En la tecnología de energía nuclear , el quemado (también conocido como utilización de combustible ) es una medida de cuánta energía se extrae de una fuente primaria de combustible nuclear . Se mide como la fracción de átomos de combustible que sufrieron fisión en %FIMA (fisiones por átomo de metal inicial) [1] o %FIFA (fisiones por átomo fisionable inicial) [2] así como, preferiblemente, la energía real liberada por masa. de combustible inicial en gigavatios -día/ tonelada métrica de metal pesado (GWd/tHM), o unidades similares.
Expresado en porcentaje: si el 5% de los átomos iniciales del metal pesado han sufrido fisión, el quemado es del 5% FIMA. Si estos 5% fueran el total de 235 U que había en el combustible al principio, el quemado es 100% FIFA (ya que 235 U es fisible y el otro 95% metales pesados como 238 U no lo son). En las operaciones de reactores, este porcentaje es difícil de medir, por lo que se prefiere la definición alternativa. Esto se puede calcular multiplicando la potencia térmica de la planta por el tiempo de funcionamiento y dividiendo por la masa de la carga inicial de combustible. Por ejemplo, si una planta térmica de 3000 MW (equivalente a 1000 MW eléctricos con una eficiencia del 30%, lo cual es típico de los LWR estadounidenses) utiliza 24 toneladas de uranio enriquecido (tU) y opera a plena potencia durante 1 año, el consumo promedio de la el combustible es (3000 MW·365 d)/24 toneladas métricas = 45,63 GWd/t, o 45.625 MWd/tHM (donde HM significa metal pesado, es decir, actínidos como torio, uranio, plutonio, etc.).
La conversión entre porcentaje y energía/masa requiere conocer κ, la energía térmica liberada por evento de fisión. Un valor típico es 193,7 MeV (3,1 × 10 −11 J ) de energía térmica por fisión (ver Fisión nuclear ). Con este valor, el quemado máximo de 100% FIMA, que incluye la fisión no sólo del contenido fisionable sino también de otros nucleidos fisionables , equivale a unos 909 GWd/t. Los ingenieros nucleares suelen utilizar esto para aproximar aproximadamente el 10% de quemado a poco menos de 100 GWd/t.
El combustible real puede ser cualquier actínido que pueda soportar una reacción en cadena (lo que significa que es fisible), incluido el uranio, el plutonio y combustibles transuránicos más exóticos. Este contenido de combustible a menudo se denomina metal pesado para distinguirlo de otros metales presentes en el combustible, como los utilizados para los revestimientos . El metal pesado suele estar presente como metal u óxido, pero son posibles otros compuestos como carburos u otras sales.
Los reactores de segunda generación se diseñaron normalmente para alcanzar unos 40 GWd/tU. Con la tecnología de combustible más nueva, y particularmente el uso de venenos nucleares , estos mismos reactores ahora son capaces de alcanzar hasta 60 GWd/tU. Después de que han ocurrido tantas fisiones, la acumulación de productos de fisión envenena la reacción en cadena y el reactor debe ser cerrado y reabastecido de combustible.
Se espera que algunos diseños de reactores de agua ligera más avanzados alcancen más de 90 GWd/t de combustible más enriquecido. [3]
Los reactores rápidos son más inmunes al envenenamiento por productos de fisión e inherentemente pueden alcanzar mayores quemados en un ciclo. En 1985, el reactor EBR-II del Laboratorio Nacional Argonne tuvo un consumo de combustible metálico de hasta el 19,9%, o poco menos de 200 GWd/t. [4]
El reactor modular de helio de combustión profunda (DB-MHR) podría alcanzar los 500 GWd/t de elementos transuránicos . [5]
En una central eléctrica, es deseable un alto consumo de combustible para:
También es deseable que el quemado sea lo más uniforme posible tanto dentro de los elementos combustibles individuales como de un elemento a otro dentro de una carga de combustible. En los reactores con reabastecimiento de combustible en línea , los elementos combustibles se pueden reposicionar durante la operación para ayudar a lograrlo. En los reactores que no cuentan con esta instalación, se puede utilizar el posicionamiento preciso de las barras de control para equilibrar la reactividad dentro del núcleo y el reposicionamiento del combustible restante durante las paradas en las que sólo se reemplaza parte de la carga de combustible.
Por otro lado, hay indicios de que aumentar el consumo por encima de 50 o 60 GWd/tU conlleva importantes desafíos de ingeniería [6] y que no necesariamente genera beneficios económicos. Los combustibles de mayor quemado requieren un mayor enriquecimiento inicial para mantener la reactividad. Dado que la cantidad de unidades de trabajo separativo (SWU) no es una función lineal del enriquecimiento, es más costoso lograr enriquecimientos mayores. También hay aspectos operativos de los combustibles de alto quemado [7] que están asociados especialmente con la confiabilidad de dicho combustible. Las principales preocupaciones asociadas con los combustibles de alto quemado son:
En los ciclos del combustible nuclear de una sola vez, como los que se utilizan actualmente en gran parte del mundo, los elementos combustibles usados se eliminan enteros como desechos nucleares de alta actividad y el contenido restante de uranio y plutonio se pierde. Un mayor quemado permite utilizar una mayor cantidad del 235 U fisible y del plutonio obtenido del 238 U , lo que reduce las necesidades de uranio del ciclo del combustible.
