Combustible nuclear: Características y usos

¿Qué es el combustible nuclear?

Los combustibles nucleares son aquellos que no se queman propiamente para liberar energía, sino que se generan por la fisión o fusión de los núcleos de los átomos. Para entender qué es el combustible de este tipo, en primer lugar es preciso comprender dos conceptos elementales en este aspecto: fisión y fusión:

• Fisión. Es la desintegración radioactiva por la que el núcleo de un átomo se divide, lo que genera fotones y neutrones libres, y libera gran cantidad de energía.
• Fusión. Es el proceso de integración de varios núcleos, que chocan entre sí y generan un núcleo atómico más amplio.

Para que este tipo de reacciones puedan tener lugar, es necesario contar con un elemento fisible, es decir, que pueda reaccionar con neutrones libres para dar lugar a una fisión. El más utilizado es el uranio 235. Con la fisión y la fusión del núcleo del átomo, se libera energía térmica.

Tipos de combustible nuclear y usos

Dentro de los diversos tipos de combustibles nucleares o elementos fisibles empleados para la producción de energía atómica, pueden destacarse los siguientes:

• Combustibles de reactores de fisión. Pueden ser a base  de óxidos (óxidos mixtos, dióxido de uranio), o bien metálicos, cerámicos o líquidos. Además, existen el denominado combustible PWR (de combustible de agua presurizada), de BWR (de reactor de agua en estado de ebullición), y también el CANDU. Este último es un reactor canadiense de uranio que funciona a base de agua pesada o deuterio.

• Combustibles de reactores de fusión. Se basan en el deuterio y el tritio, y pueden ser de primera, segunda o tercera generación.  

Ciclo del combustible nuclear

Este ciclo es el conjunto de operaciones precisas para fabricar el combustible destinado a las centrales nucleares, y también al tratamiento del combustible consumido por estas. Por lo tanto, este ciclo viene a incluir desde el momento en que el mineral es extraído de la mina hasta que es devuelto en forma transformada, sea a la mina o al almacén subterráneo. Hay dos tipos de ciclos de combustible nuclear:

• Ciclo abierto. Se da cuando el combustible nuclear no se reelabora y se convierte meramente en residuo radioactivo, de modo que no se completa el ciclo.

• Ciclo cerrado. Es aquel que abarca desde la minería hasta la reelaboración del combustible irradiado, de modo que se pueda recuperar el uranio y el plutonio. Pero para ello, es necesario separar ambos de los residuos radioactivos de alta actividad. Estos últimos habrán de ser evacuados por completo.

Exploración y extracción

Para encontrar los materiales que constituirán materiales fisibles, se emplean diversas técnicas de exploración y extracción:

• El análisis por activación neutrónica o AAN, para la investigación geológica básica de los elementos presentes en las rocas de una mina.

• La exploración geoquímica, para determinar la composición química de las rocas y de los sedimentos orgánicos e inorgánicos.

El mineral más utilizado como material fisible, el uranio, puede obtenerse en excavaciones subterráneas o a cielo abierto. Una vez extraído, se somete a tratamiento en plantas especializadas.

Conversión del uranio

A continuación, y en el mismo lugar de la extracción, se fabrica un concentrado de uranio mediante la trituración del mineral, y extrayéndolo químicamente. De este modo, se logra una materia sólida que contiene un 70-80% de uranio, más específicamente óxido de uranio (U₃O₈). Posteriormente, este óxido de uranio molturado o molido se transforma en hexafluoruro de uranio, UF₆, utilizado por la mayoría de plantas de enriquecimiento de uranio.

Enriquecimiento

Ya que en un reactor nuclear no puede introducirse directamente uranio natural, ha de ser enriquecido hasta alcanzar la concentración requerida de isótopo fisionable U-235. Hay que tener en cuenta que un 0,30% del uranio natural es uranio empobrecido U-238, inservible para un reactor. El propósito del enriquecimiento del uranio es, por lo tanto, incrementar su concentración de isótopo fisionable.

Así pues, el concentrado sólido de uranio se somete a un tratamiento químico de purificación, disolución y precipitación, por el que se transformará en hexafluoruro de uranio, UF_6. A continuación, este es sometido a un proceso de ultracentrifugación, y con ello se enriquece su concentración de isótopo fisible U-235.

Fabricación del combustible

En una planta especializada o fábrica de elementos combustibles, el elemento fisible, ya enriquecido y con su proporción correcta de isótopo, es prensado y se calienta en un horno hasta convertirse en pastillas cerámicas.  Tales pastillas se sitúan dentro de una varilla metálica, conocida como varilla de combustible. Estas varillas son rellenadas con un gas inerte y selladas. Se agrupan en armazones, con lo que ya se convierten en los llamados elementos combustibles, y entonces se destinan al transporte a centrales nucleares.

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Transporte

Los elementos combustibles se transportan desde la fábrica hasta las centrales nucleares en contenedores especiales de alta seguridad. El combustible se almacena en el llamado edificio de combustible de la central nuclear. Desde allí será introducido en el reactor durante las paradas de recarga.

Carga del reactor

El núcleo de un reactor está compuesto de varios conjuntos de celdas. En cada una de ellas ha de introducirse una barra de combustible. Estas barras, una vez utilizadas, han de ser cambiadas periódicamente por otras nuevas. Tras su correspondiente ciclo de alimentación y funcionamiento, el reactor habrá de ser desconectado para su realimentación.

Gestión de los residuos generados

Por último, el combustible ya consumido es almacenado en agua, para que lo refrigere y proteja. El uranio y el plutonio presentes en algunos de estos residuos puede ser recuperado para su reutilización: es el caso del MOX u óxido de mezcla. En algunos países, tal recuperación no está permitida.

Los residuos de baja radioactividad se introducen en almacenes superficiales, mientras que los de alta radioactividad son introducidos en almacenes subterráneos.

El combustible nuclear es sumamente potente y de gran utilidad, por lo que sigue utilizándose y gestionándose ampliamente a día de hoy.