Los residuos nucleares y la memoria de las arcillas

Luis Iglesias

Central Nuclear José Cabrera, a Almonacid de Zorita. Fuente: Wikipedia

Central Nuclear José Cabrera, a Almonacid de Zorita. Fuente: Wikimedia Commons

Resumen:

Recientemente se ha finalizado la retirada de la vasija de la Central Nuclear José Cabrera, la más antigua de España. A pesar de ello, la gestión de los residuos de la central continuará durante mucho más tiempo.

Entre los residuos se encuentran todos los elementos de la tabla periódica, destacando la peligrosidad, debido a su alta radioactividad así como por la dificultad para atraparlo y confinarlo, del escurridizo isótopo Yodo-129.

Las hidrotalcitas, unas arcillas con gran versatilidad de aplicaciones en medicina y la industria química, se han estudiado como materiales para adsorber o para contener este radioisótopo, con resultados desiguales.

Mapa con la situación de la energía nuclear en el mundo. Elaboración propia

Mapa con la situación de la energía nuclear en el mundo. Elaboración propia

Las centrales nucleares que se usan para producir de energía son la principal fuente de residuos nucleares del mundo. Actualmente existen 434 centrales nucleares en funcionamiento en 30 países y hay otras 69 en construcción, mayoritariamente en China y Rusia.

En España, donde no está planificado construir ninguna más, se han llegado a tener diez reactores en funcionamiento, de los cuales dos ya se encuentran en fase de desmantelamiento y otro más inactivo. El resto está previsto que continúen funcionando al menos hasta la década próxima, si bien hay interés por parte de las compañías eléctricas en extender su vida útil para continuar en operación durante más tiempo del que preveía inicialmente.

Reactores y principales instalaciones nucleares de España. Elaboración propia

Reactores y principales instalaciones nucleares de España. Elaboración propia

Los residuos nucleares, que se producen por la fisión del uranio en los reactores nucleares, son una realidad tangible y también incómoda en sus vertientes política y social, lo cual no evita que sea una realidad la cual hay que afrontar. Un debate sobre si continuar o no con el uso de esta fuente de energía no hará que desaparezcan unos residuos que se vienen produciendo desde hace décadas, que se continúan acumulando y almacenando de manera provisional en las centrales nucleares y que requieren de soluciones en el presente. El desmantelamiento de una de las centrales, la de Zorita, que ha avanzado significativamente en los últimos meses y ya se acerca a su fase final, vuelve a abrir el debate de qué plan hay preparado para estos residuos y qué preguntas quedan aún por contestar.

Zorita, un icono de la industria nuclear

No hay muchos precedentes en el mundo equiparables a un proceso industrial como este, el desmantelamiento de una central con un reactor de agua a presión que permaneció en funcionamiento durante 37 años. La central nuclear José Cabrera, situada en Almonacid de Zorita, un pueblo de la Alcarria castellana, es la más antigua de las centrales españolas, puesta en funcionamiento cuando todos los asuntos relacionados con el sector nuclear aún eran dirigidos por cargos militares de la dictadura, que no firmaron los tratados de no proliferación de armamento nuclear mientras soñaban con que la España franquista llegase a tener bombas de plutonio y submarinos propulsados por un reactor nuclear.

A pesar de las reservas naturales de uranio españolas, Franco no tenía la tecnología necesaria para el desarrollo de una industria nuclear propia y el exilio de buena parte de los mejores científicos del país a causa de la guerra civil reducía las posibilidades de tenerla y poder construir un reactor nuclear.

El desarrollo de la industria nuclear comenzaría en plena guerra fría gracias a los norteamericanos. En 1955 se firmó el acuerdo de cooperación nuclear al amparo del programa Atoms for Peace para promover las aplicaciones pacíficas de la energía nuclear. Años más tarde se inauguraría la central nuclear de Zorita, completamente diseñada y construida por la compañía Westinghouse, que la entregó lista para ser utilizada. Después de está vendrían las demás, llegando a hacerse con tecnología desarrollada localmente, hasta que ya en los años 80 el desastre de Chernobyl frenó en seco la construcción y los proyectos de nuevos reactores. Poco después llegaría la cancelación definitiva de todas las nuevas centrales nucleares que estaban en marcha con el resultado de indemnizaciones millonarias para las empresas energéticas, cuyo pago ha concluido en octubre de este año. Ahora, cuando las que ya estaban funcionando se van acercando al final de su vida útil, la más vieja de las centrales se está desmontando poco a poco.

