Preguntas y Respuestas sobre el Plutonio / MOX

¿Qué es el plutonio?

Cuando se coloca uranio como combustible en un reactor nuclear, las reacciones nucleares resultantes crean un gran número de substancias radioactivas de las cuales el plutonio es una de ellas. Otras substancias radioactivas creadas son: cesio, rutenio, iodo, kripton y estroncio. El plutonio no se produce naturalmente en el ambiente sino que se requiere de una reacción nuclear sostenida para ser producido. Los únicas fuentes de plutonio en el ambiente provienen de la producción de energía nuclear, la producción de armas nucleares y las pruebas de armas nucleares.

¿Por qué es peligroso el plutonio?

El plutonio sólo ha existido en el ambiente desde la detonación de la primera bomba atómica en 1945. Por lo tanto, se sabe muy poco acerca del comportamiento del plutonio en el medio ambiente y en el cuerpo humano. Lo que sí se conoce es que el plutonio es una sustancia radiactiva sumamente tóxica en la que no existen niveles de seguridad frente a la exposición del cuerpo humano. No existe una dosis segura.

Se sabe que el plutonio causa cáncer a las personas que han sido expuestas a él. Se sabe que aún inhalando una milésima de gramo de plutonio esto puede provocar cáncer. Una vez que el plutonio se introduce dentro del cuerpo humano, éste permanecerá allí por un largo período de tiempo -más que el promedio de vida de una persona. Por consiguiente, el plutonio permanece dentro del cuerpo exponiendo partes muy sensibles del mismo al daño radiactivo pudiendo conducir a un daño genético que cause cáncer u otros efectos sobre la salud como son los defectos físicos a los descendientes.

¿Por qué se utiliza el plutonio en armas nucleares?

La única razón por la que los gobiernos han investigado la energía nuclear en los años 40 y 50 fue para desarrollar bombas nucleares. Si bien las bombas nucleares pueden ser construidas con uranio altamente enriquecido, muchos de los países que poseen armas nucleares han decidido utilizar el plutonio. Esto se debe a que el plutonio es más "reactivo" en su estado normal. En otras palabras, se necesita bastante menos radiación extra para bombardear al plutonio para causar una masa supercrítica que lleve a una cadena de reacción fuera de control que produzca una explosión nuclear. Esto significa que una bomba nuclear de plutonio puede ser mucho más pequeña y caber dentro de un misil, por ejemplo, que si fuera hecha de uranio que el mucho más voluminoso.

El plutonio puede prepararse muy puro para armas nucleares. Mientras el nivel de impurezas del plutonio decrece, su fuerza explosiva puede ser aumentada. Esta forma pura de plutonio se llama "grado armamento". De todas maneras, aún el plutonio que tiene relativamente altos niveles de impurezas, como las que son utilizadas en plantas de energía nuclear puede ser usado como explosivo nuclear. Dicha bomba de plutonio de "grado de reactor" ha sido exitosamente probada en el programa de pruebas nucleares de los Estados Unidos.

¿Cómo se saca el plutonio del reactor nuclear?

Una vez que los cilindros de combustible de uranio de un reactor nuclear llegan al final de su vida útil (usualmente alrededor de los tres años) el combustible es descargado y tratado como residuo nuclear altamente radioactivo. Este combustible nuclear irradiado es tan radiactivo que genera una gran cantidad de temperatura y necesita enfriamiento constante - usualmente esto se realiza sumergiendo el combustible gastado dentro de enormes estanques de agua ubicados en la misma planta de energía nuclear.

Algunos países que cuentan con energía nuclear han decidido utilizar un proceso para extraer el plutonio de los cilindros de combustible nuclear gastado. A este proceso se lo denomina "reprocesamiento". El reprocesamiento nuclear es crucial para producir plutonio para armas nucleares -todos los países con armas nucleares a base de plutonio poseen instalaciones para reprocesamiento.

¿ Qué es el reprocesamiento nuclear?

El reprocesamiento se lleva a cabo en grandes instalaciones. Una vez que el combustible nuclear gastado se ha enfriado un poco, luego de uno a tres años, los cilindros son cortados en pedazos -esto libera todos los gases radioactivos acumulados dentro de los cilindros metálicos del combustible y muchos de estos gases son liberados a la atmósfera.

