Las técnicas modernas de piroprocesamiento prometen proporcionar combustible nuclear de origen nacional a un costo asequible para los reactores de próxima generación, al tiempo que reducen drásticamente el volumen y la toxicidad de los desechos restantes.

Alrededor del 5 % del uranio en una barra de combustible de un reactor de agua ligera se utiliza para producir energía antes de que las barras se retiren del reactor y se almacenen de forma permanente, dejando que los desechos nucleares gastados (SNF, por sus siglas en inglés) continúen decayendo a una tasa de toxicidad relativamente alta para cientos de miles de años.

El trabajo de reciclaje de SNF (se ha reprocesado poco menos de un tercio de las cerca de 400 000 toneladas producidas a nivel mundial) ha arrojado resultados mixtos, produciendo materiales aptos para armas potencialmente peligrosos y a un costo que es significativamente más alto que extraer más uranio.

La capacidad actual de reprocesamiento en todo el mundo es de poco menos de 2000 toneladas al año a través de plantas en Francia, Gran Bretaña, India y Rusia.

Tras la invasión rusa de Ucrania, asegurar un suministro doméstico de combustible para los reactores nucleares de EE. UU. se ha convertido en una prioridad y una línea de investigación parece especialmente prometedora para los reactores nucleares de próxima generación actualmente en desarrollo.

Los científicos del Laboratorio Nacional Argonne de EE. UU. comenzaron a trabajar en el reciclaje de combustible de reactores rápidos a principios de los años sesenta durante el desarrollo del Experimental Breeder Reactor-II (EBR-II) y más tarde durante el programa Integral Fast Reactor (IFR).

Argonne ha ampliado el trabajo que comenzó con el EBR-II, un reactor de neutrones rápidos, para desarrollar procesos piroquímicos para el reciclaje de óxido, carburo y otros combustibles avanzados.

El IFR, un reactor rápido refrigerado por metal líquido, se diseñó posteriormente para producir energía y consumir desechos y, mientras trabajaban en él, los investigadores adoptaron un proceso pirotécnico mediante el cual se usa una reacción electroquímica para separar los actínidos deseados de los productos de fisión no deseados para reciclarlos en nuevo combustible. .

"En este momento, nuestro enfoque es mover el piroprocesamiento a un estado listo para implementar", dice Krista Hawthorne, gerente de la sección de ingeniería de piroprocesos de Argonne.

Piroprocesamiento y electrorrefinación

El piroprocesamiento toma los gránulos de óxido cerámico duro recuperados de los reactores de agua ligera (alrededor del 95 % de los cuales sigue siendo uranio y otro 1 % son actínidos de elementos radiactivos de larga duración, mientras que el resto son productos de fisión inutilizables) y convierte los componentes del óxido en metal.

Luego, ese metal se sumerge en una tina de sal fundida donde, a través de la electrorrefinación, una corriente eléctrica disuelve selectivamente y vuelve a depositar uranio y otros elementos reutilizables que luego se utilizan para fabricar combustible que puede ser utilizado por reactores rápidos.

El 4% del combustible que son productos de fisión inutilizables aún debe eliminarse a través del almacenamiento permanente, aunque su toxicidad radiactiva vuelve a los niveles de uranio natural dentro de unos pocos cientos de años, considerablemente menos que los muchos miles de años que tarda SNF sin tratar. para revertir porque la mayoría de los isótopos de vida larga han sido reciclados.

Toxicidad radiológica relativa de los componentes del combustible usado

Hoy en día, los LWR siguen siendo el diseño estándar para los reactores nucleares en los Estados Unidos, para los cuales el uranio en bruto es un combustible barato y fácilmente disponible, pero a medida que los reactores rápidos se acercan a las demostraciones y, para fines de la década, la adopción comercial, el combustible reciclado podría ser la norma.

