El combustible MOX ( combustible de óxido mixto ) es un combustible nuclear que contiene varios tipos de óxidos de materiales fisionables . Básicamente, el término se aplica a una mezcla de óxidos de plutonio y uranio natural , uranio enriquecido o uranio empobrecido , que se comporta en el sentido de una reacción en cadena similar (aunque no idéntica) al óxido de uranio poco enriquecido. MOX se puede utilizar como combustible adicional para el tipo más común de reactores nucleares : agua ligera en neutrones térmicos . Sin embargo, un uso más eficiente del combustible MOX es la combustión en reactores de neutrones rápidos [1] . La prioridad en el desarrollo de tales reactores pertenece a Rusia [2] .
El uso del reprocesamiento SNF y el uso de plutonio separado en forma de combustible MOX en reactores térmicos permite reducir las necesidades de uranio hasta en un 30%.
El contenido de óxido de plutonio en MOX varía de 1,5 a 25-30% en peso.
Una de las propiedades atractivas del combustible MOX es que su producción puede eliminar irreversiblemente el excedente de plutonio apto para armas , que de otro modo sería un desecho radiactivo [3] [4] [5] o podría usarse para crear armas nucleares. Dicha disposición estaba prevista en el acuerdo de disposición de plutonio entre los Estados Unidos y Rusia, pero no se llevó a cabo en volúmenes significativos.
Además, el combustible MOX se puede obtener procesando el combustible irradiado de los reactores de potencia de las centrales nucleares . En el proceso de reprocesamiento, se liberan isótopos de plutonio, por ejemplo, para combustible después de una campaña suficientemente larga, casi dos tercios son isótopos Pu-239 y Pu-241 (fisionables en reactores de neutrones térmicos), y alrededor de un tercio - Pu-240 [6] [ 7] . Debido a un contenido tan alto del isótopo 240, el plutonio obtenido por reprocesamiento no puede utilizarse para fabricar armas nucleares fiables y predecibles [8] [9] . Al mismo tiempo, el OIEA se adhiere a principios conservadores y requiere para dicho plutonio (incluso como parte de una mezcla de MOX) el mismo alto nivel de protección que para los materiales de uso directo ( en inglés direct use material ), por ejemplo, plutonio enriquecido, uranio-233, uranio 235 altamente enriquecido [10] [9] [11] .
El plutonio constituye aproximadamente el 1% del combustible nuclear irradiado. Relación isotópica aproximada: Pu-239 52%, Pu-240 24%, Pu-241 15%, Pu-242 6%, Pu-238 2%. Todos ellos son materiales fisionables o pueden convertirse en materiales fisionables a través del proceso de transmutación. Por ejemplo, Pu-242 requiere tres neutrones para convertirse en Curium -245 [12] .
En los reactores de neutrones térmicos , se puede lograr un 30% de quemado de plutonio a partir de la composición del combustible MOX [12] .
Las desventajas de su uso incluyen un estado más inestable del combustible, requisitos mucho más estrictos para los modos de enfriamiento y control del reactor.
El uso de combustible MOX permite reciclar el "combustible" gastado y producir nuevo combustible mixto de uranio-plutonio, en el que la cantidad de energía que se puede obtener del uranio natural se multiplica por unas 100 veces. Al mismo tiempo, después del procesamiento de SNF, la cantidad de residuos radiactivos sujetos a procesamiento y eliminación especiales se reduce en un múltiplo. Los reactores de neutrones rápidos también son capaces de "quemar" productos de fisión radiactivos de larga vida (con un período de descomposición de hasta miles y cientos de miles de años), convirtiéndolos en productos de vida corta con una vida media de 200-300 años, después de lo cual pueden enterrarse de manera segura de acuerdo con los procedimientos estándar y no violarán el equilibrio de radiación natural de la Tierra [2] .
Un importante productor de combustible MOX es la planta francesa de Melox, que pone en el mercado 195 toneladas de producto al año.
Rosatom comenzó la producción industrial de combustible MOX en septiembre de 2015 en su planta química y minera de Zheleznogorsk . La capacidad de diseño del complejo de puesta en marcha es de 400 elementos combustibles por año y se suponía que se lograría en 2019; sin embargo, la producción industrial real comenzó en agosto de 2018, cuando se envió el primer lote en serie de elementos combustibles a la central nuclear de Beloyarsk [ 13] . En la planta minera y química, el combustible nuclear se producirá a partir de materiales reciclados, incluido el plutonio de alto nivel. Más de 20 empresas de la industria nuclear de Rusia participaron en el lanzamiento de esta producción.
El combustible MOX se fabrica en Rusia y en plantas piloto de otras empresas de Rosatom: RIAR (Dimitrovgrad, región de Ulyanovsk) y Mayak Production Association (ZATO Ozersk, región de Chelyabinsk) [13] .
Otros países también están trabajando para introducir combustible MOX en el ciclo de combustible de sus centrales nucleares. El sexto plan energético estratégico de Japón , adoptado en octubre de 2021, prevé el uso continuado de combustible MOX en reactores de agua ligera. También prevé la continuación de los trabajos de producción de combustible MOX en la planta de Rokkasho [14] .
