Qué es el ciclo de combustible nuclear? Tema 10

Transcripción

1 Qué es el ciclo de combustible nuclear?

2 Combustible nuclear Se denomina combustible nuclear a todo aquel material adaptado para poder ser utilizado en la generación de energía nuclear. El término puede referirse tanto al material por sí mismo como al conjunto elaborado y utilizado finalmente, es decir, los compuestos por barras o arreglos (prismas, esferas) que contienen el material físil o fértil en su interior, aquellas configuraciones que incluyen el combustible junto con el moderador o cualquier otra.

3 Uranio Torio El combustible nuclear por excelencia es el uranio, pero también el plutonio y el torio se usan frecuentemente. En los reactores térmicos convencionales, como el PWR, el BWR y el PHWR la absorción de neutrones en el 92 U 238 da lugar a la creación de plutonio 94 Pu 239, el cual se fisiona en los propios reactores. Típicamente la energía producida en este tipo de reactores proviene dos terceras partes del 94 U 235 y una tercera parte 94 Pu 239.

4 URANIO El uranio, elemento muy abundante que se encuentra en la naturaleza (al igual que sucede con la mayoría de las materias primas) no puede utilizarse directamente en los reactores nucleares. Se requieren una serie de actividades industriales que, conjuntamente, reciben el nombre de ciclo de combustible.

5 Uranio Se cree que está localizado principalmente en la corteza terrestre, donde la concentración promedio es 4 partes por millón (ppm). El contenido total en la corteza terrestre hasta la profundidad de 25 Km (15 mi) se calcula en Kg (2.2 x lb); los océanos pueden contener Kg (2.2 x lb) de uranio. Se conocen cientos de minerales que contienen uranio, pero sólo unos pocos son de interés comercial.

6 Uranio Actualmente también en el proceso de desmantelamiento de armas nucleares se están diluyendo cantidades importantes de uranio altamente enriquecido ( 90% U 235 ) para convertirlas en uranio de bajo enriquecimiento( 5% U 235 ) apto como combustible de reactores nucleoeléctricos.

7 Isotopo Plutonio-236 Plutonio-237 Plutonio-238 Plutonio-239 Plutonio-240 Plutonio-241 Plutonio-242 Plutonio-243 Plutonio-244 Plutonio-245 Plutonio-246 Vida media 2.87 años 45.2 dias 87.7 años años años 14.4 años años horas 80 millones de años 10.5 horas dias Plutonio Es un metal plateado, reactivo, y existen varios tipos de isotopos. Su isótopo principal es 239 Pu, posee una vida media de años. Se forma en los reactores nucleares, al igual que el 240 Pu y el 241 Pu. Es fisionable y se emplea como combustible nuclear en la producción de isótopos radiactivos para la investigación y como agente fisionable en armas nucleares. El 238 Pu fue producido en 1940 en la Universidad de California en Berkeley.

8 Plutonio Bastnaesita En 1971 se encontraros trazas de 244 Pu, único existente en la naturaleza, y otros elementos en la bastnaesita (mineral de la clase de los carbonatos), constituyendo este hallazgo la única prueba de la presencia de estos elementos en la naturaleza. La vida media de este isotopo se calcula en 80 millones de años. En los minerales de uranio se encuentran trazas de plutonio, pero hoy pueden conseguirse cantidades relativamente grandes en reactores nucleares, el cual se maneja únicamente dentro de las instalaciones del ciclo de combustible.

9 Berzelius, Jöns Jacob Torio Elemento químico radiactivo con una vida media de aproximadamente 1.4 x años. Al igual que el uranio, el Th 232 es un material fértil que puede servir para producir material fisible, que puede usarse a su vez como combustible en un reactor nuclear. Descubierto por Berzelius en La mayor parte del calor del interior de la Tierra se atribuye a torio y uranio. Es tres veces más abundante que el uranio y tan abundante como el plomo puro, el torio es un metal pesado blanco plateado, brillante, blando, muy dúctil, que puede ser laminado, moldeado y estirado en frío.

10 Monazita o monacita Torio En un reactor, el torio puede ser criado en U 233, que es un combustible atómico. Se estima que la energía que se puede obtener de las reservas mundiales de torio es tan grande como la energía combinada que pueden proporcionar todo el uranio, el carbón y el petróleo del mundo. La monazita, el mineral de torio más común y el más importante desde el punto de vista comercial, está ampliamente distribuida en la naturaleza. Aunque se obtiene torio de muy alta pureza, frecuentemente contiene un porcentaje de varias décimas de óxido.

