Combustible nuclear


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Fig. 1. Un pellet de combustible nuclear enriquecido.[1]

El combustible nuclear es el combustible que se utiliza en un reactor nuclear para mantener una reacción nuclear en cadena. Estos combustibles son fisionables, y los combustibles nucleares más comunes son los metales radiactivos uranio-235 y plutonio-239.[2] Todos los procesos relacionados con la obtención, el refinamiento y la utilización de este combustible conforman un ciclo conocido como el ciclo del combustible nuclear.

El uranio-235 se utiliza como combustible en diferentes concentraciones. Algunos reactores, como el reactor CANDU, pueden utilizar uranio natural con concentraciones de uranio-235 de sólo el 0.7%, mientras que otros reactores requieren que el uranio esté ligeramente enriquecido hasta niveles del 3% al 5%.[3] El plutonio-239 se produce y se utiliza en reactores (concretamente en reactores reproductores rápidos) que contienen cantidades significativas de uranio-238. También puede reciclarse y utilizarse como combustible en reactores térmicos. Actualmente se está investigando cómo se puede utilizar el torio-232 como combustible.

Producción

Las plantas de fabricación de combustible son instalaciones que convierten el uranio enriquecido en combustible para los reactores nucleares. Para los reactores de agua ligera, el uranio se recibe de una planta de enriquecimiento en forma sólida. A continuación, se convierte en gas y se transforma químicamente en polvo de dióxido de uranio.[4] Este polvo se comprime en pastillas y se empaqueta en ensambles de combustible. También se puede crear un combustible de óxido mixto cuando el polvo de uranio se empaqueta junto con óxido de plutonio. Los riesgos presentes en las instalaciones de fabricación de combustible, los cuales son principalmente químicos y radiológicos, son similares a los de las plantas de enriquecimiento. En general, estas instalaciones presentan un bajo riesgo para el público.[4]

Uso

Cuando se utiliza en un reactor, los combustibles empleados pueden tener diferentes formas: un metal, una aleación o algún tipo de óxido.[3] La mayoría de los reactores nucleares se proveen de combustible con un compuesto conocido como dióxido de uranio. Este dióxido de uranio se reúne en un ensamble de combustible y se introduce en el reactor nuclear, donde puede permanecer durante varios meses o hasta algunos años.[5] Mientras está en el reactor, el combustible es sometido a fisión nuclear y libera energía. Esta energía liberada se utiliza para generar electricidad. Los neutrones liberados durante el proceso de fisión permiten que se produzca una reacción de fisión en cadena, lo que permite generar energía continuamente. El combustible se retira del reactor después de que grandes cantidades del mismo — ya sea uranio-235 o plutonio-239 — hayan pasado por la fisión. El combustible nuclear "usado" se conoce como combustible gastado o irradiado. Tras su uso, el combustible debe ser enfriado durante unos años, ya que está extremadamente caliente.[5]

El combustible gastado se coloca en grandes y profundas piscinas de agua que actúan como refrigerante y escudo contra la radiación. La propiedad de refrigerante permite que el agua elimine el calor de desintegración y las capacidades de blindaje protegen a los trabajadores de la radiactividad del combustible.[5] Tras el enfriamiento, el combustible puede reutilizarse o enviarse a un almacén en función de la reglamentación.

Para más información sobre cómo se trata el combustible gastado, véase residuos nucleares. Para una explicación más detallada sobre cómo se obtiene y utiliza exactamente el combustible, véase el ciclo del combustible nuclear.

