Usos alternativos de los residuos nucleares

La energía nuclear es excelente si desea generar mucha electricidad sin liberar mucho CO2 y otros contaminantes nocivos. Sin embargo, la principal pesadilla de la tecnología siempre ha sido el problema de los residuos. Muchos de los subproductos del funcionamiento de las centrales nucleares son radiactivos y lo siguen siendo durante miles de años. El almacenamiento de estos residuos de forma segura y económica sigue siendo un problema.

Los métodos alternativos para hacer frente a este flujo de residuos siguen siendo un área activa de investigación. Entonces, ¿cuáles son algunas de las formas en que estos desechos pueden desviarse o reutilizarse?

Una de las principales formas de desechos de un reactor nuclear de agua ligera (LWR) típico es el combustible gastado de la reacción de fisión. Estos consisten en aproximadamente un 3% de isótopos de desecho, un 1% de isótopos de plutonio y un 96% de isótopos de uranio. Este desecho tiene un alto contenido de elementos transuránicos, que tienen vidas medias medidas en muchos miles de años. Estos plantean los mayores problemas para el almacenamiento, ya que deben mantenerse de forma segura en un lugar seguro durante períodos de tiempo que superan con creces la vida de cualquier sociedad humana.

La solución propuesta a este problema es utilizar en su lugar reactores de neutrones rápidos, que "generan" uranio-238 no fisionable en plutonio-239 y plutonio-240, que luego pueden usarse como combustible nuevo. Los diseños avanzados también tienen la capacidad de procesar otros actínidos, usándolos también como combustible en el proceso de fisión. Estos reactores tienen la ventaja de poder utilizar casi todo el contenido energético del combustible de uranio, lo que reduce el uso de combustible entre 60 y 100 veces en comparación con los métodos convencionales.

Desafortunadamente, la tecnología de reproductores rápidos se ha visto frenada en gran medida por la economía. El descubrimiento de recursos de uranio más abundantes en la década de 1970 significó que es más barato extraer más combustible que reprocesar los desechos. Además, las preocupaciones sobre la capacidad de los reactores reproductores rápidos para crear material nuclear apto para armas también han obstaculizado el desarrollo. Si bien la tecnología es prometedora, los principales desarrollos en esta área probablemente estén a décadas de distancia.

Para las naves espaciales que viajan al más allá, la energía solar no siempre es suficiente. Más allá de Marte, simplemente no entra tanta luz del Sol para hacer que los paneles solares sean una opción viable para el suministro de energía. En estos casos, las naves espaciales suelen utilizar generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG), que empaquetan materiales radiactivos en una caja con termopares. El calor del material en descomposición genera electricidad a través de la matriz de termopares, que se utiliza para hacer funcionar la nave espacial. Un beneficio adicional es que el calor proporcionado ayuda a mantener los sistemas a bordo de la nave a una temperatura operativa adecuada.

Históricamente, estos han sido utilizados por Rusia y los Estados Unidos, pero la Agencia Espacial Europea está ansiosa por tener en sus manos la tecnología. El plan consiste en extraer americio-241 de las reservas británicas de plutonio procedente del reprocesamiento de combustible nuclear. Si bien es poco probable que sea un proyecto importante en términos de limpieza de desechos, podría servir como una fuente útil de materiales RTG. Esto es particularmente relevante dado que las existencias de EE. UU. se están agotando, ya que el plutonio-238 utilizado anteriormente solo estaba disponible en los reactores utilizados para producir armas nucleares, que desde entonces han sido cerrados. Ha comenzado la carrera para producir más, pero mientras tanto, esto abre la puerta al proyecto británico.

Una idea alternativa en este espacio es la de la batería betavoltaica. Esto funciona mediante el uso de un material semiconductor que captura los electrones liberados por la desintegración beta del material radiactivo. La Universidad de Bristol está trabajando para desarrollar la "batería de diamante", que utiliza carbono-14 radiactivo procedente de bloques moderadores de grafito de desecho utilizados en las instalaciones nucleares británicas. Los bloques tienen sus capas exteriores raspadas, donde reside la mayor parte del carbono-14, y esto se usa para crear diamantes artificiales que liberan electrones a medida que se descomponen. Luego, estos se encierran en una capa de carbono-12 no radiactivo, para evitar que la radiación se escape a la atmósfera. Los electrones liberados en la desintegración beta son de baja energía, por lo que solo se necesita un blindaje menor. Se estima que tales baterías podrían proporcionar del orden de 100 uW durante miles de años.

