El combustible de óxido mixto , comúnmente denominado combustible MOX , es un combustible nuclear que contiene más de un óxido de material fisible , que generalmente consiste en plutonio mezclado con uranio natural , uranio reprocesado o uranio empobrecido . El combustible MOX es una alternativa al combustible de uranio poco enriquecido que se utiliza en los reactores de agua ligera que predominan en la generación de energía nuclear .
Por ejemplo, una mezcla de 7% de plutonio y 93% de uranio natural reacciona de manera similar, aunque no idéntica, al combustible de uranio poco enriquecido (3 a 5% de uranio-235). El MOX generalmente consta de dos fases, UO 2 y PuO 2 , y/o una solución sólida monofásica (U,Pu)O 2 . El contenido de PuO 2 puede variar de 1,5 % en peso a 25-30 % en peso dependiendo del tipo de reactor nuclear.
Un atractivo del combustible MOX es que es una forma de utilizar el excedente de plutonio apto para armas , una alternativa al almacenamiento del excedente de plutonio, que debería protegerse contra el riesgo de robo para su uso en armas nucleares . [1] [2] Por otra parte, algunos estudios advirtieron que la normalización del uso comercial global del combustible MOX y la expansión asociada del reprocesamiento nuclear aumentarán, en lugar de reducir, el riesgo de proliferación nuclear , al alentar una mayor separación del plutonio del combustible gastado en el ciclo del combustible nuclear civil . [3] [4] [5]
En cada núcleo de reactor nuclear basado en uranio hay tanto fisión de isótopos de uranio como el uranio-235 , como la formación de nuevos isótopos más pesados debido a la captura de neutrones , principalmente por uranio-238 . La mayor parte de la masa de combustible en un reactor es uranio-238. Por captura de neutrones y dos desintegraciones beta sucesivas , el uranio-238 se convierte en plutonio-239 , que, por captura de neutrones sucesivas, se convierte en plutonio-240 , plutonio-241 , plutonio-242 y (después de más desintegraciones beta) otros nucleidos transuránicos o actínidos . El plutonio-239 y el plutonio-241 son fisionables , como el uranio-235. Pequeñas cantidades de uranio-236 , neptunio-237 y plutonio-238 se forman de manera similar a partir del uranio-235.
Normalmente, como el combustible de uranio poco enriquecido se cambia cada cinco años aproximadamente, la mayor parte del plutonio-239 se "quema" en el reactor. Se comporta como el uranio-235, con una sección transversal ligeramente mayor para la fisión, y su fisión libera una cantidad similar de energía . Por lo general, alrededor del uno por ciento del combustible gastado descargado de un reactor es plutonio , y aproximadamente dos tercios del plutonio es plutonio-239. En todo el mundo, cada año surgen casi 100 toneladas de plutonio en el combustible gastado.
El reprocesamiento del plutonio para convertirlo en combustible utilizable aumenta la energía derivada del uranio original en un 12% aproximadamente, y si el uranio-235 también se recicla mediante reenriquecimiento, esta se convierte en alrededor del 20%. [6] Actualmente, el plutonio solo se reprocesa y se utiliza una vez como combustible MOX; el combustible MOX gastado, con una alta proporción de actínidos menores e isótopos de plutonio, se almacena como residuo.
Los reactores nucleares existentes deben volver a obtener la licencia antes de poder introducir el combustible MOX, ya que su uso cambia las características operativas del reactor y la planta debe diseñarse o adaptarse ligeramente para aceptarlo; por ejemplo, se necesitan más barras de control . A menudo, solo entre un tercio y la mitad de la carga de combustible se cambia a MOX, pero para una carga de más del 50% de MOX, son necesarios cambios significativos y un reactor debe diseñarse en consecuencia. El diseño del reactor del Sistema 80 desplegado en la Central Nuclear de Palo Verde, cerca de Phoenix, Arizona, fue diseñado para una compatibilidad total del núcleo con MOX, pero hasta ahora siempre ha funcionado con uranio fresco de bajo enriquecimiento. En teoría, los tres reactores de Palo Verde podrían utilizar el MOX que surge de siete reactores alimentados con combustible convencional cada año y ya no requerirían combustible de uranio fresco.