11 Torio Torio Este metal es una fuente de energía nuclear. Probablemente hay más energía disponible en el torio existente (0,01% en peso) en los minerales de la corteza terrestre que en el uranio y los combustibles fósiles. Sin embargo, la demanda como combustible debe esperar algunos años; se está haciendo el desarrollo de reactores convertidores de ciclo de torio. La India, Australia, Noruega, Estados Unidos y Canadá son los países que albergan las mayores reservas de este mineral.

12 Ciclo de combustible nuclear Este ciclo consta de varias fases: minería, producción de concentrados de uranio, conversión, enriquecimiento, fabricación de elementos de combustible, reprocesado (en los países que opten por esta estrategia) y almacenamiento de residuos radiactivos. A continuación se describirá de forma breve cada una de estas etapas.

13 Uranita Pechblenda Ciclo de combustible nuclear 1) Minería: el uranio es un elemento natural que se encuentra principalmente en forma de mineral, existiendo unas 150 variedades minerales distintas como, por ejemplo, la uranita o la pechblenda. Cabe mencionar que también existe uranio en cantidades pequeñas en ciertos fosfatos de origen marino, aunque su explotación sigue siendo muy cara en la actualidad. También existe Uranio muy diluido en el agua de mar (3mg por cada tonelada de agua).

14 1) Minería El uranio natural se encuentra en la forma de óxido de uranio (U 3 O 8 ) de diferentes grados de oxidación (equivalentes a U 3 O 8 refinado). En México existen reservas potenciales probadas uraníferas en los estados de Baja California Sur, Chihuahua, Durango, Nuevo León, Oaxaca y Sonora.

15 1) Minería Subterráneo Esta fase comienza con la extracción en yacimientos abiertos o subterráneos con métodos similares a la minería de otros materiales. El material extraído pasa a la siguiente fase minera, la separación. Abierto

16 2) Producción de concentrados de uranio: Una vez que el mineral que contiene el uranio es extraído en las minas, se tritura para obtener partículas de pequeño tamaño que serán tratadas posteriormente mediante procesos químicos.

17 2) Producción de concentrados de uranio: El primer paso es filtrar el uranio con agua. Después se filtra con soluciones de ácido sulfúrico para separar el óxido de uranio del resto del mineral

18 2) Producción de concentrados de uranio: Se filtra nuevamente y extrae el óxido de uranio mediante un proceso eléctrico hasta conseguir su precipitación. Después pasa a ser centrifugado y secado en un horno de temperaturas de 700 C.

19 2) Producción de concentrados de uranio: Esta técnica permite separar el óxido de uranio (que tiene una concentración en torno al 1%) del resto de componentes del mineral. El óxido de uranio así procesado pasa del 1% al 80% de concentración en U 3 O 8 y se denomina yellow cake por su color amarillo. Este óxido es trasladado a la planta de enriquecimiento.

20 3) Conversión y enriquecimiento: El uranio presente en la naturaleza contiene los isótopos: 238 U, 235 U y 234 U, con abundancias relativas del %, 0.71% y 0.005% respectivamente. Los reactores nucleares moderados con agua ligera, necesitan un combustible que tenga una abundancia relativa en 235 U del 3-5%, aproximadamente. Por tanto se requiere enriquecer el uranio natural, es decir, incrementar su concentración en 235 U.

21 3) Conversión y enriquecimiento: Para enriquecer el concentrado de uranio se debe purificar y transformar en un compuesto con facilidad para trabajar, hexafluoruro de uranio (UF 6 ), corrosivo y reactivo. Este proceso recibe el nombre de conversión.

22 Existen diversos métodos para enriquecer al uranio: a.difusión gaseosa. b.centrifugación. c.procesos láser. d.difusión térmica. e.tobera. 3) Conversión y enriquecimiento: f.procesos aerodinámicos. g.separación electromagnética de isotopos. h.entre otros. Los más utilizados son los 3 primeros.

23 3) Conversión y enriquecimiento: a. Difusión gaseosa. Es una tecnología utilizada para producir uranio enriquecido que consiste en forzar al gas de hexafluoruro de uranio a través de una membrana semipermeable, lo que produce una ligera separación entre las moléculas que contienen 235 U y las que contienen 238 U. Primer procedimiento utilizado a gran escala, pero esta siendo sustituido por la centrifugación.

