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El combustible de óxidos mixtos , comúnmente denominado combustible MOX , es un combustible nuclear que contiene más de un óxido de material fisionable , generalmente compuesto de plutonio mezclado con uranio natural , uranio reprocesado o uranio empobrecido . El combustible MOX es una alternativa al combustible de uranio poco enriquecido (LEU) utilizado en los reactores de agua ligera que predominan en la generación de energía nuclear .

Por ejemplo, una mezcla de 7% de plutonio y 93% de uranio natural reacciona de manera similar, aunque no idéntica, al combustible LEU. MOX generalmente consta de dos fases, UO 2 y PuO 2 , y / o una solución sólida monofásica (U, Pu) O 2 . El contenido de PuO 2 puede variar de 1,5% en peso a 25-30% en peso dependiendo del tipo de reactor nuclear.

Uno de los atractivos del combustible MOX es que es una forma de utilizar plutonio excedente apto para armas , una alternativa al almacenamiento del plutonio excedente, que debería protegerse contra el riesgo de robo para su uso en armas nucleares . [1] [2] Por otro lado, algunos estudios advirtieron que la normalización del uso comercial mundial de combustible MOX y la expansión asociada del reprocesamiento nuclear aumentará, en lugar de reducir, el riesgo de proliferación nuclear , al fomentar una mayor separación de plutonio de combustible gastado en el ciclo del combustible nuclear civil. [3] [4] [5]

Resumen

En cada núcleo de reactor nuclear de uranio hay fisión de isótopos de uranio como el uranio 235 y formación de nuevos isótopos más pesados ​​debido a la captura de neutrones , principalmente por el uranio 238 . La mayor parte de la masa de combustible en un reactor es uranio-238. Mediante la captura de neutrones y dos desintegraciones beta sucesivas , el uranio-238 se convierte en plutonio-239 , que, mediante la captura sucesiva de neutrones, se convierte en plutonio-240 , plutonio-241 , plutonio-242 y (después de más desintegraciones beta) otro transuránico o actínido.nucleidos. El plutonio-239 y el plutonio-241 son fisionables , como el uranio-235. Pequeñas cantidades de uranio-236 , neptunio-237 y plutonio-238 se forman de manera similar a partir del uranio-235.

Normalmente, con el cambio de combustible cada tres años aproximadamente, la mayor parte del plutonio-239 se "quema" en el reactor. Se comporta como el uranio-235, con una sección transversal ligeramente mayor para la fisión, y su fisión libera una cantidad similar de energía . Típicamente, alrededor del uno por ciento del combustible gastado descargado de un reactor es plutonio, y alrededor de dos tercios del plutonio es plutonio-239. En todo el mundo, cada año se producen casi 100 toneladas de plutonio en el combustible gastado. Un solo reciclaje de plutonio aumenta la energía derivada del uranio original en aproximadamente un 12%, y si el uranio-235 también se recicla mediante re-enriquecimiento, esta se convierte en aproximadamente un 20%. [6] Con reciclaje adicional, el porcentaje de fisionable (generalmente significael número de neutrones ) en la mezcla disminuye y el número de neutrones pares , los nucleidos absorbentes de neutrones aumentan, lo que requiere un aumento del porcentaje total de plutonio y / o uranio enriquecido. Hoy en día, en los reactores térmicos, el plutonio solo se recicla una vez como combustible MOX; El combustible MOX gastado, con una alta proporción de actínidos menores e incluso isótopos de plutonio, se almacena como residuo.

Los reactores nucleares existentes deben obtener una nueva licencia antes de que se pueda introducir el combustible MOX porque su uso cambia las características operativas de un reactor, y la planta debe diseñarse o adaptarse ligeramente para aceptarlo; por ejemplo, se necesitan más barras de control . A menudo, solo de un tercio a la mitad de la carga de combustible se cambia a MOX, pero para una carga de MOX superior al 50%, son necesarios cambios significativos y un reactor debe diseñarse en consecuencia. El diseño del reactor System 80 , desplegado notablemente en la Estación de Generación Nuclear Palo Verde de EE. UU. Cerca de Phoenix, Arizona., fue diseñado para una compatibilidad de núcleo 100% MOX, pero hasta ahora siempre ha funcionado con uranio fresco poco enriquecido. En teoría, los tres reactores de Palo Verde podrían usar el MOX que surge de siete reactores de combustible convencional cada año y ya no requerirían combustible de uranio nuevo.

