Etapas para la obtención del combustible nuclear a partir del uranio

¿Qué es el Uranio?

El uranio es un elemento químico metálico de color gris de la serie de los actínidos, descubierto en 1789 por el físico alemán M. H. Klaproth, llamándolo así en honor del planeta Urano, que acababa de ser localizado ocho años antes.

Su símbolo químico es ‘U’ y su número atómico es el 92. Tiene el mayor peso atómico de entre todos los elementos que se encuentran en la naturaleza y es, aproximadamente, un 70% más denso que el plomo.

Raramente se utiliza en estado puro, lo más corriente es trabajar con sus óxidos, siendo el más estable el U₃O₈.

El uranio en estado natural es una mezcla de tres isótopos: U-234 (0,02%, nivel de trazas), U-235 (0,7%) y U-238 (99,28%) y es levemente radiactivo, por lo que facilita su minería, transformación y fabricación como combustible nuclear. El uranio se localiza principalmente en la corteza terrestre, es 500 veces más abundante que el oro y no tiene otro uso más que como combustible nuclear.

Etapas para la obtención del combustible nuclear

Primera parte del ciclo: De la naturaleza al reactor

Paso 1: Fase de exploración y minería por lixiviación “in situ”, a cielo abierto o subterránea para extraer el uranio que normalmente se procesa para reducir el material a un tamaño uniforme de partícula, para, a continuación, realizar la molienda produciéndose un polvo seco formado por uranio natural, llamado “yellow cake” (torta amarilla), que se vende en el mercado del uranio como U₃O₈.

El uranio es abundante en la naturaleza, sin embargo, se encuentra en proporciones muy pequeñas en las rocas de la corteza terrestre. Estas rocas se trituran y muelen para facilitar los tratamientos químicos posteriores (lixiviación, clarificación y refinado) para extraer el uranio que contienen de forma de un sólido de color amarillo, llamado “yellow cake” (torta amarilla). Está formada mayoritariamente por U₃O₈ y se seca para continuar con el proceso.

Paso 2: Primera fase de conversión (U₃O₈ a UF₆). Esta etapa consiste en que el concentrado de uranio, U₃O₈, debe ser convertido en hexafluoruro de uranio, UF₆, que se encuentra en fase gaseosa y es la forma requerida por la mayoría de las plantas de enriquecimiento de uranio, requisito necesario para utilizar el uranio como combustible nuclear.

Paso 3: Enriquecimiento. La concentración del isótopo fisionable U-235 (0,71% en el uranio natural) es inferior a la requerida para mantener una reacción nuclear en cadena en los reactores de agua ligera. El UF₆ natural, por tanto, debe ser enriquecido en el isótopo fisionable para que se pueda utilizar como combustible nuclear. Los diferentes niveles de enriquecimiento dependen del reactor, pero para un reactor de agua ligera normalmente está enriquecido hasta cerca del 5% de U-235 pero también se requiere uranio enriquecido a concentraciones más bajas. El enriquecimiento se consigue utilizando por lo general, difusión gaseosa o centrifugado de gas.

Paso 4: Segunda fase de conversión (UF₆ a UO₂). Para su uso como combustible nuclear, el UF₆ enriquecido se convierte en polvo de dióxido de uranio (UO₂) que es compactado en pastillas cilíndricas cerámicas de 1 cm de diámetro por 1 cm de alto aproximadamente con unas características estables a temperaturas elevadas como las que soportarán en el interior del reactor.

Paso 5: Fabricación de elementos combustibles. Esta etapa es la única que se realiza en España, en la fábrica de elementos combustibles que tiene Enusa Industrias Avanzadas en Juzbado (Salamanca). Consiste en:

• Fabricación de barras de combustible: Es la primera barrera de seguridad en la central nuclear. Dentro de ella se colocan las pastillas de uranio y se almacenarán los productos de fisión que se liberarán durante el quemado del combustible.
• Elemento combustible: Una vez preparadas las barras de combustible, se agrupan en ensamblajes especiales que forman los elementos combustibles. Su función principal es mantener las barras a una distancia apropiada para que circule el refrigerante entre ellas y reciba el calor generado.

Segunda parte del ciclo: El combustible dentro y fuera del reactor

Los elementos combustibles, a medida que generan energía en el reactor, pierden efectividad a causa de la reducción del material fisionable y de la acumulación de productos de fisión. Por ello, es necesario sustituir parte de estos elementos por combustible nuevo, operación llamada recarga.

La segunda parte del ciclo incluye todas las operaciones a las que es sometido el combustible que se encuentra en el reactor hasta su almacenamiento y aislamiento definitivo.

Cuando se retira el combustible utilizado del reactor, tan sólo se ha utilizado el 5% de la energía inicialmente contenida. El combustible usado, por tanto, mantiene aún una gran capacidad energética remanente, susceptible de ser utilizada nuevamente en otros reactores.

Una vez que el combustible acaba su vida útil en los reactores, tras operar durante dos o tres ciclos, unos 3 ó 5 años, todavía conserva el 95% del uranio, que está enriquecido hasta un nivel que depende del quemado final que tenga. El 1% es plutonio, el resto son actínidos menores, productos de vida larga, productos de vida corta y productos estables de fisión.

Ciclos del combustible nuclear

• Ciclo abierto. Si se opta por no reutilizar los recursos energéticos contenidos en el combustible utilizado, se procede a la gestión del mismo como residuo radiactivo de alta actividad, ya que los productos de fisión quedan confinados en él. El destino final de este combustible es su almacenamiento en Almacenes Temporales Centralizados (ATC), recuperables para un reproceso o Almacén Geológico Profundo (AGP), que es un almacenamiento definitivo.
• Ciclo cerrado o reproceso. En caso de que se considere la reutilización del U-235 no quemado y del Pu-239 generado, se debe proceder a la reelaboración o reciclado del combustible para su uso en otras centrales nucleares, ya que todavía conserva el 95% de su capacidad energética inicial.

El combustible reelaborado se conoce con el nombre MOX, abreviatura de Mezcla de Óxidos, compuesto por una mezcla de óxido de uranio natural, uranio reprocesado y óxido de plutonio. Con esta operación, que se realiza en plantas de reproceso situadas en Francia, China, India, Rusia y Reino Unido, se separan estos dos elementos de los productos de fisión, que constituyen los residuos de alta actividad.