Primero, hablemos de lo que son los desechos nucleares. Un reactor típico de agua ligera (LWR) descarga alrededor de 20 toneladas de conjuntos de combustible gastado por año. Estos conjuntos de combustible comenzaron como gránulos de óxido de uranio revestidos de aleación de circonio, enriquecidos al 4% de U-235 con el resto U-238. Cuando salen del reactor, en su mayoría siguen siendo solo eso, gránulos de óxido de uranio revestidos de zircalloy, pero ahora están agotados de la porción fisible del uranio y contaminados con productos de fisión. Además, una pequeña parte del uranio original se ha transmutado en actínidos superiores como el plutonio, el actinio y el cerio. Estados Unidos tiene alrededor de 61,000 toneladas de estas cosas y en todo el mundo, tenemos alrededor de 170,000 toneladas. Dado que el uranio es aproximadamente 1,5 veces más denso que el plomo, este realmente no es un volumen muy impresionante. Todo encajaría en un cubo de 25 metros de lado. Pero no lo haga porque todavía genera calor a unos 2 kilovatios por tonelada, por lo que un cubo grande se calentaría demasiado.
Los conjuntos de combustible gastado contienen mucho material que es bastante costoso en el mercado abierto. Sin embargo, los procesos para extraer esos materiales del combustible gastado caliente, radioactivo y mezclado son a menudo más costosos que los procesos para extraer esos materiales de minerales vírgenes. Estos procesos son una cuestión de desarrollo tecnológico y normas de seguridad. Si se racionalizan los avances tecnológicos y las regulaciones, uno podría imaginar extraer materiales valiosos de conjuntos de combustible gastado.
A un alto nivel, los conjuntos de combustible gastado son de bajo contenido de hafnio, zircalloy de grado nuclear, óxido de uranio, plutonio y otras cosas. Es tradicional citar la composición del combustible gastado en unidades de kg por tonelada de metal pesado (es decir, por tonelada de uranio y plutonio que representan más del 99% de la masa de metales pesados y aproximadamente el 95% de la masa de los no -revestimiento de parte de los conjuntos de combustible gastado).
Para el combustible gastado LWR con una combustión de 50 gigavatios por tonelada métrica de metal pesado (GWd / tHM), el combustible gastado desvestido y desoxidado consiste en aproximadamente 93.4% de uranio (~ 0.8% U-235), 5.2% productos de fisión, 1.2% de plutonio y 0.2% de elementos transuránicos menores (neptunio, americio y curio).
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1000 kg de combustible gastado desoxidado y sin revestimiento
926 kg de uranio no fisionable (U-238, U-236)
52 kg de productos de fisión
8 kg de U-235
12 kg de plutonio mixto
0,5 kg de Pu-238 (4% de TRU)
5.9 kg de Pu-239 (45% de las TRU)
2,8 kg de Pu-240 (21% de TRU)
1,6 kg de Pu-241 (12% de TRU)
1,1 kg de Pu-242 (8% de TRU)
2 kg de otros transuránicos
0.7 kg de Np-237 (5% de TRU)
0,5 kg de Am-xxx (4% de TRU)
0.5 kg de Cm-xxx (balance de 2 kg)
Luego están esos pocos kg de productos de fisión. Pocas fuentes citan la composición residual de estos productos de fisión. Muchos de ellos son estables y se pierden fácilmente en la sopa de material acuoso de conjuntos de combustible gastado disuelto de ácido nítrico. Por ejemplo, el oxígeno en el óxido de uranio generalmente no se cuenta cuidadosamente. Tampoco los metales simples y estables, como el circonio, que provienen de productos de fisión y no del revestimiento original. Rara vez se consideran yodo estable, estaño, teluro, germanio, arsénico, etc. Mi propia simulación de quemado sugiere la siguiente composición de la salida de un reactor que ha estado funcionando durante 4 años. Muchos de estos productos todavía están en descomposición, por lo que la composición 10 o 30 años después será ligeramente, pero no sustancialmente diferente. Los productos de fisión contienen algunos materiales muy raros en cantidades significativas. No he buscado exhaustivamente todos los precios, pero el rutenio, el paladio, el rodio y el rubidio son interesantes. El cesio y el estroncio son fuentes de calor y radiación gamma de larga duración, por lo que son potencialmente muy útiles, aunque las preocupaciones de seguridad limitan su uso. Finalmente, si bien el Tc-99 es extremadamente costoso, si se extrajera del combustible gastado en grandes volúmenes, el precio seguramente caería.
kg por valor de 50 MWd / tHM
22.306 él
12.236 Xe $ 1,500
10.664 Cs <- fuente de calor radiactivo
10.659 Zr
9.973 Nd
8.971 Mo
7.843 Ce
5.086 Ru $ 11,000
3.851 Ba
3.561 La
3.348 Pr $ 500
3.107 Sr <- fuente de calor radiactivo
2.541 Pd $ 72,000
2.372 Sm $ 2,200
2.348 Tc ~ $ 1 millón
1.610 Y
1.565 Rh $ 68,000
1.435 Te
1.405 Kr
1.171 Mg
0.963 Rb $ 100,000
0.832 I
0.307 Ne
0.218 Se
0.176 Eu
0.175 Sn
0.175 Ag $ 100
0.129 Cd
0.110 Pm
0,089 Nb
0.083 Br
0.079 Gd
0.059 Sb
0.011 en
0.006 Tb
0.003 Ge
0.002 Dy
0,001 como
Los transuránicos residuales, especialmente el plutonio, son combustibles fisibles útiles para otros reactores nucleares. La mayoría de los operadores de reactores preferirían usar combustible de uranio nuevo y enriquecido porque sus agencias de licencias saben cómo funcionan esos reactores con ese combustible. Sin embargo, algunos reactores tienen licencia para operar en algunos países con combustible de óxido mixto. Algunos reactores avanzados propuestos funcionarán con una amplia mezcla de combustibles, por lo que estos son probablemente los productos más valiosos del reciclaje de combustible gastado.