Ubicación de las centrales nucleares que se cancelaron en España. Elaboración propia.

Ubicación de las centrales nucleares que se cancelaron en España. Elaboración propia.

El primer paso fue retirar el combustible nuclear, las chimeneas y los componentes del reactor. Ahora se ha concluido el desmontaje de la vasija del reactor, una delicada fase del proceso completada con éxito por Enresa, la empresa pública encargada de la gestión de los residuos nucleares. La vasija se ha ido cortando en piezas más pequeñas, labor realizada bajo el agua de la piscina por buzos, para que sea posible moverlas con un sistema especial de grúas instalado en el interior de la central diseñado mover estos pesados componentes. Este proceso ha llamado la atención de la industria nuclear de muchos países, que periódicamente han enviado delegaciones para conocer de primera mano los detalles del desmontaje de la central de Zorita.

Imagen de la retirada de la vasija del reactor de la Central de Zorita. Fuente: Enresa.es

Imagen de la retirada de la vasija del reactor de la Central de Zorita. Fuente: Enresa.es

A partir de ahora se realizarán los trabajos de retirada del resto de componentes radiológicos, limpieza de los edificios y posteriormente la demolición de las instalaciones, para concluir con la restauración ambiental del entorno, con el horizonte de finalizar el proceso en 2016 y dejar el terreno tal y como era antes de la construcción de la central.

Tratamiento de los residuos nucleares

Aunque se finalice el desmantelamiento de Zorita, la gestión de una parte de las miles de toneladas de residuos de la central será mucho más larga. Hay materiales convencionales que no requerirán ningún tratamiento y hay otros que sí debido a su radioactividad. De estos últimos tenemos dos tipos de residuos: por un lado el combustible gastado, de muy alta radiactividad, cuyo destino será un Almacén Temporal Centralizado, un tipo de almacén como el que se proyecta construir en Villar de Cañas (Cuenca), en el cual permanecerán un siglo hasta que fuesen enviados a un repositorio definitivo; y por otro lado los residuos que tienen una baja radiactividad son destinados al almacén de residuos nucleares de El Cabril (Córdoba).

Uno de los procesos que hay que realizar en la propia central antes de sacar los residuos de allí es cuantificar algunos de los radioisótopos más problemáticos para saber exactamente en qué cantidad están presentes. A la hora de realizar este proceso, surge un problema: estos radioisótopos no son detectables por procedimientos convencionales como la espectrometría gamma, debido a la presencia en mucha mayor proporción de otros radioisótopos en cantidades mucho mayores que “tapan” su señal.

Es en este punto donde hay un trascendente problema por resolver, para la ciencia. Primero, porque estos residuos se encuentran en un medio extremadamente complejo químicamente, donde se puede encontrar diseminada prácticamente toda la tabla periódica y una cantidad mucho mayor de isótopos.

Segundo, porque tras su separación se deben retener de manera fiable para su almacenamiento seguro: Para ello hay que cerrar los radioisótopos en una ‘jaula’ lo suficientemente estable desde el punto de vista químico y radiológico como para resistir las inclemencias que puedan llegar tanto del exterior como del interior (la estructura puede sufrir daños debido a la emisión de partículas alfa y el calor producido por la descomposición radiactiva).

Y, por último, porque para asegurarse de que estos residuos no serán peligrosos para las personas ni el medio ambiente haría falta colocarlos un tipo de almacén profundo, emplazado en una ubicación idónea, impermeable y con una estabilidad a prueba del paso del tiempo, de millones de años, que es la única opción que con la tecnología disponible genera consenso internacional; otras alternativas como enviar los residuos al fondo del mar, bajo el hielo de la Antártida o enviarlos al espacio están prohibidas por los tratados internacionales o descartadas por los riesgos que implican.

