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Combustible nuclear

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El combustible nuclear es cualquier material que puede consumirse para obtener energía nuclear, análogamente al combustible químico que se quema para obtener energía. El tipo de combustible nuclear más habitual, con mucho, es el de los elementos fisibles pesados que pueden dar lugar a la reacción en cadena de fisión nuclear en un reactor; combustible nuclear hace referencia tanto al material como a los objetos físicos (por ejemplo los manojos de combustible, compuestos de barras de combustible, en ocasiones mezcladas con reguladores de neutrones). Los combustibles nucleares más habituales son el 235U y el 239Pu, y las acciones de minería, refinado, purificado, utilización y tratamiento final de residuos en conjunto conforman el ciclo del combustible nuclear, que es de relevancia en la generación de energía nuclear y de armas nucleares.

No todos los combustibles nucleares se utilizan en reacciones en cadena de fisión. Por ejemplo, el 238Pu y algunos otros elementos se usan para producir pequeñas cantidades de energía nuclear mediante la degradación radioactiva en generadores radiotérmicos u otras baterías atómicas. Los isótopos ligeros, tales como el ³H (tritio) se utilizan como combustible en la fusión nuclear. Si se observa la energía vinculada de un isótopo en particular, puede haber una ganancia de energía mediante fusionando la mayoría de elementos con un número atómico más bajo que el hierro, y fisionando isótopos que tengan un número atómico mayor que el hierro.

Combustibles de fisión nuclear

El combustible nuclear tradicional en Estados Unidos y en otros países que no reprocesan el combustible nuclear usado sigue los cuatro pasos que se muestran en las imágenes superiores. Está basado en el ciclo de combustible del uranio. Primero, se extrae uranio de la tierra. Segundo, la materia prima es procesada para obtener la "yellow cake" (tarta amarilla). El siguiente paso consiste en, o bien, convertir el uranio en UF6 para enriquecimiento antes de reconvertirlo en óxido de uranio, o bien, saltarse completamente esta etapa, pasando al cuarto paso directamente, como en el caso del combustible para el CANDU.

Un estudio de las virtudes y vicios de los diferentes combustibles se puede consultar (en inglés) en [1].

Examen Post Irradiación (PIE, de las iniciales en inglés) y cómo se comportan los combustibles cuando se usan

Es normal que el combustible experimental y normal sean examinados tras su uso en un reactor. [2][3][4][5] Dada la intensidad de naturaleza radioactiva del combustible gastado esto se realiza en una celda caliente, se utiliza una combinación de métodos de degradación y no destructivos.

Es normal examinar los siguientes efectos o defectos en el combustible:

  • Protuberancias.
    • Se puede bajar un documento, en inglés, sobre este tema en la web de la NASA. [6]
  • Liberación de gas de fisión.

Puesto que el combustible está degradado o calentado los productos más volátiles de la fisión que están atrapados dentro del dióxido de uranio pueden liberarse.

  • Agrietado del combustible.
    • Las grietas se deben a que el combustible se dilata con el calor, y el núcleo de las bolitas se dilatan más que la envoltura. Debido a la tensión térmica generada el combustible se agrieta, con grietas que tienden a ir del centro a los bordes formando un patrón en forma de estrella.

La temperatura varía en función de la distancia entre el centro y el borde. A una distancia x del centro la temperatura (Tx) se describe mediante una ecuación en la que ρ es la densidad de energía (W m-3) y Kf es la conductividad térmica.

Tx = Tborde + ρ (rbolita2 - x2) (4 Kf)-1

Para explicar esto, se han modelado, utilizando esta ecuación, unas series de bolitas usadas con una temperatura en su borde de 200oC (habitual para un BWR) con diferentes diámetros y densidades de energía de 250 Wm-3. A destacar que estas bolitas de combustible son bastante más grandes que las que son de uso normal, bolitas de óxido que tienen alrededor de 10 mm de diámetro.