24 b. Procesos láser. La separación isotópica del uranio consiste en excitar los átomos de U 235 empleando un haz luminosos altamente monocromático (luz láser) y posteriormente separarlos haciendo pasar el haz de átomos a través de un campo eléctrico o magnético, el cual desvía los átomos excitados. El consumo teórico de energía en el proceso es de 1000 veces menos que el de difusión. Es una tecnología en desarrollo y constituye posiblemente una 3a generación tecnológica que promete menos requerimientos de aportación de energía, más bajos costes de capital, y reducción de pruebas, lo cual suponen ventajas económicas significativas.

25 3) Conversión y enriquecimiento: c. Centrifugación. Es el método que actualmente es el más utilizado para el enriquecimiento. El proceso comienza cuando el gas se introduce a una centrifugadora, la cual, es girada a grandes velocidades para crear una fuerza centrifuga muy fuerte, de manera que las moléculas más pesadas que contienen 238 U, se desplazan hacia la parte exterior del cilindro, mientras que las más ligeras del 235 U se recogen más cercanas al centro.

26 3) Conversión y enriquecimiento:..centrifugación. El uranio enriquecido que se obtiene pasa por varias centrifugadoras hasta obtener el valor deseado. El hexafluoruro de uranio enriquecido que se obtiene es del 3-5% U 235 ; también se genera uranio empobrecido (85% U 238 ) el cual es almacenado y utilizado, por ejemplo como municiones para atravesar blindajes. Este uranio es aprox. 60% más radioactivo que el uranio natural.

27 4)Fabricación del elemento combustible: Una vez que el UF 6 se ha enriquecido, se convierte mediante procesos químicos en polvo de óxido de uranio enriquecido (UO 2 ). El polvo se prensa y se sinteriza en hornos especiales a altas temperaturas para fabricar pastillas cerámicas de UO 2. Estas pastillas tienen un tamaño aproximado de la mitad de un dedal de costura y son el verdadero combustible de un reactor nuclear convencional.

28 4)Fabricación del elemento combustible: Las pastillas son apiladas en tubos de zircaloy, conocidos como tubos de combustible (que tienen generalmente 4 metros de longitud) los cuales se sellan y son colocados en un armazón, que posteriormente son ensamblados para su transporte desde la planta de fabricación hacia el emplazamiento del reactor.

29 5) Reprocesado. En un reactor BWR convencional (laguna verde), se introducen 444 ensambles de combustibles, haciendo un total de 92 toneladas de óxido de uranio (UO 2 al 1.87%) enriquecido que se irradian con neutrones en el interior del reactor durante aproximadamente 4 y 5 años. Una vez quemado, mediante reacciones de fisión, los elementos combustibles se sacan del reactor y se almacenan en las piscinas de combustible que se encuentran en las propias centrales.

30 5) Reprocesado. En realidad, el elemento combustible guarda aún un gran potencial energético que se puede utilizar. A partir de este punto existen 3 posibles opciones: a) el combustible gastado se considera residuo radiactivo, en cuyo caso se procede a su gestión definitiva, por ejemplo en un almacén geológico profundo (AGP).

31 5) Reprocesado. b) el combustible gastado se considera como producto del que se puede recuperar uranio y plutonio para su aprovechamiento energético posterior. Esta estrategia se denomina reprocesado y con ella se cierra el ciclo de combustible. (Francia, Alemania, Bélgica, Suiza o Reino Unido, Japón, Rusia) c) almacenamiento temporal dentro del edificio. (México, EUA, Canadá, España, Alemania). En México se realizan recargas anuales de combustible de 96 ensambles de 2.71% de U 235.

32 6) Almacenamiento de residuos: Durante el ciclo de combustible se producen residuos radiactivos que se pueden clasificar en dos clases: Residuos de Baja y Media Actividad: un 90% de estos residuos proceden de las centrales nucleares y un 10% de aplicaciones médicas, industriales y de investigación. El almacenamiento de estos residuos se realiza en instalaciones superficiales o a poca profundidad. Residuos de Alta Actividad: la práctica totalidad de estos residuos provienen del combustible gastado de las centrales nucleares.

33 El ciclo del combustible es similar en todos los países para los pasos 1 a 4. Sin embargo existen diferentes estrategias para los puntos 5 y 6. Existen países en los que el combustible gastado es considerado una materia prima con gran potencial energético mientras que en otros, el combustible gastado se considera residuo radiactivo en su totalidad. En México se ha desarrollado muy incipientemente la minería del uranio solo se producen unas cuantas toneladas de uranio.