Los pedazos de cilindros del combustible gastado son vertidos en una gran tinaja de acero con ácido nítrico hirviendo. El ácido nítrico disuelve el combustible nuclear, pero deja las piezas de metal del cilindro intactas. Esta mezcla es posteriormente tamizada para quitar las piezas de metal de los cilindros y es guardada como deshecho nuclear intermedio. Este deshecho sigue siendo extremadamente radiactivo y requiere ser cuidado durante miles de años.

El líquido de deshecho nuclear restante es pasado luego por un gran número de procedimientos químicos que utilizan solventes. De esta manera se extrae lentamente el plutonio y el uranio de la mezcla. El resto del líquido de deshecho permanece muy radiactivo y despide enormes cantidades de calor y requiere refrigeración constante.

El reprocesamiento nuclear crea una gran cantidad de deshechos en toda la maquinaria, edificios, en líquidos y químicos utilizados, filtros, ropa de los trabajadores, etc. Como resultado, el reprocesamiento crea unas 180 veces el volumen de residuos nucleares comparado al volumen del combustible nuclear original.

El líquido de deshecho de alto nivel resultante que requiere constante enfriamiento contiene aún tanta radioactividad como el combustible de deshecho original - el reprocesamiento no reduce la radioactividad del deshecho.

En la mayoría de las instalaciones de reprocesamiento nuclear los deshechos líquidos resultantes de bajo nivel de radiactividad son vertidos en ríos o el mar a través de cañerías. Las dos instalaciones de reprocesamiento más grandes de Europa, Sellafield en el norte de Gran Bretaña y La Hague en el norte de Francia, vierten en el mar algunos de los líquidos más altamente radioactivos del mundo -son responsables del 97% de la descarga radioactiva de todas las instalaciones nucleares de Europa.

¿ Qué es el combustible de plutonio MOX?

El combustible MOX significa combustible de Oxidos Mixtos. Esto significa que tanto el plutonio como el uranio son mezclados en el combustible nuclear. El plutonio utilizado proviene generalmente del reprocesamiento, en tanto el uranio utilizado es usualmente uranio recién extraído de la minería y no el uranio recuperado mediante reprocesamiento. Esto se debe a que el uranio reprocesado contiene aún pequeñas cantidades de deshechos radioactivos y de esta manera muchas compañías nucleares no las quieren utilizar en sus reactores.

El uranio y el plutonio están mezclados juntos como un polvo y luego son convertidos en pastillas de combustible cerámico que miden 2 cm de alto por 1 cm de ancho. Estas pastillas de MOX son montadas una sobre otras en largos varillas de combustibles. Estas varillas de combustibles están hechos de metal y pueden tener un largo de hasta tres metros.

Usualmente hay alrededor de 300 pastillas en cada varilla de combustible. Cada varilla de combustible MOX se coloca junto a otras conformando un "ensamble" que contiene aproximadamente 289 varillas en total (17varillas a lo alto y 17 a lo ancho). Este ensamble de combustible MOX terminado es lo que finalmente se carga dentro del reactor nuclear.

¿Qué problemas presenta el uso del combustible MOX?

Muchas de las plantas de energía nuclear fueron diseñadas y construidas para funcionar únicamente con combustible de uranio. Cuando en su lugar es colocado el combustible de plutonio MOX en el reactor, toda la seguridad del reactor se reduce. Esto se debe a que el plutonio es más "reactivo" - la misma razón por la que los fabricantes de bombas nucleares lo prefieren.

Este incremento en la "reactividad" dentro del reactor nuclear es más de lo que el diseño original del reactor permite. Esto significa que se requieren medidas y modificaciones adicionales en el reactor, incrementando el riesgo de accidentes.

El combustible de plutonio MOX se vuelve más caliente y más radiactivo que el combustible de uranio normal y esto puede llevar a que los márgenes de seguridad del reactor se reduzcan. De esta manera en cualquier accidente por pérdida de refrigerante, (uno de los peores tipos de accidentes de reactor y similar al accidente de Three Mile Island en los Estados Unidos en 1979), el combustible MOX, más caliente y más radiactivo puede causar un incremento en el derretimiento del combustible en el reactor.

