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Feb 24, 2024

Los problemas del plutonio no desaparecerán

Crédito de la imagen: Getty Images Por Chris Edwards Publicado el martes 15 de febrero de 2022 La imagen ambiental de la energía nuclear es tan baja como la del carbono, y su potencial de combustible limpio se ve empañado por el legado.

Crédito de la imagen: Getty Images

Por Chris Edwards

Publicado martes 15 de febrero de 2022

La imagen medioambiental de la energía nuclear es tan baja como la del carbono, y su potencial como combustible limpio se ve empañado por problemas de residuos heredados. ¿Estamos más cerca de resolver esto?

A finales de 2021, el Reino Unido cerró el telón sobre una parte de su legado de residuos nucleares y dio algunos pasos más hacia un legado más duradero. Una planta de reprocesamiento, construida a un costo de £9 mil millones en la década de 1990 para reenvasar el plutonio residual de reactores de agua a presión en el Reino Unido y en todo el mundo para su uso en nuevo combustible, finalmente convirtió los últimos residuos líquidos restantes de Alemania, Italia y Japón en vidrio. y lo empaquetó en contenedores de acero. Se necesitarán otros seis años para transportarlos junto con todos los demás residuos que pertenecen a los propietarios del reactor, que están obligados por contrato a recuperarlos.

Incluso cuando los desechos de propiedad extranjera hayan regresado a casa, el Reino Unido seguirá albergando una de las mayores reservas de plutonio del mundo, con más de 110 toneladas. Representa una quinta parte del total mundial y un tercio del arsenal civil mundial de 316 toneladas. A pesar de operar una flota nuclear más pequeña que la de Francia, el Reino Unido tiene 1,5 veces más plutonio.

Nunca estuvo destinado a terminar de esta manera. El sueño a largo plazo era que el combustible con capacidad de fisión siguiera girando en círculos y sólo se rellenara con uranio virgen cuando fuera necesario. El plutonio producido durante la fisión podría por sí mismo sostener más fisiones en las condiciones adecuadas. Sin embargo, los reactores de reproducción rápida que serían necesarios para cerrar el ciclo siguen siendo en gran medida experimentales, incluso en países como Rusia, donde continúa su desarrollo. Impulsado tanto por preocupaciones de seguridad como por la proliferación nuclear que podría resultar de un acceso más fácil al plutonio-239 separado y refinado, Occidente abandonó sus programas de reproducción rápida hace décadas.

Es posible reprocesar el combustible gastado para convertirlo en el llamado combustible de óxidos mixtos, pero sólo sirve para un uso en un reactor convencional. Otros actínidos se acumulan y comienzan a envenenar el proceso de fisión. Las únicas perspectivas de cambio residen en los llamados reactores de Generación IV, pero estos diseños aún no se han probado y pueden seguir enfrentando preocupaciones de proliferación.

Mientras los operadores de todo el mundo han reflexionado sobre la viabilidad de la reutilización del combustible, los contenedores de combustible procesado y reprocesado han permanecido en tanques de almacenamiento enfriados por agua a pesar de que, en algunos países, han estado destinados a un entierro profundo durante décadas. A fines de la década de 1980, el Departamento de Energía de Estados Unidos (DoE) estableció Yucca Mountain en Nevada como el único destino para el combustible nuclear gastado del país, y programó su apertura una década después. En 2005, la fecha de apertura más temprana posible se había retrasado 20 años. Sigue sin abrir y probablemente nunca se abra. Mientras tanto, gran parte del combustible ha permanecido en tanques de refrigeración llenos de agua, mientras los políticos consideran sitios de almacenamiento profundo más localizados.

Fukushima supuso una llamada de atención a la industria, no sólo sobre los problemas de control de los reactores sino también sobre su combustible gastado. Después del tsunami, a los ingenieros les preocupaba que, sin bombas de reabastecimiento, el agua de los tanques de almacenamiento del combustible gastado se evaporaría. Si el combustible se incendiara, probablemente liberaría tritio y cesio radiactivos a la atmósfera. Por suerte, el agua se filtró en los estanques dañados. Ahora el problema para los operadores de algunos reactores más antiguos es que los recipientes de combustible simplemente se están corroyendo en el agua.

Expertos como Frank von Hippel, profesor de asuntos públicos e internacionales de la Universidad de Princeton, recomiendan que las piscinas de almacenamiento sólo se utilicen hasta que el combustible esté lo suficientemente frío como para transformarlo en vidrio, sumergirlo en hormigón o ambos, y transferirlo a un lugar de almacenamiento seco, preferiblemente en una instalación de disposición geológica profunda (GDF).