Referencia Radiochemistry and Nuclear Chemistry, G. Choppin, J-O Liljenzin and J. Rydberg, 3rd Ed, 2002, Butterworth-Heinemann, ISBN 0750674636

El PIE se utiliza para comprobar que el combustible es a la vez seguro y efectivo. Después de accidentes importantes del núcleo (o de lo que queda de él) normalmente se investiga el PIE para averiguar que sucedió. Un lugar donde se calcula el PIE es el ITU que es el centro de la Unión Europea para el estudio de los materiales altamente radioactivos.

Compuestos químicos habituales del combustible nuclear

Oxide fuel

UOX

El dióxido de uranio es un semiconductor sólido negro. Se puede obtener por reacción de nitrato de uranio con una base de amonio para formar un sólido (uraniato de amonio, el cual se calienta (calcina) para formar U3O8 que, entonces, puede convertirse calentándolo en una mezcla de argón / hidrógeno a (700 oC) para formar UO2. El UO2 se mezcla con un vinculador orgánico y comprimido en bolitas (pellets), los cuales son quemados a una temperatura mucho más alta (en H2/Ar) para sinterizar el sólido. El propósito es conseguir un sólido dentro que tenga pocos poros.

Es importante destacar que la corrosión del dióxido de uranio en un entorno acuoso se controla mediante procesos electroquímicos similares a la corrosión galvánica de la superficie de los metales.

MOX

El Óxido mezclado, o combustible MOX, es una mezcla de plutonio y de uranio natural o agotado que se comporta de forma similar (aunque no idéntica) al uranio enriquecido que alimenta la mayoría de los reactores nucleares. El combustible MOX es una alternativa al combustible de uranio de bajo enriquecimiento (LEU) utilizado en el reactor de agua ligera los cuales son los predominantes en la generación de energía nuclear.

Se han manifestado algunas preocupaciones sobre el hecho de que los núcleos de MOX usados, plantean nuevos retos sobre qué hacer con los residuos, a pesar de que el MOX es a su vez una solución para el tratamiento, mediante transmutación de los sobrantes de plutonio.

Actualmente, Marzo de 2005 el reprocesado de combustible nuclear comercial para obtener MOX se está realizando en Inglaterra y Francia, y en menor medida en Rusia, India y Japón. China tiene planes para desarrollar reactores de rápida reproducción y reprocesado.


Combustible de óxido usado

El combustible de óxido usado es una mezcla compleja de los productos de fisión, uranio, plutonio y metales transplutónicos. El combustible que se ha utilizado a altas temperaturas en los reactores de energía es normal que no sea homogéneo, a menudo contiene nanopartículas de metales del grupo del platino tales como el paladio. También es frecuente que el combustible se haya agrietado, formado protuberancias o haya sido utilizado a temperaturas cercanas a su punto de fusión. A pesar del hecho de que el combustible usado pueda agrietarse, es muy insoluble en agua, y puede retener la inmensa mayoría de actínidos y productos de fisión dentro del dióxido de uranio.

El combustible de óxido en situaciones de accidente

Existen dos modos principales de escape, los productos de fisión pueden evaporarse o pequeñas partículas de combustibles se pueden dispersar.

El escape de radioactividad del combustible usado esta muy controlado por la volatilidad de los elementos. Por ejemplo en Chernóbil se liberó mucho xenón y yoduros y mucho menos circonio. El hecho de que sólo los productos de fisión más volátiles sean liberados con facilidad, retrasa en gran medida la liberación de radioactividad en el caso de que un accidente produzca serios daños al núcleo.

De acuerdo con el informe de la Agencia de Energía Nuclear de la OECD sobre Chernóbil [7], se liberaron las siguientes proporciones del inventario del núcleo. Las formas físicas y químicas del escape incluyen gases, aerosoles y, finalmente, combustible sólido fragmentado.

