Combustibles nucleares by Rafael Vázquez Arriola

COMBUSTIBLES

NUCLEARES En todo combustible nuclear debe haber, por lo menos, una especie físil, es decir uranio 233, uranio 235 o plutonio 239. las tres especies derivan de dos fuentes naturales que son el uranio y el torio. El uranio natural contiene normalmente un 0,72% del isótopo físil uranio 235, siendo el resto casi en su totalidad, uranio 238, del que puede obtenerse plutonio 239, mediante las reacciones nucleares adecuadas. El isótopo físil uranio 233 se produce, de modo similar, a partir del torio, En la producción de energía utilizable a partir de combustibles nucleares, la planta del reactor propiamente dicha no es más que una parte de toda una operación compleja, en la que intervienen la producción del material combustible, la fabricación de los elementos combustibles, el reprocesado del combustible ya usado, para recuperar los materiales físiles y fértiles, y la eliminación de los desechos radioactivos. Recibe el nombre de “ciclo del combustible”, la trayectoria que sigue, en sus diversas etapas, el combustible de un reactor nuclear. La fuente original del uranio procede de los minerales uraníferos, los cuales, una vez extraídos de sus yacimientos, son sometidos a una etapa previa de concentración. Utilizando métodos de extracción y de purificación adecuados, se obtiene el uranio en forma de nitrato o hexafluoruro.

Nitrato de Uranio

Hexafluoruro de uranio

Se conoce como Ciclo del Combustible Nuclear al conjunto de operaciones necesarias para la fabricación del combustible destinado a las centrales nucleares, así como al tratamiento del combustible gastado producido por la operación de las mismas. En el caso del uranio, el ciclo cerrado incluye la minería, la producción de concentrados de uranio, el enriquecimiento (si procede), la fabricación de los elementos combustibles, su empleo en el reactor y la reelaboración de los elementos combustibles irradiados, para recuperar el uranio remanente y el plutonio producido, separando ambos de los residuos radiactivos de alta actividad que hay que evacuar definitivamente. Si el combustible irradiado no se reelabora es considerado en su totalidad como residuo radiactivo, lo que se denomina ciclo abierto, con lo que no se completa el denominado ciclo del combustible nuclear. Para la fabricación de elementos combustibles, el uranio debe encontrase en forma metálica, ya sea el metal puro o una aleación, o bien en forma de dióxido o de carburo. El elemento combustible suele llevar una vaina de acero inoxidable, aluminio, aleación de magnesio o aleación de zirconio, que protege del ataque del refrigerante, evita el escape de productos de fisión radioactivos y proporciona al elemento integridad geométrica.

MINERÍA El mineral de uranio puede obtenerse en excavaciones a cielo abierto o subterráneas, con métodos similares a la minería de otros metales. El método de lixiviación, el uranio es lavado desde el lugar donde se encuentra el mineral, mediante fuentes de agua espaciadas con regularidad, y recuperado de la solución lixiviada en una planta en superficie. PRIMERA CONVERSIÓN El uranio extraído normalmente se procesa para reducir el material a un tamaño uniforme de partícula, el proceso produce un polvo seco de un óxido de uranio de fórmula U3O8. Debe ser convertido en hexafluoruro de uranio. UF6. es la forma requerida actualmente por la mayoría de las plantas de enriquecimiento de uranio en funcionamiento. Sólido a temperatura ambiente puede evaporarse una temperatura más alta de 57º C ENRIQUECIMIENTO La concentración del isótopo fisionable U235 (0,71% en el uranio natural) es inferior a la requerida para mantener una reacción nuclear en cadena en los núcleos de los reactores de agua ligera. El UF6 natural, por lo tanto debe ser enriquecido con el isótopo fisionable para que pueda ser utilizado como combustible nuclear. El enriquecimiento se consigue utilizando alguno o algunos de los métodos de separación de isótopos. La difusión gaseosa y el centrifugado de gas, son las tecnologías de enriquecimiento usadas habitualmente. SEGUNDA CONVERSIÓN Se realiza para pasar el uranio en estado gaseoso a estado sólido en forma de polvo de dióxido de uranio UO2 FABRICACIÓN Mediante prensado y sintetizado, se obtienen pastillas, que se introducen en unas varillas de zircalloy agrupados en una estructura paralepípedica rígida, que forma el elemento combustible.

