una barra nueva de bolitas de uranio poco enriquecido (que se pueden manipular con seguridad con guantes) se convertirá en un emisor gamma altamente letal después de 1 a 2 años de irradiación del núcleo, y no es seguro acercarse a menos que esté bajo muchos pies de protección de agua. Esto hace que su acumulación invariable y su almacenamiento temporal seguro en piscinas de combustible gastado sean una fuente principal de desechos radiactivos de alto nivel y un problema importante y constante para su eliminación permanente en el futuro.
En el combustible de óxido existen intensos gradientes de temperatura que provocan la migración de los productos de fisión . El circonio tiende a moverse hacia el centro de la pastilla de combustible , donde la temperatura es más alta, mientras que los productos de fisión de menor punto de ebullición se mueven hacia el borde de la pastilla. Es probable que la pastilla contenga muchos poros pequeños en forma de burbujas que se forman durante el uso; el xenón, producto de la fisión , migra a estos huecos. Parte de este xenón se descompondrá para formar cesio , por lo que muchas de estas burbujas contienen una gran concentración de135
Cs .
En el caso del combustible de óxidos mixtos ( MOX ), el xenón tiende a difundirse fuera de las áreas ricas en plutonio del combustible y luego queda atrapado en el dióxido de uranio circundante. El neodimio tiende a no ser móvil.
También tienden a formarse en el combustible partículas metálicas de una aleación de Mo-Tc-Ru-Pd. Otros sólidos se forman en el límite entre los granos de dióxido de uranio, pero la mayoría de los productos de fisión permanecen en el dióxido de uranio como soluciones sólidas . Existe un artículo que describe un método para realizar una simulación no radiactiva de "uranio activo" del combustible de óxido gastado. [2]
El 3% de la masa se compone de productos de fisión de 235 U y 239 Pu (también productos indirectos en la cadena de desintegración ); estos se consideran desechos radiactivos o pueden separarse aún más para diversos usos industriales y médicos. Los productos de fisión incluyen todos los elementos, desde el zinc hasta los lantánidos ; Gran parte del rendimiento de la fisión se concentra en dos picos, uno en la segunda fila de transición ( Zr , Mo, Tc, Ru , Rh , Pd , Ag ) y el otro más adelante en la tabla periódica ( I , Xe , Cs , Ba , La) . , Ce , Nd ). Muchos de los productos de fisión son radioisótopos no radiactivos o de vida corta , pero un número considerable son radioisótopos de vida media a larga, como el 90 Sr , el 137 Cs , el 99 Tc y el 129 I. Varios países diferentes han realizado investigaciones sobre la segregación de los isótopos raros en los desechos de fisión, incluidos los "platinoides de fisión" (Ru, Rh, Pd) y la plata (Ag), como una forma de compensar el costo del reprocesamiento; Actualmente esto no se hace comercialmente.
Los productos de la fisión pueden modificar las propiedades térmicas del dióxido de uranio; los óxidos de lantánidos tienden a reducir la conductividad térmica del combustible, mientras que las nanopartículas metálicas aumentan ligeramente la conductividad térmica del combustible. [3]
Aproximadamente el 1% de la masa es 239 Pu y 240 Pu resultantes de la conversión de 238 U, que pueden considerarse como un subproducto útil o como un residuo peligroso e inconveniente. Una de las principales preocupaciones con respecto a la proliferación nuclear es evitar que este plutonio sea utilizado por estados, distintos de los ya establecidos como estados con armas nucleares , para producir armas nucleares. Si el reactor se ha utilizado normalmente, el plutonio es apto para reactores , no apto para armas: contiene más del 19% de 240 Pu y menos del 80% de 239 Pu, lo que lo hace no ideal para fabricar bombas. Si el período de irradiación ha sido corto, entonces el plutonio es apto para armas (más del 93%).
El 96% de la masa es uranio restante: la mayor parte del 238 U original y un poco de 235 U. Normalmente, 235 U sería menos del 0,8% de la masa junto con el 0,4% de 236 U.
El uranio reprocesado contendrá 236 U , que no se encuentra en la naturaleza; este es un isótopo que puede usarse como huella digital para el combustible gastado del reactor.
Si se utiliza un combustible de torio para producir 233 U fisible, el SNF (combustible nuclear gastado) tendrá 233 U , con una vida media de 159.200 años (a menos que este uranio se elimine del combustible gastado mediante un proceso químico). La presencia de 233 U afectará a la desintegración radiactiva a largo plazo del combustible gastado. Si se compara con el combustible MOX , la actividad alrededor de un millón de años en los ciclos con torio será mayor debido a la presencia del 233 U no completamente desintegrado.