Ensamblaje del combustible

Los reactores nucleares funcionan con dióxido de uranio en polvo que se ha comprimido en pequeñas pastillas, como se muestra en la Fig. 1. Sin embargo, una central necesita muchas de estas pastillas para funcionar. Por ello, un gran número de estas pastillas se agrupan en una varilla de combustible.[6] Una sola pastilla de combustible de uranio, del tamaño de la punta de un dedo, contiene tanta energía como 481 metros cúbicos de gas natural, 807 kilogramos de carbón o 564 litros de petróleo.[7] Estas varillas de combustible están compuestas por numerosas pastillas de combustible de uranio fisionable y pueden tener varios metros de longitud y alrededor de un centímetro de diámetro.[5] Luego, varias de estas varillas, generalmente una docena o más, se mantienen unidas por fuertes soportes metálicos en un conjunto de combustible. Estas varillas no se aprietan entre sí, sino que hay varios milímetros entre cada varilla para permitir que el refrigerante fluya entre ellas.[5] Los tubos que contienen las pastillas de uranio suelen estar compuestos de circonio.[6]

Fig. 2. Un paquete de combustible nuclear.[8]

Ventajas y Desventajas de los Combustibles Nucleares

En todo el mundo hay grandes reservas de uranio que se pueden extraer. Aunque el combustible nuclear no es renovable, es sostenible, ya que hay mucho. En algún momento se agotará, pero no en siglos. A diferencia de los combustibles fósiles, el uso de combustibles nucleares para producir energía no produce directamente dióxido de carbono ni dióxido de azufre. Hay que mencionar que los procesos de extracción, transporte y refinado del combustible tienen emisiones de carbono asociadas,[2] comparables a las de la energía eólica y solar. Aunque la huella de carbono del uso de combustibles nucleares es menor, sigue habiendo desventajas en el uso del combustible nuclear. Los residuos, aunque tienen un volumen mucho menor, deben manejarse con mucho cuidado debido a su radiactividad. Los combustibles nucleares requieren sistemas mucho más complicados para extraer su energía, lo que exige una mayor regulación. Estos sistemas complejos y la regulación hacen que los tiempos de construcción sean muy largos. Además, la opinión pública sobre la energía nuclear tiende a ser más negativa que con otras fuentes de energía. La sobreestimación de los peligros asociados a las emisiones de material radiactivo es un problema importante, ya que los incidentes nucleares a gran escala son poco frecuentes.[2]

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Referencias

  1. Wikimedia Commons. (June 17, 2015). Fuel Pellet [Online]. Available: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fuel_Pellet.jpg#/media/File:Fuel_Pellet.jpg
  2. 2,0 2,1 2,2 BBC Bitesized. (July 6, 2015). Nuclear Fuels [Online]. Available: http://www.bbc.co.uk/schools/gcsebitesize/science/aqa/mains/generatingelectricityrev2.shtml
  3. 3,0 3,1 M.Raymond. Nuclear Energy, 6th ed. Burlington, MA, USA: Butterworth-Heinemann, USA, 2009.
  4. 4,0 4,1 NRC. (July 6, 2015). Nuclear Fuel Fabrication [Online]. Available: http://www.nrc.gov/materials/fuel-cycle-fac/fuel-fab.html
  5. 5,0 5,1 5,2 5,3 5,4 C.Ferguson. Nuclear Energy: What Everyone Needs to Know, 1st ed. Cary, NC, USA: Oxford University Press, USA, 2011.
  6. 6,0 6,1 US NRC Glossary. (July 6, 2015). Fuel Rod [Online]. Available: http://www.nrc.gov/reading-rm/basic-ref/glossary/fuel-rod.html
  7. NEI. (July 6, 2015). Nuclear Fuel Supply [Online]. Available: http://www.nei.org/Knowledge-Center/Nuclear-Fuel-Processes
  8. Wikimedia Commons. (July 6, 2015). Nuclear Fuel Element [Online]. Available: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/2d/Nuclear_fuel_element.jpg

Autores y redactores

Bethel Afework, Ethan Boechler, Alba Fano-trabanco, Jordan Hanania, Ellen Lloyd, Kailyn Stenhouse, Luisa Vargas Suarez, Jasdeep Toor, Jason Donev
Última actualización: 21 septiembre, 2021
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