the nuclear fuel cycle consists of front-end steps that prepare uranium for use in nuclear reactors and back-end steps to safely manage, prepare, and dispose of used—or spent—but still highly radioactive spent nuclear fuel.
El uranio es el combustible más utilizado por las centrales nucleares para la fisión nuclear. Las centrales nucleares utilizan un cierto tipo de uranio-U-235 – como combustible porque sus átomos se dividen fácilmente., Aunque el uranio es aproximadamente 100 veces más común que la plata, El U-235 es relativamente raro en poco más del 0.7% del uranio natural. El concentrado de uranio se separa del mineral de uranio en molinos de uranio o de una suspensión en instalaciones de lixiviación in situ. Luego se procesa en instalaciones de conversión y enriquecimiento, lo que aumenta el nivel de U-235 A entre 3% y 5% para los reactores nucleares comerciales, y se convierte en pellets de combustible de reactor y barras de combustible en las plantas de fabricación de combustible de reactor.,
El combustible Nuclear se carga en los reactores y se utiliza hasta que los conjuntos combustibles se vuelven altamente radiactivos y deben retirarse para su almacenamiento temporal y posterior eliminación. El procesamiento químico del material combustible gastado para recuperar cualquier producto restante que pudiera sufrir fisión nuevamente en un nuevo conjunto de combustible es técnicamente factible, pero no está permitido en los Estados Unidos.,
fuente: Pennsylvania State University Radiation Science and Engineering Center (Dominio Público)
la parte frontal del ciclo del combustible nuclear
exploración
el ciclo del combustible nuclear comienza con la exploración de uranio y el desarrollo de minas para extraer mineral de uranio. Se utilizan diversas técnicas para localizar uranio, como estudios radiométricos aéreos, muestreo químico de aguas subterráneas y suelos, y perforaciones exploratorias para comprender la geología subyacente., Una vez que se encuentran los depósitos de mineral de uranio, el desarrollador de la mina generalmente hace un seguimiento con un relleno más espaciado, o perforación de desarrollo, para determinar cuánto uranio está disponible y cuánto podría costar recuperarlo.
Uranium mining
Cuando se localizan depósitos de mineral que son económicamente factibles de recuperar, el siguiente paso en el ciclo del combustible es extraer el mineral utilizando una de las siguientes técnicas:
- minería subterránea
- minería a cielo abierto
- minería en solución in situ
- lixiviación en pilas
antes de 1980, la mayoría de los EE., el uranio se producía utilizando técnicas de minería a cielo abierto y subterránea. Hoy en día, la mayor parte del uranio de los Estados Unidos se produce utilizando una técnica de extracción en solución comúnmente llamada lixiviación in situ (ISL) o recuperación in situ (ISR). Este proceso extrae uranio que recubre las partículas de arena y grava de los depósitos de agua subterránea. Las partículas de arena y grava se exponen a una solución con un pH ligeramente elevado mediante el uso de oxígeno, dióxido de carbono o sosa cáustica. El uranio se disuelve en el agua subterránea, que se bombea fuera del depósito y se procesa en un molino de uranio., La lixiviación en pilas consiste en rociar una solución líquida ácida sobre pilas de mineral de uranio triturado. La solución drena a través del mineral triturado y lixivia el uranio de la roca, que se recupera de debajo de la pila. La lixiviación en pilas ya no se usa en los Estados Unidos.
Fuente: United States Nuclear regulatory Commission (dominio público)
¿youknow
en 2019, se cargaron alrededor de 43 millones de libras de uranio (equivalente a U3O8) en reactores nucleares comerciales de Estados Unidos.,
molienda de uranio
después de que el mineral de uranio se extrae de una mina a cielo abierto o subterránea, se refina en concentrado de uranio en un molino de uranio. El mineral es triturado, pulverizado y molido en un polvo fino. Se agregan productos químicos al polvo fino, lo que causa una reacción que separa el uranio de los otros minerales. Las aguas subterráneas de las operaciones de extracción de solución circulan a través de un lecho de resina para extraer y concentrar el uranio.,
a pesar del nombre, el producto de uranio concentrado es típicamente una sustancia negra o marrón llamada torta amarilla (U3O8). El mineral de uranio extraído típicamente produce de una a cuatro libras de U3O8 por tonelada de mineral, o 0.05% a 0.20% de torta amarilla. El material de desecho sólido de las operaciones de minería subterránea y de pozo se llama relaves de molino. El agua procesada de la extracción en solución se devuelve al depósito de agua subterránea donde se repite el proceso de extracción.,
conversión de uranio
el siguiente paso en el ciclo del combustible nuclear es convertir la torta amarilla en gas de hexafluoruro de uranio (UF6) en una instalación de conversión. Existen tres formas (isótopos) de uranio en la naturaleza: U-234, U-235 y U-238. Los actuales diseños de reactores nucleares de los Estados Unidos requieren una mayor concentración (enriquecimiento) del isótopo U-235 para funcionar eficientemente. El gas de hexafluoruro de uranio producido en la instalación de conversión se denomina UF6 natural porque las concentraciones originales de isótopos de uranio no se modifican.,
enriquecimiento de uranio
después de la conversión, el gas de UF6 se envía a una planta de enriquecimiento donde se separan los isótopos individuales de uranio para producir UF6 enriquecido, que tiene una concentración del 3% al 5% de U-235.