Según Atomic Energy of Canada Limited (AECL), los reactores CANDU podrían usar núcleos 100% MOX sin modificación física. [7] [8] AECL informó al comité de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos sobre la disposición del plutonio que tiene una amplia experiencia en probar el uso de combustible MOX que contiene de 0,5 a 3% de plutonio. [ cita requerida ]

El contenido de plutonio sin quemar en el combustible MOX gastado de los reactores térmicos es significativo: más del 50% de la carga inicial de plutonio. Sin embargo, durante la quema de MOX, la proporción de isótopos fisionables (números impares) y no fisionables (pares) cae de alrededor de 65% a 20%, dependiendo de la quema. Esto dificulta cualquier intento de recuperar los isótopos fisionables y cualquier Pu a granel recuperado requeriría una fracción tan alta de Pu en cualquier MOX de segunda generación que no sería práctico. Esto significa que dicho combustible gastado sería difícil de reprocesar para su posterior reutilización (quemado) de plutonio. El reprocesamiento regular de MOX gastado bifásico es difícil debido a la baja solubilidad de PuO 2 en ácido nítrico. [9]En 2015, la única demostración comercial de combustible de alto quemado dos veces reciclado se produjo en el reactor rápido de Phénix . [10]

Aplicaciones actuales

Un MOX usado, que tiene 63 GW días (térmicos) de quemado y ha sido examinado con un microscopio electrónico de barrido utilizando un accesorio de microsonda electrónica. Cuanto más claro sea el píxel en el lado derecho, mayor será el contenido de plutonio del material en ese punto.

El reprocesamiento de combustible nuclear comercial para producir MOX se realiza en el Reino Unido y Francia , y en menor medida en Rusia , India y Japón . China planea desarrollar reactores reproductores rápidos y reprocesamiento. El reprocesamiento de combustible nuclear gastado de reactores comerciales no está permitido en los Estados Unidos debido a consideraciones de no proliferación. Todas estas naciones han tenido durante mucho tiempo armas nucleares de combustibles de reactores de investigación centrados en el ejército, excepto Japón.

Estados Unidos estaba construyendo una planta de MOX en el sitio del río Savannah en Carolina del Sur. Aunque la Autoridad del Valle de Tennessee (TVA) y Duke Energy expresaron interés en utilizar combustible de reactor MOX de la conversión de plutonio apto para armas, [11] TVA (actualmente el cliente más probable) dijo en abril de 2011 que retrasaría una decisión hasta que pudo ver cómo se comportó el combustible MOX en el accidente nuclear de Fukushima Daiichi . [12] En mayo de 2018, el Departamento de Energía informó que la planta requeriría otros $ 48 mil millones para completarse, además de los $ 7,6 mil millones ya gastados. Se canceló la construcción. [13]

Reactores térmicos

Aproximadamente 30 reactores térmicos en Europa (Bélgica, los Países Bajos, Suiza, Alemania y Francia) utilizan MOX [14] y otros 20 han obtenido la licencia para hacerlo. La mayoría de los reactores lo utilizan como aproximadamente un tercio de su núcleo, pero algunos aceptarán hasta un 50% de ensamblajes MOX. En Francia, EDF pretende que toda su serie de reactores de 900 MWe funcione con al menos un tercio de MOX. Japón tenía como objetivo que un tercio de sus reactores utilizaran MOX para 2010 y ha aprobado la construcción de un nuevo reactor con una carga completa de combustible de MOX. Del combustible nuclear total que se utiliza en la actualidad, MOX aporta el 2%. [6]

Las cuestiones relativas a las licencias y la seguridad del uso de combustible MOX incluyen: [14]

  • Dado que los isótopos de plutonio absorben más neutrones que los combustibles de uranio, los sistemas de control de los reactores pueden necesitar modificaciones.
  • El combustible MOX tiende a calentarse más debido a la menor conductividad térmica, lo que puede ser un problema en algunos diseños de reactores.
  • La liberación de gas de fisión en los conjuntos de combustible MOX puede limitar el tiempo máximo de combustión del combustible MOX.

