Combustible nuclear gastado - Spent nuclear fuel
El combustible nuclear gastado , en ocasiones llamado combustible nuclear usado , es combustible nuclear que ha sido irradiado en un reactor nuclear (generalmente en una planta de energía 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 , puede tener constituyentes isotópicos considerablemente diferentes.
Naturaleza del combustible gastado
Propiedades de los nanomateriales
En el combustible de óxido , existen gradientes de temperatura intensos que hacen que los productos de fisión migren. 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 bajo punto de ebullición se mueven hacia el borde de la pastilla. Es probable que el gránulo contenga muchos poros pequeños en forma de burbujas que se forman durante el uso; el xenón producto de fisión migra a estos vacíos. Parte de este xenón se descompondrá para formar cesio , por lo que muchas de estas burbujas contienen una gran concentración de 137 Cs.
En el caso del combustible de óxido mixto ( 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 documento que describe un método para realizar una simulación no radiactiva de "uranio activo" de combustible de óxido gastado.
Productos de fisión
3% de la masa consiste en 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 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 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 o no radiactivo, o sólo de corta duración radioisótopos , pero un número considerable son de medianas a radioisótopos vivido largo como 90 Sr , 137 Cs , 99 Tc y 129 I . Varios países diferentes han realizado investigaciones para segregar 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; esto no se está haciendo comercialmente actualmente.
Los productos de fisión pueden modificar las propiedades térmicas del dióxido de uranio; los óxidos de lantánidos tienden a disminuir la conductividad térmica del combustible, mientras que las nanopartículas metálicas aumentan ligeramente la conductividad térmica del combustible.
Tabla de datos químicos
| Elemento | Gas | Metal | Óxido | Solución sólida |
|---|---|---|---|---|
| Br Kr | sí | - | - | - |
| Rb | sí | - | sí | - |
| Sr | - | - | sí | sí |
| Y | - | - | - | sí |
| Zr | - | - | sí | sí |
| Nótese bien | - | - | sí | - |
| Mes | - | sí | sí | - |
| Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sb | - | sí | - | - |
| Te | sí | sí | sí | sí |
| Yo Xe | sí | - | - | - |
| Cs | sí | - | sí | - |
| Licenciado en Letras | - | - | sí | sí |
| La Ce Pr Nd Pm Sm Eu | - | - | - | sí |
Plutonio
Aproximadamente el 1% de la masa es 239 Pu y 240 Pu resultante de la conversión de 238 U, que puede 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 reactor , 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, el plutonio es apto para armas (más del 93%).
Uranio
El 96% de la masa es el uranio restante: la mayor parte de las 238 U originales y un poco de 235 U. Por lo general, 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 se puede utilizar como huella dactilar para el combustible gastado del reactor.
Si se usa un combustible de torio para producir 233 U fisionables , 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 de 233 U no completamente descompuestos.
En el caso del combustible de uranio natural , el componente fisionable comienza con una concentración de 235 U del 0,7% en el uranio natural. En el momento del alta, 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 fisible 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 deben reprocesarse porque el almacenamiento y la eliminación a largo plazo son difíciles.
Actínidos menores
Hay trazas de actínidos menores en el combustible gastado del reactor. Estos son actínidos distintos del uranio y el plutonio e incluyen neptunio , americio y 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 de funcionamiento del reactor.
Calor de descomposición del combustible gastado
Cuando un reactor nuclear se apaga y la reacción en cadena de 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 del apagado del reactor, el calor de desintegración será aproximadamente el 7% de la energía del núcleo anterior si el reactor ha tenido un historial de energía largo y constante . Aproximadamente 1 hora después del apagado, el calor de desintegración será aproximadamente el 1,5% de la potencia del núcleo 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 continuará disminuyendo lentamente con el tiempo.
El combustible gastado que se ha extraído 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 se basan en el enfriamiento pasivo, sino que requieren que el agua se bombee activamente a través de intercambiadores de calor.
Composición del combustible y radiactividad a largo plazo
El uso de diferentes combustibles en reactores nucleares da como resultado una composición de SNF diferente, con curvas de actividad variables.