Este derretimiento en el núcleo del reactor puede esparcirse hacia otros combustibles en el reactor y así iniciar un accidente catastrófico de "fusión del núcleo", como lo sucedido en la planta de energía nuclear de Three Mile Island.

Los escándalos recientes en Japón alrededor de la falsificación deliberada de información crucial sobre seguridad en el combustible MOX británico que fuera enviado a Japón en 1999, ha expuesto aún más las preocupaciones de seguridad para la utilización del MOX. La falsificación estuvo relacionada con el diámetro de las pastillas de combustible MOX. Esta información es crucial porque cualquier "pastilla" que sea demasiado grande o demasiado pequeña debería ser rechazada y no debería colocarse en los ensambles de combustibles. Esto se debe a que una vez dentro del reactor, el tamaño equivocado de las pastillas podría producir vibraciones o expandirse y romper los moldes metálicos del combustible, liberando radioactividad dentro del reactor e incrementando el riesgo de un accidente de fusión de núcleo del reactor atómico.

Además de causar problemas de seguridad en el reactor, el combustible de plutonio MOX incrementa los peligros para los trabajadores involucrados en la preparación del combustible. El plutonio despide más radiación que el uranio y de esta manera incrementa la exposición a la radiación para los trabajadores. También, una vez que el combustible MOX es irradiado dentro del reactor nuclear, es mucho más radiactivo y caliente - esto exacerba en gran medida los ya severos problemas para darle tratamiento al residuo altamente radiactivo del combustible nuclear.

¿Es seguro el transporte de combustible MOX?

La fuga de aunque sea una pequeña porción de plutonio de combustible MOX como resultado de un accidente durante un transporte podría provocar impactos ambientales, de salud y económicos en las áreas circundantes.

Los contenedores utilizados para el transporte del combustible de plutonio MOX a Japón sólo han sido probados para resistir un fuego de 800 grados centígrados durante 30 minutos. De acuerdo a las estadísticas mundiales el promedio de fuego en incendios en barcos es de 23 horas a temperaturas mucho más altas.

Las pruebas sobre combustible de plutonio expuesto al aire han mostrado que pueden comenzar a romperse dentro de los 15 minutos a temperaturas de sólo 430 grados centígrados. Una vez que el combustible de plutonio comienza a desintegrarse, partículas respirables de plutonio pueden escapar al aire y ser llevadas lejos de la escena del accidente, dependiendo de las condiciones climáticas. Dichas partículas de plutonio representan un serio peligro para la salud para cualquiera que las respire.

¿Es económico el combustible MOX?

No. El promedio de costos de la fabricación del combustible MOX es entre tres y ocho veces más cara que el combustible normal de uranio. Esto se debe a que la exposición radiactiva de los trabajadores que fabrican el combustible debe ser reducida y esto lleva a incrementar muchísimos los costos.

¿ Por qué quiere Japón combustible MOX?

El Gobierno japonés y su industria nuclear no deseaba originalmente combustible de plutonio MOX. En los '70 Japón comenzó a notar que su creciente programa nuclear no tenían ninguna forma de resolver la enorme cantidad de combustible nuclear que comenzaba a ser producida por los reactores. Como en muchos otros países que cuentan con energía nuclear, la opinión pública y el apoyo de la industria siempre han descendido cuando se necesita tratar el conflictivo tema del combustible nuclear gastado.

La industria y el gobierno Japonés querían encontrar una forma de reducir la oposición pública al problema del combustible nuclear. Así fue que comenzó a enviar casi todo el combustible nuclear gastado a las instalaciones de reprocesamiento de Sellafield, en Gran Bretaña, y a La Hague, en Francia. Esta fue la forma más fácil de sacarse el problema de encima.

