En el país de generación de energía nuclear más grande del mundo, Estados Unidos, no se procesa en absoluto. Cada instalación de energía nuclear tiene la capacidad de almacenar hasta 100 años de combustible gastado en el sitio en barriles secos. Millones de libras de combustible gastado en cada instalación.
Esto se debe a que no existe una instalación nacional permanente de almacenamiento a largo plazo, así como problemas de transporte a dicho sitio si alguna vez fue comisionado.
Algunos países optaron por reprocesar el combustible ya que> 95% de los residuos son reciclables como combustible nuevo. Debido a la naturaleza del reprocesamiento de combustible que produce cantidades utilizables de plutonio y uranio de grado de armas, los Estados Unidos no respaldan ni aprueban el reprocesamiento.
Francia, Rusia, Japón, India y China reprocesan la mayor parte de su combustible gastado, mientras que Estados Unidos, Canadá, Finlandia y Suecia han optado actualmente por la eliminación directa. La mayoría de los países aún no han decidido qué estrategia adoptar.
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A principios de la década de 2000, el MIT realizó un estudio para determinar la mejor solución a estos problemas. Su respuesta, sorprendentemente, fue sugerir que esperemos a la próxima generación después de nosotros para resolverlo. Que tal vez para entonces habría avances útiles en materiales y procesamiento que serían mucho mejores que nuestras opciones actuales de vanguardia disponibles en la actualidad.
Procesamiento de combustible nuclear usado
En los últimos 50 años, la razón principal para reprocesar el combustible usado ha sido recuperar el plutonio no utilizado, junto con el uranio no utilizado menos inmediatamente útil, en los elementos combustibles usados y así cerrar el ciclo del combustible, obteniendo entre un 25% y un 30% más de energía del uranio original en el proceso. Esto contribuye a la seguridad energética nacional. Una razón secundaria es reducir el volumen de material a ser eliminado como desecho de alto nivel a aproximadamente un quinto. Además, el nivel de radiactividad en los desechos del reprocesamiento es mucho menor y después de aproximadamente 100 años cae mucho más rápidamente que en el combustible usado.
Todas estas consideraciones se basan en los reactores de potencia actuales, pero el cambio a reactores de neutrones rápidos de cuarta generación a fines de la década de 2020 cambia drásticamente las perspectivas y significa que no solo se utilizó combustible de los reactores de hoy en día, sino también las grandes reservas de uranio empobrecido (de plantas de enriquecimiento). , alrededor de 1,5 millones de toneladas en 2015) se convierten en una fuente de combustible. La minería de uranio será mucho menos significativa.
Otro cambio importante se relaciona con los desechos. En la última década, ha crecido el interés en recuperar todos los actínidos de larga duración * juntos ( es decir, con plutonio) para reciclarlos en reactores rápidos para que terminen como productos de fisión de corta duración. Esta política está impulsada por dos factores: la reducción de la radiactividad a largo plazo en los desechos de alto nivel y la posibilidad de que el plutonio se desvíe del uso civil, lo que aumenta la resistencia a la proliferación del ciclo del combustible. Si el combustible usado no se reprocesa, en un siglo o dos la protección radiológica incorporada habrá disminuido, permitiendo que el plutonio se recupere para uso ilícito (aunque no es adecuado para armas debido a los isótopos no fisibles presentes).
* Los actínidos son los elementos 89 a 103, actinio a lawrencio, incluidos torio, protactinio y uranio, así como transuránicos, especialmente neptunio, plutonio, americio, cerio y californio. Los actínidos menores en el combustible usado son todos excepto uranio y plutonio.
El reprocesamiento del combustible usado para recuperar uranio (como uranio reprocesado o RepU) y el plutonio (Pu) evitan el desperdicio de un recurso valioso. La mayor parte, alrededor del 96%, es uranio, de los cuales menos del 1% es el U-235 fisible (a menudo 0.4-0.8%); y hasta 1% es plutonio. Ambos se pueden reciclar como combustible fresco, ahorrando hasta un 30% del uranio natural que de otro modo se requeriría. El RepU es principalmente valioso por su potencial fértil, ya que se transforma en plutonio-239 que puede quemarse en el reactor donde se forma.
Hasta ahora, se han reprocesado unas 90,000 toneladas (de 290,000 t descargadas) de combustible usado de reactores de potencia comerciales. La capacidad de reprocesamiento anual es ahora de aproximadamente 4500 toneladas por año para combustibles de óxido normales, pero no todo está operativo.
Entre 2010 y 2030, se espera que se generen alrededor de 400,000 toneladas de combustible usado en todo el mundo, incluidas 60,000 toneladas en Norteamérica y 69,000 toneladas en Europa.
Reprocesamiento hoy – PUREX
Todas las plantas comerciales de reprocesamiento utilizan el bien probado proceso PUREX hidrometalúrgico (extracción de uranio y plutonio), que separa el uranio y el plutonio de manera muy efectiva. Esto implica disolver los elementos combustibles en ácido nítrico concentrado. La separación química del uranio y el plutonio se lleva a cabo mediante etapas de extracción con solventes (el neptunio, que puede usarse para producir Pu-238 para generadores termoeléctricos para naves espaciales, también se puede recuperar si es necesario). El Pu y el U pueden devolverse al lado de entrada del ciclo de combustible: el uranio a la planta de conversión antes del nuevo enriquecimiento y el plutonio directamente a la fabricación de combustible MOX.
Alternativamente, se puede dejar una pequeña cantidad de uranio recuperado con el plutonio que se envía a la planta MOX, para que el plutonio nunca se separe por sí solo. Esto se conoce como el proceso COEX (coextracción de actínidos), desarrollado en Francia como un proceso de ‘Generación III’, pero aún no está en uso (ver la siguiente sección). La nueva planta de Rokkasho de Japón utiliza un proceso PUREX modificado para lograr un resultado similar al recombinar algo de uranio antes de la desnitrificación, con el producto principal siendo 50:50 óxidos mixtos.
En cualquier caso, el líquido restante después de eliminar Pu y U es un desecho de alto nivel, que contiene aproximadamente el 3% del combustible usado en forma de productos de fisión y actínidos menores (especialmente Np, Am, Cm). Es altamente radiactivo y continúa generando mucho calor. Está condicionado por la calcinación y la incorporación del material seco en vidrio de borosilicato, luego se almacena hasta su eliminación. En principio, cualquier sólido compacto, estable e insoluble es satisfactorio para su eliminación.
Poner las preocupaciones de muchas naciones en perspectiva sobre el reprocesamiento de combustible. El número de 400,000 toneladas mencionado anteriormente con 1% de contenido de plutonio, es suficiente plutonio para fabricar más de 1,000,000 de armas nucleares. Aproximadamente 100 veces el número de armas nucleares que existen en la actualidad. Con tanto material de grado de armas flotando en el mercado de generación de energía comercial, no es cuestión de si parte de este material termina en las manos equivocadas. Es una cuestión de cuando parte del material termina en las manos equivocadas. Es muy poco probable que todo se pueda contener y controlar todo el tiempo.
El DOE probó la usabilidad del plutonio de calidad de reactor para construir un arma en 1962. Se construyó una bomba nuclear utilizando Pu-240 y se detonó con éxito con un rendimiento inferior a 20kt. [1] La amenaza es real.
Notas al pie
[1] Documentos de OpenNet del Departamento de Energía (DOE)