El ciclo del combustible nuclear se centra en el reactor y se divide en la parte delantera (sección delantera) y la parte trasera (sección trasera). La primera etapa se refiere a la preparación del combustible nuclear antes de ingresar al reactor, incluida la extracción de mineral de uranio, el procesamiento y refinación del mineral de uranio (es decir, el preprocesamiento), la conversión de uranio, el enriquecimiento de uranio y la fabricación de combustible. elementos. El backstage se refiere al procesamiento del combustible gastado descargado del reactor, incluido el almacenamiento intermedio del combustible gastado, la separación del uranio, el plutonio y los productos de fisión en el combustible gastado (es decir, el reprocesamiento del combustible nuclear), así como el tratamiento y eliminación final de desechos radiactivos. de residuos radiactivos. La figura adjunta muestra el ciclo del combustible nuclear de una central de reactor de agua a presión, que omite el tratamiento y eliminación de gases, sólidos y líquidos residuales radiactivos de baja y media actividad en los tres tratamientos de residuos. El ciclo del combustible nuclear comienza con la extracción de recursos de uranio. El mineral de uranio extraído se selecciona y se envía a una planta de preprocesamiento para convertirlo en octóxido de uranio. Las centrales nucleares con reactores de agua a presión utilizan uranio poco enriquecido que contiene aproximadamente un 3% de uranio 235 como combustible, pero el contenido de uranio 235 del uranio natural es sólo de 0,720. Para aumentar el contenido de uranio
235 en el uranio natural a 3, se requiere la separación de isótopos de uranio, es decir, el enriquecimiento de uranio. La actual planta de enriquecimiento de uranio a escala industrial utiliza hexafluoruro de uranio como material de alimentación, por lo que es necesario reducir, hidrofluoruro y fluoruro el producto preprocesado de trióxido de uranio en hexafluoruro de uranio. Este es el proceso de conversión de uranio. En las plantas de enriquecimiento de uranio, el contenido de uranio-235 en el hexafluoruro de uranio se enriquece hasta aproximadamente 3. El hexafluoruro de uranio obtenido de esta manera debe pasar por un proceso de conversión en dióxido de uranio antes de poder enviarse a la planta de fabricación de componentes para fabricar componentes combustibles de uranio poco enriquecido que contengan aproximadamente un 3% de uranio 235. En este punto se completa la primera etapa del ciclo del combustible nuclear. En el combustible gastado descargado del reactor de agua a presión, el contenido de uranio 235 sigue siendo de aproximadamente 0,85, superior al del uranio natural, y cada tonelada de combustible gastado contiene también unos 10 kilogramos de plutonio, de los cuales plutonio 239 y plutonio; 241 se puede utilizar como combustible nuclear. Representa 7 kilogramos. Por lo tanto, si estos nucleidos fisionables se separan y se devuelven al reactor como combustible, se pueden ahorrar tanto el uranio natural como el trabajo de separación. Se estima que reciclar uranio puede ahorrar alrededor del 20% del uranio natural y alrededor del 4% del trabajo de separación. Si se reciclan tanto el uranio como el plutonio, se puede ahorrar alrededor del 40% del uranio natural y alrededor del 15% de la energía de separación.
