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May 10, 2024

Optimización de la extracción de uranio a partir de cenizas de carbón y agua de mar

De todos los elementos que forman la corteza terrestre, el uranio es razonablemente abundante y ocupa el puesto 49, por delante de elementos como el estaño, el tungsteno y la plata. Desde que la humanidad comenzó a explotar

De todos los elementos que forman la corteza terrestre, el uranio es razonablemente abundante y ocupa el puesto 49, por delante de elementos como el estaño, el tungsteno y la plata. Desde que la humanidad comenzó a explotar el uranio por sus propiedades fisibles para la producción de energía, esta abundancia también se ha traducido en una disponibilidad generalizada para la minería. En 2019, Kazajstán, Canadá y Australia eran los principales productores del mundo y representaban alrededor del 68% de la producción.

Teniendo en cuenta la enorme densidad energética del uranio cuando se utiliza como combustible en un reactor de fisión nuclear, la demanda de uranio es relativamente baja, especialmente si se combina con los largos ciclos de reabastecimiento de combustible (de dos años en promedio) de los reactores comerciales. El efecto es que incluso con el muy ineficiente ciclo del combustible de una sola vez –que sólo utiliza una fracción de la energía potencial del combustible de uranio– los precios del mercado del uranio se han mantenido relativamente bajos y estables incluso en medio de crisis geopolíticas.

A pesar de ello, el aumento gradual de los precios de mercado del uranio (10 dólares/libra en 2003, 49 dólares/libra en 2022), así como la rápida construcción de nuevos reactores, están impulsando nuevas exploraciones. Aquí, las innovaciones recientes pueden hacer que el combustible de uranio sea aún más accesible para todas las naciones, al desbloquear los miles de millones de toneladas de uranio que se encuentran en el agua de mar, así como las muchas toneladas de cenizas volantes producidas por las plantas de carbón todos los días.

La razón principal por la que la mayoría de los operadores de plantas nucleares optan por un ciclo de combustible de un solo paso que sólo utiliza una fracción del fisionable U-235 es que los costos de combustible de una planta nuclear son increíblemente bajos. Si bien los costos iniciales de una nueva central nuclear de nivel de GW son considerables, los costos operativos durante su vida útil de 40 a 100 años son muy bajos, de ahí el costo adicional que supone reprocesar el combustible gastado para eliminar los actínidos recién formados. y transuránicos, tiene poco sentido económico.

Este ángulo económico es también uno de los factores que ha hecho poco atractivo el desarrollo de reactores de neutrones rápidos (FNR). Si bien estos FNR pueden generar su propio combustible a partir de isótopos fértiles mediante la captura de neutrones, son más complicados y costosos que un reactor de agua ligera (prácticamente todas las plantas nucleares comerciales en funcionamiento en la actualidad). Todos estos factores influyen en si ciertos recursos de uranio son económicos de extraer del suelo o de otras fuentes, al tiempo que hacen bastante obvio por qué extraer uranio de las cenizas volantes y el agua de mar no era económico antes.

Aunque se estima que los mares y océanos de la Tierra contienen 4,6 mil millones de toneladas de uranio, su dilución en estas vastas aguas significa que hay que filtrar una sustancia de la que sólo hay unas pocas moléculas por mil millones. De manera similar, en el caso de las cenizas volantes, la separación del uranio de los demás componentes de las cenizas debe realizarse de una manera que sea lo suficientemente eficiente como para competir con los métodos mineros existentes, como la lixiviación in situ (ISL).

Sin embargo, otro beneficio potencial de extraer uranio del agua de mar y de las cenizas volantes es que puede evitar por completo el impacto ambiental de la minería tradicional y, al mismo tiempo, ayudar potencialmente a abordar el peligro ambiental que representan las cenizas volantes.

Las cenizas de carbón consisten en la ceniza que queda en el fondo de la caldera junto con la ceniza fina, o ceniza volante, que es capturada por precipitadores electrostáticos o equipos similares instalados en o cerca de las chimeneas de la planta de carbón. Contiene algo de carbono sobrante, junto con grandes cantidades de dióxido de silicio, óxido de aluminio y dióxido de calcio. Además, contiene oligoelementos de muchos metales pesados ​​y sustancias igualmente problemáticas, como arsénico, cadmio, cromo hexavalente, plomo y mercurio.

Encontrar una manera de reciclar o procesar las cenizas volantes ha sido un tema cada vez más problemático, especialmente ahora que las cenizas volantes generalmente ya no se liberan a la atmósfera, sino que se almacenan en enormes estanques de cenizas de carbón. Estos estanques representan un peligro potencial, como lo ilustra el derrame de lodo de la planta de combustibles fósiles de Kingston en 2008, que liberó 4,2 millones de metros cúbicos (1,1 mil millones de galones estadounidenses) de cenizas volantes mezcladas con agua al río Emory adyacente. La limpieza posterior costó la vida a aproximadamente 40 trabajadores por exposición a productos químicos peligrosos.