Todo ello supone un trabajo interdisciplinar de enorme envergadura, con una cantidad de condicionantes y limitaciones que tener en cuenta gigantesca. Esta problemática está siendo abordada desde diferentes estrategias y enfoques según cuál sea el tipo de residuos en cada país, si bien hay determinados radioisótopos que, debido a sus características, suponen una fuente de preocupaciones en todo el mundo.

Yodo-129, “la mayor amenaza para el hombre y el medio ambiente”

A pesar de que también se puede producir mediante procesos que ocurren de manera natural en el medio ambiente, la mayor parte del Yodo-129 que hay en el planeta tiene un origen antropogénico. Unas decenas de kilos han sido liberadas a la atmósfera por la detonación de bombas nucleares o por accidentes de centrales nucleares, pero casi 5000 kilos han llegado al mar desde plantas industriales de reprocesamiento de combustible nuclear. Los posibles efectos que haya podido tener eso en el medio ambiente son objeto de estudio y a priori no son muy significativos debido a su dispersión en el océano, si bien hay conclusiones ya conocidas sobre los efectos de la radiación sobre la salud humana por los estudios llevados a cabo en lugares afectados especialmente por la radiación, como el entorno de la accidentada central de Chernobyl, o Hiroshima y Nagasaki, ciudades que sufrieron el bombardeo nuclear durante la Segunda Guerra Mundial.

Fuentes de Yodo-129 presente en el medio ambiente. Elaboración propia

Fuentes de Yodo-129 presente en el medio ambiente. Elaboración propia

La peligrosidad de un radioisótopo depende principalmente de dos factores, el primero es el tiempo de vida media y el segundo su movilidad en el ambiente. La vida media del Yodo-129 es una de las más elevadas entre los productos de fisión, 15.7 millones de años. Eso quiere decir que, de cada kilo producido de este radioisótopo, después de todo ese tiempo aún quedará activo medio kilo.

El segundo factor, la movilidad en el medio ambiente, depende de la naturaleza química del yodo, un elemento volátil que apenas se concentra en compuestos minerales. Principalmente se puede encontrar como yoduro, un anión soluble que se puede acumular en los organismos vivos, con la difusión que eso le da a través de las cadenas tróficas. Ya durante el desastre nuclear de Chernobyl se hubo de combatir la movilidad del yodo radioactivo y el daño que podría causar en el cuerpo humano. En lugares como Polonia se tuvieron que suministrar soluciones saturadas de yoduro potásico a millones de niños y adultos para facilitar la eliminación de yodo del organismo y evitar los efectos del Yodo-131, otro radioisótopo de yodo de menos tiempo de vida media pero producido en cantidades importantes y dispersado en la atmósfera debido a la volatilidad del yodo.

La combinación de ambos factores hace del Yodo-129 un radioisótopo potencialmente peligroso, hasta el punto de que haya sido definido como “la mayor amenaza para la humanidad y el medio ambiente” del almacenamiento a largo término de los residuos nucleares.

Este Yodo-129 también se encuentra entre los residuos producidos durante el desmantelamiento de la central nuclear de Zorita. Concretamente aparece en las aguas de las piscinas de la central que contenían el reactor y el combustible gastado, grandes volúmenes de agua en los que se han ido acumulando todo tipo de iones durante el funcionamiento de las centrales. Especialmente hay una concentración alta de boro, un elemento que se utiliza para controlar las reacciones en cadena del reactor nuclear por su capacidad de absorber neutrones sin volverse radioactivo. También hay cantidades relativamente altas de Cobalto-60, proveniente de los trabajos de corte de la vasija, y otros radioisótopos considerados peligrosos y que deben de ser estrictamente controlados como Tecnecio-99, Niobio -94 y Cloro-36. En total, una lista prácticamente interminable, cada uno de ellos en una concentración diferente.

Para poder tratar estas aguas se han de cuantificar los radioisótopos más problemáticos como es el caso del Yodo-129, disuelto en concentraciones minúsculas, de menos de una parte por billón. Hace falta, pues, atrapar estas cantidades ínfimas para retirar todo el Yodo-129 disuelto, y hace falta hacerlo de manera selectiva para no mezclarlo con otros elementos, lo cual haría inviable su detección selectiva y cuantificación por métodos convencionales. Por eso, hace falta diseñar un material y un proceso que permita la adsorción selectiva de este Yodo-129 para así poder cuantificarlo.

