Un equipo de investigadores del Laboratorio Nacional de Sandia (LNS), en Estados Unidos, ha abierto una nueva ruta hacia la captura y almacenamiento del yodo radiactivo, un peligroso subproducto de la generación de energía nuclear.

El equipo, liderado por Tina Nenoff, investigadora del grupo de Materiales Inorgánicos Cristalinos Porosos, ha publicado recientemente en la revista científica Journal of the American Chemical Society los resultados de sus investigaciones sobre un nuevo uso de las estructuras metalorgánicas (MOF, por sus siglas en inglés). Según Nenoff, esto serviría para mejorar la parte del proceso de reprocesamiento de los residuos de alta actividad generados en los reactores nucleares en la que se separa el yodo volátil de los productos de fisión utilizables presentes en el combustible nuclear gastado -como el uranio y el plutonio- de forma que parte de este pueda ser reutilizado.

Además de ser aplicable al reprocesamiento, este desarrollo también tiene potencial para la creación de sensores e incluso para fabricar las máscaras de los operarios que responden ante un accidente radiológico.

Los MOF son compuestos cristalinos formados por un ión o grupo de iones metálicos coordinados con moléculas orgánicas llamadas 'linker' que forman estructuras porosas de hasta tres dimensiones. Dependiendo del metal que se utilice, el tamaño y la forma de los poros varía, y se pueden obtener diferentes propiedades de cada MOF. Por ejemplo, al permitir que ciertas moléculas pasen a través de sus poros en función del tamaño, sirven para separar gases, y también y para almacenarlos, ligándolos a su ‘marco’, como en el caso del hidrógeno y del dióxido de carbono y, ahora, del yodo.

Aunque no es un componente mayoritario, manejar el yodo radiactivo es un aspecto crucial ya que es un gas de gran movilidad y muy larga vida que puede tardar más de 15 millones de años en reducir su actividad.

Antes de desarrollar este nuevo material (llamado ZIF-8) capaz de atraparlo, los investigadores han estudiado otras alternativas, como las zeolitas con componentes de plata, que también son materiales cristalinos, porosos y con una estructura de aperturas regulares. Su elevada estabilidad mecánica, térmica y química las convierte en muy buenas candidatas para esta función; de hecho, uno de los principales productos utilizados para la absorción de gases halógenos como el yodo es la Mordernita (MOR).

Además de esta, existen numerosos ‘marcos’ capaces de atrapar y retirar el yodo de un flujo de combustible gastado, pero necesitan un aditivo de plata para funcionar bien.  En concreto, la versión de MOR comercializada por la empresa BASF contiene entre un 9 y 15 por ciento de este elemento. El inconveniente radica en que la plata es cara y puede provocar daños medioambientales.

“La tendencia en el campo es hacia la utilización de componentes que además de ser más eficientes y aptos para el uso industrial tengan menor impacto ambiental”, afirma Emilio Mínguez, catedrático del departamento del Ingeniería Nuclear de la Escuela Superior de Ingenieros Industriales de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM), en España.

Siguiendo esta tendencia, Nenoff ha puesto el punto de mira en crear materiales que no contengan plata pero que funcionen como las zeolitas y tengan una mayor capacidad que estas para atrapar las moléculas de gas. Para conseguirlo, los científicos de Sandia han explorado la forma que tiene la zeolita de absorber el yodo y han utilizado los “componentes críticos” que han descubierto para desarrollar el mejor MOF para esta función, el ZIF-8, que ha sido escogido por el tamaño de sus poros, su amplia superficie activa y su estabilidad química y térmica.

Los investigadores han utilizado diversas técnicas, entre ellas una basada en la difracción de rayos X de alta resolución, para observar en qué puntos es más favorable la unión de las moléculas de yodo dentro del ZIF-8. Combinando enfoques computacionales y experimentales, el equipo de Sandia puso en contacto un flujo de gas de yodo (no radiactivo en su experimento) con muestras de polvo de ZIF-8 en una cámara de absorción sellada herméticamente, y bajo las condiciones habituales a las que suele realizarse el reprocesado de combustible (77 grados centígrados y presión ambiente). Entre 5 y 12 horas más tarde, la capacidad máxima de absorción del material se había alcanzado y la cantidad de yodo atrapada resultó ser la más alta alcanzada hasta ahora con una estructura MOF.

En otros estudios previos la captación fue reversible y se detectaron pérdidas de gas cuando el proceso se hizo a temperatura ambiente. El equipo de Nenoff ha demostrado ahora que el gas permanece atrapado en la estructura de ZIF-8 hasta alcanzar temperaturas de más de 300 ºC, momento en que el marco se descompone. Una vez superados los 302 ºC y destruida la estructura metalorgánica, no se detectó  liberación del gas que había sido atrapado en los poros. De hecho, los investigadores creen que el resultado del uso del ZIF-8 puede incorporarse a una forma cristalina estable de residuos para almacenamiento a largo plazo.

En un estudio previo publicado en la revista científica Industrial and Engineering Chemistry Research estudiaron la síntesis y caracterización del residuo en forma de material compuesto de vidrio (GCM, por sus siglas en inglés) que contenía el yodo ligado a un MOF para la encapsulación segura del gas volátil. “Es cierto que este material es especialmente bueno atrapando yodo”, afirma Mínguez. “Su eficacia está por encima de muchos sistemas actuales, pero es necesario probar sus características en el medio donde va a utilizarse, a nivel industrial, fuera del laboratorio”, puntualiza el investigador.

Los investigadores de Sandia están de acuerdo en que ZIF-8 está aún en fase de investigación y falta hacer un testeo radiológico real en el que una corriente de gas que contenga yodo radiactivo fluya de forma continua sobre un lecho de ‘bolas’ de MOF para extraer el yodo de la misma.

“En la actividad real, una vez rota la vaina que contiene el combustible gastado, habría que buscar la forma de canalizar el gas radiactivo hacía una matriz como esta para que sea captado el yodo”, comenta Mínguez. El experto de la UPM valora la capacidad de separar el gas volátil de yodo y atraparlo en una estructura estable y considera que su aplicación más prometedora sería en campo del reprocesado. No obstante, Mínguez recuerda que siguen existiendo retos pendientes como la separación selectiva de otros componentes del propio combustible.

El equipo de Sandía acaba de presentar la patente del ZIF-8 y espera poder fabricarlo pronto en forma de ‘bolas’ más consistentes y con mayor superficie aprovechable que el ligero polvo blanco que es ahora. Nenoff pronostica que las empresas que se dedican al reprocesado de combustible a nivel mundial y las compañías que desarrollan tecnología de seguridad radiológica (como por ejemplo, máscaras protectoras) podrían ser sus principales clientes en el futuro. “El precio sin duda caerá si se garantiza la fabricación a escala para alguna de estas aplicaciones”, afirma Nenoff, que estima que podría llegar a ser similar al del Basolite Z1200, una estructura MOF fabricada a granel por BASF.