En una conferencia organizada en noviembre pasado por la Agencia Internacional de Energía Atómica (OIEA), Laurie Swami, presidenta y directora ejecutiva de la Organización de Gestión de Residuos Nucleares de Canadá, afirmó que "existe un consenso científico sobre la eficacia de los depósitos geológicos profundos" para residuos altamente radiactivos.

De manera similar, el Reino Unido decidió hace 15 años un plan para construir su propio GDF para desechos de alta actividad junto con el establecimiento de un único organismo de propiedad gubernamental responsable de organizar el destino de los desechos, en la forma de la Autoridad de Desmantelamiento Nuclear (NDA). ). El GDF dio un pequeño paso adelante a finales de 2021 cuando se anunciaron dos sitios candidatos, ambos cerca de la costa de Cumbria. Las comunidades locales han acordado en principio que la NDA puede investigar dónde son adecuados para una serie de túneles que podrían extenderse bajo el Mar de Irlanda. Con el proyecto en una etapa tan temprana, al país le faltan años para abrir un GDF. Finlandia, por el contrario, ha seguido adelante y espera que su GDF se abra en 2025, mientras que es probable que Suecia tenga el segundo del mundo.

Al mismo tiempo, existe un volumen enorme de otros materiales irradiados que no pueden almacenarse en profundidad de forma económica. En un discurso de apertura en la conferencia de la OIEA, James McKinney, jefe de gestión integrada de residuos de la NDA, explicó que muchos residuos radiactivos son materiales de construcción contaminados. El depósito de residuos de baja actividad de Drigg, en Cumbria, fue diseñado para este tipo de residuos, pero McKinney destacó que la capacidad es “valiosa” y corre peligro de agotarse si todo el material se lleva allí. Durante la última década, la NDA y sus subcontratistas han estado trabajando para desviar la mayor cantidad posible de desechos del sitio de Drigg reprocesándolos y reenvasándolos.

Al reunir la gestión de residuos bajo un mismo paraguas en lugar de dividirla entre los operadores de centrales eléctricas, la NDA ha podido cambiar las estrategias de adquisiciones para favorecer el uso de mucha más investigación y desarrollo para el manejo de residuos. "El destino de los residuos radiactivos se puede cambiar mediante intervenciones", añade McKinney. “En este momento, estimamos que alrededor del 95 por ciento de los posibles residuos de baja actividad se están desviando lejos [de Drigg]. Hace doce años, sería todo lo contrario”.

Un ejemplo reciente de esto en acción es el desmantelamiento de tuberías que alguna vez estuvieron instaladas en el centro de investigación de Harwell. Se entregaron más de 1.500 secciones de tubería metálica al especialista en petróleo y gas Augean, que está utilizando chorros de agua a alta presión para eliminar las incrustaciones radiactivas, de modo que el metal pueda reciclarse en lugar de necesitar un almacenamiento a largo plazo.

Sacar los desechos menos manejables de los tanques de almacenamiento presenta otro desafío importante, particularmente si provienen de los reactores más antiguos. Por ejemplo, en el Reino Unido, cuando se sacó el combustible Magnox gastado de los reactores, se quitó el revestimiento de magnesio que lo rodeaba y se trasladó al silo de almacenamiento de virutas Magnox (MSSS) de Sellafield. Aunque las virutas en sí son solo desechos de nivel intermedio, el operador de Sellafield considera que vaciar el silo listo para transferirlo al almacenamiento seco a largo plazo es uno de los proyectos más peligrosos del sitio. Almacenados bajo el agua para mantenerlos frescos, los paquetes de virutas se corroen gradualmente y liberan gas hidrógeno y contaminantes, que pueden escapar al suelo. El traslado de los residuos para su tratamiento puede provocar en sí mismo más fugas.

Para sacar 11.000 metros cúbicos de residuos de las 22 cámaras del MSSS, se han necesitado más de dos décadas para diseñar, construir e instalar dos de los tres recintos blindados y brazos de agarre que puedan levantar trozos de viruta y prepararlos para Estar inmovilizado en hormigón o vidrio.

El tiempo que ha llevado incluso comenzar a limpiar el MSSS ilustra el problema central al que se enfrentan los programas de desmantelamiento y limpieza: la enorme dificultad de tratar de manipular incluso materiales moderadamente radiactivos en circunstancias en las que el acceso nunca se consideró cuando se construyeron estas estructuras por primera vez. y lleno. Todo en este tipo de desmantelamiento requiere manipuladores desgarbados a larga distancia porque no hay otra manera de proteger a los equipos de limpieza.

Mientras los ingenieros luchaban por hacer frente al desastre de Fukushima en marzo de 2011, muchas personas en Japón pensaban lo mismo y expresaron su sorpresa de que un país que había invertido tanto en investigación en robótica no tuviera nada que pudiera enviar a los reactores para siquiera realizar un estudio. .

