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La forma en que el mundo gestiona actualmente los residuos nucleares es tan creativa como variada: sumergirlo en piscinas de agua, encapsularlo en acero, enterrarlo cientos de metros bajo tierra.
Así es como la industria nuclear gestiona de forma segura las 10.000 toneladas métricas de combustible gastado que producen los reactores al generar el 10% de la electricidad mundial cada año. Sin embargo, a medida que surgen nuevos diseños nucleares, estos podrían introducir nuevas complicaciones para la gestión de residuos nucleares.
La mayoría de los reactores operativos en las centrales nucleares actuales siguen un esquema básico similar: se alimentan con uranio de bajo enriquecimiento y se enfrían con agua, y son, en su mayoría, gigantescos, ubicados en grandes centrales eléctricas. Sin embargo, una amplia gama de nuevos diseños de reactores que podrían entrar en funcionamiento en los próximos años probablemente requerirá ajustes para garantizar que los sistemas existentes puedan gestionar sus residuos.
“No hay una respuesta única sobre si esta panoplia de nuevos reactores y tipos de combustible hará la gestión de residuos más sencilla”, afirma Edwin Lyman, director de seguridad nuclear en la Union of Conce ed Scientists.
Un manual de gestión de residuos nucleares
Los residuos nucleares se pueden dividir a grandes rasgos en dos categorías: residuos de baja actividad, como equipos de protección contaminados de hospitales y centros de investigación, y residuos de alta actividad, que requieren una manipulación más cuidadosa.
La inmensa mayoría en volumen son residuos de baja actividad. Este material puede almacenarse in situ y, a menudo, una vez que su radiactividad ha decaído lo suficiente, se gestiona en gran medida como residuos ordinarios (con algunas precauciones adicionales). Por otro lado, los residuos de alta actividad son mucho más radiactivos y a menudo bastante calientes. Esta segunda categoría consiste en gran medida en combustible gastado, una combinación de materiales que incluye uranio-235, que es la porción fisionable del combustible nuclear —la parte que puede mantener la reacción en cadena necesaria para el funcionamiento de las centrales nucleares. El material también contiene productos de fisión —los subproductos, a veces radiactivos, de la escisión de átomos que liberan energía.
Muchos expertos coinciden en que la mejor solución a largo plazo para el combustible gastado y otros residuos nucleares de alta actividad es un repositorio geológico —esencialmente, un agujero muy profundo y cuidadosamente gestionado en el subsuelo. Finlandia es el país que más ha avanzado en los planes para construir uno, y se prevé que su emplazamiento en la costa suroeste del país entre en funcionamiento este año.
Estados Unidos designó un emplazamiento para un repositorio geológico en la década de 1980, pero el conflicto político ha estancado el progreso. Así, hoy en día, el combustible gastado en EE. UU. se almacena in situ en centrales nucleares operativas y clausuradas. Una vez retirado de un reactor, se suele colocar en almacenamiento húmedo, esencialmente sumergido en piscinas de agua para enfriarse. El material puede entonces introducirse en contenedores protectores de cemento y acero llamados contenedores secos, una etapa conocida como almacenamiento en seco.
Los expertos afirman que la industria no necesitará reescribir por completo este manual de procedimientos para los nuevos diseños de reactores.
“La forma en que vamos a gestionar el combustible gastado será en gran medida la misma”, afirma Erik Cothron, director de investigación y estrategia de Nuclear Innovation Alliance, un think tank sin ánimo de lucro centrado en la industria nuclear. “No me quita el sueño cómo vamos a gestionar el combustible gastado.”
Pero los nuevos diseños y materiales podrían requerir soluciones de ingeniería. Y existe una enorme variedad de diseños de reactores, lo que implica una gama igualmente extensa de tipos de residuos potenciales a gestionar.
Residuos inusuales
Algunos nuevos reactores nucleares se parecerán bastante a los modelos operativos, por lo que su combustible gastado se gestionará de forma muy similar a como se hace hoy en día. Pero otros emplean materiales novedosos como refrigerantes y combustibles.
“Materiales inusuales generarán residuos inusuales”, afirma Syed Bahauddin Alam, profesor adjunto de ingeniería nuclear, de plasma y radiológica en la Universidad de Illinois Urbana-Champaign.
Algunos diseños avanzados podrían aumentar el volumen de material que debe gestionarse como residuo de alta actividad. Consideremos, por ejemplo, los reactores que emplean combustible TRISO (tri-estructural isotrópico). El TRISO contiene un núcleo de uranio rodeado por varias capas de material protector y luego incrustado en cápsulas de grafito. El grafito que recubre el TRISO probablemente se agrupará con el resto del combustible gastado, haciendo que el residuo sea mucho más voluminoso que el combustible actual.
