Quemarse

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En la tecnología de energía nuclear , el quemado (también conocido como utilización de combustible ) es una medida de cuánta energía se extrae de una fuente primaria de combustible nuclear . Se mide como la fracción de átomos de combustible que experimentaron fisión en %FIMA (fisiones por átomo de metal inicial) ^[1] o %FIFA (fisiones por átomo fisible inicial) ^[2] así como, preferiblemente, la energía real liberada por masa de combustible inicial en gigavatios -día/ tonelada métrica de metal pesado (GWd/tHM), o unidades similares.

Expresado como porcentaje: si el 5% de los átomos iniciales de metales pesados ​​han sufrido fisión, el quemado es 5% FIMA. Si este 5% fuera el total de ²³⁵ U que había en el combustible al principio, el quemado es 100% FIFA (ya que ^{el 235} U es fisible y el otro 95% de metales pesados ​​como ^{el 238} U no lo son). En operaciones de reactores, este porcentaje es difícil de medir, por lo que se prefiere la definición alternativa. Esto se puede calcular multiplicando la potencia térmica de la planta por el tiempo de operación y dividiéndola por la masa de la carga de combustible inicial. Por ejemplo, si una planta térmica de 3000 MW (equivalente a 1000 MW eléctricos con una eficiencia del 30%, lo que es típico de los LWR estadounidenses) utiliza 24 toneladas de uranio enriquecido (tU) y funciona a plena potencia durante 1 año, el consumo promedio del combustible es (3000 MW·365 d)/24 toneladas métricas = 45,63 GWd/t, o 45.625 MWd/tHM (donde HM significa metal pesado, es decir, actínidos como el torio, el uranio, el plutonio, etc.).

Para convertir entre porcentaje y energía/masa es necesario conocer κ, la energía térmica liberada por cada evento de fisión. Un valor típico es 193,7  MeV (3,1 × 10 ⁻¹¹  J ) de energía térmica por fisión (véase Fisión nuclear ). Con este valor, el quemado máximo del 100% de FIMA, que incluye la fisión no solo del contenido fisible sino también de los otros nucleidos fisionables , es equivalente a unos 909 GWd/t. Los ingenieros nucleares suelen utilizar este valor para aproximar el quemado del 10% a poco menos de 100 GWd/t.

El combustible real puede ser cualquier actínido que pueda soportar una reacción en cadena (es decir, que sea fisible), incluido el uranio, el plutonio y combustibles transuránicos más exóticos . Este contenido de combustible a menudo se denomina metal pesado para distinguirlo de otros metales presentes en el combustible, como los que se utilizan para el revestimiento . El metal pesado suele estar presente como metal u óxido, pero también son posibles otros compuestos como carburos u otras sales.

Los reactores de segunda generación se diseñaron para alcanzar unos 40 GWd/tU. Con la tecnología de combustible más moderna, y en particular el uso de venenos nucleares , estos mismos reactores ahora pueden alcanzar hasta 60 GWd/tU. Después de tantas fisiones, la acumulación de productos de fisión envenena la reacción en cadena y el reactor debe apagarse y reabastecerse.

Se espera que algunos diseños de reactores de agua ligera más avanzados logren más de 90 GWd/t de combustible más enriquecido. ^[3]

Los reactores rápidos son más inmunes al envenenamiento por productos de fisión y pueden alcanzar inherentemente mayores niveles de combustión en un ciclo. En 1985, el reactor EBR-II del Laboratorio Nacional de Argonne llevó el combustible metálico hasta un nivel de combustión del 19,9%, o poco menos de 200 GWd/t. ^[4]

El reactor modular de helio de combustión profunda (DB-MHR) podría alcanzar 500 GWd/t de elementos transuránicos . ^[5]

En una central eléctrica, un alto consumo de combustible es deseable para:

• Reducción del tiempo de inactividad para reabastecimiento de combustible
• Reducir la cantidad de elementos de combustible nuclear nuevos necesarios y de elementos de combustible nuclear gastados generados mientras se produce una cantidad determinada de energía
• Reducción del riesgo de desvío de plutonio del combustible gastado para su uso en armas nucleares

También es deseable que el proceso de quemado sea lo más uniforme posible, tanto dentro de los elementos combustibles individuales como de un elemento a otro dentro de una carga de combustible. En los reactores con recarga en línea , los elementos combustibles pueden reposicionarse durante la operación para ayudar a lograr esto. En los reactores sin esta facilidad, se puede utilizar el posicionamiento preciso de las barras de control para equilibrar la reactividad dentro del núcleo y el reposicionamiento del combustible restante durante las paradas en las que solo se reemplaza una parte de la carga de combustible.