Los contratos firmados en los '70 con Gran Bretaña y Francia determinaron que el plutonio y algunos de los deshechos resultantes del reprocesamiento deberían ser llevados de vuelta a Japón. Hoy día, Japón tiene como 30 toneladas de plutonio que han sido separadas de los deshechos de combustible nuclear en plantas de reprocesamiento en Europa. Otras 15 toneladas más serán separadas dentro de los próximos 10 años.

La industria nuclear y el gobierno Japonés decidieron probar y utilizar todo el plutonio devuelto en un nuevo tipo de reactor nuclear, llamado "reactor reproductor rápido". Este reactor utilizaría como combustible básicamente plutonio en vez de uranio. Los reactores reproductores rápidos han sido un fracaso tecnológico en todo el mundo. Así se abandonaron los programas de reactores reproductores rápidos en países como Gran Bretaña, Estados Unidos, Francia y Alemania debido a diversos problemas tecnológicos y económicos.

El reactor reproductor rápido japonés llamado Monju fue abierto en 1994 y operado solamente durante 18 meses antes de sufrir una importante fuga de refrigerante de sodio líquido. El reactor ha permanecido cerrado desde entonces.

Sin una utilización creíble del plutonio que se planea transportar de vuelta desde Europa y con una creciente oposición de los países a lo largo de las rutas de transporte, la industria nuclear y el gobierno japonés trataron de encontrar un reemplazo para su utilidad. Fue en 1997 cuando el gobierno japonés anunció que el plutonio en Europa podría transformarse en combustible MOX de plutonio para ser utilizado en reactores nucleares japoneses normales.

Hasta ahora sólo dos grandes cargamentos de plutonio se han llevado a cabo desde Europa hacia Japón. El primero en 1992 transportó 1.7 toneladas de plutonio en forma de polvo de plutonio. Debido a la enorme oposición de unos 60 países a lo largo de la ruta del cargamento, no se realizaron más cargamentos de esta manera. En 1999 se realizó el primer cargamento de plutonio en forma de combustible MOX.

Al día de hoy sólo dos toneladas de plutonio han sido devueltas desde Europa. Nada del plutonio devuelto ha sido utilizado en un reactor nuclear. La mayoría permanece almacenado en Japón. Las 45 toneladas de plutonio que deben retornar desde Europa implicarán un total de 80 cargamentos en los próximos 10 años.

Período radioactivo y período biológico

Para cada radioisótopo existe un período radioactivo (Tr), que es el tiempo después del cual desaparece la mitad de sus átomos.

Cuando una sustancia química es incorporada al cuerpo humano éste realiza un proceso de asimilación, conversión a otras sustancias químicas y la eliminación de parte de ellas. Existe entonces un período biológico (Tb) que da cuenta del tiempo que tarda el cuerpo humano en deshacerse de la mitad de la cantidad de un elemento ingerido.

Si un radioisótopo es ingerido la cantidad que quedará en el cuerpo dependerá por una parte del período radioactivo y por otra de su eliminación por medio de los procesos biológicos. Esto permite definir el llamado período efectivo (Te) de los cuerpos radioactivos.

La relación que existe entre estos 3 períodos es:

(1/Te) = (1/Tr) + (1/Tb)

Combustibles nucleares

El uranio y el plutonio

Tanto el Uranio como el Plutonio son elementos metálicos muy pesados. Ambos son radioactivos (ver radioactividad).

El Uranio es encontrado en la naturaleza como un mineral frecuentemente acompañado por otros, por lo cual es necesario realizar todo un proceso mecánico y químico para purificarlo.

Normalmente las primeras etapas de purificación se realizan en la zona del yacimiento. Tal cual encontrado es una mezcla de los isótopos U-235 (0,7%) y U-238 (99,3%) (ver uranio natural y enriquecido).

El Plutonio por el contrario, no es un elemento natural, es producido artificialmente en reactores, a través de reacciones nucleares y su principal isótopo el Pu-239 es obtenido a través de una absorción neutrónica del U-238.

Tanto el Uranio como el Plutonio son utilizados, normalmente combinados con oxígeno como material combustible para su uso en los reactores nucleares.

