Combustible nuclear de mezcla de óxidos para niños
El combustible nuclear de mezcla de óxidos (MOX) es un tipo de combustible especial que se usa en los reactores nucleares. Está hecho de una mezcla de óxido de uranio (que puede ser natural, reprocesado o empobrecido) y óxido de plutonio. La cantidad de plutonio en este combustible suele estar entre el 3% y el 10%. El combustible MOX funciona de manera muy parecida al uranio de bajo enriquecimiento, que es el combustible para el que se diseñaron la mayoría de los reactores nucleares de agua ligera.
Una de las ventajas del combustible MOX es que ayuda a gestionar el plutonio que se acumula, lo que contribuye a la seguridad global de los materiales nucleares.
Contenido
¿Qué es el Combustible MOX y cómo funciona?
La base del combustible nuclear
En el corazón de los reactores nucleares que usan uranio, ocurre un proceso llamado fisión. Esto significa que los átomos de uranio (especialmente el tipo llamado 235U) se dividen, liberando mucha energía. Al mismo tiempo, otros átomos de uranio, como el 238U, pueden absorber partículas muy pequeñas llamadas neutrones. Este proceso se conoce como captura neutrónica. Cuando el 238U absorbe neutrones, se transforma en plutonio (239Pu, 240Pu, 241Pu y 242Pu) y otros elementos pesados.
El 239Pu, al igual que el 235U, también puede dividirse (fisionarse) y liberar energía.
El ciclo del combustible en un reactor
Cuando se cambia el combustible de un reactor, lo que ocurre cada 3 años aproximadamente, la mayor parte del 239Pu que se ha formado se consume dentro del reactor. Esto se debe a que se comporta como el 235U y sus fisiones también producen energía. Cuanto más tiempo se usa el combustible (lo que se llama "quemado"), menos plutonio queda en el combustible usado. Normalmente, el combustible usado contiene alrededor del 1% de plutonio, y de ese 1%, unas dos terceras partes son 239Pu.
Cada año, se producen unas 100 toneladas de plutonio en el combustible usado en todo el mundo. Si este plutonio se recicla, se puede obtener aproximadamente un 12% más de energía del uranio original. Si también se recicla el uranio, se puede llegar a un 20% más de energía.
Adaptación de los reactores para MOX
Antes de usar combustible MOX, los reactores nucleares existentes necesitan una nueva autorización. Generalmente, solo una parte del combustible que se recarga (entre un tercio y la mitad) se cambia a MOX. Usar este combustible modifica cómo funciona el reactor, por lo que la planta debe adaptarse un poco. Por ejemplo, se necesitan más barras de control para regular la reacción.
Si se quiere usar más del 50% de combustible MOX, se necesitan cambios más grandes en el reactor. La Estación de Generación Nuclear de Palo Verde en Arizona, Estados Unidos, fue diseñada para usar 100% de combustible MOX, aunque siempre ha funcionado con uranio poco enriquecido. Los reactores CANDU también podrían usar núcleos con 100% de MOX sin necesidad de modificar su diseño.
¿Dónde se usa el Combustible MOX?
Uso comercial y acuerdos internacionales
El reprocesamiento nuclear comercial para fabricar MOX se realiza principalmente en el Reino Unido y Francia. En menor medida, también se hace en Rusia, India y Japón. China también tiene planes para desarrollar reactores rápidos y el reprocesamiento.
En Estados Unidos, el reprocesamiento del combustible nuclear comercial usado no está permitido debido a acuerdos internacionales para la seguridad de los materiales nucleares.
La mayoría de estas naciones tienen experiencia con materiales nucleares, excepto Japón, que no busca obtenerlos.
Reactores térmicos
Más de 30 reactores térmicos en Europa ya usan MOX, y otros 20 tienen permiso para hacerlo. La mayoría de estos reactores lo usan en un tercio de su núcleo, pero algunos llegarán a usarlo en un 50%. La compañía francesa EDF espera que todos sus reactores de 900 MWe funcionen con al menos un tercio de MOX. Japón planea que un tercio de sus reactores usen MOX y ha aprobado la construcción de un nuevo reactor que funcionará completamente con este combustible.
Reactores rápidos
Los reactores "rápidos" son los más adecuados para usar plutonio. Estos reactores apenas frenan los neutrones que se liberan en la fisión. Dependiendo de cómo se use el combustible, el reactor puede servir para producir plutonio o para "quemarlo". Además, estos reactores son mejores para transformar ciertos elementos en otros.
