El proceso de la transmutación

Un elemento combustible ya utilizado contiene relativamente pocas sustancias altamente radiactivas de larga vida. En una tonelada de combustible nuclear se encuentran, dependiendo de cómo fue operado el reactor, tan sólo alrededor de nueve kilogramos de plutonio y cerca de un kilogramo de actínidos menores. Plutonio, neptunio, americio y curio son actínidos.

"Los actínidos determinan la radiotoxicidad de los residuos altamente radioactivos”, dice Dirk Bosbach, del centro de investigación de Jülich, en Renania del Norte-Westfalia. Los temores de los científicos se centran en los largos períodos de tiempos de irradiación que requieren los radioisótopos (o isótopos radioactivos). Por lo tanto, tiene sentido desarrollar procedimientos que minimicen esta radiotoxicidad, opina el científico.

Planta piloto, en funcionamiento a partir de 2023

En el 2014 se construirá en la ciudad de Mol, Bélgica, un centro de investigación con una máquina de transmutación. Con este sistema de aceleración de partículas se podrán transformar en el futuro plutonio y actínidos menores en productos fisionados, menos tóxicos y vida más corta.

Pero antes de eso, se requiere que estos elementos sean extraídos de las barras de combustible nuclear. El proceso no es nuevo. De hecho, ya se realiza en plantas de reprocesamiento nuclear para la recuperación de plutonio. Para ello, las barras de combustible nuclear son trituradas y disueltas en una solución de ácido nítrico.

"La mayoría de los métodos se basan en la extracción líquido-líquido", dice Andreas Geist, del Instituto de Tecnología de Karlsruhe. "Estos obtienen una solución acuosa del combustible y una fase orgánica o de aceite que no puede ser mezclada con agua". En la fase de aceite se encuentran los llamados "agentes selectivos complejos" que unen ciertos iones metálicos.

Gracias a ello, los científicos pueden separar los actínidos que buscan. Sin embargo, este proceso debe repetirse una y otra vez con otros “agentes complejos”. Además de los actínidos, existen otros 35 elementos en la barra de combustible nuclear utilizada. En el segundo paso, los científicos devuelven los iones metálicos adquiridos a una solución de agua que evaporan, para así obtener el material para producir nuevas barras de combustible. Debido a que se trata de sustancias altamente radiactivas, se recomienda mucha precaución. “Todo debe ser manipulado de forma remota, detrás de una barrera de seguridad”, dice Geist.

Las nuevas barras de combustible son puestas en la máquina de transmutación, similar a un reactor nuclear de metal líquido refrigerado. Pero con una diferencia importante: la reacción nuclear que se llevará a cabo en el reactor de transmutación es subcrítica. Esto significa que no habrá reacción en cadena autosuficiente. Los neutrones rápidos, que son necesarios para las reacciones nucleares, no provienen del núcleo del reactor en sí, sino desde el exterior. Esto permite detener la reacción nuclear en cualquier momento.

Para lograr una reacción nuclear subcrítica, los científicos bombardean protones de un acelerador de partículas en un contenedor de espalación de plomo y bismuto, el mismo metal líquido que se utiliza para enfriar el reactor. “Entonces se produce una reacción nuclear y se forman neutrones", explica Concetta Fazio, física nuclear de Karlsruhe. “Los neutrones llegan a los combustibles con los actínidos menores, y a su vez forman una reacción nuclear, es decir la transmutación". Los actínidos menores son destruidos en este procedimiento, y convertidos en productos de una fisión de vida más corta.

Los primeros intentos de este proceso de la científica alemana y su equipo ya fueron exitosos en Suiza. “También pudimos medir cuántos neutrones se crean por proton. El experimento fue muy positivo”, dice Fazio.

Pero antes de que se construya la planta en Mol se requiere mucha investigación. Sobre todo en el análisis del comportamiento de la refrigeración de metal líquido en el proceso descrito antes. “Plomo y plomo-bismuto son metales líquidos relativamente corrosivos. Por eso hay que desarrollar una protección contra la corrosión de los materiales estructurales”, explica Fazio. También se investigan los comportamientos termodinámicos de estos metales líquidos.

Si todas las pruebas tienen éxito, es posible que una máquina de transmutación reduzca el tiempo durante el cual irradian los residuos altamente radiactivos en miles de años. “Si logramos separar y transmutar los actínidos, estaríamos hablando de 1.000 años”, dice Geist. En comparación, en un almacenamiento definitivo sin transmutación, el proceso duraría 200.000 años para que los actínidos tengan la toxicidad del uranio natural.
El almacenamiento final de los residuos nucleares es de todas maneras necesario. La mejor opción, según los científicos es bien profundo en rocas de granito, por ejemplo. Sin embargo, todavía no existen dispositivos técnicos que puedan preveer la seguridad y estabilidad de dichos contenedores a futuro.

Autor: Fabian Schmidt / Cristina Mendoza Weber
Editor: Pablo Kummetz