Con el apoyo del Departamento de Energía de EE.UU., el Laboratorio Nacional de Argonne está colaborando activamente con la industria para desarrollar tecnologías de reciclaje de combustible nuclear rentables, con el fin de desbloquear el valor energético latente en los desechos nucleares y promover la sostenibilidad a largo plazo de la industria nuclear.

Los reactores nucleares de todo EE.UU. generan grandes cantidades de combustible gastado durante sus operaciones, y más del 95% de este combustible gastado aún contiene un potencial energético valioso. Aplicando procesos químicos avanzados y nuevas tecnologías, los científicos pueden reciclar estos materiales para generar más electricidad y reducir drásticamente la producción de desechos radiactivos a largo plazo. Actualmente, los investigadores están trabajando intensamente para convertir este potencial en soluciones prácticas y escalables.

Los científicos del Laboratorio Nacional de Argonne del Departamento de Energía están colaborando estrechamente con SHINE Technologies, con sede en Wisconsin, para diseñar un nuevo proceso químico que separe materiales valiosos del combustible nuclear gastado. Este proceso utiliza equipos innovadores, como contactores centrífugos —un dispositivo que separa eficientemente líquidos miscibles mediante rotación—, con el objetivo de crear un método de reciclaje más seguro, eficiente y aplicable a la industria. El objetivo principal de este proyecto es desarrollar una tecnología de reciclaje que la industria pueda adoptar de manera económica, eficiente y escalable.

El subdirector del Departamento de Tecnología Química y Ciclo de Combustible (CFCT) del Laboratorio Nacional de Argonne, Cándido Pereira, enfatizó: "Combinar la investigación científica con la implementación industrial es crucial para superar desafíos complejos. Nuestro equipo se dedica a aplicar el conocimiento experto, la tecnología y las capacidades de investigación de Argonne para proporcionar soluciones de clase mundial al sector privado".

Sin embargo, el reciclaje de combustible nuclear usado enfrenta numerosos desafíos severos. Primero, este combustible es altamente radiactivo y genera calor, lo que significa que debe almacenarse y enfriarse de manera segura antes de su procesamiento o manipulación. Las instalaciones de reciclaje de combustible deben estar equipadas con sistemas completos para proteger al personal de los peligros de la radiación y manejar adecuadamente las pequeñas cantidades de material radiactivo residual. Segundo, durante todo el proceso de reciclaje, se debe garantizar la seguridad de los materiales nucleares. Tanto el combustible nuclear fresco, almacenado como reciclado debe protegerse estrictamente contra accesos no autorizados o mal uso. Los científicos siguen el principio de implementar "medidas de salvaguardia por diseño" lo antes posible para reducir el riesgo de que los fondos se desvíen a usos no pacíficos; los sistemas robustos de seguridad y monitoreo juegan un papel clave en la seguridad nacional y el cumplimiento internacional.

Además de las consideraciones técnicas y de seguridad, el proceso de reciclaje también debe ser económicamente viable. Los materiales reciclados necesitan compradores y usos reales; algunas compañías de servicios públicos podrían estar interesadas en usar combustible reciclado en reactores nucleares avanzados, mientras que otros subproductos valiosos generados durante el reciclaje, como isótopos radiactivos, pueden usarse en exploración espacial o diagnóstico médico. Por ejemplo, estos isótopos pueden alimentar misiones de espacio profundo o usarse en pruebas médicas que salvan vidas. Si estos materiales tienen demanda comercial, la construcción de instalaciones de reciclaje será más económicamente viable.

Desarrollar un proceso de reciclaje exitoso también requiere previsión. Los científicos deben considerar cómo diferentes diseños de reactores usan el combustible y los materiales necesarios para futuros reactores. Expertos de laboratorios nacionales como el Laboratorio Nacional de Argonne, con sus calificaciones únicas, pueden hacer predicciones precisas y ajustar los métodos de reciclaje en consecuencia.