  • 133Xe 100%, 131I 50-60%, 134Cs 20-40%, 137Cs 20-40%, 132Te 25-60%, 89Sr 4-6%, 90Sr 4-6%, 140Ba 4-6%, 95Zr 3,5%, 99Mo >3,5%, 103Ru >3,5%, 106Ru >3,5%, 141Ce 3,5%, 144Ce 3,5%, 239Np 3,5%, 238Pu 3,5%, 239Pu 3,5%, 240Pu 3,5%, 241Pu 3,5%, 242Cm 3,5%

Es importante destacar que el agua y el zirconio pueden reaccionar violentamente a 1200 oC, a la misma temperatura que el revestimiento de zirconio puede reaccionar con dióxido de uranio para formar óxido de zirconio y una aleación de uranio/zirconio.[8]

  • Es interesante hacer notar que en Francia existe un establecimiento en el que cual un incidente de fusionado de combustible puede ser reproducido bajo condiciones de estricto control. [9][10] En el programa de investigación PHEBUS se ha permitido que los combustibles alcancen temperaturas que exceden las de funcionamiento. El combustible en cuestión está en un canal especial que está dentro de un reactor nuclear toroidal. El reactor nuclear se utiliza como un “núcleo de conducción” para irradiar el combustible de prueba. Aunque el reactor está refrigerado de modo normal por su propio sistema de refrigeración, el combustible de prueba dispone también de su propio sistema, que está dotado de filtros y dispositivos para estudiar la radioactividad liberada del combustible dañado. También se ha estudiado la liberación de radioisótopos del combustible bajo distintas condiciones. Una vez el combustible se ha utilizado en el experimento se realiza un examen detallado (PIE). En el informe anual del ITU correspondiente al 2004, en su sección 3.6, se ha informado de algunos resultados del PIE para PHEBUS (FPT2).3.6.[11][12]

Combustible TRIGA

El combustible TRIGA se utiliza en los reactores TRIGA (Training, Research, Isotopes, General Atomics, en inglés, correspondientes a Entrenamiento, Investigación, Isótopos, Atómica General). El combustible TRIGA está compuesto de una matriz de hidruro de uranio zirconio. Es seguro en sí mismo en el sentido de que cuando alcanza una alta temperatura, la sección de cruce de hidrógeno en el combustible se convierte a más altas energías, permitiendo que más neutrones se pierdan, y menos se termalicen. Muchos núcleos que usan este combustible son de "high leakage" (alta filtración) en los que los neutrones excedentes filtrados pueden utilizarse para investigación.

Combustibles Líquidos

Sales anhídridas derretidas

Esto incluye combustibles en los cuales éstos están disueltos en el refrigerante. Fueron utilizados en el experimento de los reactores de sales fundidas y en numerosos experimentos con reactores de núcleos líquidos. El combustible líquido para el reactor de sal fundida era LiF-BeF2-ThF4-UF4 (72-16-12-0,4 mol%), en el experimento tenía una temperatura máxima de funcionamiento de 705 °C, pero hubiera podido soportar mucho más altas temperatura ya que su punto de ebullición excedía los 1400 °C.

Soluciones acuosas de sales de uranio

El reactor homogéneo acuoso utiliza una solución de sulfato de uranio u otras sales de uranio en agua. Este tipo de reactor homogéneo no se ha utilizado por ningún reactor de gran energía. Una de sus desventajas es que el combustible, en caso de accidente, tiene una presentación que favorece que se disperse fácilmente.

Nitruro de uranio

Este es a menudo el combustible de elección para los diseños de reactor que fabrica la NASA. Una ventaja es que el UN tiene una mejor conductividad termal que el UO2. El nitruro de uranio tiene un punto de fusión muy alto. Este combustible tiene el inconveniente de que, a menos de que se utilice 15N (en lugar del más habitual 14N), se generará una gran cantidad de 14C del nitrógeno por la reacción pn. Como el nitrógeno que sería necesario para este combustible sería tan caro, sería lógico que el combustible tuviera que ser reprocesado mediante un método pyro a fin de permitir recuperar el 15N. También es lógico que si el combustible fuera procesado y disuelto en ácido nítrico el nitrógeno enriquecido con 15N quedaría diluido en el habitual 14N.

Carburo de uranio

Otro combustible que se ha sugerido, nuevamente tiene una mejor conductividad térmica que el dióxido de uranio.