en los Estados Unidos se han utilizado dos tipos de procesos de enriquecimiento de uranio: la difusión gaseosa y la centrifugación gaseosa. Los Estados Unidos tienen actualmente una planta de enriquecimiento en funcionamiento, que utiliza un proceso de centrifugación gaseosa., El UF6 enriquecido se sella en botes y se deja enfriar y solidificar antes de ser transportado a una planta de ensamblaje de combustible de reactor nuclear en tren, camión o barcaza.
Atomic vapor laser isotope separation (AVLIS) and molecular laser isotope separation (MLIS) are new enrichment technologies currently under development. Estos procesos de enriquecimiento basados en láser pueden lograr mayores factores de enriquecimiento inicial (separación de isótopos) que los procesos de difusión o centrifugación y pueden producir uranio enriquecido más rápidamente que otras técnicas.,
reconversión de uranio y fabricación de combustible nuclear
Una vez que el uranio se enriquece, está listo para ser convertido en combustible nuclear. En una instalación de fabricación de combustible nuclear, el UF6, en forma sólida, se calienta a forma gaseosa, y luego el gas UF6 se procesa químicamente para formar polvo de dióxido de uranio (UO2). El polvo se comprime y se forma en pequeños pellets de combustible cerámico. Los pellets se apilan y sellan en largos tubos de metal que tienen aproximadamente 1 centímetro de diámetro para formar barras de combustible. Las barras de combustible se agrupan para formar un conjunto de combustible., Dependiendo del tipo de reactor, cada conjunto de combustible tiene entre 179 y 264 barras de combustible. Un núcleo típico de reactor contiene de 121 A 193 conjuntos combustibles.
en el reactor
Una vez fabricados los conjuntos combustibles, los camiones los transportan a los sitios del reactor. Los conjuntos combustibles se almacenan in situ en contenedores de almacenamiento de combustible fresco hasta que los operadores del reactor los necesitan. En esta etapa, el uranio es sólo ligeramente radiactivo, y esencialmente toda la radiación está contenida dentro de los tubos metálicos., Típicamente, los operadores de reactores cambian alrededor de un tercio del núcleo del reactor (40 a 90 conjuntos combustibles) cada 12 a 24 meses.
el núcleo del reactor es una disposición cilíndrica de los haces de combustible que tiene aproximadamente 12 pies de diámetro y 14 pies de altura y está encerrado en un recipiente a presión de acero con paredes que tienen varias pulgadas de espesor. El núcleo del reactor no tiene esencialmente partes móviles, excepto un pequeño número de barras de control que se insertan para regular la reacción de fisión nuclear. Colocar los conjuntos combustibles uno al lado del otro y agregar agua inicia la reacción nuclear.,
un conjunto de combustible nuclear
fuente: Comisión de Energías Alternativas y Energía Atómica, Francia (Dominio Público)
el final del ciclo del combustible nuclear
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después de su uso en el reactor, los conjuntos de combustible se vuelven altamente radiactivos y deben retirarse y almacenarse bajo el agua en el sitio del reactor en una piscina de combustible gastado durante varios años., A pesar de que la reacción de fisión se ha detenido, el combustible gastado continúa emitiendo calor de la descomposición de los elementos radiactivos que se crearon cuando los átomos de uranio se separaron. El agua de la piscina sirve tanto para enfriar el combustible como para bloquear la liberación de radiación. Desde 1968 hasta junio de 2013, se descargaron y almacenaron 241.468 conjuntos combustibles en 118 reactores nucleares comerciales en los Estados Unidos.
dentro de unos años, el combustible gastado se enfría en la piscina y puede ser trasladado a un contenedor de almacenamiento de barril seco en el sitio de la planta de energía., Un número creciente de operadores de reactores ahora almacenan su combustible gastado más antiguo en estos contenedores especiales de concreto o acero al aire libre con refrigeración por aire. Obtenga más información sobre el almacenamiento de combustible gastado.
la etapa final del ciclo del combustible nuclear es la recogida de los conjuntos de combustible gastado de los lugares de almacenamiento provisional para su disposición final en un depósito subterráneo permanente. En la actualidad, los Estados Unidos no tienen un depósito subterráneo permanente de desechos nucleares de alta actividad.
Última actualización: 27 de Mayo de 2020
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