Aproximadamente el 30% del plutonio cargado originalmente en el combustible MOX se consume mediante el uso en un reactor térmico. En teoría, si un tercio de la carga de combustible del núcleo es MOX y dos tercios de combustible de uranio, hay una ganancia neta nula de plutonio en el combustible gastado y el ciclo podría repetirse; sin embargo, persisten múltiples dificultades para reprocesar el combustible MOX gastado. A partir de 2010, el plutonio solo se recicla una vez en los reactores térmicos, y el combustible MOX gastado se separa del resto del combustible gastado para almacenarlo como residuo. [14]

Todos los isótopos de plutonio son fisibles o fértiles, aunque el plutonio-242 necesita absorber 3 neutrones antes de convertirse en curio -245 fisionable ; en los reactores térmicos, la degradación isotópica limita el potencial de reciclado del plutonio. Aproximadamente el 1% del combustible nuclear gastado de los LWR actuales es plutonio, con una composición isotópica aproximada del 52%239 94Pu, 24% 240 94Pu, 15% 241 94Pu, 6% 242 94Pu y 2% 238 94Pucuando el combustible se extrae por primera vez del reactor. [14]

Reactores rápidos

Debido a que la relación de fisión a captura de la sección transversal de neutrones con alta energía o neutrones rápidos cambia para favorecer la fisión de casi todos los actínidos , incluidos238
92U
, los reactores rápidos pueden utilizarlos todos como combustible. Todos los actínidos, incluidos los TRU o los actínidos de transuranio, pueden sufrir una fisión inducida por neutrones con neutrones rápidos o no moderados. Un reactor rápido es más eficiente para usar plutonio y actínidos superiores como combustible. Dependiendo de cómo se alimenta el reactor tampoco se puede utilizar como un plutonio criador o el quemador.

Estos reactores rápidos son más adecuados para la transmutación de otros actínidos que los reactores térmicos. Debido a que los reactores térmicos utilizan neutrones lentos o moderados, los actínidos que no son fisionables con neutrones térmicos tienden a absorber los neutrones en lugar de fisionarse. Esto conduce a la acumulación de actínidos más pesados ​​y reduce el número de neutrones térmicos disponibles para continuar la reacción en cadena.

Fabricación

El primer paso es separar el plutonio del uranio restante (aproximadamente el 96% del combustible gastado) y los productos de fisión con otros desechos (en conjunto, aproximadamente el 3%). Esto se lleva a cabo en una planta de reprocesamiento nuclear.

Mezcla en seco

El combustible MOX se puede fabricar triturando juntos óxido de uranio (UO 2 ) y óxido de plutonio (PuO 2 ) antes de que el óxido mixto se presione en gránulos, pero este proceso tiene la desventaja de formar mucho polvo radiactivo. El combustible MOX, que consta de un 7% de plutonio mezclado con uranio empobrecido , es equivalente a un combustible de óxido de uranio enriquecido en aproximadamente un 4,5%.235
92U
, asumiendo que el plutonio tiene alrededor del 60-65% 239
94Pu
. Si se utilizó plutonio apto para armas (> 90%239
94Pu
), solo se necesitaría aproximadamente un 5% de plutonio en la mezcla.

Coprecipitación

Una mezcla de nitrato de uranilo y nitrato de plutonio en ácido nítrico se convierte mediante tratamiento con una base como amoniaco para formar una mezcla de diuranato de amonio e hidróxido de plutonio. Después de calentar en una mezcla de 5% de hidrógeno y 95% de argón se formará una mezcla de dióxido de uranio y dióxido de plutonio . Usando una base , el polvo resultante se puede pasar a través de una prensa y convertirse en gránulos. A continuación, los gránulos se pueden sinterizar en una mezcla de uranio y óxido de plutonio. Si bien este segundo tipo de combustible es más homogéneo a escala microscópica ( microscopio electrónico de barrido), es posible ver áreas ricas en plutonio y áreas pobres en plutonio.

Contenido de americio

El plutonio de combustible reprocesado generalmente se transforma en MOX en menos de cinco años después de su producción para evitar problemas resultantes de las impurezas producidas por la descomposición de isótopos de plutonio de vida corta . En particular, el plutonio-241 se desintegra en americio-241 con una vida media de 14 años. Debido a que el americio-241 es un emisor de rayos gamma , su presencia es un riesgo potencial para la salud ocupacional . Sin embargo, es posible eliminar el americiodel plutonio mediante un proceso de separación química. Incluso en las peores condiciones, la mezcla de americio / plutonio es menos radiactiva que un licor de disolución de combustible gastado, por lo que debería ser relativamente sencillo recuperar el plutonio mediante PUREX u otro método de reprocesamiento acuoso. [ cita requerida ]

Contenido de curio

Es posible que se agreguen tanto americio como curio a un combustible U / Pu MOX antes de cargarlo en un reactor rápido. Este es un medio de transmutación. Trabajar con curio es mucho más difícil que americio porque el curio es un emisor de neutrones, la línea de producción de MOX debería estar protegida con plomo y agua para proteger a los trabajadores.