Todos los tipos de plutonio pueden fisionarse o transformarse. En los reactores térmicos, la forma en que los isótopos de plutonio se degradan limita cuánto se puede reciclar. Por ejemplo, una mezcla de plutonio puede contener 40% de Pu-239, 32% de Pu-240, 18% de Pu-241, 8% de Pu-242 y 2% de Pu-238.
¿Cómo se fabrica el Combustible MOX?
El primer paso es separar el plutonio del uranio restante (que es aproximadamente el 96% del combustible usado) y de otros residuos. Esto se hace en las plantas de reprocesamiento nuclear.
Luego, el plutonio, en forma de óxido, se mezcla con uranio empobrecido. Este uranio empobrecido es un subproducto de las plantas de enriquecimiento de uranio. La mezcla resultante es el combustible MOX. Por ejemplo, un combustible MOX con un 7% de plutonio mezclado con uranio empobrecido es similar a un combustible de óxido de uranio con un 4.5% de 235U, si el plutonio tiene entre 60-65% de 239Pu. Si se usa plutonio con más del 90% de 239Pu, solo se necesita un 5% de plutonio en la mezcla.
El combustible MOX se puede fabricar moliendo juntos el óxido de uranio (UO2) y el óxido de plutonio (PuO2) antes de compactar la mezcla en "pellets" (pequeñas pastillas). Sin embargo, este método produce mucho polvo radiactivo. Otra forma es mezclar soluciones líquidas de nitrato de uranilo y nitrato de plutonio en ácido nítrico. Esta mezcla se puede convertir en un sólido y luego calentarse para transformarse en una mezcla de óxidos de uranio y plutonio.
Desafíos en la fabricación de MOX
El americio en el plutonio
El plutonio que se obtiene del combustible reprocesado se usa generalmente de inmediato para fabricar MOX. Esto es para evitar problemas con la desintegración radiactiva de algunos isótopos de plutonio que tienen una "vida media" corta (es decir, se transforman rápidamente). En particular, el 241Pu se transforma en 241Am, que emite radiación gamma. Esto puede generar ciertos riesgos para los trabajadores si han pasado más de 5 años desde que se separó el plutonio.
Los fotones (partículas de luz) emitidos por el 241Am tienen poca energía, por lo que una capa de 1 mm de plomo o el cristal de una caja de guantes puede proteger a los operadores. Sin embargo, al trabajar con grandes cantidades de americio, existe la posibilidad de recibir una cantidad alta de radiación en las manos.
Por esta razón, el plutonio de combustible que ha sido muy "quemado" es difícil de usar en una planta de MOX si han pasado más de 5 años, ya que contendrá demasiado 241Am (aproximadamente un 3%).
Aun así, es posible purificar el plutonio eliminando el americio mediante un proceso químico. Incluso en las peores condiciones, la mezcla de americio/plutonio nunca será tan radiactiva como el combustible usado sin procesar. Por lo tanto, debería ser relativamente sencillo recuperar el plutonio.
El curio en el combustible MOX
Existe la posibilidad de añadir isótopos de americio y curio al combustible MOX antes de cargarlo en un reactor rápido. Esto es una forma de transformar estos elementos. Trabajar con americio es más fácil que con curio, ya que el curio emite neutrones, lo que requiere escudos de plomo y agua o parafina para proteger a los trabajadores.
Además, la exposición del curio a neutrones genera elementos más pesados que aumentan la cantidad de neutrones asociados al combustible nuclear gastado. Por esta razón, el curio suele evitarse en la mayoría del combustible MOX.
Incidentes relacionados
El 11 de marzo de 2011, ocurrió un grave accidente nuclear en la central nuclear japonesa de Fukushima I. Esto sucedió después de un fuerte terremoto y un posterior maremoto. Días después del terremoto, se encontró plutonio en varias áreas de la central. Se pensó que este plutonio podría haber escapado del único reactor de la central que utilizaba combustible MOX. La central de Fukushima resistió el terremoto más grande registrado en Japón (8.9), pero luego fue dañada por la inundación causada por el tsunami, lo que provocó fallos en los sistemas eléctricos y electrónicos.
Véase también
En inglés: MOX fuel Facts for Kids
Galería de imágenes
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Pastillas (pellets) de combustible nuclear para un reactor de agua ligera.