TORIO El único mineral de torio asequible, en cantidades prácticas, es la monacita. La monacita es fundamentalmente una mezcla de fosfatos de tierras raras, conteniendo del 1 al 5% de dióxido de torio y una proporción de uranio. Los depósitos de aluvión, resultantes de la meteorización de los granitos, contienen una gran cantidad de sílice(arena), siendo preciso el empleo de métodos normales de tratamiento de minerales para concentrar la monacita. El producto resultante suele contener del 5 al 8 % de torio. La extracción y purificación del torio, en forma de nitrato se realiza en varias etapas múltiples, utilizando fosfato de tributilo. La reextración del nitrato se realiza con agua, precipitándose el torio en forma de oxalato. Por calentamiento de éste se obtiene el dióxido, el cual, por tratamiento con fluoruro de hidrógeno se convierte en tetrafluoruro de torio, luego se reduce a torio metálico por calciotermia. Para reducir el punto de fusión 1750º C, se introduce zinc en el sistema, para que se forme una aleación de punto de fusión relativamente bajo.

PLUTONIO El plutonio no existe en la naturaleza en cantidad apreciable, sino que se obtiene en los reactores nucleares por irradiación neutrónica del uranio 238. En el tratamiento de recuperación de combustibles irradiados, el plutonio se obtiene como nitrato en solución nítrica. De esta disolución, se precipita el peróxido de plutonio (Pu2 O 7 ) mediante peróxido de hidrógeno. Por calentamiento, se obtiene el dióxido de plutonio, PuO2 , que ya se puede utilizar como combustible nuclear. Para producir el metal, se calienta el dióxido con una mezcla de fluoruro de hidrógeno y oxígeno, con lo que se obtiene el tetrafluoruro, luego se reduce con calcio en presencia de yodo, lo que introduce yoduro cálcico, rebajando el punto de fusión.

MATERIALES COMBUSTIBLES

Para que un material combustible resulte satisfactorio, debe poseer las siguientes características: 1) Sus propiedades de transmisión de calor deben ser tales, que permitan la obtención en el reactor de altas densidades de potencia (kilovatios por litro de volumen del núcleo) y de altas potencias específicas (kilovatios por kilogramo de combustible). Es conveniente, una conductividad térmica elevada, con el fin de reducir los gradientes de temperatura que se producen en el combustible. 2) El material debe ser muy resistente al deterioro por irradiación. El costo del combustible para un reactor de potencia, y por lo tanto, el costo de la energía eléctrica, dependen fuertemente de la cantidad consumida de material físil antes de que sea preciso reemplazar. Para obtener grados de quemado óptimos, la vida del elemento combustible en el reactor debe ser determinada por consideraciones de criticidad y no por efectos de irradiación 3) El material combustible debe ser químicamente estable, sobre todo con respecto al refrigerante, de modo que no llegue a producirse interacción, en caso de rotura de la vaina. 4) Las propiedades físicas y mecánicas del material deben permitir la fabricación económica de los elementos combustibles. URANIO METÁLICO El uranio – natural o enriquecido- es el combustible nuclear más corriente, tanto por su disponibilidad como por aplicación. Puede utilizarse en forma de metal puro o como constituyente de una aleación, o bien en forma de óxido, carburo u otro compuesto apropiado. El uranio metálico era el combustible casi exclusivo de los primeros reactores, debido principalmente a que, en esta forma, proporciona el número máximo de átomos de uranio por unidad de volumen. Sin embargo, a causa de sus pobres propiedades mecánicas y gran susceptibilidad al deterioro por radiación, el empleo de elementos combustibles de uranio metálico puro, ha quedado reducido prácticamente a los reactores de producción de plutonio.

PROPIEDADES FÍSICAS Y MECÁNICAS DEL URANIO El uranio metálico posee tres formas alotrópicas, que reciben los nombres de alfa, beta y gamma respectivamente. Sus propiedades figuran en la tabla

Las estructuras de las fases alfa y gamma son relativamente sencillas. La fase alfa tiene una estructura hexagonal distorsionada, mientras que la fase gamma es de una estructura cúbica centrada. La fase beta es algo más compleja, con una estructura tetragonal, cuya celda contiene 30 átomos.