Los reactores de neutrones rápidos BN-600 y BN-800 están diseñados para una carga de MOX del 100 %. En 2022, el BN-800 se cargó completamente con combustible MOX por primera vez. [7]
Según Atomic Energy of Canada Limited (AECL), los reactores CANDU podrían utilizar núcleos 100% MOX sin modificación física. [8] [9] AECL informó al comité de disposición de plutonio de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos que tiene una amplia experiencia en pruebas del uso de combustible MOX que contiene entre 0,5 y 3% de plutonio. [ cita requerida ]
El contenido de plutonio no quemado en el combustible MOX gastado de los reactores térmicos es significativo: más del 50% de la carga inicial de plutonio. Sin embargo, durante la combustión del MOX, la proporción de isótopos fisionables (de número impar) a no fisionables (pares) cae de alrededor del 65% al 20%, dependiendo del grado de combustión. Esto dificulta cualquier intento de recuperar los isótopos fisionables y cualquier volumen de Pu recuperado requeriría una fracción tan alta de Pu en cualquier MOX de segunda generación que sería impráctico. [ ¿Por qué? ] Esto significa que un combustible gastado de este tipo sería difícil de reprocesar para su posterior reutilización (quema) de plutonio. El reprocesamiento regular del MOX gastado bifásico es difícil debido a la baja solubilidad del PuO 2 en ácido nítrico. [10]
En 2015, la única demostración de combustible de alto grado de combustión y doble reciclado se produjo en el reactor rápido Phénix . [11]
El reprocesamiento de combustible nuclear comercial para fabricar MOX se lleva a cabo en Francia y, en menor medida, en Rusia , India y Japón . En el Reino Unido, THORP operó de 1994 a 2018. China planea desarrollar reactores reproductores rápidos y reprocesamiento. El reprocesamiento de combustible nuclear gastado de reactores comerciales no está permitido en los Estados Unidos debido a consideraciones de no proliferación. Alemania tenía planes para una planta de reprocesamiento en Wackersdorf, pero como esto no se materializó, en su lugar confió en las capacidades de reprocesamiento nuclear francesas hasta que prohibió legalmente el transporte de combustible gastado alemán para reprocesamiento en 2005. [12]
Estados Unidos estaba construyendo una planta de combustible MOX en el sitio de Savannah River en Carolina del Sur. Aunque la Tennessee Valley Authority (TVA) y Duke Energy expresaron interés en utilizar combustible de reactor MOX a partir de la conversión de plutonio apto para armas, [13] TVA (actualmente el cliente más probable) dijo en abril de 2011 que retrasaría una decisión hasta que pudiera ver cómo se comportó el combustible MOX en el accidente nuclear de Fukushima Daiichi . [14] En mayo de 2018, el Departamento de Energía informó que la planta requeriría otros 48 mil millones de dólares para completarse, además de los 7.6 mil millones de dólares ya gastados. La construcción se canceló. [15]
La mayoría de los reactores térmicos modernos que utilizan combustible de óxido de uranio de alto grado de combustión producen una proporción bastante significativa de su producción hacia el final de la vida del núcleo a partir de la fisión del plutonio producido por la captura de neutrones en el uranio 238 en una etapa anterior de la vida del núcleo, por lo que añadir algo de óxido de plutonio al combustible en la fabricación no es en principio un paso muy radical. Unos 30 reactores térmicos en Europa (Bélgica, Países Bajos, Suiza, Alemania y Francia) utilizan MOX [16] y otros 20 han obtenido licencia para hacerlo. La mayoría de los reactores lo utilizan en aproximadamente un tercio de su núcleo, pero algunos aceptan hasta un 50% de conjuntos de MOX. En Francia, EDF aspira a que todos sus reactores de la serie de 900 MWe funcionen con al menos un tercio de MOX. Japón aspiraba a que un tercio de sus reactores utilizaran MOX en 2010, y ha aprobado la construcción de un nuevo reactor con una carga de combustible completa de MOX. En 2011, del combustible nuclear total utilizado, el MOX proporciona aproximadamente el 2%. [6]
Las cuestiones de licencia y seguridad del uso de combustible MOX incluyen: [16]
Alrededor del 30% del plutonio cargado originalmente en el combustible MOX se consume al usarlo en un reactor térmico. En teoría, si un tercio de la carga de combustible del núcleo es MOX y dos tercios combustible de uranio, no hay cambio neto en la masa de plutonio en el combustible gastado y el ciclo podría repetirse; sin embargo, siguen existiendo múltiples dificultades para reprocesar el combustible MOX gastado. A partir de 2010, el plutonio solo se recicla una vez en los reactores térmicos, y el combustible MOX gastado se separa del resto del combustible gastado para almacenarse como residuo. [16]
Todos los isótopos del plutonio son fisionables o fértiles, aunque el plutonio-242 necesita absorber 3 neutrones antes de convertirse en curio -245 fisionable; en los reactores térmicos, la degradación isotópica limita el potencial de reciclado del plutonio. Alrededor del 1% del combustible nuclear gastado de los reactores de agua ligera actuales es plutonio, con una composición isotópica aproximada del 52%.239
94Pu
, 24%240
94Pu
, 15%241
94Pu
, 6%242
94Pu
y 2%238
94Pu
cuando se retira por primera vez el combustible del reactor. [16]
Debido a que la relación fisión-captura de neutrones de alta energía o rápidos cambia para favorecer la fisión para casi todos los actínidos , incluidos238
92tú
Los reactores rápidos podrían utilizar todos ellos como combustible. Todos los actínidos pueden sufrir fisión inducida por neutrones con neutrones rápidos o no moderados. Por lo tanto, un reactor rápido es más eficiente que un reactor térmico para utilizar plutonio y actínidos superiores como combustible.
