De la energía nuclear de fisión (1): El combustible

En ocasiones escucho hablar sobre la peligrosidad de las centrales nucleares de fisión, de la radiactividad y de los residuos nucleares. Con esta entrada, empiezo una serie de entradas en las que quiero dar una visión general de todo el proceso de generación de energía nuclear desde la generación del combustible, su transporte, el funcionamiento de los tipos de centrales nucleares de fisión que existen y la generación de energía, sin entrar en el debate sobre la peligrosidad o no de las centrales nucleares y la radiactividad.

Hoy voy a hablar del principal combustible que se utiliza para estos fines, desde su origen hasta su preparación para ser utilizado en centrales nucleares: el Uranio.

UranioSímbolo del Uranio

El Uranio (símbolo U) es un elemento químico con número atómico (Z) 92. Esto quiere decir que su núcleo tiene 92 protones y éste está rodeado por 92 electrones. Además el núcleo está compuesto también por entre 142 y 146 neutrones formando diversos isótopos (elementos con mismo número atómico pero distinto número másico, esto es, distinta suma de protones y neutrones). A pesar de la existencia de varios isótopos, dos son los más abundantes, el 238U y el 235U (el superíndice a la izquierda indica el número másico)

El Uranio es el elemento de mayor peso atómico que se encuentra en la naturaleza de forma natural, es decir, no es necesario utilizar complejos instrumentos ni técnicas para generarlo en un laboratorio. La importancia del Uranio para la generación de energía es que es el principal combustible para las centrales nucleares. El problema es que tal y como se encuentra en la naturaleza, no es útil para la generación de energía. Su transformación en un elemento útil forma parte del ciclo del combustible nuclear.

En pocas palabras el ciclo de combustible nuclear consta de dos fases. La primera consiste en la preparación del Uranio para ser utilizado como combustible y la segunda su tratamiento para ser reutilizado (ciclo cerrado) o su almacenaje como residuos radiactivos (ciclo abierto).

Para conseguir el Uranio necesario para la generación de energía, lo primero que tenemos que hacer es buscarlo en la naturaleza y extraerlo. Es lo conocido como minería del Uranio. De hecho el Uranio es un material relativamente abundante. Hay materiales como la pizarra o el granito que pueden llegar a tener hasta 100 partes por millón de Uranio. Pero los minerales con mayor abundancia de Uranio son la pechblenda y la uraninita, aunque también se encuentran en formas más oxidadas como en la carnotita o torbenita y en formas refractarias como la euxenita o davidita. Estos minerales se encuentran predominantemente en yacimientos de Australia y Canadá, pero en Europa los principales yacimientos se encuentran en España y en menor grado en Francia.

Pechblenda

Pechblenda

Una vez se ha descubierto un yacimiento y se han tomado las medidas pertinentes tanto medioambientales como de protección radiológica frente a la radiactividad. Se procede a la extracción del mineral de Uranio. Una vez extraído, el primer paso es reducir el tamaño de las rocas para que pueda ser tratado mediante métodos químicos.

Posteriormente, se realiza el proceso de lixiviación o solubilización del Uranio. El resultado de la lixiviación (conocido como pulpa) se separa en sus fases sólida y acuosa por decantación. En la fase acuosa se encuentra el Uranio. Este Uranio, todavía no es utilizable para la generación de energía ya que se encuentra en cantidades muy pequeñas, por lo que es necesario concentrar y purificar la disolución resultante hasta alcanzar las cantidades necesarias. Después se procede a la precipitación del Uranio y a su secado. Aquí aparece un producto sólido de color amarillo conocido como torta amarilla o “yellow cake”. Esta torta amarilla se embolsa y se almacena en bidones de acero teniendo en cuenta todas las medidas de protección radiológica necesarias para evitar a los trabajadores y el medio ambiente la exposición a la radiactividad.