FABRICACIÓN El uranio puede fabricarse por métodos clásicos, incluyendo, fundición, extrusión, forja, afilado con matrices, estirado y mecanizado. Un método útil es la laminación en caliente a temperaturas altas, debe protegerse del aire durante el proceso de fabricación, utilizando una sal fundida o mediante una atmosfera de gas inerte. En la fabricación a partir de hidruro de uranio, se convierte en metal por calentamiento. Para producir el uranio metálico, pueden utilizarse el prensado en frío, seguido de sinterización, donde se obtiene piezas de alta densidad con estructura de grano orientado al azar, cuya resistencia a la irradiación es superior a la de los otros procedimientos

CORROSIÓN El uranio reacciona con el aire, el agua o el hidrógeno, incluso a temperaturas ordinarias. El ataque del uranio metálico desnudo por parte del agua, con desprendimiento de hidrógeno es muy severo por la ausencia del aire, por lo que no se forma la capa protectora que inhibe la reacción. Aunque se forme esta capa de óxido, se produce la ruptura local y estas las zonas que quedan expuestas se corroen más rápidamente. La velocidad de corrosión varía, pudiendo llegar a perdidas de 1g/cm2 en agua a 100º C. En sodio líquido exento de oxígeno, la velocidad de corrosión es pequeña. No obstante, se utiliza siempre una vaina protectora, en el que se encierra el elemento combustible. DETERIORO POR IRRADIACIÓN Los cambios dimensionales que se producen por irradiación constituyen un serio inconveniente de los elementos combustibles de uranio metálico. Los efectos son de dos tipos: Inestabilidad dimensional sin cambio apreciable de densidad, que se observa a temperaturas inferiores a 450º C Hinchamiento con disminución de densidad, efecto que se hace importante por encima de los 450º C La inestabilidad dimensional es una distorsión sin cambios o muy pequeños de volumen, debida a la anisotropía de la fase alfa del uranio. Una forma de reducir la distorsión producida por la irradiación, consiste en utilizar un material en que los granos cristalinos sean pequeños con orientación al azar, consiguiendo, de este modo, una compensación parcial de las variaciones dimensionales que tienen lugar en las tres direcciones cristalográficas. Estas propiedades se consiguen mediante técnicas de metalurgia de polvos o por enfriamiento rápido de la fase beta, donde deben estar presentes pequeñas cantidades de impurezas o el empleo de ciertas aleaciones. A temperaturas elevadas, los elementos combustibles pueden experimentar hinchamiento a causa de la acumulación de burbujas diminutas de productos de fisión gaseosos. Por tratamientos térmicos apropiados o utilizando una aleación, se crean huecos aptos para reducir el grado de hinchamiento del uranio. Otra causa inevitable del aumento de volumen es la formación de dos átomos por cada átomo de uranio que se fisiona.

ALEACIONES DE URANIO Para superar parcialmente los inconvenientes de utilizar el uranio metálico como combustible, por medio de dos procedimientos utilizando ciertas aleaciones. El primero consiste en disolver en el uranio, pequeñas cantidades de un metal apropiado, tales como el cromo, molibdeno, niobio o zirconio, cuya presencia tiende a estabilizar la fase beta o la fase gamma. En la fase alfa, el producto consiste en pequeños cristales y orientados al azar, consiguiendo una mejor estabilidad dimensional y más resistente a la corrosión. Estas aleaciones excepto la de zirconio, deben realizarse siempre en cantidades pequeñas, para reducir la captura de neutrones térmicos. El segundo procedimiento consiste en añadir cantidades suficientes del metal de aleación, en la fase gamma. Como esta fase posee la estructura cúbica, no exhibe el comportamiento anisótropo de los cristales de la fase alfa. Un contenido del 10% de molibdeno, junto con el tratamiento térmico adecuado, proporciona una buena estabilidad frente a la irradiación. Otro tratamiento desarrollado es el pirometalúrgico, designado como “fissium”, exhiben, baja radiación y estabilidad dimensional. Los elementos combustibles construidos con aleaciones de aluminio y uranio, en donde se encuentran en forma de compuestos inter metálicos, del tipo UAl2, UAl3 o UAl4. Estas aleaciones poseen elevada conductividad térmica y ligan fácilmente a la vaina de aluminio, para constituir un recubrimiento, donde la capa de combustible ocupa la parte central.