A través de un extenso trabajo sobre la economía del reciclaje de combustible, el estudio de Argonne de 2018, "Diseño conceptual de una instalación de piroprocesamiento a escala piloto", señala la viabilidad de la electrorrefinación como una solución práctica para la gestión y el reciclaje de combustible usado para reactores rápidos.

En la investigación, un sistema diseñado para reciclar 100 toneladas de combustible al año tuvo un costo de capital total de $398 millones, incluido el equipo de proceso y los sistemas de soporte, con un costo estimado de $93 millones, y un costo de instalación de $305 millones.

Se estimó que escalar hasta 400 toneladas al año tendría un costo total de capital de $911 millones y un costo operativo anual de $90 millones.

Desde la publicación del estudio, Argonne ha estado mejorando ese diseño para llevarlo a un nivel comercialmente viable utilizando la última tecnología.

"Estamos haciendo cosas como integrar algunos de los sensores de próxima generación que hemos desarrollado con el control de procesos para mejorar la eficiencia. Buscamos mejorar el método de recolección de productos, reducir el costo de los procesos y estamos también usando técnicas como el aprendizaje automático", dice Hawthorne.

Argonne está desarrollando un gemelo digital de la electrorrefinadora que toma retroalimentación de los sensores de monitoreo desarrollados internamente para que el equipo pueda identificar y responder a las condiciones cambiantes de la electrorrefinación en tiempo real.

"Estamos trabajando en este sentido para mejorar la eficiencia y avanzar hacia la industrialización del piroprocesamiento", dice.

Oklo a bordo

El trabajo de Argonne, junto con el desarrollador de microrreactores Oklo, llamó la atención del Departamento de Energía (DOE) de EE. UU.

En agosto, los fundadores de Oklo, el CEO Jacob DeWitte y la COO Caroline Cochran, junto con el director del laboratorio de Argonne, Paul Kearns, le dieron a la secretaria de Energía de EE. UU., Jennifer Granholm, un recorrido por los programas experimentales de la compañía en Argonne.

El desarrollador con sede en California recibió $ 11,5 millones para tres premios competitivos del DOE, canalizados a través del Fondo de comercialización de tecnología (TFC), ARPA-E OPEN y ARPA-E ONWARDS, para desarrollar tecnologías de reciclaje avanzadas en asociación con Argonne.

Oklo también recibió una subvención a través de Gateway for Accelerated Innovation in Nuclear (GAIN) para trabajos termohidráulicos experimentales de metal líquido en las nuevas instalaciones de Mechanisms Engineering Test Loop (METL) de Argonne.

La compañía, que tiene un permiso de uso del sitio del DOE para construir su primera planta en el Laboratorio Nacional de Idaho (INL) y desarrolló la primera solicitud de licencia combinada de fisión avanzada, dice que está en camino de implementar su primer reactor comercial avanzado en los Estados Unidos. para 2025.

Los reactores rápidos de próxima generación, como el Aurora de Oklo, están respaldados por el reciclaje de combustible usado y, por lo tanto, ofrecen una solución muy necesaria para cerrar el ciclo del combustible nuclear.

"En este momento, los desechos son una gran responsabilidad y hay gastos masivos solo para almacenarlos, por lo que si alguien nos pagara para quitárselos de las manos, eso cambiaría la economía. Incluso si es gratis, sigue siendo beneficioso y económico". dice el director de operaciones Cochran.

La preocupación actual sobre el costo del reciclaje es infundada, dice Cochran, especialmente cuando se alimentan reactores rápidos de próxima generación como Oklo's Aurora, TerraPower's Natrium o reactores de sal fundida de Moltex y Elysium.

"No hay una razón fundamental real por la que deba ser tan caro. Es cómo lo operas y lo regulas. El combustible es nuestro mayor costo individual. Si podemos reciclarlo, entonces realmente podemos lograr costos que son más bajos que cualquier cosa en la red hoy en día". " ella dice. + Explora más

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