Combustible nuclear de mescla d'òxits

El combustible nuclear de mescla d'òxits (MOX) és un tipo de combustible utilisat en els reactors nuclears de fissió compost per una mescla d'òxit d'urani natural, urani reprocesamiento nuclear o urani empobrit, i òxit de plutoni. La proporció de plutoni en este combustible varia d'un 3% a un 10%. Este combustible es comporta d'una forma similar a la del urani de baix enriquiment para el que es varen dissenyar la majoria dels reactors nuclears d'aigua llaugera (LWR).

Pastilles (pellets) de combustible nuclear per a un reactor d'aigua llaugera.

Un dels atractius de el MOX és que pot utilisar-se per a eliminar part del plutoni de grau militar, eliminant un problema d'almagasenament i contribuint a la no proliferació.

Introducció

En tots els núcleus de reactors nuclears basats en l'urani, es produïx la fissió d'isòtops com el ²³⁵O, i la formació d'atres isòtops més pesats per la captura neutrónica, principalment en el ²³⁸U. La major part de la massa del combustible en un reactor és ²³⁸O, que pot aplegar a convertir-se en ²³⁹Pu i per captures neutròniques successives en ²⁴⁰Pu, ²⁴¹Pu i ²⁴²Pu, aixina com en uns atres transuránidos o actínits. També es formen cantitats més chicotetes de ²³⁶O i ²³⁸Pu provinent de l'activació de el ²³⁵U. El ²³⁹Pu és físible com el ²³⁵U.

Generalment, quan les recarregues de combustible es produïxen cada 3 anys aproximadament, la majoria de el ²³⁹Pu es consumix en el reactor, ya que es comporta com el ²³⁵O i les seues fissions lliberen una cantitat equivalent d'energia. Quant més alt siga el cremat (burn-up), menys plutoni queda en el combustible gastat, pero un valor típic de plutoni en el combustible gastat és d'un 1%, sent unes 2 terceres parts ²³⁹Pu. En tot lo món es produïxen unes 100 tonellades de plutoni en el combustible gastat cada any. Un reciclat simple del plutoni incrementa l'energia que es deriva de l'urani original en un 12% aproximadament, pero si també es recicla l'urani s'alcança un 20%. En reciclats posteriors decreix el percentage de plutoni físil en la mescla, incrementant-se el percentage de plutoni total.

Abans de l'us de combustible MOX es necessita un re-licenciamiento dels reactors nuclears que existixen. Normalment només es canvia a MOX de la tercera part a la mitat del combustible recarregat. L'us d'este combustible varia les característiques d'operació del reactor, i la planta es deu adaptar llaugerament per a poder utilisar-ho. Entre atres coses es necessiten més agranes de control. Per a poder utilisar més del 50% del combustible MOX es necessita realisar canvis importants en el reactor. l'Estació de Generació Nuclear de Pal Vert propenca a Phoenix (Arizona) es va dissenyar per a que fora compatible en un us de combustible MOX al 100%, encara que sempre s'ha usat en urani poc enriquit.

Els reactors CANDU podrien utilisar-se en núcleus de MOX al 100%. La Atomic Energy of Canada Limited (AECL) va informar al comité sobre el plutoni de l'Acadèmia de Ciències americana, de que posseïen una àmplia experiència en proves utilisant combustible MOX en continguts d'un 0.5 a un 3% de plutoni. Segons AECL els reactors CANDU poden utilisar núcleus en un 100% de MOX sense modificacions en el seu disseny.

Aplicacions

El reprocesamiento nuclear comercial per a la fabricació de MOX es porta a terme en el Regne Unit i França, i en menor mida en Rússia, Índia i Japó. També China planeja el desenroll de reactors ràpits i del reprocesado.

En Estats Units no està permés el reprocesado del combustible nuclear comercial gastat per consideracions de no proliferació.

Totes estes nacions posseïxen des de fa temps armament nuclear fabricat en combustible procedent de reactors d'investigació militars, llevat Japó, que no desija obtindre este armament.

Reactors tèrmics

Més de 30 reactors tèrmics en Europa utilisen MOX i atres 20 s'han llicenciat per a poder fer-ho. La majoria dels reactors ho utilisen en una tercera part del núcleu, pero alguns aplegaran a usar-ho en un 50%. La companyia estatal francesa EDF espera aplegar a tindre tots els seus reactors de 900 MWe funcionant en a lo manco una tercera part de MOX. Japó espera que la tercera part dels seus reactors utilisen el MOX en 2010, i ha aprovat la construcció d'un nou reactor que utilisarà un núcleu format completament per combustible MOX.

Reactors ràpits

Degut a que per a la major part dels actínits (inclós el ²³⁸O) la secció eficaç de fissió front a la de captura neutrónica aumenta en l'energia dels neutrons lliberats, els reactors "ràpits" que a penes moderen als neutrons procedents de la fissió, són els més adequats per a utilisar plutoni. Depenent de cóm s'utilise el combustible, el reactor pot utilisar-se com a generador o com a cremador de plutoni. Estos reactors ademés estan millor adaptats per a portar a terme la transmutació que els tèrmics.

Tots els isòtops del plutoni són físiles o fèrtils. En els reactors tèrmics la degradació isotòpica llimita el potencial de poder reciclar el plutoni. Junt en un 40% de Pu-239, hi haurà un 32% de Pu-240, un 18% de Pu-241, un 8% de Pu-242 i un 2% de Pu-238.