Por otra parte, hay indicios de que aumentar el quemado por encima de 50 o 60 GWd/tU conlleva importantes desafíos de ingeniería ^[6] y que no necesariamente conlleva beneficios económicos. Los combustibles con un mayor quemado requieren un mayor enriquecimiento inicial para mantener la reactividad. Dado que la cantidad de unidades de trabajo de separación (SWU) no es una función lineal del enriquecimiento, es más costoso lograr mayores enriquecimientos. También existen aspectos operativos de los combustibles con un alto quemado ^[7] que están asociados especialmente con la confiabilidad de dicho combustible. Las principales preocupaciones asociadas con los combustibles con un alto quemado son:

• El aumento del quemado impone exigencias adicionales al revestimiento del combustible, que debe soportar el entorno del reactor durante períodos más prolongados.
• Una residencia más prolongada en el reactor requiere una mayor resistencia a la corrosión.
• Un mayor grado de quemado conduce a una mayor acumulación de productos de fisión gaseosos dentro del núcleo de combustible, lo que genera aumentos significativos en la presión interna.
• Un mayor quemado conduce a un mayor crecimiento inducido por la radiación, lo que puede provocar cambios indeseables en la geometría del núcleo (curvatura del conjunto de combustible o curvatura de las barras de combustible). La curvatura del conjunto de combustible puede dar lugar a un aumento de los tiempos de caída de las barras de control debido a la fricción entre las barras de control y los tubos guía curvados.
• Si bien el combustible de alto grado de quemado genera un menor volumen de combustible para reprocesamiento, el combustible tiene una actividad específica mayor.

En los ciclos de combustible nuclear de un solo paso, como los que se utilizan actualmente en gran parte del mundo, los elementos combustibles usados ​​se eliminan enteros como desechos nucleares de alto nivel y el contenido restante de uranio y plutonio se pierde. Un mayor grado de quemado permite utilizar una mayor cantidad del ²³⁵ U fisible y del plutonio generado a partir del ²³⁸ U , lo que reduce los requisitos de uranio del ciclo del combustible.

En los ciclos de combustible nuclear de un solo uso, un mayor grado de quemado reduce la cantidad de elementos que deben enterrarse. Sin embargo, la emisión de calor a corto plazo, un factor limitante de los depósitos geológicos profundos , proviene predominantemente de productos de fisión de vida media , en particular ¹³⁷ Cs (vida media de 30,08 años) y ⁹⁰ Sr (vida media de 28,9 años). Como hay proporcionalmente más de estos en el combustible de alto grado de quemado, el calor generado por el combustible gastado es aproximadamente constante para una cantidad dada de energía generada.

De manera similar, en los ciclos de combustible con reprocesamiento nuclear , la cantidad de desechos de alto nivel para una cantidad dada de energía generada no está estrechamente relacionada con el quemado. El combustible de alto nivel de quemado genera un volumen menor de combustible para reprocesamiento, pero con una actividad específica más alta .