Los residuos radiactivos de larga duración del final del ciclo del combustible son especialmente relevantes al diseñar un plan completo de gestión de residuos para SNF. Al observar la desintegración radiactiva a largo plazo , los actínidos en el SNF tienen una influencia significativa debido a sus semividas 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 de la parte 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 grado reactor (RGPu), torio con plutonio grado 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 la parte inferior derecha, mientras que para RGPu y WGPu la curva se mantiene más alta debido a la presencia de U-233 que no se ha descompuesto por completo. El reprocesamiento nuclear puede eliminar los actínidos del combustible gastado para que puedan ser usados o destruidos (ver Producto de fisión de larga duración # Actínidos ).
Corrosión por combustible gastado
Nanopartículas de metales nobles e hidrógeno
Según el trabajo del electroquímico de corrosión David W. Shoesmith, 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 el hidrógeno (H 2 ) concentración es alta (debido a la anaeróbica a la corrosión del acero de residuos puede), la oxidación de hidrógeno a las nanopartículas se ejercen un efecto protector sobre el dióxido de uranio. Este efecto se puede considerar como un ejemplo de protección mediante un ánodo de sacrificio , donde en lugar de un ánodo metálico reaccionando y disolviéndose, es el gas hidrógeno el que se consume.
Almacenamiento, tratamiento y eliminación
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El combustible nuclear gastado se almacena en piscinas de combustible gastado (SFP) o en toneles secos . En los Estados Unidos, los SFP y los contenedores que contienen combustible gastado se encuentran directamente en los sitios de las plantas de energía nuclear o en las 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 los ISFSI almacenan el combustible gastado en toneles secos. La Operación Morris es actualmente la única ISFSI con una piscina 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 reprocesamiento mismo. Si estas partes constituyentes del combustible gastado se reutilizaran y se limitaran los desechos adicionales que pueden surgir como un subproducto del reprocesamiento, el reprocesamiento podría reducir en última instancia el volumen de desechos que deben eliminarse.
Alternativamente, el combustible nuclear gastado intacto puede eliminarse directamente como desechos radiactivos de alta actividad . Estados Unidos ha planificado la eliminación en formaciones geológicas profundas , como el depósito de desechos nucleares de Yucca Mountain , donde debe protegerse y empaquetarse para evitar su migración al entorno inmediato de los humanos durante miles de años. Sin embargo, el 5 de marzo de 2009, el secretario de Energía, Steven Chu, dijo en una audiencia del Senado que "el sitio de Yucca Mountain ya no se consideraba una opción para almacenar desechos de reactores".
La eliminación geológica ha sido aprobada en Finlandia mediante el proceso KBS-3 .
En Suiza, el Consejo Federal aprobó en 2008 el plan para el depósito geológico profundo de residuos radiactivos.
Remediación
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 se saturan 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 el combustible nuclear gastado. La vida media es larga, alrededor de 30 años, y se clasifica como residuo de actividad alta.
Los investigadores han analizado la bioacumulación de estroncio por Scenedesmus spinosus ( algas ) en aguas residuales simuladas. El estudio afirma una capacidad de biosorción altamente selectiva para el estroncio de S. spinosus, lo que sugiere que puede ser apropiado para el uso de aguas residuales nucleares. Un estudio del alga de estanque Closterium moniliferum utilizando estroncio no radiactivo encontró que al variar la proporción de bario a estroncio en el agua se mejora la selectividad del estroncio.
Riesgos
El combustible nuclear gastado sigue siendo un peligro de radiación durante períodos prolongados con vidas medias de hasta 24.000 años. Por ejemplo, 10 años después de la extracción de un reactor, la tasa de dosis en la superficie para un conjunto de combustible gastado típico aún excede los 10,000 rem / hora, mucho mayor que la dosis mortal para todo el cuerpo para humanos de alrededor de 500 rem recibidos de una vez.
Existe un debate sobre si el combustible gastado almacenado en una piscina es susceptible a incidentes como terremotos o ataques terroristas que potencialmente podrían resultar en una liberación de radiación.
En la rara ocurrencia de una falla de combustible durante el funcionamiento normal, el refrigerante primario puede ingresar al elemento. Las técnicas visuales se utilizan normalmente para la inspección posterior a la irradiación de los haces de combustible.
Desde los ataques del 11 de septiembre, la Comisión Reguladora Nuclear ha instituido una serie de reglas que exigen que todos los depósitos de combustible sean impermeables 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 regularmente para garantizar su resistencia a terremotos, tornados, huracanes y seiches .