De la energía nuclear de fisión (2): El transporte

En la entrada anterior ya teníamos el dióxido de uranio prensado y sintetizado en forma de pastillas e introducido en unas vainas de zircaloy, que en definitiva son las que se introducen en el reactor nuclear para la generación de energía. El problema que nos encontramos ahora es que estas vainas han sido generadas en una planta de fabricación de combustible que normalmente está a mucha distancia (incluso en otro país) de donde se encuentra el reactor nuclear que las va a utilizar. Se necesita, por tanto, transportarlas.

El transporte de sustancias radiactivas tiene que cumplir una serie de requisitos de seguridad ya que se ha de asegurar que dichas sustancias no se liberen al medio ambiente y no afecten a las personas. También es importante que el transportista esté protegido y no reciba ninguna dosis que pueda afectar a su salud.

La Agencia Internacional de Energía Atómica (IAEA) tiene publicadas unas normas de seguridad para el transporte seguro de materiales radiactivos. Estas normas se basan en unos requisitos principales:

  • El transporte se basa en el bulto, entendido éste como el embalaje con su contenido radiactivo.
  • La responsabilidad recae en quien prepara el bulto para su envío y no en el transportista.

Por ello se establecen unos objetivos:

  • Los materiales deben de estar embalados adecuadamente dependiendo del contenido de los mismos.
  • La radiación emitida por los bultos ha de ser controlada a través de blindajes que estén debidamente señalizados
  • Se debe evitar que, si los materiales son fisionables como es el caso de las vainas de combustible, se alcance la criticidad, es decir, no se produzcan reacciones en cadena como las que tienen lugar en el reactor una vez colocadas las vainas.
  • Se deben evitar los daños causados por el calor generado por los bultos (la fisión libera energía y por tanto calor), estableciendo sistemas de evacuación del calor.

La IAEA establece tres condiciones de transporte diferentes que pueden afectar al transporte de los bultos:

  • Consisten en las condiciones normal del transporte como pueden ser las propias aceleraciones y vibraciones durante el trayecto.
  • Aquí se consideran incidencias tales como caídas del bulto, golpes, lluvia, etc.
  • Estas son las condiciones en las que hay alguna colisión del medio del transporte, fallo mecánico, térmico o similar.

Los bultos que contienen sustancias fisionables, además de un posible riesgo de protección radiológica si no están apropiadamente embalados, tienen un cierto riesgo de alcanzar la criticidad. Se consideran materiales fisionables el 233U, 235U, 239Pu, 241Pu o combinaciones de ellos. En nuestro caso, los materiales ya preparados para su uso como combustible nuclear, se consideran materiales fisionables.

El transporte de este tipo de bultos tiene que cumplir unos requisitos estrictos en cuanto a su embalaje. En otras palabras, han de superar una serie de duras pruebas antes de ser transportados.

En primer lugar el embalaje ha de cumplir unos requisitos de carácter general como es la fácil manipulación y que esté sujeto firmemente al medio de transporte de manera que sus enganches no fallen. También se requiere que su superficie no retenga agua y que el material del embalaje tenga propiedades físicas y químicas compatibles con el contenido del bulto.

Para que todo el mundo tenga la información apropiada, los embalajes deben estar señalizados con las etiquetas características de los materiales radiactivos.

Etiqueta

Etiquetas para indicar materiales radiactivos en el transporte

En cuanto a las pruebas que tienen que superar, dependiendo de la cantidad de material fisionable del bulto, estas son más o menos restrictivas. Vamos a ver las más restrictivas que son las correspondientes a cuando el bulto se transporta por vía aérea.

  • Deben soportar una caída libre desde 9 m sobre una superficie indeformable.
  • Deben soportar el aplastamiento cuando sobre ellos cae una masa de 500 kg desde una altura de 9 m.
  • Deben soportar desgarramiento o perforación cuando se deja caer el bulto sobre una barra desde 1 m.
  • Deben soportar una temperatura de 800 0C durante 60 minutos
  • Deben soportar una impacto sobre un blanco indeformable a una velocidad de 80 m/s.
  • Deben soportar una inmersión en agua a 200 m de profundidad.

En la entrada anterior también vimos que el dióxido de uranio de las vainas de combustible se fabrica a partir del hexafluoruro de uranio, con el que se trabaja en estado gaseoso. Podría ocurrir que las plantas de fabricación del hexafluoruro de uranio y el dióxido de uranio estuvieran separadas, por lo que habría que transportar el primero.

El hexafluoruro de uranio no es considerado peligroso por sus propiedades radiactivas, sino por sus propiedades corrosivas. En este caso el riesgo de corrosión es considerado más importante frente al riesgo radiactivo.

Para transportarlo lo primero que hay que hacer es solidificarlo y una vez dentro del bulto, mantener la presión interna inferior a la presión atmosférica. Esto quiere decir que además de cumplir los requisitos de caída o térmicos antes mencionados, el bulto no debe de tener ningún dispositivo de alivio de presión.

Una vez el bulto, las vainas de combustible, ha llegado a las instalaciones nucleares donde se van a utilizar es hora de empezar a generar energía. Pero, ¿cómo se genera la energía? ¿Cómo funciona una central nuclear? ¿Qué es eso de la fisión nuclear?

Estas respuestas las daremos en las siguientes entradas.

Referencias

Reglamento para el transporte seguro de materiales radiactivos. Edición de 2012.Requisitos de Seguridad específicos. Nº SSR-6. Agencia Internacional de Energía Atómica

http://www.csn.es/descarga/AR_TRA.PDF”>La señalización en el transporte de material radiactivo. Consejo de Seguridad Nuclear

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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.