En los ciclos del combustible nuclear de una sola vez, un mayor quemado reduce la cantidad de elementos que deben ser enterrados. Sin embargo, la emisión de calor a corto plazo, un factor limitante de los depósitos geológicos profundos , proviene predominantemente de productos de fisión de vida media , en particular 137 Cs (vida media de 30,08 años) y 90 Sr (vida media de 28,9 años). Como hay proporcionalmente más de estos en el combustible de alto quemado, el calor generado por el combustible gastado es aproximadamente constante para una determinada cantidad de energía generada.
De manera similar, en los ciclos del combustible con reprocesamiento nuclear , la cantidad de desechos de alta actividad para una determinada cantidad de energía generada no está estrechamente relacionada con el quemado. El combustible de alto quemado genera un volumen menor de combustible para reprocesamiento, pero con una actividad específica mayor .
El combustible usado sin procesar de los actuales reactores de agua ligera se compone de un 5% de productos de fisión y un 95% de actínidos (la mayor parte uranio), y es peligrosamente radiotóxico y requiere una custodia especial durante 300.000 años. La mayoría de los elementos radiotóxicos a largo plazo son transuránicos y, por tanto, podrían reciclarse como combustible. El 70% de los productos de fisión son estables o tienen una vida media inferior a un año. Otro seis por ciento ( 129 I y 99 Tc ) puede transmutarse en elementos con vidas medias extremadamente cortas ( 130 I : 12,36 horas; 100 Tc : 15,46 segundos). El 93 Zr , que tiene una vida media muy larga, constituye el 5% de los productos de fisión, pero puede alearse con uranio y transuránicos durante el reciclaje de combustible, o usarse en revestimientos de zircalloy , donde su radiactividad es irrelevante. El 20% restante de los productos de fisión, o el 1% del combustible sin procesar, cuyos isótopos de vida más larga son el 137 Cs y el 90 Sr , requieren una custodia especial durante sólo 300 años. [8] Por tanto, la masa de material que necesita custodia especial es el 1% de la masa de combustible usado sin procesar. En el caso de137
Cs o90
Esta "custodia especial" también podría adoptar la forma de utilización para la irradiación de alimentos o como combustible en un generador termoeléctrico de radioisótopos . Como tanto los elementos nativos estroncio como cesio y sus óxidos (formas químicas en las que se pueden encontrar en óxidos o combustibles metálicos) forman hidróxidos solubles al reaccionar con agua, se pueden extraer del combustible gastado con relativa facilidad y precipitar en forma sólida para su uso. su uso o eliminación en un paso posterior si así se desea. Si no se ha eliminado el tritio del combustible en un paso previo a esta extracción acuosa, el agua utilizada en este proceso estará contaminada, lo que requerirá una costosa separación de isótopos o permitirá que el tritio se descomponga a niveles seguros antes de que el agua pueda liberarse al combustible. biosfera.
El quemado es uno de los factores clave que determinan la composición isotópica del combustible nuclear gastado , siendo los otros su composición inicial y el espectro de neutrones del reactor. Para la producción de plutonio apto para armas nucleares es esencial un consumo de combustible muy bajo , a fin de producir plutonio predominantemente de 239 Pu con la menor proporción posible de 240 Pu y 242 Pu .
El plutonio y otros isótopos transuránicos se producen a partir del uranio mediante absorción de neutrones durante el funcionamiento del reactor. Si bien en principio es posible eliminar el plutonio del combustible usado y desviarlo para su uso en armas, en la práctica existen obstáculos formidables para hacerlo. En primer lugar, es necesario eliminar los productos de fisión. En segundo lugar, el plutonio debe separarse de otros actínidos. En tercer lugar, los isótopos fisionables de plutonio deben separarse de los isótopos no fisionables, lo cual es más difícil que separar los isótopos fisionables de los no fisionables de uranio, sobre todo porque la diferencia de masa es una unidad atómica en lugar de tres. Todos los procesos requieren operación sobre materiales fuertemente radiactivos. Dado que hay muchas formas más sencillas de fabricar armas nucleares, nadie ha construido armas a partir de combustible usado de reactores de energía eléctrica civil, y es probable que nadie lo haga nunca. Además, la mayor parte del plutonio producido durante la operación se fisiona. En la medida en que el combustible se reprocese in situ, como se propone para el Reactor Rápido Integral , las oportunidades de desvío son aún más limitadas. Por lo tanto, la producción de plutonio durante la operación de reactores civiles de energía eléctrica no es un problema importante.
Una tesis de un estudiante de posgrado del MIT de 2003 concluye que "el costo del ciclo del combustible asociado con un nivel de quemado de 100 GWd/tHM es mayor que el de un quemado de 50 GWd/tHM. Además, se requerirán gastos para el desarrollo de combustibles capaces de sostener "Niveles tan altos de irradiación. En las condiciones actuales, los beneficios del alto quemado (menores índices de descarga de plutonio y combustible gastado, isótopos de plutonio degradados) no se ven recompensados. Por lo tanto, no hay ningún incentivo para que los operadores de centrales nucleares inviertan en combustibles de alto quemado." [9]
Un estudio patrocinado por los Programas Universitarios de Energía Nuclear investigó la viabilidad económica y técnica, a largo plazo, de un mayor quemado. [10]
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