¿Por qué los reactores nucleares existentes no han sido capaces de alcanzar fracciones de quemado superiores al 10%?

¿Respuesta corta? Tonterías políticas y resistencia al cambio.
Al principio de la historia de la energía nuclear, los Estados Unidos desarrollaron el reactor moderado de agua ligera (LWR) que utiliza combustible U235. Es un diseño relativamente simple, y la mayoría de los países lo adoptaron.
El problema es que más del 99% del uranio extraído es U238, que realmente no se fisiona en un LWR (puede absorber un neutrón, convertirse en Pu239, lo que hace … pero eso no contribuye mucho), así que enriquecemos nuestro combustible tener una mayor concentración de U235, hasta 4%. Los venenos de los productos de fisión se acumulan con el tiempo y absorben demasiados neutrones. En ese momento se gasta el combustible. … a pesar de que todavía queda mucho U238, U235 y otro combustible utilizable. Simplemente no funcionará en un LWR. ¿Por qué no nos enriquecemos más alto? Por la preocupación de las armas nucleares. No queríamos que nadie más enriqueciera demasiado sus 235 (porque eso se puede usar en armas nucleares), por lo que dijimos que no lo haríamos, y torcimos un poco las armas de todos para estar de acuerdo.
Nota al margen … Esta regla no se aplica a los reactores MILITARES, que están enriquecidos en más del 90%. Los reactores militares queman su combustible de manera mucho más eficiente.

Sin embargo, los reactores de espectro FAST usan U238 como combustible. Lo que es aún mejor, el combustible puede recuperarse fácilmente en el sitio y reutilizarse en el reactor, hasta que se utilicen casi todos los productos fisionables.
Construimos uno, EBR II, funcionó y generó electricidad durante 30 años.
¿Por qué no los construimos? Para empezar, el viejo Al Gore le dijo a Clinton que abandonara el programa.
Bueno, finalmente, se están construyendo.
Todos simplemente optaron por el diseño LWR, porque era rápidamente escalable y una tecnología conocida.
Entonces, todo nuestro combustible gastado de LWR, es solo desperdicio, ¿verdad? No Puede ser reprocesado también. ¿Por qué no nosotros? Debido a que el reprocesamiento de ESE combustible separa el plutonio, y la gente estaba preocupada de que alguien lo robara, a pesar de que sería altamente radiactivo. …
Ahí vas. Tenemos la tecnología y hemos operado con éxito reactores que pueden utilizar casi todo el combustible … pero es más barato y más fácil no … un triste desperdicio … un horrible desperdicio de energía …
¡Hemos gastado suficiente combustible para alimentar reactores rápidos durante casi 1000 AÑOS!
Y, no habría necesidad de Yucca Mountain …


¿Por qué los reactores nucleares existentes no han sido capaces de alcanzar fracciones de quemado superiores al 10%?

Los reactores existentes no pueden quemar más del 10% porque ese no es el factor limitante. El factor limitante es la acumulación de productos de fisión, muchos de los cuales absorben neutrones (también conocidos como venenos de productos de fisión). Cuando la cantidad de venenos de productos de fisión se vuelve demasiado grande, el combustible no se puede usar. Se retira del reactor a pesar de que el 90% + del uranio-235 todavía está allí. Para usar más el combustible, tendría que eliminar los productos de fisión mediante el reprocesamiento, un procedimiento desordenado y costoso.