Yellowcake

Yellow cake

Como ya hemos dicho, el Uranio tiene dos isótopos que son más abundantes el 238U y el 235U. De los dos, el más abundante es el 238U con más de un 99% de abundancia. Para que el 238U se fisione, y tenga lugar el desprendimiento de calor que hará que el agua del reactor se caliente y el gas generado mueva las turbinas para generar electricidad, hay que aportar energía a través de colisiones con neutrones rápidos, es decir, neutrones con mucha energía. Además la probabilidad de fisión espontánea del 238U es pequeña. Aportar energía para que tenga lugar la fisión no es fácil de hacer ni barato, además los neutrones rápidos son difíciles de controlar y las probabilidades de una reacción descontrolada aumentarían considerablemente. Sin embargo, el 235U con una abundancia mucho menor (menos del 1%) tiene una mayor probabilidad de fisionarse espontáneamente y a partir de neutrones térmicos que son más fáciles de controlar.

Por todo ello, para poder ser usado como combustible en reactores nucleares, el Uranio ha de ser enriquecido en 235U. Dependiendo del tipo de central nuclear el enriquecimiento varía entre un 3% para las centrales que usan reactores de agua presurizada (PWR) a un 2,6% para centrales que usan reactores de agua en ebullición (BWR).

Para poder enriquecer el Uranio primero hay que purificar la base obtenida en el proceso descrito anteriormente y por lo tanto se obtiene una disolución de nitrato de uranilo puro. Posteriormente se pueden utilizar dos técnicas diferentes (vía seca utilizada principalmente en Estados Unidos y vía húmeda en Francia) hasta obtener hexafluoruro de Uranio. En esta fase hay que tener mucho cuidado y disponer de sistemas de filtrado y retención de polvo, ya que en la transformación de nitrato de uranilo a hexafluoruro de uranio se genera mucho polvo radiactivo que ha de ser controlado para proteger a los trabajadores y el medio ambiente. Finalmente se enriquece el hexafluoruro de uranio con 235U.

Existen varios métodos para el enriquecimiento siendo los más importantes los de difusión gaseosa, ultracentrifugación y separación por toberas. En todos estos métodos el aspecto más importante es, además de asegurar la protección cuando se está manipulando, es controlar la criticidad del hexafluoruro de uranio enriquecido ya que existe el riesgo de que se establezca una reacción nuclear en cadena. Este compuesto se encuentra en estado sólido a temperatura ambiente, así que para poder manejarlo es necesario trabajar con presiones y temperaturas que lo hagan estar en estado gaseoso.

Del hexafluoruro de uranio en estado gaseoso se obtiene dióxido de uranio que se prensa y se sintetiza hasta darle forma de pastilla. Las pastillas se introducen en unas vainas de una aleación de zirconio conocida como zircaloy que son las que posteriormente se introducirán en el reactor nuclear y que constituyen el combustible utilizado para la generación de energía.

Pero primero tenemos que transportar estas vainas a la instalación nuclear, cosa que haremos en la siguiente entrada.

Referencias

http://es.wikipedia.org/wiki/Uranio

http://www.oecd-nea.org/ndd/uranium/

http://www.hablandodeciencia.com/articulos/2012/10/09/centrales-nucleares-enriquecimiento-de-uranio-y-fabricacion-del-combustible-nuclear/

Minería del Uranio. Consejo de Seguridad Nuclear

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Esta entrada participa en el XLIV Carnaval de Química alojado en el blog de Melquíades de @waltzing_piglet.

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2 pensamientos en “De la energía nuclear de fisión (1): El combustible

  1. Pues sí que es complicado el proceso completo. ¿Suelen tener problemas de saludo las personas que trabajan en la obtención del hexafluoruro de U o no más que otras?

    • Con el hexafluoruro de uranio me pillas, al ser la corrosión más problemática que la radiactividad, no sé cuales son las medidas específicas de protección para el personal. Para el resto de riesgos radiológicos, existe toda una normativa a base de instrucciones de seguridad emitidas por la agencia internacional de energía atómica, y en el caso español también por el consejo de seguridad nuclear, relativas a la protección radiológica de manera que, salvo que haya un desastre o un accidente, el impacto en la salud se mantenga por debajo de dosis que puedan generar efectos probabilistas.

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