Japón no estaba solo en este problema: ningún país tenía un robot dedicado a la respuesta a accidentes nucleares. El trabajo con robots comenzó hace décadas, pero en su mayor parte continuó sólo a trompicones. Después de un grave incidente en 1999 en un reactor experimental en Tokaimura, el Ministerio japonés de Economía, Comercio e Industria reservó 36 millones de dólares para desarrollar máquinas controladas a distancia. Pero los proyectos terminaron a los pocos años.

Para ayudar a abordar los problemas inmediatos en Fukushima, la agencia de investigación estadounidense DARPA se apresuró a reutilizar los robots militares y de desastre a los que tenía acceso, originalmente planeando enviarlos en barcos de la Armada a través del Pacífico. Pero rápidamente se dio cuenta de que esto sería demasiado lento.

En una conferencia organizada por la Federación Internacional de Investigación Robótica en el décimo aniversario del accidente, el científico jefe de Toyota Research, Gill Pratt, dijo que los primeros robots "llegaron en el equipaje de los vuelos comerciales". Para todos ellos fue un bautismo de fuego.

Las estrechas escaleras y los escombros se convirtieron para algunos en obstáculos insuperables. Aquellos que lo lograron fracasaron aún más después de sufrir demasiados daños por radiación en sensores y memorias clave. Finalmente, unos desarrollados por el Instituto Tecnológico de Chiba lograron explorar los pisos superiores del Reactor 2. Los investigadores diseñaron su Quince para funcionar hasta cinco horas en presencia de una fuente de cobalto-60 que generaría una dosis promedio de 40 grises por hora.

Los daños por radiación directa no fueron el único problema para los robots de Fukushima. Los reactores están protegidos por gruesos muros de hormigón. Las señales inalámbricas aparecen y desaparecen y el cableado de fibra óptica se convierte en un impedimento en el espacio desordenado de un edificio dañado. Para estar lo suficientemente cerca de las máquinas, los operadores tenían que usar ropa protectora voluminosa que hacía que la teleoperación fuera mucho más difícil que en otros entornos. Varios robots entraron al edificio pero fallaron y se atascaron, convirtiéndose en obstáculos para otras máquinas.

El riesgo de este tipo de fallas influyó en la resistencia a largo plazo de la industria nuclear al uso de robots para reparación y desmantelamiento. Los operadores de las plantas continuaron prefiriendo los manipuladores mecánicos operados por humanos, separados tanto por ropa protectora como por vidrio grueso y pesado.

Desde Fukushima, las actitudes hacia los robots en la industria nuclear han cambiado, pero el control remoto sigue siendo la estrategia principal. Pratt dice que los humanos en general siguen siendo mejores en el control y son mucho mejores en el manejo de entornos no estructurados dentro de muchas instalaciones antiguas y a veces dañadas.

El objetivo a largo plazo de quienes trabajan en estos sistemas es dotar a los robots de mayores grados de autonomía a lo largo del tiempo. Por ejemplo, los drones de vigilancia volarán bajo la supervisión de un operador, pero las máquinas están adquiriendo más inteligencia para permitirles evitar obstáculos, por lo que sólo tendrán que responder a órdenes más simples y de alto nivel. Esto puede superar uno de los problemas creados por las comunicaciones intermitentes. Un ejemplo de este enfoque se demostró cuando Createc Robotics, con sede en el Reino Unido, desplegó recientemente un dron en Chernobyl y Fukushima, eligiendo en este último caso inspeccionar la sala de turbinas parcialmente derrumbada para probar sus técnicas de mapeo semiautónomas.

Para que haya más robots en juego en el Reino Unido, la NDA ha centrado sus compras más en universidades y empresas especializadas más pequeñas, algunas de las cuales están adaptando tecnologías de la industria del petróleo y el gas.

La NDA espera que se necesiten muchos años para desarrollar tecnologías eficaces de desmantelamiento y manipulación de robots. Ha elaborado una amplia hoja de ruta que actualmente se extiende hasta 2040. La susceptibilidad a la radiación sigue siendo un problema. Los sensores visuales son muy susceptibles a sufrir daños por radiación ionizante. Sin embargo, una combinación de sistemas de control más inteligentes y redundancia debería permitir al menos mover los robots a un punto seguro para su reparación en caso de que comiencen a mostrar signos de falla.

Otra estrategia de diseño que se está aplicando tanto en el Reino Unido como en Japón es construir robots como si fueran una inteligente navaja suiza en movimiento: armados con una variedad de extremidades y subsistemas desmontables para que puedan adaptarse a las condiciones y posiblemente incluso realizar algunas acciones. la mosca se repara a sí misma.