Son elementos que fueron utilizados primeramente en los años 40 con fines bélicos. Terminada la segunda guerra mundial comenzó el desarrollo de los reactores nucleares y sus combustibles como fuentes útiles de producción de energía. Su practicabilidad fue demostrada en 1958 cuando el primer reactor (Shippingport - USA) comenzó a producirla. De allí en más la explotación y el uso de estos elementos creció vertiginosamente

Uranio natural y uranio enriquecido

Cuando observamos el núcleo de un átomo nos damos cuenta que está formado por protones (con carga positiva) y neutrones (sin carga). Todos los átomos que existen están constituidos de la misma manera: un núcleo con protones y neutrones alrededor del cual orbitan (giran) tantos electrones como protones hay en el núcleo.

Los distintos elementos que existen se caracterizan por el número de protones que hay en sus núcleos. Los núcleos de hidrógeno tienen diferente cantidad de protones que los núcleos de oxígeno o de hierro. Todos los núcleos de un mismo elemento tienen la misma cantidad de protones. Lo que no siempre es igual para el mismo elemento es el número de neutrones. A los núcleos que tienen la misma cantidad de protones, es decir que son del mismo elemento, pero que tienen distinta cantidad de neutrones, es decir pesan distinto, se los llama Isótopos de ese elemento.

Hay un elemento en la naturaleza que tiene 92 protones en su núcleo: es el Uranio, el elemento natural con mayor número de protones. Algunos de sus núcleos tienen 143 neutrones, por lo que los llamamos Uranio 235 (235=92+143). A otros núcleos que también tienen 92 protones pero 146 neutrones los llamamos Uranio 238 (238=92+146). Uranio 235 y Uranio 238 son entonces Isótopos del Uranio. Ambos isótopos del uranio son radioactivos.

Cuando el mineral de Uranio se extrae de la tierra, decimos que tenemos Uranio natural. El uranio natural está formado por una mezcla de Uranio 238 y Uranio 235. De cada 1.000 kilos de Uranio natural sólo hay 7 kilos de Uranio 235.

El Uranio 235 es el que hace funcionar a los reactores nucleares, ya que es el isótopo que fisiona y produce neutrones. En un reactor nuclear compiten las pérdidas de neutrones con la cantidad de fisiones. Si se quiere usar como combustible Uranio natural, se dispondrá de muy poco Uranio 235, por lo que habrá que reducir lo más posible las pérdidas de neutrones en otros materiales. El agua pesada absorbe menos neutrones que el agua liviana, por lo que es la indicada en ese caso. Si en cambio el combustible es Uranio enriquecido, se puede usar agua de cualquier tipo, por lo que en general se usa agua común, que es más barata que el agua pesada.

Para enriquecer uranio hay que partir del uranio natural y separar sus isótopos. Esto resulta complicado porque químicamente el Uranio 235 y el Uranio 238 reaccionan de la misma manera, por lo que se recurre a técnicas que tratan de aprovechar las muy pequeñas diferencias de peso y/o tamaño de sus átomos.

Combustibles nucleares

Elementos combustibles

Los elementos combustibles son los responsables de producir energía en los Reactores Nucleares, generando calor durante dicho proceso como cualquier otro tipo de combustible (carbón, petróleo, gas, etc).

Esta energía producida, por reacciones nucleares, no sólo sirve para la producción de electricidad (ver Reactores de Potencia), sino también para otros usos, tales como Producción de Radioisótopos para uso industrial y medicinal, Fuentes de irradiación (para tratamiento del cáncer, radiografías, estudios de materiales nuevos, investigaciones biológicas y genéticas, (conservación de alimentos, generación de nuevas cadenas orgánicas), etc.

Los Elementos Combustibles están formados comunmente por:

El material combustible: normalmente Uranio y/o Plutonio (ver Uranio/Plutonio) combinado con Oxígeno para formar un óxido o con otro material para formar una aleación.

Las vainas: normalmente aleaciones metálicas (de Zirconio, Aluminio, etc) que encierran herméticamente al material combustible para evitar que se escapen los productos (la mayoría gases) formados durante las reacciones nucleares.