Presentaciones físicas habituales del combustible nuclear

Para su uso como combustible nuclear, el UF6 enriquecido, se convierte en polvo de dióxido de uranio (UO2), que entonces es procesado dándole forma de bolita (pellet). Los pellets son quemados a altas temperaturas, horneados, para crear los pellets duros, cerámicos de uranio enriquecido. Los pellets cilíndricos entonces sufren un proceso de amolado para conseguir un tamaño uniforme. A continuación, los pellets son alojados, de acuerdo con las especificaciones del núcleo del reactor, en tubos metálicos de una aleación resistente a la corrosión. Se sellan los tubos que contienen los pellets de combustible: estos tubos se les conoce como barras de combustible (fuel rods). Las fuel rods terminadas se agrupan en ensamblajes especiales que se utilizan para formar el núcleo de combustible nuclear de un reactor de energía.

El metal utilizado en estos tubos depende del diseño del reactor- en el pasado se utilizaba el acero inoxidable, pero actualmente la mayoría de reactores utilizan una aleación de zirconio. Para los tipos más habituales de reactores (BWR y PWR) los tubos se ensamblan en manojos con los tubos espaciados a distancias precisas. A estos manojos se les asigna un número de identificación único, lo que permite su trazabilidad en todo el ciclo (desde su fabricación, hasta su vertido, pasando por su uso).

Combustible PWR

Manojo de combustible PWR El manojo de combustible es de un reactor de agua presurizada del barco de pasajeros y carga NS Savannah. Diseñado y construido por Babcock and Wilcox Company.

El combustible del reactor de agua presurizada (PWR) está compuesto por barras cilíndricas puestas en manojos. Se le da forma de bolitas al óxido de uranio cerámico y se insertan en tubos de Zircaloy que se juntan en haces. Los tubos de Zircaloy tienen alrededor de 1 cm de diámetro. Hay alrededor de 179-264 barras de combustible por manojo y alrededor de 121 a 193 haces de manojos se cargan en el núcleo del reactor. Generalmente, los haces de combustible están compuestas por barras de combustible atadas de 14x14 a 17x17. Los haces de combustible PWR tienen cerca de 4 m de largo. En los haces de combustible PWR, las barras de control se insertan desde arriba directamente en el haz de combustible. Los haces de combustible normalmente están enriquecidos en diversos porcentajes de 235U. El óxido de uranio es secado antes de insertarlo en los tubos para eliminar la humedad en el combustible cerámico que podría ocasionar corrosión y fragilidad del hidrógeno. Los tubos de Zircaloy están presurizados con helio para intentar minimizar la interacción “cladding” de los pellets (PCI) que puede llevar a fallos de la barra de combustible durante largos períodos.

Combustible BWR

En el reactor de agua hirviendo (BWR), el combustible es similar al del PWR excepto que los haces están "enlatados". Es decir hay un tubo delgado envolviendo cada haz. Esto en principio se hace para prevenir variaciones de densidad ocasionadas por efectuar la hidráulica neutrónica y térmica del núcleo a escala global. En los haces de BWR, hay alrededor de 500-800 manojos de combustible (fuel rods) por ensamblaje. Cada fuel rod para BWR está rellenado con helio a una presión de cerca de tres atmósferas (300 kPa).

Combustible para CANDU

Los haces de combustible para CANDU miden alrededor de medio metro de largo y 30 cm de diámetro. Están formados por pellets sinterizados (UO2) en tubos de zirconio, soldados en los extremos a platos de zirconio. Cada haz pesa alrededor de 20 kg y la carga de un núcleo normalmente es del orden 4.500 haces. Los modelos modernos normalmente tienen 37 clavijas de combustible idénticas dispuestas radialmente alrededor del eje longitudinal del haz, pero en el pasado se utilizaron diversas configuraciones y números de clavijas. Los diseños actuales del CANDU no necesitan uranio enriquecido para alcanza el punto crítico (debido a su más eficiente moderador de neutrones de agua pesada, no obstante, algunos nuevos conceptos exigen un bajo enriquecimiento para ayudar a reducir el tamaño de los reactores.

