Combustible nuclear gastado

El combustible nuclear gastado , a veces llamado combustible nuclear usado , es combustible nuclear que ha sido irradiado en un reactor nuclear (generalmente en una central nuclear ). Ya no es útil para mantener una reacción nuclear en un reactor térmico ordinario y, dependiendo de su etapa en el ciclo del combustible nuclear , tendrá constituyentes isotópicos diferentes a los que tenía al inicio. ^{[ 1 ]}

Las barras de combustible nuclear se vuelven progresivamente más radiactivas (y menos útiles térmicamente) debido a la activación neutrónica durante su fisión, o "quema", en el reactor. Una barra nueva de pastillas de uranio de bajo enriquecimiento (que se pueden manipular con seguridad con guantes) se convierte en un emisor gamma altamente letal tras 1-2 años de irradiación del núcleo, siendo peligroso acercarse a ella a menos que se encuentre bajo una capa de agua de varios metros de profundidad. Esto convierte su acumulación inevitable y su almacenamiento temporal seguro en piscinas de combustible gastado en una fuente principal de residuos radiactivos de alta actividad y en un importante problema constante para su futura disposición final.

Cuando un reactor nuclear se apaga y la reacción en cadena de fisión nuclear cesa, se sigue produciendo una cantidad significativa de calor en el combustible debido a la desintegración beta de los productos de fisión . Por esta razón, en el momento del apagado del reactor, el calor residual será aproximadamente el 7 % de la potencia del núcleo anterior si el reactor ha tenido un historial de potencia prolongado y constante . Aproximadamente una hora después del apagado, el calor residual será aproximadamente el 1,5 % de la potencia del núcleo anterior. Después de un día, el calor residual se reduce al 0,4 %, y después de una semana será del 0,2 %. La tasa de producción de calor residual continuará disminuyendo lentamente con el tiempo.

El combustible gastado que se ha retirado de un reactor se almacena normalmente en una piscina de combustible gastado llena de agua durante un año o más (en algunos sitios, de 10 a 20 años) para enfriarlo y protegerlo de su radiactividad. Los diseños prácticos de piscinas de combustible gastado generalmente no dependen de la refrigeración pasiva, sino que requieren que el agua se bombee activamente a través de intercambiadores de calor. Si se produce una interrupción prolongada de la refrigeración activa debido a situaciones de emergencia, el agua de las piscinas de combustible gastado puede evaporarse, lo que podría provocar la liberación de elementos radiactivos a la atmósfera. ^{[ 9 ]}

El uso de diferentes combustibles en los reactores nucleares da como resultado una composición diferente del combustible nuclear gastado, con curvas de actividad variables.

Los residuos radiactivos de larga duración procedentes de la fase final del ciclo del combustible son especialmente relevantes a la hora de diseñar un plan integral de gestión de residuos para el combustible nuclear gastado (SNF). En lo que respecta a la desintegración radiactiva a largo plazo , los actínidos presentes en el SNF tienen una influencia significativa debido a sus vidas medias característicamente largas. La composición de actínidos en el SNF varía según el combustible utilizado en el reactor nuclear .

Un ejemplo de este efecto es el uso de combustibles nucleares con torio . El Th-232 es un material fértil que puede experimentar una reacción de captura de neutrones y dos desintegraciones beta menos, lo que resulta en la producción de U-233 fisionable . Su desintegración radiactiva influirá fuertemente en la curva de actividad a largo plazo del combustible nuclear gastado (SNF) alrededor de un millón de años. En la figura superior derecha se puede ver una comparación de la actividad asociada al U-233 para tres tipos diferentes de SNF. Los combustibles quemados son torio con plutonio de grado reactor (RGPu), torio con plutonio de grado armamentístico (WGPu) y combustible de óxido mixto (MOX, sin torio). Para RGPu y WGPu, se puede ver la cantidad inicial de U-233 y su desintegración alrededor de un millón de años. Esto tiene un efecto en la curva de actividad total de los tres tipos de combustible. La ausencia inicial de U-233 y sus productos de desintegración en el combustible MOX resulta en una actividad menor en la región 3 de la figura inferior derecha, mientras que para RGPu y WGPu la curva se mantiene más alta debido a la presencia de U-233 que no se ha desintegrado por completo. El reprocesamiento nuclear puede eliminar los actínidos del combustible gastado para que puedan ser utilizados o destruidos (véase Producto de fisión de larga vida#Actínidos ).