Poco a poco, está apareciendo tecnología que puede manejar y al menos poner a salvo los desechos durante mucho tiempo, aunque cabría preguntarse por qué el proceso ha tardado décadas en llegar a esta etapa de desarrollo. *

El entierro profundo parece ser la forma más fácil de lidiar con los desechos de larga duración, suponiendo que nadie intente desenterrarlos sin una fuerte protección y buenas intenciones dentro de cientos o miles de años. Pero la pregunta de qué tan seguro es si el repositorio se viola accidentalmente es extremadamente difícil de responder.

Es poco probable que el plutonio sea el mayor problema. Aunque se oxida fácilmente y se disuelve en agua, los productos de fisión de vida corta, como el estroncio-90 y el cesio-137, podrían ser más problemáticos si escapan de los confines de un lugar de almacenamiento, según análisis como el realizado por SKB como parte del El programa de Suecia para construir allí un lugar de enterramiento profundo.

Las vidas medias de estos isótopos son mucho más cortas que las del plutonio, por lo que el riesgo que suponen disminuirá después de un par de cientos de años, en lugar de los miles del plutonio. Pero ¿y si pudieran acortarse a días o incluso segundos? Luego, cualquier radiación podría contenerse o utilizarse antes de volver a empaquetar los desechos.

Ésta es la promesa de la transmutación láser, que utiliza rayos de alta energía para desplazar neutrones en átomos donantes que luego, con suerte, chocan contra esos isótopos inestables para producir átomos aún más inestables que se desintegran rápidamente. En un experimento realizado por el Laboratorio Rutherford-Appleton, un láser transmutó átomos de una muestra de yodo-129, con una vida media medida en millones de años, en yodo-128. Un experimento similar en Cambridge convirtió el estroncio-90 en estroncio-89, el químico de etiquetado médico.

La mala noticia es que la energía necesaria para realizar la transmutación a escala es enorme y no todos los isótopos cooperan: sus volúmenes de captura de neutrones son tan pequeños que el proceso se vuelve aún menos eficiente.

El premio Nobel Gérard Mourou cree que un control cuidadoso de los láseres pulsados ​​de alta energía reducirá significativamente el coste energético de la transmutación. Está trabajando con varios grupos para construir sistemas a escala industrial que podrían comenzar a limpiar al menos algunos de los desechos de alta actividad.

Incluso si se pudiera hacer que los láseres fueran más eficientes, existen más problemas. Por un lado, es necesario separar los desechos, ya que de lo contrario los neutrones perdidos transmutarán otros elementos de la muestra, generando actínidos no deseados. Esto no sólo aumentará el costo del reprocesamiento, sino que aumentará el riesgo de proliferación, ya que conducirá a que el plutonio sea mucho más fácil de manipular y transportar, el único resultado que se pretende evitar con el entierro profundo.

El gemelo digital se está convirtiendo en un elemento importante en la eliminación de residuos nucleares, tanto para encontrar dónde colocarlos como para moverlos. La Autoridad de Desmantelamiento Nuclear (NDA) del Reino Unido ha adoptado el concepto para ayudar a construir una imagen más completa de qué se almacena, dónde y por qué.

Corhyn Parr, director ejecutivo designado para residuos de la NDA, explicó en una conferencia organizada por la Agencia Internacional de Energía Atómica en noviembre que la agencia tiene “ahora una planificación de vida más detallada. Nos ayuda a tener datos en vivo en tiempo real y abiertos, para permitirnos ser realmente claros con el público sobre cómo estamos entregando”.

Una forma de utilizar gemelos digitales es demostrar que el estado de los residuos no cambia inesperadamente. Por ejemplo, la NDA está estudiando el uso de sensores con una vida útil de 30 años que podrían funcionar parcialmente con energía producida por los propios residuos para indicar corrosión y otros problemas en el almacenamiento en seco. Esas lecturas se pueden comparar en tiempo real con simulaciones y, en principio, facilitan el tratamiento de un gran problema de la gestión de residuos a largo plazo: tener que adivinar si algo se está escapando o se está calentando peligrosamente.

De manera similar, se están probando técnicas de gemelos digitales en una nueva generación de controladores robóticos para facilitar que los operadores humanos visualicen lo que le sucede al robot y el entorno que lo rodea. Un ejemplo de este enfoque será el proyecto LongOps, resultado de un acuerdo de £12 millones entre el Reino Unido y Japón para desarrollar mejores manipuladores de largo alcance que puedan usarse para el desmantelamiento. Para el control remoto de mayor alcance, el enfoque del gemelo digital puede permitir implementar un control más intuitivo sobre los robots utilizando realidad virtual o aumentada.

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