Presentaciones menos habituales de combustible nuclear

Existen otras varias presentaciones de combustible nuclear para aplicaciones específicas, pero carecen del amplio uso de las utilizadas en las plantas de energía de BWR, PWR, y CANDU. Muchos de estas presentaciones solo se encuentran en reactores de investigación, o tienen aplicaciones militares.

Combustible RBMK

Portador de barras de combustible para el reactor RBMK 1 – armadura de distanciación; 2 – Cápsula de barras de combustible; 3 – tabletas de combustible.

El combustible para el reactor RBMK se utilizó en los reactores de este tipo de diseño soviético. Los elementos de este combustible son extremadamente largos, del orden de los 7 m. El reactor de Chernóbil era un RMBK de 1GWe RBMK.

Combustible compacto TRISO

Los combustibles tri-isotrópicos (TRISO) fueron desarrolados inicialmente en Alemania para reactores de altas temperaturas refrigerados por gas. En los combustibles TRISO, el carburo de uranio está normalmente revestido por varias capas de carbón pirolítico y dióxido de silicio para retener los productos de fisión a elevadas temperaturas. Estos combustibles se moldeaban en guijarros de grafito (para reactores de lecho de guijarros) o en barras de combustible de grafito (para reactores prismáticos con núcleo refrigerado por gas). Actualmente se utilizan en el HTR-10 en China, y en el HTTR en Japón, los cuales son reactores experimentales. Los combustibles compactos TRISO podrían utilizarse también en los diseños PBMR y GT-MHR, si tales diseños fueran construidos. La primera planta de energía en utilizar este combustible fue la THTR-300.

Combustible CerMet

El combustible CerMet está formado por particular de combustible cerámico (normalmente óxido de uranio alojadas en una matriz metálica. Se ha especulado con que este tipo de combustible es el utilizado en los reactores de la US Navy.. Este combustible tiene unas características de alto calor de transporte y puede soportar un gran volumen de expansión.

Combustible tipo placa

El combustible de tipo placa ha perdido adeptos con el transcurso de los años. Actualmente se utiliza en el reactor avanzado de pruebas (Advanced Test Reactor –ATR-) en el Laboratorio Nacional de Idaho.

Combustibles de radioisótopos de calor decadente

Dos sistemas explotan la energía térmica producida por la degeneración de los isótopos radioactivos para generar energía eléctrica de gestión térmica.

Generadores termoeléctricos de radioisótopos

Un generador termoeléctrico de radioisótopos (RTG) es un simple generador eléctrico que obtiene su energía de la degradación radioactiva. En estos aparatos, el calor liberado por la degradación de un material radioactivo adecuado, se convierte en electricidad utilizando una serie de termopares.

238Pu se ha convertido en el combustible más ampliamente usado en los RTG. En la forma de dióxido de plutonio tiene una vida media de 87,7 años, una densidad de energía razonable y unos niveles de radiaciones gamma y de neutrones excepcionalmente bajos. Algunos RTGs rusos terrestres han utilizado 90Sr; este isótopo tiene una vida media más corta, una densidad de energía mucha más baja y produce radiaciones gamma, pero es mucho más barato. Los primeros RTG, el primero fue construido en 1958 por la Comisión de Energía Atómica de Estados Unidos, utilizaron 210Po. Este combustible proporciona una espectacularmente enorme densidad de energía, (un solo gramo de polonio-210 genera 140 vatios térmicos) pero tiene un uso limitado debido a su muy corta vida media y su producción gamma y ha sido desestimado su uso para esta aplicación.

Unidades de calentadores de radioisótopos

Las Unidades de calentadores de radioisótopos, (RHU) por sus iniciales en inglés, normalmente generan cerca de 1 watio de calor, procedentes de la degradación de unos pocos gramos de plutonio-238. Este calor es proporcionado de forma continua durante varias décadas.

Su función es generar calefacción muy localizada a equipos muy sensibles (como los electrónicos) en el espacio profundo. El orbitador Cassini-Huygens del planeta Saturno contiene 82 de estas unidades (además de sus 3 RTG principales para generación de energía). La sonda Huygens a la Titán contiene 35 instrumentos.