El combustible nuclear gastado se almacena en piscinas de combustible gastado (SFP) o en contenedores secos . En Estados Unidos, las SFP y los contenedores de combustible gastado se ubican directamente en las centrales nucleares o en instalaciones independientes de almacenamiento de combustible gastado (ISFSI). Las ISFSI pueden estar junto a una central nuclear o ubicadas lejos del reactor (AFR ISFSI). La gran mayoría de las ISFSI almacenan el combustible gastado en contenedores secos. La Operación Morris es actualmente la única ISFSI con una piscina de combustible gastado en Estados Unidos.

El reprocesamiento nuclear puede separar el combustible gastado en diversas combinaciones de uranio reprocesado , plutonio , actínidos menores , productos de fisión , restos de revestimiento de circonio o acero , productos de activación y los reactivos o solidificadores introducidos en el propio reprocesamiento. ^{[ 12 ]} Si estas porciones constituyentes del combustible gastado se reutilizaran y se limitaran los residuos adicionales que pudieran generarse como subproducto del reprocesamiento, este podría, en última instancia, reducir el volumen de residuos que deben eliminarse.

Como alternativa, el combustible nuclear gastado intacto puede eliminarse directamente como residuo radiactivo de alta actividad . Estados Unidos había planeado originalmente su eliminación en formaciones geológicas profundas , como el depósito de residuos nucleares de Yucca Mountain , donde estaría blindado y empaquetado para evitar su migración al entorno inmediato de los humanos durante miles de años. ^{[ 1 ] [ 13 ]} Sin embargo, el 5 de marzo de 2009, el Secretario de Energía, Steven Chu, declaró en una audiencia del Senado que "el sitio de Yucca Mountain ya no se consideraba una opción para almacenar residuos de reactores". ^{[ 14 ]} A partir de 2019, el estatus del sitio de Yucca Mountain se encuentra en un limbo político. ^{[ 15 ]}

En Finlandia se ha aprobado el almacenamiento geológico , utilizando el proceso KBS-3 . ^{[ 16 ]}

En Suiza, el Consejo Federal aprobó en 2008 el plan para el depósito geológico profundo de residuos radiactivos. ^{[ 17 ]}

El combustible nuclear gastado sigue siendo un peligro de radiación durante largos periodos de tiempo, con vidas medias de hasta 24 000 años. Por ejemplo, 10 años después de su extracción de un reactor, la tasa de dosis superficial para un conjunto típico de combustible gastado aún supera los 10 000 rem/hora, mucho mayor que la dosis letal para todo el cuerpo humano de aproximadamente 500 rem recibida de una sola vez. ^{[ 20 ]}

Existe un debate sobre si el combustible gastado almacenado en una piscina es susceptible a incidentes como terremotos ^{[ 21 ]} o ataques terroristas ^{[ 22 ]} que podrían potencialmente resultar en una liberación de radiación. ^{[ 23 ]}

En el caso excepcional de una falla de combustible durante el funcionamiento normal, el refrigerante primario puede entrar en el elemento. Normalmente se utilizan técnicas visuales para la inspección posterior a la irradiación de los haces de combustible. ^{[ 24 ]}

Desde los atentados del 11 de septiembre, la Comisión Reguladora Nuclear ha instituido una serie de normas que exigen que todas las piscinas de combustible sean inmunes a desastres naturales y ataques terroristas. En consecuencia, las piscinas de combustible gastado están revestidas con una capa de acero y hormigón grueso, y se inspeccionan periódicamente para garantizar su resistencia a terremotos, tornados, huracanes y seiches . ^{[ 25 ] [ 26 ]}

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