Para el combustible de uranio natural , el componente fisionable comienza con una concentración de 235 U del 0,7% en uranio natural. En el momento de la descarga, el componente fisionable total sigue siendo del 0,5% (0,2% 235 U, 0,3% fisionable 239 Pu, 241 Pu ). El combustible se descarga no porque el material fisionable se haya agotado por completo, sino porque los productos de fisión que absorben neutrones se han acumulado y el combustible se vuelve significativamente menos capaz de sostener una reacción nuclear.
Algunos combustibles de uranio natural utilizan revestimientos químicamente activos, como Magnox , y necesitan ser reprocesados porque su almacenamiento y eliminación a largo plazo son difíciles. [5]
El combustible gastado del reactor contiene trazas de actínidos menores . Se trata de actínidos distintos del uranio y el plutonio e incluyen el neptunio , el americio y el curio . La cantidad formada depende en gran medida de la naturaleza del combustible utilizado y de las condiciones en las que se utilizó. Por ejemplo, es probable que el uso de combustible MOX ( 239 Pu en una matriz de 238 U) conduzca a la producción de más 241 Am y nucleidos más pesados que un combustible a base de uranio/torio ( 233 U en una matriz de 232 Th).
Para los combustibles altamente enriquecidos utilizados en reactores marinos y reactores de investigación , el inventario de isótopos variará según la gestión del combustible en el núcleo y las condiciones operativas del reactor.
Cuando se apaga un reactor nuclear y la reacción en cadena de la fisión nuclear ha cesado, todavía se producirá una cantidad significativa de calor en el combustible debido a la desintegración beta de los productos de fisión . Por esta razón, en el momento de la parada del reactor, el calor de desintegración será aproximadamente el 7% de la potencia del núcleo anterior si el reactor ha tenido un historial de energía largo y constante . Aproximadamente 1 hora después del apagado, el calor de descomposición será aproximadamente el 1,5 % de la potencia central anterior. Después de un día, el calor de descomposición cae al 0,4% y después de una semana será del 0,2%. La tasa de producción de calor de descomposición seguirá disminuyendo lentamente con el tiempo.
El combustible gastado que se ha retirado de un reactor normalmente se almacena en una piscina de combustible gastado llena de agua durante un año o más (en algunos sitios, de 10 a 20 años) para enfriarlo y protegerlo de su radiactividad. Los diseños prácticos de piscinas de combustible gastado generalmente no dependen de la refrigeración pasiva, sino que requieren que el agua se bombee activamente a través de intercambiadores de calor. Si se produce una interrupción prolongada del enfriamiento activo debido a situaciones de emergencia, el agua de las piscinas de combustible gastado podría hervir, lo que podría provocar la liberación de elementos radiactivos a la atmósfera. [6]
El uso de diferentes combustibles en los reactores nucleares da como resultado una composición diferente del SNF, con curvas de actividad variables.
Los desechos radiactivos de larga vida provenientes de la parte final del ciclo del combustible son especialmente relevantes al diseñar un plan completo de gestión de desechos para SNF. Cuando se analiza la desintegración radiactiva a largo plazo , los actínidos del SNF tienen una influencia significativa debido a sus vidas medias característicamente largas. Dependiendo de con qué se alimente un reactor nuclear , la composición de actínidos en el SNF será diferente.
Un ejemplo de este efecto es el uso de combustibles nucleares con torio . Th-232 es un material fértil que puede sufrir una reacción de captura de neutrones y dos desintegraciones beta menos, lo que resulta en la producción de U-233 fisionable . Su desintegración radiactiva influirá fuertemente en la curva de actividad a largo plazo del SNF, alrededor de un millón de años. En la figura superior derecha se puede ver una comparación de la actividad asociada al U-233 para tres tipos diferentes de SNF. Los combustibles quemados son torio con plutonio apto para reactores (RGPu), torio con plutonio apto para armas (WGPu) y combustible de óxido mixto (MOX, sin torio). Para RGPu y WGPu, se puede ver la cantidad inicial de U-233 y su desintegración alrededor de un millón de años. Esto tiene un efecto en la curva de actividad total de los tres tipos de combustible. La ausencia inicial de U-233 y sus productos hijos en el combustible MOX da como resultado una menor actividad en la región 3 de la figura de abajo a la derecha, mientras que para RGPu y WGPu la curva se mantiene más alta debido a la presencia de U-233 que no se ha deteriorado del todo. El reprocesamiento nuclear puede eliminar los actínidos del combustible gastado para que puedan usarse o destruirse (ver Producto de fisión de larga duración#Actínidos ).