Si bien las cenizas volantes se mezclan cada vez más con todo, desde concreto hasta asfalto y pasta de dientes, la gran cantidad producida significa que una cantidad significativa de las aproximadamente 34,7 × 106 toneladas de cenizas volantes producidas por las plantas de carbón en los EE. UU. cada año terminan en vertederos. La extracción de cenizas volantes en busca de elementos útiles como el uranio podría ayudar a reducir su volumen total y, al mismo tiempo, facilitar el uso del material sobrante.

Ya en 2007, Sparton Resources de Canadá informó que producía torta amarilla (principalmente U3O8) a partir de cenizas volantes de una planta china alimentada con carbón. Se encontró que los niveles de uranio eran de aproximadamente 160 ppm, lo que corresponde a aproximadamente 0,2 kg de torta amarilla por tonelada de ceniza. Como señaló The Economist en un artículo de 2010, esto se compara con las 1.000 ppm o más del mineral de uranio. Utilizando un proceso que involucra ácido sulfúrico y clorhídrico que recuerda a la lixiviación in situ, el uranio y otros elementos disueltos se filtran y precipitan usando carbonato de amonio.

En ese momento, en 2010, Sparton afirmó que podía extraer un kilogramo de uranio de esta manera por 77 dólares, siendo el precio spot del uranio entonces de 90 dólares. La mayor parte de la I+D sobre este tema parece tener lugar en China, donde se considera una fuente viable de combustible de uranio, especialmente a la luz de los más de cien nuevos reactores nucleares que China ha planeado o está en proceso de construir, y su enfoque en autosuficiencia.

Sol y cols. (2016) describen la extracción de uranio de las cenizas de fondo y la alta concentración de uranio (374 mg/kg) en las cenizas de fondo que queda después de quemar carbón con alto contenido de germanio. Aunque el uranio extraído de CFA aún no es una gran industria, las investigaciones en curso y los ensayos a pequeña escala descritos muestran la viabilidad de este enfoque.

El concepto de filtrar uranio de las aguas marinas y oceánicas es simple: esencialmente se reduce a bombear la mayor cantidad de agua posible a través de un sistema de filtrado que retendrá los elementos que nos interesan, después de lo cual las moléculas de uranilo pueden ser eliminadas. transformado en combustible para reactores. Lo complicado es que, aunque los océanos contienen uranio cientos de veces más fácilmente accesible que la tierra firme, la baja densidad de unas pocas partículas por mil millones (ppb) hace esencial contar con un método de filtrado altamente eficiente.

Como se señala en un artículo de Stanford de 2017, el enfoque utilizado en ese momento implicaba pegar fibras plásticas que contenían un compuesto llamado amidoxima en el agua y esperar a que las fibras se saturaran con uranilo, que luego se puede procesar. En 2018, PNNL informó haber recuperado de esta manera un gramo entero de torta amarilla del agua de mar.

En un estudio publicado el año pasado en Nature, Yang et al. (2021), demuestran un enfoque alternativo en el que el agua de mar pasa a través de una membrana porosa jerárquica, similar a la red ramificada de un pulmón o vasos sanguíneos. Al recubrir el interior de los canales así formados con amidoxima y forzar el paso de agua que contiene uranio a través de ellos, demostraron una tasa de extracción significativamente mejorada con respecto a intentos anteriores, principalmente debido al enorme aumento de la superficie y al mayor flujo de agua a través de los canales de amidoxima. material recubierto.

Una vez alcanzada la saturación, el uranio se puede disolver usando ácido clorhídrico, siguiendo el método habitual de procesamiento para convertirlo en combustible para reactores. La membrana así limpia se puede reutilizar muchas veces, lo que la convierte en una opción potencialmente económica y una forma de extraer uranio para las necesidades propias de cualquier nación que tenga acceso a una masa de agua de mar o de océano.

A diferencia de los combustibles fósiles, que están empezando a ver algunas caídas significativas en su producción a medida que muchos de los mejores yacimientos de petróleo, carbón y gas han sido explotados hasta el agotamiento, los reactores de fisión que utilizan únicamente uranio como combustible pueden sostener a la sociedad humana en sus niveles actuales de energía durante miles de años, incluso sin inversiones significativas en el reprocesamiento del combustible gastado o en reactores de neutrones rápidos. Quizás aún más tentador es que añade la limpieza de los desechos tóxicos creados por las plantas de carbón como una característica de esta transición.

Además de explotar las cenizas volantes para obtener uranio, algunos investigadores están tratando de determinar si a partir de estas cenizas también se pueden recuperar económicamente elementos de tierras raras. De esta manera, es posible que la contaminación de ayer ayude a impulsar el futuro, en un giro irónico.

Imagen del encabezado: Chien Wai de PNNL sosteniendo un frasco con 5 gramos de torta amarilla recuperada del agua de mar.