El combustible usado sin procesar de los reactores de agua ligera actuales consiste en un 5% de productos de fisión y un 95% de actínidos (la mayor parte uranio), y es peligrosamente radiotóxico, requiriendo una custodia especial, durante 300.000 años. La mayoría de los elementos radiotóxicos a largo plazo son transuránicos, y por lo tanto podrían reciclarse como combustible. El 70% de los productos de fisión son estables o tienen vidas medias inferiores a un año. Otro seis por ciento ( 129I y 99Tc ⁾ puede ^transmutarse en elementos con vidas medias extremadamente cortas ( ^130I : 12,36 horas; ^100Tc : 15,46 segundos). El 93Zr ^, que tiene una vida media muy larga, constituye el 5% de los productos de fisión, pero puede alearse con uranio y transuránicos durante el reciclaje del combustible, o usarse en vainas de zircalloy , donde su radiactividad es irrelevante. El 20% restante de los productos de fisión, o el 1% del combustible sin procesar, cuyos isótopos de vida más larga son ^{el 137} Cs y ^{el 90} Sr , requieren una custodia especial durante solo 300 años. ^[8] Por lo tanto, la masa de material que necesita una custodia especial es el 1% de la masa del combustible usado sin procesar. En el caso de¹³⁷
Cs o⁹⁰
Esta "custodia especial" también podría adoptar la forma de uso para la irradiación de alimentos o como combustible en un generador termoeléctrico de radioisótopos . Como tanto los elementos nativos estroncio y cesio como sus óxidos (formas químicas en las que se pueden encontrar en combustibles de óxido o metal) forman hidróxidos solubles al reaccionar con el agua, se pueden extraer del combustible gastado con relativa facilidad y precipitar en una forma sólida para su uso o eliminación en un paso posterior si se desea. Si el tritio no se ha eliminado del combustible en un paso anterior a esta extracción acuosa, el agua utilizada en este proceso estará contaminada, lo que requerirá una costosa separación de isótopos o permitir que el tritio se descomponga a niveles seguros antes de que el agua pueda liberarse en la biosfera.

El quemado es uno de los factores clave que determinan la composición isotópica del combustible nuclear gastado , junto con su composición inicial y el espectro neutrónico del reactor. Un quemado de combustible muy bajo es esencial para la producción de plutonio apto para armas nucleares , con el fin de producir plutonio que sea predominantemente ²³⁹ Pu con la menor proporción posible de ²⁴⁰ Pu y ²⁴² Pu .

El plutonio y otros isótopos transuránicos se producen a partir del uranio por absorción de neutrones durante el funcionamiento del reactor. Si bien en principio es posible extraer el plutonio del combustible usado y desviarlo hacia el uso armamentístico, en la práctica existen obstáculos formidables para hacerlo. En primer lugar, deben eliminarse los productos de fisión. En segundo lugar, el plutonio debe separarse de otros actínidos. En tercer lugar, los isótopos fisionables del plutonio deben separarse de los isótopos no fisionables, lo que es más difícil que separar los isótopos fisionables de los no fisionables del uranio, sobre todo porque la diferencia de masa es de una unidad atómica en lugar de tres. Todos los procesos requieren operar con materiales fuertemente radiactivos. Como hay muchas maneras más simples de fabricar armas nucleares, nadie ha construido armas a partir del combustible usado de reactores eléctricos civiles, y es probable que nadie lo haga nunca. Además, la mayor parte del plutonio producido durante el funcionamiento se fisiona. En la medida en que el combustible se reprocese in situ, como se propone para el reactor rápido integral , las oportunidades de desvío son aún más limitadas. Por lo tanto, la producción de plutonio durante el funcionamiento de reactores eléctricos civiles no constituye un problema importante.

Una tesis de un estudiante de posgrado del MIT de 2003 concluye que "el coste del ciclo de combustible asociado a un nivel de quemado de 100 GWd/tHM es mayor que el de un quemado de 50 GWd/tHM. Además, se requerirán gastos para el desarrollo de combustibles capaces de soportar niveles tan elevados de irradiación. En las condiciones actuales, los beneficios de un alto nivel de quemado (menores tasas de descarga de combustible gastado y plutonio, isótopos de plutonio degradado) no se ven recompensados. Por lo tanto, no hay incentivos para que los operadores de plantas de energía nuclear inviertan en combustibles de alto nivel de quemado". ^[9]

Un estudio patrocinado por los Programas Universitarios de Energía Nuclear investigó la viabilidad económica y técnica, a largo plazo, de un mayor grado de quemado. ^[10]

• Requisitos básicos de los combustibles de alto grado de combustión en los reactores de agua de baja presión