El químico nuclear Peter Tkac, gerente del grupo de radioguímica del Departamento CFCT del Laboratorio Nacional de Argonne, lidera un equipo para enfrentar este desafío. Tkac señaló que obtener, almacenar o disponer de plutonio puro conlleva riesgos y cargas, por lo que "es crucial optimizar los pasos de separación y desarrollar un proceso que no genere flujos de plutonio puro". En entornos a escala de laboratorio, el equipo de Tkac puede simular las condiciones de alto nivel de radiación que enfrentan las instalaciones de reciclaje y probar procesos de separación. Utilizan el acelerador de electrones Van de Graaff del Laboratorio Nacional de Argonne para simular el comportamiento del combustible nuclear durante el procesamiento. El acelerador Van de Graaff es un acelerador de partículas que genera alto voltaje electrostático para acelerar partículas atómicas hacia un objetivo; cuando las partículas golpean el objetivo, generan pequeñas cantidades de radiactividad, permitiendo a los científicos simular efectos de radiación de manera controlada, estudiar cómo las sustancias químicas usadas en el reciclaje se descomponen con el tiempo, sin necesidad de blindajes pesados como los requeridos para manejar combustible nuclear gastado.

Estas pruebas a escala de laboratorio proporcionan bases importantes para que SHINE y otros socios tomen decisiones sobre la escalabilidad de la tecnología. El Director Técnico de SHINE, Ross Radel, dijo: "En el pasado, la colaboración de SHINE con el Laboratorio Nacional de Argonne para mejorar la producción de isótopos médicos para tratamientos y diagnósticos ha logrado resultados significativos, salvando innumerables vidas a nivel nacional y global. Creemos que esta colaboración para reducir el desperdicio mediante el reciclaje de combustible nuclear usado eliminará una de las principales barreras para la expansión de la energía nuclear, asegurando un suministro de energía suficiente para el futuro".

Actualmente, Tkac y su equipo están colaborando con SHINE para probar equipos que puedan usarse en instalaciones a gran escala. Entre ellos, los contactores centrífugos del Laboratorio Nacional de Argonne son una tecnología clave. Estos dispositivos separan dos líquidos miscibles mediante rotación rápida según su densidad y son altamente adaptables. Los investigadores usan impresoras 3D para construir componentes personalizados, permitiendo pruebas rápidas y de bajo costo de diferentes diseños. Los prototipos se prueban en condiciones químicas reales, generando muy pocos desechos radiactivos, lo que los hace ideales para el desarrollo temprano antes de la producción a escala industrial. Tkac explicó: "La tecnología de contactores centrífugos diseñada por Argonne puede separar mezclas extremadamente complejas de manera eficiente, efectiva y con un espacio reducido. Tenemos una buena estrategia para el reciclaje de combustible nuclear; el método específico dependerá de la tecnología del reactor nuclear elegida para la producción de energía".

Con el continuo crecimiento de la demanda de electricidad limpia y confiable en nuestro país, el impulso del desarrollo nuclear está reviviendo gradualmente. Aunque es prematuro predecir qué diseño de reactor liderará la tendencia, está claro que la energía nuclear se está convirtiendo nuevamente en una solución confiable para enfrentar los desafíos energéticos del siglo XXI. Tkac dijo: "El reciclaje de combustible nuclear usado es un proceso extremadamente complejo, que en gran medida depende de qué tecnología dominará y de la demanda de electricidad. Necesitamos desarrollar una buena estrategia".

Este trabajo está apoyado por la Oficina de Comercialización Tecnológica del Departamento de Energía de EE.UU. a través del Fondo de Comercialización Tecnológica. La colaboración entre el Laboratorio Nacional de Argonne y SHINE se realiza bajo un acuerdo de desarrollo conjunto, con el objetivo de aprovechar al máximo el conocimiento científico de Argonne y la experiencia comercial de SHINE para avanzar en el desarrollo de tecnologías de reciclaje de combustible nuclear.