Análisis del ciclo nuclear: estrategias para la eliminación de residuos radiactivos con las técnicas de separación y transmutación

La gestión de los residuos radiactivos es un tema de trascendental importancia para las centrales nucleares, y que, además, se ha convertido en el principal flanco de ataque por los detractores de esta fuente de energía. El presente trabajo describe y analiza varias tecnologías que permiten solucionar este problema y que podrían aplicarse en España, donde se generaron en 2023 unos 670 metros cúbicos de residuos. También para dar perspectiva y a modo de ejemplo, se ha realizado un ejercicio cuantitativo sobre el impacto que las mismas podrían tener en los residuos generados por la central nuclear de Vandellós II en el año 2022. Los actínidos presentes en esos residuos, especialmente los de alta radiotoxicidad como son el Plutonio, Neptunio, Americio y Curio son un desafío significativo debido a su potencial impacto en la salud humana y en el medio ambiente. Todo ello requiere un manejo muy cuidadoso y una estrategia a largo plazo para minimizar su peligrosidad, sobre todo, considerando su larga vida media, la cual puede extenderse por miles de años. Se pone el foco en las Técnicas de Separación y las Técnicas de Transmutación (en inglés Partitioning and Transmutation P&T) para disminuir la cantidad y peligrosidad de los residuos generados, mejorando de esta manera la sostenibilidad del ciclo de combustible nuclear tradicional. De los esquemas alternativos que veremos de ciclo de combustible, sólo el de “Quema de Plutonio” (en inglés Pu Burning) se está utilizando actualmente en algunos países. Las otras técnicas siguen siendo, por el momento, esquemas teóricos en línea de investigación y desarrollo. Actualmente hay 32 países en el mundo que apuestan por la energía nuclear. De ellos, China, Japón, Rusia, EE.UU, Reino Unido y Francia, han optado por la mencionada estrategia de “Quema de Plutonio”. I. Técnicas de separación Son cuatro los principales procesos de separación de actínidos del combustible gastado: ➢ PUREX (Plutonium Uranium Recovery by Extraction): Este es un proceso estándar que se utiliza para recuperar plutonio y uranio del combustible gastado. Si bien es eficaz, no separa los AM (actínidos minoritarios) del combustible gastado, principales responsables de la radiotoxicidad a largo plazo. ➢ UREX (Uranium Extraction): Un proceso diseñado para mejorar la separación de uranio del combustible gastado, evitando la separación del plutonio. ➢ TRUEX (Transuranic Extraction): Se enfoca en la separación de los metales transuránicos, americio y curio, lo que reduce significativamente la radiotoxicidad de los residuos. ➢ SANEX (Selective Actinide Extraction): Este proceso es más avanzado y está diseñado para la separación selectiva de AM, mejorando aún más la gestión de los residuos. Los anteriores procesos no solo permiten la recuperación de elementos que pueden ser reutilizados en nuevos ciclos de combustible, como el plutonio y el uranio, sino que también reducen drásticamente el volumen de residuos que necesitan ser almacenados a largo plazo. Actualmente el único proceso que se lleva a cabo es el PUREX. II. Técnicas de Transmutación La transmutación es un proceso que convierte elementos radiactivos de larga vida en otros de vida más corta y menor radiactividad mediante su irradiación en un reactor nuclear.La transmutación puede realizarse de dos maneras: ➢ Modo Homogéneo: En este modo, los AM se mezclan directamente con el combustible nuclear. ➢ Modo Heterogéneo: Aquí, los AM se colocan en blancos especiales que se irradian en el reactor, pero fuera del núcleo principal. La tecnología de Transmutación tiene claros beneficios, pero también se enfrenta con importantes desafíos técnicos y económicos, como la necesidad de desarrollar reactores rápidos y la gestión de los productos de transmutación. Todo esto, a gran escala, requiere inversiones significativas en infraestructura y desarrollo tecnológico. III. Estrategias de aplicación de esas tecnologías y resultados esperados Se han desarrollado varias estrategias que se traducen en esquemas alternativos del ciclo de combustible en el que se incorporan las Técnicas de Separación y de Transmutación mencionadas. ➢ Ciclo de Combustible de Paso Único (O-T en inglés-Once Through): Ideal para países con programas nucleares pequeños. Consiste en almacenar el combustible usado en depósitos geológicos sin reciclarlo, garantizando la seguridad a largo plazo. ➢ Quema de Plutonio: Recicla el plutonio en reactores de agua ligera y rápidos, reduciendo el volumen de residuos radiactivos. Aunque