A pesar de que las prioridades de China en esta área no se han formulado completamente, la cuestión de las perspectivas para la producción y el uso posterior del combustible MOX se considera resuelta, y se están discutiendo las prioridades para su uso [15] .
El combustible MOX se probó por primera vez en 1963[ ¿dónde? ] , pero su uso comercial generalizado en reactores térmicos comenzó[ ¿dónde? ] sólo en la década de 1980 [2] . El uso de combustible MOX en reactores existentes requiere licencias separadas, a veces se requiere alguna modificación de los reactores, por ejemplo, la introducción de más barras de control. A menudo, el combustible MOX representa entre un tercio y la mitad de todo el combustible, ya que grandes cantidades requieren modificaciones significativas o un reactor especialmente diseñado.
En la URSS, originalmente se planeó lanzar el primer reactor industrial de neutrones rápidos BN-350 con combustible MOX, comenzó a operar en 1973 en Aktau y funcionó con éxito hasta 1999.
La segunda unidad de potencia se instaló en la central nuclear de Beloyarsk en 1980 ( BN-600 ) y ha estado funcionando sin problemas hasta el día de hoy, en 2010 su vida útil se extendió por 10 años, en 2020 se extendió por otros 5 años.
En el mismo lugar, el 10 de diciembre de 2015 se puso en operación un reactor de nueva generación, BN-800 ; originalmente también se planeó lanzarlo con combustible MOX, pero no hubo producción de este combustible, y para 2010, cuando sería necesario cargar combustible en el reactor, no estaba listo. Entonces, el diseñador recibió una tarea urgente: reemplazar la zona MOX de diseño por una mixta, donde parte de los ensamblajes contendrían combustible de uranio. Recién en septiembre de 2022, el reactor BN-800 de la Unidad 4 de la central nuclear de Beloyarsk fue llevado a plena capacidad por primera vez, estando totalmente cargado con combustible MOX de óxido de uranio-plutonio [16] .
Gracias a la puesta en marcha de este reactor, Rusia puede cumplir con sus obligaciones en virtud del acuerdo ruso-estadounidense de disposición de plutonio de 2000, que prevé la conversión de 34 toneladas de cargas nucleares en combustible para plantas de energía nuclear. Actualmente, Rusia ocupa el primer lugar en el mundo en el desarrollo de tecnologías para la construcción de reactores de neutrones rápidos. El diseño de los reactores BREST y SVBR
también se centra en la posibilidad de utilizar combustible MOX .
Los principales consumidores de combustible MOX son Japón (10 reactores con licencia) y los países de la UE (40 reactores con licencia).
Solo cuatro unidades en los Estados Unidos están diseñadas para carga completa de MOX, tres unidades System-80 PWR en la planta de energía nuclear más grande del país , Palo Verde ( Tonopah , Arizona ), y una unidad en construcción en el estado de Washington [17] . En 2007 no se autorizó ningún reactor en los EE . UU. [18] .
Alrededor de 40 reactores térmicos en Europa ( Bélgica , Suiza , Alemania, Francia) tienen licencia para usar una combinación de combustible MOX y convencional [12] y otros 30 están en proceso de licencia. De hecho, muchos de ellos pueden tener alrededor de un tercio de su MOX de combustible, pero algunos pueden funcionar con un 50% de MOX. Antes del desastre de Fukushima , Japón planeó comenzar a utilizar MOX en un tercio de sus reactores (inicialmente para 2010) y aprobó un plan para construir una unidad ABWR utilizando hasta un 100 % de MOX en la planta de energía nuclear de Oma .
A partir de 2017, MOX representó el 5% de todo el combustible nuclear recién producido en el mundo; para Francia, esta cifra alcanzó el 10% [19] .
Según la Asociación Nuclear Mundial , a lo largo de la historia se han utilizado más de 2.000 toneladas de combustible MOX en reactores comerciales, pero se han acumulado 1,6 millones de toneladas de uranio empobrecido en almacenes de todo el mundo. Sólo sobre estas reservas, excluyendo el combustible nuclear gastado , los reactores de neutrones rápidos pueden proporcionar el nivel actual de consumo mundial de energía durante 326 años.
En 2022, Rosatom realizó el primer suministro internacional de combustible MOX. Está destinado al reactor CFR-600 en la central nuclear de Xiapu y se produjo en virtud de un contrato de 2018 [20] .
También se está probando combustible MOX que contiene óxidos de torio y plutonio [21] .
El contenido de plutonio no quemado en el combustible MOX gastado de los reactores térmicos es significativo: más del 50 % de la carga original de plutonio. Sin embargo, durante la combustión de MOX, la proporción de isótopos fisionables (impares) a no fisionables (pares) cae de alrededor del 65% al 20%, dependiendo del quemado. Esto dificulta cualquier intento de extraer isótopos fisionables. Dicho combustible gastado es más difícil de procesar para una mayor reutilización del plutonio. El procesamiento regular del combustible MOX gastado de dos fases es difícil debido a la baja solubilidad del PuO 2 en ácido nítrico [22] .
A partir de 2015, la única demostración de combustible doblemente reprocesado de alto quemado se produjo en el reactor de neutrones rápidos de Phoenix [22] .
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