Batería de radioisótopos

Las expresiones batería atómica, batería nuclear y batería de radioisótopos se utilizan para describir un instrumento que usa las emisiones de particular cargadas de un isótopo radioactivo para producir electricidad directamente. A pesar de que el RTG podría decirse estrictamente que pertenece a esta clase, el término generalmente se refiere a convertidores no térmicos, cuya potencia de salida no es una función de la diferencia de temperaturas. Hay disponibles varios diseños que explotan las partículas alfa y beta, e incluyen los generadores de carga directa, los betavoltáicos, la batería nuclear optoeléctrica y en generador piezoeléctrico de radioisótopos.

Estos sistemas utilizan radioisótopos que generan partículas beta de baja energía o, en ocasiones, particular alfa de energía variable. Las partículas beta de baja energía son necesarias para evitar la producción de alta energía penetrante radiación Bremsstrahlung que requeriría un pesado blindaje. Se han experimentado radioisótopos tales como el tritio, níquel-63, prometio-147, y tecnecio-99. El plutonio-238, curio-242, curio-244 y estroncio-90 se han usado.

Combustibles de fusión

La mayoría de los combustibles de fusión encajan aquí. Incluyen el tritio(³H) y deuterio (²H) así como el helio tres(³He). Muchos otros elementos pueden fusionarse juntos si se les fuerza a acercarse entre ellos lo suficiente a temperaturas suficientemente altas. En general, los combustibles de fusión se espera tenerlos al fin de tres generaciones basados en disponer de la luz atómica de fusión atómica del conjunto de núcleos atómicos ligeros.

Combustible de fusión de primera generación

El deuterio y el tritio son considerados como la primera generación de combustibles de fusión; con muchas permutaciones en las cuales pueden fusionarse juntos. Las tres más habituales se citan a continuación:

²H + ³H n (14,07 MeV) + 4He (3,52 MeV)

²H + ²H n (2,45 MeV) + ³He (0,82 MeV)

²H + ²H p (3,02 MeV) + ³H (1,01 MeV)

Segunda generación de combustibles de fusión

La segunda generación de combustibles requiere o bien más altas temperaturas de confinamiento o más tiempo de confinamiento, que los requeridos para los combustibles de primera generación. Este grupo está formado por deuterio y helio tres. Los productos de estos reactantes son todas partículas cargadas, pero existen reacciones laterales no beneficiosas que llevan a la activación radioactiva de los componentes del reactor de fusión.

²H + ³He p (14,68 MeV) + 4He (3,67 MeV)

Tercera generación de los combustibles de fusión

Hay varios combustibles de fusión potenciales en la tercera generación. La tercera generación de combustibles de fusión producen sólo partículas cargadas en el proceso de fusión y no hay reacciones laterales. Por lo tanto, no habría ninguna activación radioactiva en el reactor de fusión. A menudo esto es visto como el objetivo final de la investigación de la fusión. ³He es el primer combustible de tercera generación que es probable que se utilice ya que tiene la menor reactividad de Maxwell en comparación con los otros combustibles de fusión de tercera generación.

³He + ³He 2p + 4He (12,86 MeV)

Otra fusión aneutrónica reacción podría ser la de protón-borón:

p + 11B → 34He

Según estimaciones razonables, las reacciones laterales serían de alrededor del 0,1% de la energía de fusión llevada a término por los neutrones. Con 123 keV, la temperatura óptima de esta reacción es cerca de diez veces más que para las reacciones de hidrógeno puro, el confinamiento de energía debiera ser 500 veces mejor que la requerida para la reacción D-T, y la densidad de energía seria 2.500 veces más baja que para D-T.

Véase también

Enlaces externos y referencias

(en inglés):

Combustible PWR

Combustible BWR

Combustible CANDU

Combustible TRISO

* Proceso del combustible compacto GT-MHR

Combustible CERMET

Combustible del tipo placa

Combustible TRIGA

Combustibles de reactores espaciales

Combustible de fusión