Diapositiva 1 - Sociedad Nuclear Mexicana

¿Qué es el ciclo de combustible
nuclear?
Tema 10
¿Qué es el ciclo de combustible nuclear?
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.
Tema 10
¿Qué es el ciclo de combustible nuclear?
El combustible nuclear por excelencia es el
uranio, pero también el plutonio y el torio
se usan frecuentemente.
Uranio
En los reactores térmicos convencionales,
como el PWR, el BWR y el PHWR la
absorción de neutrones en el 92U238 da lugar
a la creación de plutonio 94Pu239, el cual se
fisiona
en
los
propios
reactores.
Típicamente la energía producida en este
tipo de reactores proviene dos terceras
partes del 94U235 y una tercera parte 94Pu239.
Torio
Tema 10
¿Qué es el ciclo de combustible nuclear?
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.
Tema 10
¿Qué es el ciclo de combustible nuclear?
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 1017 Kg (2.2 x 1017 lb); los
océanos pueden contener 1013 Kg (2.2 x
1013 lb) de uranio. Se conocen cientos
de minerales que contienen uranio,
pero sólo unos pocos son de interés
comercial.
Tema 10
¿Qué es el ciclo de combustible nuclear?
Uranio
Actualmente también en el proceso
de desmantelamiento de armas
nucleares
se
están
diluyendo
cantidades importantes de uranio
altamente enriquecido (≥ 90% U235)
para convertirlas en uranio de bajo
enriquecimiento(≤5% U235) apto como
combustible
de
reactores
nucleoeléctricos.
Tema 10
¿Qué es el ciclo de combustible nuclear?
Isotopo
Vida media
Plutonio-236
2.87 años
Plutonio-237
45.2 dias
Plutonio-238
87.7 años
Plutonio-239
24 360 años
Plutonio-240
6 560 años
Plutonio-241
14.4 años
Plutonio-242
375 000 años
Plutonio-243
4.956 horas
Plutonio-244
80 millones de años
Plutonio-245
10.5 horas
Plutonio-246
10.85 dias
Plutonio
Es un metal plateado, reactivo, y existen
varios tipos de isotopos. Su isótopo
principal es 239Pu, posee una vida media
de 24360 años. Se forma en los reactores
nucleares, al igual que el 240Pu y el 241Pu.
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 238Pu fue producido en 1940 en la
Universidad de California en Berkeley.
Tema 10
Plutonio
En 1971 se encontraros trazas de 244Pu, 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.
Bastnaesita
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.
Tema 10
Torio
Elemento químico radiactivo con una vida media
de aproximadamente 1.4 x 1010años. Al igual que
el uranio, el Th232 es un material fértil que puede
servir para producir material fisible, que puede
usarse a su vez como combustible en un reactor
nuclear.
Berzelius, Jöns Jacob
Descubierto por Berzelius en 1828. 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.
Tema 10
Torio
En un reactor , el torio puede ser “criado” en
U233, 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.
Monazita o monacita
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.
Tema 10
¿Qué es el ciclo de combustible nuclear?
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.
Torio
La India, Australia, Noruega, Estados Unidos y
Canadá son los países que albergan las
mayores reservas de este mineral.
Tema 10
¿Qué es el ciclo de combustible nuclear?
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.
Tema 10
¿Qué es el ciclo de combustible nuclear?
Ciclo de combustible nuclear
Uranita
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).
Pechblenda
Tema 10
¿Qué es el ciclo de combustible nuclear?
1) Minería
El uranio natural se encuentra en la
forma de óxido de uranio (U3O8) de
diferentes grados de oxidación
(equivalentes a U3O8 refinado).
En
México
existen
reservas
potenciales probadas uraníferas en
los estados de Baja California Sur,
Chihuahua, Durango, Nuevo León,
Oaxaca y Sonora.
Tema 10
¿Qué es el ciclo de combustible nuclear?
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
Tema 10
¿Qué es el ciclo de combustible nuclear?
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.
Tema 10
¿Qué es el ciclo de combustible nuclear?
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
Tema 10
¿Qué es el ciclo de combustible nuclear?
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.
Tema 10
¿Qué es el ciclo de combustible nuclear?
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 U3O8 y se denomina
“yellow cake” por su color amarillo.
Este óxido es trasladado a la planta de
enriquecimiento.
Tema 10
¿Qué es el ciclo de combustible nuclear?
3) Conversión y enriquecimiento:
El uranio presente en la naturaleza
contiene los isótopos: 238U, 235U y 234U,
con abundancias relativas del 99.285%,
0.71% y 0.005% respectivamente. Los
reactores nucleares moderados con
agua ligera, necesitan un combustible
que tenga una abundancia relativa en
235U del 3-5%, aproximadamente. Por
tanto se requiere enriquecer el uranio
natural, es decir, incrementar su
concentración en 235U.
Tema 10
¿Qué es el ciclo de combustible nuclear?
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 (UF6), corrosivo y
reactivo. Este proceso recibe el
nombre de conversión.
Tema 10
3) Conversión y enriquecimiento:
Existen diversos métodos para enriquecer
al uranio:
a.Difusión gaseosa.
b.Centrifugación.
c.Procesos láser.
d.Difusión térmica.
e.Tobera.
f.Procesos aerodinámicos.
g.Separación electromagnética de isotopos.
h.Entre otros.
Los más utilizados son los 3 primeros.
Tema 10
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 235U y las que contienen 238U.
Primer procedimiento utilizado a gran
escala, pero esta siendo sustituido por la
centrifugación.
Tema 10
b. Procesos láser.
La separación isotópica del uranio consiste en
excitar los átomos de U235 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.
Tema 10
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 238U, se desplazan hacia la
parte exterior del cilindro, mientras que
las más ligeras del 235U se recogen más
cercanas al centro.
Tema 10
¿Qué es el ciclo de combustible nuclear?
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% U235 ; también
se genera uranio empobrecido (85% U238)
el cual es almacenado y utilizado, por
ejemplo como municiones para atravesar
blindajes. Este uranio es aprox. 60% más
radioactivo que el uranio natural.
Tema 10
¿Qué es el ciclo de combustible nuclear?
4)Fabricación del elemento combustible:
Una vez que el UF6 se ha enriquecido,
se
convierte
mediante
procesos
químicos en polvo de óxido de uranio
enriquecido (UO2).
El polvo se prensa y se sinteriza en
hornos especiales a altas temperaturas
para fabricar pastillas cerámicas de
UO2. Estas pastillas tienen un tamaño
aproximado de la mitad de un dedal de
costura y son el verdadero combustible
de un reactor nuclear convencional.
Tema 10
¿Qué es el ciclo de combustible nuclear?
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.
Tema 10
¿Qué es el ciclo de combustible nuclear?
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 (UO2 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.
Tema 10
¿Qué es el ciclo de combustible nuclear?
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).
Tema 10
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
U235.
Tema 10
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.
Tema 10
¿Qué es el ciclo de combustible nuclear?
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.
Tema 10