La hidrotalcita, el ave fénix de las arcillas

En la búsqueda de materiales que resulten útiles para la captura selectiva del Yodo-129 ha tomado protagonismo un tipo de arcilla llamada hidrotalcita, un hidróxido doble natural de magnesio y aluminio (hay una cierta capacidad de cambiar estos cationes por otros) que forma láminas a nivel nanoscópico. Esta peculiar estructura de láminas cargadas positivamente le permite alojar en el espacio interlaminar todo tipo de aniones que compensen la carga positiva, que se engancharán con mayor o menor fuerza a las láminas según su tamaño y densidad de carga. Esta capacidad de adsorción, junto con la facilidad de prepararse en grandes cantidades de manera fácil y barata, hace de las hidrotalcitas un versátil material con amplias aplicaciones en la catálisis o la medicina que centren las investigaciones de varios grupos de investigación en diferentes países.

Representación de la estructura laminar de la hidrotalcita. Elaboración propia

Representación de la estructura laminar de la hidrotalcita. Elaboración propia

Esta no es la única propiedad interesante de la hidrotalcita: cuando se calcina a temperaturas por debajo de los 500ºC se produce otro material, el correspondiente óxido mixto de magnesio y aluminio. Cuando este óxido mixto se pone en contacto con agua entonces se vuelve a reconstruir la estructura previa de hidrotalcita que se había perdido durante la calcinación. Como un ave fénix que resurge de sus cenizas, las hidrotalcitas se destruyen durante la calcinación y recuperan su naturaleza previa al contacto con el agua. Y, durante este proceso, la hidrotalcita adsorbe en el espacio interlaminar los aniones que se encuentren presentes en el medio acuoso, lo que le convierte en un atractivo material en procesos de limpieza de aniones. Descubierta esta propiedad, era cuestión de tiempo que se aplicasen las hidrotalcitas a las necesidades de la industria nuclear.

En los últimos años la Universitat Rovira i Virgili de Tarragona ha publicado dos trabajos de investigación sobre la aplicación de las hidrotalcitas a los residuos nucleares, concretamente a los problemas asociados al Yodo-129. Como el comportamiento químico es el mismo para cualquier tipo de isótopo de yodo, sea radioactivo o no, los trabajos se han podido realizar con yodo convencional, no radioactivo.

Por un lado, se ha estudiado la capacidad de las hidrotalcitas previamente calcinadas de adsorber yoduro de las soluciones acuosas para aplicarlo a la limpieza de aguas de las centrales nucleares. En este caso se ha estudiado la capacidad de adsorción de yoduro por estos materiales, haciendo modificaciones en los ratios de los cationes magnesio/aluminio y aplicando ultrasonidos. Analizando los resultados se ha determinado que el ratio magnesio/aluminio óptimo para maximizar la capacidad de adsorción es de 3/1 y se ha reportado una sustancial mejora de la capacidad de adsorción con la aplicación de los ultrasonidos, que favorecen la difusión del yoduro a través del espacio interlaminar y mejoran la reconstrucción de la estructura de las hidrotalcitas.

También se ha estudiado la capacidad de adsorción de las hidrotalcitas después de más de un proceso de calcinación y reconstrucción, cayendo sensiblemente su capacidad de adsorción después de unas pocas calcinaciones. Por último, se ha comprobado si la hidrotalcita puede perder el yoduro que ha adsorbido previamente si se pone en contacto con soluciones acuosas a diferentes pH, comprobando que sí se produce una cierta extracción de yoduro, es decir, que el proceso de adsorción es reversible y el yoduro igual que se ha incorporado a la estructura se puede volver a perder. Estos resultados dejan la puerta abierta a profundizar la investigación con hidrotalcitas en este ámbito: si las hidrotalcitas pueden adsorber correctamente el yoduro, quizá no se puedan aplicar para extraer directamente el yodo de las piscinas nucleares en un único paso, pero sí son viables utilizadas en un proceso de varias etapas que separen progresivamente los diferentes iones que hay en estas aguas y, así, limpiarlas y avanzar un paso en la gestión de estos residuos.