Según el trabajo del electroquímico especializado en corrosión David W. Shoesmith, [7] [8] las nanopartículas de Mo-Tc-Ru-Pd tienen un fuerte efecto sobre la corrosión del combustible de dióxido de uranio. Por ejemplo, su trabajo sugiere que cuando la concentración de hidrógeno (H 2 ) es alta (debido a la corrosión anaeróbica del bote de residuos de acero ), la oxidación del hidrógeno en las nanopartículas ejercerá un efecto protector sobre el dióxido de uranio. Este efecto puede considerarse como un ejemplo de protección mediante un ánodo de sacrificio , donde en lugar de que un ánodo metálico reaccione y se disuelva, lo que se consume es el gas hidrógeno.
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El combustible nuclear gastado se almacena en piscinas de combustible gastado (SFP) o en barriles secos . En los Estados Unidos, los SFP y los contenedores que contienen combustible gastado se encuentran directamente en las instalaciones de las centrales nucleares o en instalaciones independientes de almacenamiento de combustible gastado (ISFSI). Los ISFSI pueden estar adyacentes al sitio de una planta de energía nuclear o pueden residir lejos del reactor (AFR ISFSI). La gran mayoría de las ISFSI almacenan el combustible gastado en barriles secos. La Operación Morris es actualmente la única ISFSI con un depósito de combustible gastado en los Estados Unidos.
El reprocesamiento nuclear puede separar el combustible gastado en varias combinaciones de uranio reprocesado , plutonio , actínidos menores , productos de fisión , restos de revestimiento de circonio o acero , productos de activación y los reactivos o solidificadores introducidos en el propio reprocesamiento. Si estas porciones constituyentes del combustible gastado se reutilizaran y se limitaran los desechos adicionales que pueden surgir como subproducto del reprocesamiento, el reprocesamiento podría en última instancia reducir el volumen de desechos que deben eliminarse.
Alternativamente, el combustible nuclear gastado intacto puede eliminarse directamente como residuo radiactivo de alto nivel . Estados Unidos ha planificado su eliminación en formaciones geológicas profundas , como el depósito de desechos nucleares de Yucca Mountain , donde deben protegerse y empaquetarse para evitar su migración al entorno inmediato de los humanos durante miles de años. [1] [9] Sin embargo, el 5 de marzo de 2009, el Secretario de Energía, Steven Chu , dijo en una audiencia en el Senado que "el sitio de Yucca Mountain ya no era visto como una opción para almacenar desechos del reactor". [10]
En Finlandia se ha aprobado el almacenamiento geológico mediante el proceso KBS-3 . [11]
En Suiza, el Consejo Federal aprobó en 2008 el plan para un depósito geológico profundo de residuos radiactivos. [12]
Las algas han mostrado selectividad por el estroncio en estudios, donde la mayoría de las plantas utilizadas en biorremediación no han mostrado selectividad entre calcio y estroncio, a menudo saturándose con calcio, que está presente en mayores cantidades en los desechos nucleares. El estroncio-90 es un subproducto radiactivo producido por los reactores nucleares utilizados en la energía nuclear . Es un componente de los desechos nucleares y del combustible nuclear gastado. La vida media es larga, alrededor de 30 años, y se clasifica como residuo de alta actividad. [13]
Los investigadores han observado la bioacumulación de estroncio por el alga Scenedesmus spinosus en aguas residuales simuladas. El estudio afirma una capacidad de biosorción altamente selectiva del estroncio de S. spinosus, lo que sugiere que puede ser apropiado para el uso de aguas residuales nucleares. [14] Un estudio del alga de estanque Closterium moniliferum utilizando estroncio no radiactivo encontró que variar la proporción de bario a estroncio en el agua mejoraba la selectividad del estroncio. [13]
El combustible nuclear gastado sigue siendo un peligro de radiación durante largos períodos de tiempo con vidas medias de hasta 24.000 años. Por ejemplo, 10 años después de su retirada de un reactor, la tasa de dosis en superficie para un conjunto de combustible gastado típico todavía supera los 10.000 rem/hora, cifra mucho mayor que la dosis mortal para todo el cuerpo humano de unos 500 rem recibida de una sola vez. [15]
Existe un debate sobre si el combustible gastado almacenado en una piscina es susceptible a incidentes como terremotos [16] o ataques terroristas [17] que podrían provocar una liberación de radiación. [18]
En el raro caso de una falla de combustible durante el funcionamiento normal, el refrigerante primario puede ingresar al elemento. Normalmente se utilizan técnicas visuales para la inspección de haces de combustible después de la irradiación. [19]
Desde los ataques del 11 de septiembre, la Comisión Reguladora Nuclear ha instituido una serie de reglas que exigen que todas las piscinas de combustible sean inmunes a desastres naturales y ataques terroristas. Como resultado, las piscinas de combustible usado están revestidas con un revestimiento de acero y concreto grueso, y se inspeccionan periódicamente para garantizar su resistencia a terremotos, tornados, huracanes y seiches . [20] [21]