Materiales estructurales: son también aleaciones metálicas (de Zirconio, Aluminio y/o Aceros) que sirven para dar una estructura geométrica al conjunto permitiendo así que la remoción del calor generado sea extraído con facilidad por el líquido refrigerante (normalmente agua) que se mueve a través de ellos (ver reactores).

El ciclo del combustible nuclear

Cualquier central de producción de energía eléctrica es sólo parte de un ciclo energético global. El ciclo del combustible de uranio empleado en los sistemas RAL es actualmente el más importante en la producción mundial de energía nuclear, y conlleva muchas etapas. El uranio, con un contenido de aproximadamente el 0,7% de uranio 235, se obtiene en minas subterráneas o a cielo abierto. El mineral se concentra mediante trituración y se transporta a una planta de conversión, donde el uranio se transforma en el gas hexafluoruro de uranio (UF6). En una planta de enriquecimiento isotópico por difusión, el gas se hace pasar a presión por una barrera porosa. Las moléculas que contienen uranio 235, más ligeras, atraviesan la barrera con más facilidad que las que contienen uranio 238. Este proceso enriquece el uranio hasta alcanzar un 3% de uranio 235. Los residuos, o uranio agotado, contienen aproximadamente el 0,3% de uranio 235. El producto enriquecido se lleva a una planta de fabricación de combustible, donde el gas UF6 se convierte en óxido de uranio en polvo y posteriormente en bloques de cerámica que se cargan en barras de combustible resistentes a la corrosión. Estas barras se agrupan en elementos de combustible y se transportan a la central nuclear. Un reactor de agua a presión típico de 1.000 MW tiene unos 200 elementos de combustible, de los que una tercera parte se sustituye cada año debido al agotamiento del uranio 235 y a la acumulación de productos de fisión que absorben neutrones. Al final de su vida, el combustible es enormemente radiactivo debido a los productos de fisión que contiene, por lo que sigue desprendiendo una cantidad de energía considerable. El combustible extraído se coloca en piscinas de almacenamiento llenas de agua situadas en las instalaciones de la central, donde permanece un año o más. Al final del periodo de enfriamiento, los elementos de combustible agotados se envían en contenedores blindados a una instalación de almacenamiento permanente o a una planta de reprocesamiento químico, donde se recuperan el uranio no empleado y el plutonio 239 producido en el reactor, y se concentran los residuos radiactivos. El combustible agotado todavía contiene casi todo el uranio 238 original, aproximadamente un tercio del uranio 235 y parte del plutonio 239 producido en el reactor. Cuando el combustible agotado se almacena de forma permanente, se desperdicia todo este contenido potencial de energía. Cuando el combustible se reprocesa, el uranio se recicla en la planta de difusión, y el plutonio 239 recuperado puede sustituir parcialmente al uranio 235 en los nuevos elementos de combustible. En el ciclo de combustible del RARML, el plutonio generado en el reactor siempre se recicla para emplearlo como nuevo combustible. Los materiales utilizados en la planta de fabricación de elementos de combustible son uranio 238 reciclado, uranio agotado procedente de la planta de separación isotópica y parte del plutonio 239 recuperado. No es necesario extraer uranio adicional en las minas, puesto que las existencias actuales de las plantas de separación podrían suministrar durante siglos a los reactores autorregenerativos. Como estos reactores producen más plutonio 239 del que necesitan para renovar su propio combustible, aproximadamente el 20% del plutonio recuperado se almacena para su uso posterior en el arranque de nuevos reactores autorregenerativos. El paso final en cualquiera de los ciclos de combustible es el almacenamiento a largo plazo de los residuos altamente radiactivos, que continúan presentando peligro para los seres vivos durante miles de años. Varias tecnologías parecen satisfactorias para el almacenamiento seguro de los residuos, pero no se han construido instalaciones a gran escala para demostrar el proceso. Los elementos de combustible pueden almacenarse en depósitos blindados y vigilados hasta que se tome una decisión definitiva sobre su destino, o pueden ser transformados en compuestos estables, fijados en material cerámico o vidrio, encapsulados en bidones de acero inoxidable y enterrados a gran profundidad en formaciones geológicas muy estables

Compuestos radioactivos que requieren el cese temporal de la lactancia