Por otro lado y en colaboración con el Instituto de Radioecología y Protección Radiológica de la Universidad de Hannover (Alemania), se ha estudiado la viabilidad de de diferentes hidrotalcitas como materiales a utilizar en repositorios para contener el yodo radioactivo. Después de cuantificar la incorporación de yodo en la forma de dos diferentes aniones, yoduro y yodato, se ha estudiado la cantidad de yodo que retiene el material cuando se calienta a 150ºC y cuando se pone en contacto tanto con agua purificada como con una salmuera. Estos estudios se realizan para prevenir cómo sería el comportamiento del amterial ante el calor que se calcula que haría en los repositorios (producido por la propia radiación) y en caso de infiltración acuosa. En ambos casos los resultados han postrado que el yodo conserva mucha movilidad y se pierde con relativa facilidad: debido a la temperatura pueden llegarse a perder hasta el 90% del yodo en 24 horas y, en contacto con el agua purificada, un 95% del yodo en un mes, tiempo que es radicalmente más corto cuando se pone en contacto con una salmuera, debido a que la presencia de otros iones favorece un intercambio del yodo por cloruro y otros aniones. Como que toda ampliación de conocimiento representa un avance, a pesar de que con estos resultados no estaría suficientemente justificado continuar esta línea de investigación, sí ayuda a focalizar la investigación en otros materiales y descartar vías que no se han demostrado viables, al menos bajo esta formulación.

El futuro de la gestión de los residuos nucleares

Hoy en día hay decenas de grupos de investigación y proyectos nacionales e internacionales a lo largo del mundo que buscan soluciones que permitan separar eficientemente los diferentes radioisótopos e introducirlos en una matriz segura para largos periodos de tiempo. Se estudian diferentes estrategias y etapas que llevar a cabo durante el proceso de separación, diferentes materiales selectivos para retener elementos concretos, mejoras que permitan optimizar la retención de los radioisótopos de manera más estable.

Otras opciones alternativas a introducir los residuos nucleares en un repositorio bajo tierra también son estudiadas. Una de las maneras sería hacer una transmutación de los isótopos en otros como vía para reducir el tiempo hasta que dejen de ser peligrosos, algo que sería aplicable al Yodo-129. A día de hoy los conocimientos en esta materia no son suficientemente extensos como para realizar el proceso.

Sea cual sea la opción que se acabe llevando a cabo, la gestión de los residuos nucleares requiere ahora y requerirá en el futuro tanto de cooperación internacional, clave para afrontar un reto de esta envergadura, como de un apoyo consistente y mantenido a la investigación en este ámbito. La industria nuclear dio sus primeros pasos hace décadas aventurándose en un territorio del conocimiento desconocido y en el que se han abierto nuevas interrogantes sin respuestas y es ahora cuando se hace necesario encontrar soluciones, aunando el desarrollo de la cooperación y el apoyo a la investigación.

Referencias:

L. Iglesias, M.G. Álvarez, R.J. Chimentão, J.L. Leganés, F. Medina; On the role of ultrasound and mechanical stirring for iodide adsorption by calcined layered double hydroxides, Applied Clay Science, Vol 91–92, April 2014, Pages 70–78, doi: 10.1016/j.clay.2014.02.012

L. Iglesias, C. Walther, F. Medina, A. Hölzer, A. Neumann, M. J. Lozano-Rodriguez, M. G. Álvarez, N. Torapava; A comprehensive study on iodine uptake by selected LDH phases via coprecipitation, anionic exchange and reconstruction, Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, doi: 10.1007/s10967-015-4285-0

Sobre el autor: Luis Iglesias (@sexmero) es doctor en química por la Universitat Rovira i Virgili

4 Comentarios

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Los residuos nucleares y la memoria de las arcillas

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Hay una verdad que conoce muy bien la industria nuclear: si se hace un tratamiento responsable de los residuos nucleares por los millones de años que requieren junto con los esfuerzos de instalación y desmantelamiento y, se coparan en una balanza con la energía producida durante el par de decenios de vida útil…, un reactor nuclear no es un generador sino un gran consumidor de energía.

Luis (@sexmero)Luis (@sexmero)

No me constan estudios o números en ese aspecto pero no tenga problema en aportarlos si los tiene. Saludos.

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