Hoy, separar esas capas sería difícil y costoso, según un informe de 2024 de la Nuclear Innovation Alliance. Esto significa que todo el conjunto se clasificaría como residuo de alta actividad.
La empresa X-energy está diseñando reactores refrigerados por gas de alta temperatura que utilizan combustible TRISO. Ya ha presentado planes para la gestión del combustible gastado a la Comisión Reguladora Nuclear, que supervisa los reactores en EE. UU. La forma del combustible podría, de hecho, ayudar en la gestión de residuos: Las capas protectoras utilizadas en el TRISO eliminan la necesidad de X-energy de almacenamiento húmedo, lo que permite el almacenamiento en seco desde el primer día, según la empresa.
Los reactores de sales fundidas de combustible líquido, otro nuevo tipo, también podrían aumentar el volumen de residuos. En estos diseños, el combustible y el refrigerante no se mantienen separados como en la mayoría de los reactores; en su lugar, el combustible se disuelve directamente en una sal fundida que se utiliza como refrigerante. Esto significa que toda la cuba de sal fundida tendría que ser gestionada como residuo de alta actividad.
Por otro lado, algunos otros diseños de reactores podrían producir un menor volumen de combustible gastado, pero eso no es necesariamente un problema menor. Los reactores rápidos, por ejemplo, alcanzan un mayor grado de quemado, consumiendo más material fisible y extrayendo más energía de su combustible. Esto significa que el combustible gastado de estos reactores suele tener una mayor concentración de productos de fisión y emite más calor. Y ese calor podría ser el factor determinante para el diseño de soluciones de gestión de residuos.
El combustible gastado debe mantenerse relativamente frío para que no se funda y libere subproductos peligrosos. Demasiado calor en un repositorio también podría dañar la roca circundante. «El calor es lo que realmente determina la cantidad que se puede almacenar dentro de un repositorio», afirma Paul Dickman, exfuncionario del Departamento de Energía y de la NRC.
Parte del combustible gastado podría requerir procesamiento químico previo a su eliminación, afirma Allison Macfarlane, directora de la Escuela de Políticas Públicas y Asuntos Globales de la Universidad de Columbia Británica y expresidenta de la NRC. Ello podría añadir complicaciones y costes.
En los reactores rápidos refrigerados por sodio metálico, por ejemplo, el refrigerante puede introducirse en el combustible y fusionarse con su revestimiento. La separación podría resultar complicada, y el sodio es altamente reactivo con el agua, por lo que el combustible gastado requerirá un tratamiento especializado.
El reactor Natrium de TerraPower, un reactor rápido de sodio que recibió un permiso de construcción de la NRC a principios de marzo, está diseñado para gestionar este desafío de forma segura, dice Jeffrey Miller, vicepresidente sénior de desarrollo de negocio en TerraPower. La empresa tiene un plan para hacer pasar nitrógeno sobre el material antes de que se introduzca en piscinas de almacenamiento en húmedo, eliminando el sodio.
Ubicación, ubicación, ubicación
Independientemente de los materiales que se empleen, incluso la mera modificación del tamaño de los reactores y de su emplazamiento podría generar complicaciones para la gestión de residuos.
Algunos nuevos reactores son esencialmente versiones más pequeñas de los grandes reactores utilizados en la actualidad. Estos reactores modulares pequeños y microrreactores pueden producir residuos que pueden gestionarse de la misma manera que los residuos de los reactores convencionales de hoy en día. Pero para lugares como EE. UU., donde los residuos se almacenan in situ, sería poco práctico tener una gran cantidad de pequeños emplazamientos, cada uno albergando sus propios residuos.
Algunas empresas están considerando enviar sus microrreactores, y los residuos que producen, a una única ubicación, potencialmente la misma donde se fabrican los reactores.
Se debería exigir a las empresas que reflexionen detenidamente sobre los residuos y que integren protocolos de gestión en su diseño, y se les debería responsabilizar de los residuos que produzcan, afirma MacFarlane, de la UBC.
También señala que, hasta ahora, la planificación de los residuos se ha basado en la investigación y la modelización, y la realidad solo se hará evidente una vez que los reactores estén realmente operativos. Como ella misma afirma: «Estos reactores aún no existen, así que realmente no sabemos mucho, con gran lujo de detalles, sobre los residuos que van a producir.»