Estos reactores rápidos son más adecuados para la transmutación de otros actínidos que los reactores térmicos. Debido a que los reactores térmicos utilizan neutrones lentos o moderados, los actínidos que no son fisionables con neutrones térmicos tienden a absorber los neutrones en lugar de fisionarse. Esto conduce a la acumulación de actínidos más pesados y reduce la cantidad de neutrones térmicos disponibles para continuar la reacción en cadena. Un reactor subcrítico con una fuente de neutrones externa podría funcionar en el espectro de neutrones rápidos (sin la necesidad de combustibles altamente enriquecidos como es común en los reactores rápidos) o utilizar neutrones térmicos para generar materiales fisionables, compensando la pérdida de neutrones al aumentar el flujo de la fuente de neutrones.
El primer paso es separar el plutonio del uranio restante (aproximadamente el 96% del combustible gastado) y los productos de fisión con otros desechos (en conjunto, aproximadamente el 3%) utilizando el proceso PUREX .
El combustible MOX se puede fabricar moliendo juntos óxido de uranio (UO 2 ) y óxido de plutonio (PuO 2 ) antes de prensar el óxido mezclado en pellets, pero este proceso tiene la desventaja de formar mucho polvo radiactivo.
Una mezcla de nitrato de uranilo y nitrato de plutonio en ácido nítrico se convierte mediante tratamiento con una base como el amoníaco para formar una mezcla de diuranato de amonio e hidróxido de plutonio. Después de calentar en una mezcla de 5% de hidrógeno y 95% de argón se formará una mezcla de dióxido de uranio y dióxido de plutonio . Utilizando una base , el polvo resultante se puede pasar por una prensa y convertir en pellets. Los pellets se pueden sinterizar luego para formar una mezcla de óxido de uranio y plutonio.
El plutonio procedente del combustible reprocesado suele transformarse en MOX en menos de cinco años desde su producción para evitar los problemas derivados de las impurezas producidas por la desintegración de isótopos de vida corta del plutonio. En particular, el plutonio-241 se desintegra en americio-241 con una vida media de 14 años. Como el americio-241 es un emisor de rayos gamma , [ cita requerida ] su presencia es un riesgo potencial para la salud ocupacional . Sin embargo, es posible eliminar el americio del plutonio mediante un proceso de separación química. Incluso en las peores condiciones, la mezcla de americio y plutonio es menos radiactiva que un licor de disolución de combustible gastado, por lo que debería ser relativamente sencillo recuperar el plutonio mediante PUREX u otro método de reprocesamiento acuoso. [ cita requerida ]
Es posible que tanto el americio como el curio se puedan añadir a un combustible MOX de U/Pu antes de cargarlo en un reactor rápido o en un reactor subcrítico que funcione en "modo de quemador de actínidos". Este es un medio de transmutación. El trabajo con curio es mucho más difícil que con americio porque el curio es un emisor de neutrones, por lo que la línea de producción de MOX tendría que estar protegida con plomo y agua para proteger a los trabajadores.
Además, la irradiación neutrónica del curio genera actínidos superiores , como el californio , que aumentan la dosis de neutrones asociada con el combustible nuclear utilizado ; esto tiene el potencial de contaminar el ciclo del combustible con fuertes emisores de neutrones. Como resultado, es probable que el curio quede excluido de la mayoría de los combustibles MOX. Un reactor subcrítico como el sistema impulsado por acelerador podría "quemar" dichos combustibles si se resuelven los problemas asociados con su manejo y transporte. Sin embargo, para evitar excursiones de potencia debido a criticidad no deseada, la neutrónica debe conocerse con precisión en cualquier momento dado, incluido el efecto de la acumulación o el consumo de nucleidos emisores de neutrones, así como de venenos neutrónicos.
También se está probando el combustible MOX que contiene óxidos de torio y plutonio. [17] Según un estudio noruego, "la reactividad del vacío refrigerante del combustible de torio-plutonio es negativa para contenidos de plutonio de hasta el 21%, mientras que la transición se encuentra en el 16% para el combustible MOX". [18] Los autores concluyeron que "el combustible de torio-plutonio parece ofrecer algunas ventajas sobre el combustible MOX con respecto a los valores de las barras de control y el boro , el CVR y el consumo de plutonio". [18]
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