Otro subproducto importante de la industria de la energía nuclear es el uranio empobrecido. Este es el uranio que queda después del proceso de enriquecimiento necesario para preparar el combustible para su uso en los reactores. Consiste principalmente en uranio-238 no fisionable y todavía es algo radiactivo, aunque menos debido a que la mayor parte del uranio-235 se elimina durante el proceso de enriquecimiento.

El uranio empobrecido tiene varias propiedades que lo hacen muy atractivo para aplicaciones militares. Su alta densidad significa que es una buena ojiva para municiones antitanque. Las municiones de uranio empobrecido tienen una excelente capacidad de penetración y pueden perforar el blindaje de tanques pesados. Esto también se ve favorecido por su naturaleza autoafilada. Cuando una ojiva de uranio empobrecido golpea un objetivo, se fractura de una manera que hace que permanezca afilada, mientras que el calor del impacto ayuda a encender la nube resultante de partículas de uranio empobrecido. Esto hace que tales rondas sean altamente efectivas en tales roles, reemplazando a menudo a otros materiales de alta densidad como el tungsteno.

También hay otras aplicaciones para el uranio empobrecido, fuera del armamento. Recientemente, se ha encontrado una nueva aplicación para el uranio empobrecido, en el área del procesamiento químico. Un grupo de investigadores de la Universidad de Sussex ha creado un catalizador utilizando el material, que ayuda a convertir el etileno en etano. Si bien la conversión entre los dos productos químicos no es nada nuevo, es una aplicación novedosa para el uranio empobrecido.

El almacenamiento de grandes cantidades de uranio empobrecido del proceso de enriquecimiento es un problema constante para los gobiernos de todo el mundo. Poder utilizar el material en procesos industriales podría ser una alternativa viable a simplemente almacenarlo en sitios de eliminación o dispararlo a países extranjeros a través de tanques y aviones de combate. Sin embargo, se necesita cuidado para garantizar que el material ligeramente radiactivo no cause peligros adicionales en el lugar de trabajo o problemas de salud.

Desafortunadamente, existen problemas en la forma de reutilizar y reprocesar los desechos nucleares. Muchos de estos procesos abren la posibilidad de que el material nuclear sea robado o desviado. Esto plantea un riesgo para la proliferación de armas nucleares.

Por ejemplo, la cantidad de plutonio necesaria para crear un arma nuclear viable se mide en decenas de libras. Con el reprocesamiento operando a escala industrial, existe la posibilidad de que desaparezcan cantidades de este material sin ser detectadas. Es un problema tenso, que depende de las particularidades exactas de los isótopos y los procesos. Los desechos nucleares actuales de los reactores de agua ligera no son una preocupación, por ejemplo, ya que se consideran demasiado radiactivos para robarlos fácilmente. Pero tecnologías como el reprocesamiento de combustible tienen la posibilidad de generar material apto para armas a partir del combustible gastado, algo que muchos gobiernos tratan de evitar siempre que sea posible.

Además, algunos argumentan que los esfuerzos para reciclar o reutilizar los desechos nucleares eliminan recursos que deberían aplicarse para encontrar una solución de almacenamiento dedicada para el material. Muchos países se han demorado en establecer vertederos permanentes de desechos, incluido EE. UU. Dado que el combustible gastado de los reactores actuales sigue siendo inseguro durante miles de años, encontrar una solución segura de almacenamiento a largo plazo para este material de desecho existente debería ser una prioridad.

Fundamentalmente, la naturaleza altamente radiactiva y peligrosa de los desechos nucleares plantea muchos desafíos para los gobiernos y las industrias que buscan deshacerse del material. El statu quo actual consiste en gran medida en dejar que se acumule mientras continúa la lucha de décadas sobre qué hacer con la cantidad cada vez mayor de desechos nucleares. Idealmente, la nueva tecnología abrirá vías para abordar el problema de una manera limpia y segura, pero mientras tanto, será necesario tomar decisiones políticas difíciles.