Para reciclar el uranio y el plutonio, el uranio y el plutonio del combustible gastado deben separarse y purificarse hasta que la radiactividad de los productos de fisión contenidos sea lo suficientemente baja como para que los humanos se acerquen. Esta es la tarea del organismo. planta de reprocesamiento. El combustible gastado recién descargado del reactor es demasiado radiactivo y generalmente debe almacenarse en una piscina de enfriamiento durante 3 a 5 años para atenuar en gran medida la radiactividad antes de enviarlo a una planta de reprocesamiento para su procesamiento. Este paso de almacenamiento se denomina almacenamiento intermedio. El producto de uranio obtenido de la planta de reprocesamiento y que contiene aproximadamente un 0,85% de uranio-235 (llamado uranio post-reactor) debe transformarse en hexafluoruro de uranio mediante un proceso de conversión y enviarse a una planta de enriquecimiento de uranio, donde se enriquece hasta un contenido de Aproximadamente el 3% del uranio-235 se convierte luego en dióxido de uranio para poder convertirlo en elementos combustibles. El producto de plutonio obtenido de la planta de reprocesamiento suele ser dióxido de plutonio, que puede almacenarse para uso futuro; también puede convertirse en combustible de óxido mixto con dióxido de uranio y devolverse al reactor de agua a presión para su uso, o como combustible para neutrones rápidos; Reactores reproductores. Uso de combustible. Los residuos radiactivos que salen de las plantas de reprocesamiento deben tratarse y eliminarse adecuadamente para garantizar que no se transfieran al entorno biológico en condiciones de almacenamiento a largo plazo. El más importante de ellos es el tratamiento y eliminación de desechos líquidos de alto nivel radiactivo, que representan aproximadamente el 99% de la radiactividad total de los desechos. El método de tratamiento consiste en almacenar temporalmente el líquido residual radiactivo de alto nivel en un tanque grande de acero inoxidable durante un período de tiempo y luego, de acuerdo con los diferentes requisitos de cada país, solidificar directamente el líquido residual radiactivo de alto nivel en un bloque de vidrio. en forma de borosilicato, o convertir primero el líquido residual de nivel extremadamente alto en un bloque de vidrio. Se eliminan los radionucleidos alfa con vidas medias largas (por ejemplo, el plutonio-239 tarda cientos de miles de años en desintegrarse a niveles inofensivos). utilizado o eliminado por separado y luego solidificado en un bloque de vidrio. Después del envasado, generalmente es necesario almacenar el bloque solidificado en un almacén de almacenamiento a largo plazo en el suelo durante décadas. Cuando su poder calorífico ha decaído a un nivel bajo, se envía al almacén de eliminación final y se entierra permanentemente a gran profundidad. . En este punto se completa la última parte del ciclo del combustible nuclear. Algunos países están considerando no reprocesar el combustible gastado de las centrales eléctricas de reactores de agua a presión, sino empaquetarlo directamente o después de cortarlo, y luego enviarlo a un depósito final a gran profundidad para su almacenamiento permanente. A este ciclo del combustible nuclear sin reprocesamiento, es decir, sin ciclo cerrado del combustible nuclear, se le denomina de paso único.
La generación de energía nuclear de Canadá utiliza reactores de agua pesada y el combustible es uranio natural. Después de la combustión, el contenido de uranio 235 es sólo de 0,3, por lo que el ciclo del combustible nuclear siempre ha adoptado una política de un solo paso. Algunos países también están considerando adoptar una política de un solo paso para el ciclo del combustible nuclear de las centrales eléctricas de reactores de agua a presión. Esto se debe a que los costos de reprocesamiento y tratamiento de desechos radiactivos de alto nivel en estos países son muy altos. El precio actual del uranio natural en el mercado internacional es débil, el mercado de uranio enriquecido está saturado y el precio del plutonio comercial es bajo y aún no se comercializa. Por lo tanto, para estos países, es económicamente más rentable pasarlo una vez. Sin embargo, la radiactividad alfa de los actínidos contenida en el combustible descargado de una central eléctrica con un reactor de agua a presión de 1.000 megavatios llega a unos 100.000 curios. ¿Es seguro enterrar bajo tierra una cantidad tan grande de radionucleidos alfa con vidas medias extremadamente largas? ¿Durante mucho tiempo todavía no está claro que no sea razonable enterrar bajo tierra grandes cantidades de uranio-238 y plutonio-239 utilizables y eliminarlos? Por lo tanto, la mayoría de países como el Reino Unido, Francia, la República Federal de Alemania, el Japón, Italia, la Unión Soviética, la Argentina y la India han adoptado el enfoque del ciclo del combustible nuclear y han reprocesado el combustible gastado de las centrales eléctricas de reactores de agua a presión para reducir en gran medida el radiactividad alfa que necesita disposición final y reciclar uranio y plutonio.