Además, la irradiación de neutrones del curio genera los actínidos superiores , como el californio , que aumentan la dosis de neutrones asociada con el combustible nuclear usado ; esto tiene el potencial de contaminar el ciclo del combustible con fuertes emisores de neutrones. Como resultado, es probable que el curio quede excluido de la mayoría de los combustibles MOX.

Torio MOX

También se está probando combustible MOX que contiene óxidos de torio y plutonio. [15] Según un estudio noruego, "la reactividad en vacío del refrigerante del combustible de torio-plutonio es negativa para los contenidos de plutonio hasta en un 21%, mientras que la transición se sitúa en el 16% para el combustible MOX". [16] Los autores concluyeron que "el combustible de torio-plutonio parece ofrecer algunas ventajas sobre el combustible MOX en lo que respecta al valor de las barras de control y el boro , el CVR y el consumo de plutonio". [dieciséis]

Ver también

  • Ciclo del combustible nuclear
  • Reactor reproductor nuclear
  • Barril de envío de combustible nuclear gastado
  • La energía nuclear
  • Fisión nuclear
  • Planta de energía nuclear
  • Sitio de Hanford

Referencias

  1. ^ "Ojivas militares como fuente de combustible nuclear - megatones a megavatios - Asociación Nuclear Mundial" . www.world-nuclear.org .
  2. ^ "El programa MOX de Estados Unidos quería una seguridad relajada en la instalación de plutonio de grado armamentista" . 11 de abril de 2011.
  3. ^ "¿Vale la pena el riesgo de reprocesamiento de Estados Unidos? - Asociación de Control de Armas" . www.armscontrol.org .
  4. ^ "Hojas informativas sobre West Valley · NIRS" . 1 de marzo de 2015.
  5. ^ Podvig, Pavel (10 de marzo de 2011). "Programa de disposición de plutonio de Estados Unidos: incertidumbres de la ruta MOX" . Panel internacional sobre materiales fisionables . Consultado el 13 de febrero de 2012 .
  6. ^ a b "Información de la Asociación Nuclear Mundial sobre MOX" .
  7. ^ "Candu trabaja con la Autoridad de desmantelamiento nuclear del Reino Unido para estudiar el despliegue de reactores EC6" . Mississauga: comunicado de prensa de Candu. 27 de junio de 2012 . Consultado el 5 de diciembre de 2013 .
  8. ^ "Espadas en rejas de arado: Canadá podría desempeñar un papel clave en la transformación del material de armas nucleares en electricidad", archivado el 3 de octubre de 2013 en la Wayback Machine en The Ottawa Citizen (22 de agosto de 1994): "CANDU ... el diseño del reactor inherentemente permite el manejo de núcleos full-MOX "
  9. ^ Burakov, BE; Ojovan, MI; Lee, NOSOTROS (2010). Materiales cristalinos para la inmovilización de actínidos . Londres: Imperial College Press. pag. 58.
  10. ^ Natarajan, R. (2015). "Reprocesamiento de combustibles nucleares gastados de reactores rápidos, Natarajan". Reprocesamiento y reciclaje de combustible nuclear gastado : 213–243. doi : 10.1016 / B978-1-78242-212-9.00009-5 .
  11. ^ TVA podría usar combustibles MOX de SRS , 10 de junio de 2009
  12. ^ Nuevas dudas sobre la conversión del plutonio en combustible , 10 de abril de 2011
  13. ^ Gardner, Timothy (12 de octubre de 2018). "La administración Trump mata contrato para planta de plutonio a combustible" . Reuters .
  14. ^ a b c d "Opciones de plutonio NDA" (PDF) . Autoridad de Desmantelamiento Nuclear . Agosto de 2008. Archivado desde el original (PDF) el 25 de mayo de 2011 . Consultado el 7 de septiembre de 2008 . Cite journal requiere |journal=( ayuda )
  15. ^ "Comienza la prueba de torio" . Noticias nucleares mundiales. 21 de junio de 2013 . Consultado el 21 de julio de 2013 .
  16. ↑ a b Björk, Klara Insulander; Fhager, Valentin (junio de 2009). "Comparación de combustible de torio-plutonio y combustible MOX para PWR" : 487 . Consultado el 11 de octubre de 2017 . Cite journal requiere |journal=( ayuda )

Enlaces externos

  • Aspectos técnicos del uso de plutonio en armas como combustible de reactores
  • Ciclos sinérgicos del combustible nuclear del futuro
  • Documento informativo sobre cuestiones nucleares 42
  • Armas ardientes de plutonio en reactores CANDU
  • El programa para convertir bombas de plutonio en combustible se engancha