disminuye la radiotoxicidad, la seguridad a largo plazo aún necesita ser demostrada. Esta estrategia se pone en práctica en el esquema de “Quema de Plutonio”. ➢ Transmutación: Recicla todos los actínidos en reactores avanzados para reducir significativamente la radiotoxicidad de los residuos. Requiere nuevos tipos de reactores y tecnologías de reprocesamiento. Esta estrategia se pone en práctica en los esquemas “Quema de TRU (Transuránicos) en reactores rápidos (en inglés- TRU Burning in Fast Reactor), “Quema de TRU en reactores rápidos accionados por acelerador” (en inglés-TRU Burning in Accelerator-Driven-System) y “Doble Estrato” (en inglés-Double Strata). ➢ Estrategia de reactores rápidos (en inglés-Fast Reactor Strategy): Esta línea de trabajo consiste en reemplazar los actuales reactores térmicos por reactores rápidos. Como es el único proceso que mejora el uso del uranio y recicla completamente los AM reduciendo la cantidad de residuos radiactivos, se convierte en una excelente opción para la gestión de estos. De cada uno de los esquemas mencionados anteriormente, se ha calculado el inventario de elementos radiactivos producido por la central nuclear de Vandellós II durante el año 2022, uno de los reactores en funcionamiento en España. Dichos cálculos se han hecho sobre la base de una generación eléctrica de 8,22196 TWhe que multiplicados por los gramos/TWhe que generaría cada esquema considerado, obtenemos la masa total de residuos. Basándonos en los datos proporcionados en relación con el inventario de RRAA (Residuos de Alta Actividad) podemos concluir que las estrategias de reciclado reducen considerablemente la masa de residuos en comparación con el ciclo de paso único, esquema que tenemos actualmente en España. En base a lo visto anteriormente se llega a una serie de conclusiones: • Para la eliminación efectiva del Pu la mejor opción sería el esquema de quema de Pu, pero aumenta la producción de Americio y Curio, limitando su potencial para reducir la masa total de TRU. • Para la reducción de AM la mejor opción sería la estrategia de reactores rápidos presentando además un menor inventario de residuos. Como segunda opción escogeríamos el esquema de quema de TRU en reactores rápidos ya que genera poco plutonio y mantiene baja la radiactividad. • Frente a estos dos esquemas propuestos tenemos el de Doble Estrato que, aunque genere una mayor cantidad de AM que los dos anteriores, sigue logrando una considerable reducción de TRU y una producción de plutonio relativamente baja. • Y por último el esquema de TRU mediante ADS es más efectivo que el basado en el de quema de plutonio para reducir AM, pero aumenta la actividad final en comparación con el ciclo de paso único. Por último, aunque los aspectos económicos quedan fuera del alcance de este trabajo, un breve comentario general sobre las implicaciones financieras de esas tecnologías: Algunos estudios, como el mostrado en el Anexo II y III han demostrado que la implantación de ciclos avanzados de combustible, aunque llevan consigo una inversión inicial muy alta, puede ser una alternativa económicamente viable a largo plazo. IV. Conclusiones Las estrategias de Separación y Transmutación, aplicadas a ciclos de combustible avanzados, son tecnologías eficientes y económicamente viables, que nos permiten optimizar la gestión de los residuos radiactivos. La mejor opción, en base a la información mostrada en el apartado III es la estrategia de reactores rápidos, los cuales tienen un potencial de reducción de los residuos TRU del orden del 99% además de disminuir considerablemente la generación de AM gracias a las menores tasas de captura que presenta el espectro rápido y de mejorar el uso del uranio. Si bien existen desafíos técnicos y económicos, la adopción de estas tecnologías podría reducir la necesidad de almacenamiento geológico profundo a largo plazo, mejorando la seguridad y sostenibilidad del ciclo de combustible nuclear. Hoy en día, la “Quema de Plutonio” es la única técnica implantada y funcionando en varios países. Las otras estrategias analizadas requieren todavía desarrollos antes de constituirse en soluciones operativas. La elección de la estrategia concreta para cada situación dependerá de los objetivos específicos, ya que cada enfoque tiene sus ventajas en la reducción de diferentes tipos de residuos y en la radiotoxicidad a largo plazo. Lo que sí está claro, es que los ciclos de combustible avanzados permiten a la energía nuclear ser una fuente prácticamente inagotable y suficiente para mantener la producción de energía nuclear eléctrica a largo plazo mediante reactores rápidos.