La seguridad global de las instalaciones nucleares depende en gran medida del comportamiento del combustible dentro del reactor y de los sistemas que lo gestionan. Los llamados combustibles de tecnología avanzada (ATF) buscan ampliar los márgenes operativos, incrementar el rendimiento y mejorar la respuesta del sistema frente a situaciones extremas, sin necesidad de rediseñar los reactores actuales.

Texto: Isabel Robles

Desde los años cincuenta, con la aparición de las primeras centrales nucleares, uno de los grandes temas de investigación en los que se ha centrado la industria nuclear es el combustible empleado, no solo desde el punto de vista de la generación energética, sino también de la seguridad. «El combustible nuclear actual es el resultado de un largo proceso de optimización orientado a mejorar su rendimiento, fiabilidad y comportamiento seguro bajo las condiciones en reactor», explica Pau Aragón, doctor en Ciencia y Tecnología Nuclear y presidente de Jóvenes Nucleares. «Esta búsqueda de la excelencia también abarca el estudio en condiciones de accidente, un ámbito que experimentó un notable impulso tras lo ocurrido en Fukushima Daiichi», afirma. En 2011, el tsunami provocado por un terremoto a 130  km de la costa japonesa inundó los generadores diésel de emergencia que, debido al fallo de la red eléctrica por el sismo, sostenían los sistemas de refrigeración de los reactores de la central nuclear de Fukushima. Al aumentar la temperatura, el agua se evaporó y las vainas que contenían el uranio, hechas con una aleación de circonio (zircaloy), comenzaron  a oxidarse y liberar hidrógeno. La gran concentración de gas que se alcanzó produjo varias explosiones que destruyeron los techos de los edificios donde se encontraban los reactores 1 y 3.

Tras el accidente, la comunidad internacional reforzó la necesidad de desarrollar materiales capaces de ofrecer mayores márgenes en situaciones extremas y se acuñó el término ATF (accident tolerant fuel o combustible tolerante a accidentes). No obstante, para evitar que esta denominación pusiera en duda, erróneamente, la seguridad de los combustibles nucleares convencionales, el significado de las siglas ha variado: «con la promulgación en 2019 de la Nuclear Energy Innovation and Modernization Act (NEIMA), la definición oficial adoptada por la Comisión Reguladora Nuclear de los EE. UU. (USNRC) estableció que un combustible ATF debe, además, reducir el costo de la electricidad durante la vida útil de un reactor nuclear. En consecuencia, el término accident-tolerant fuel ha sido progresivamente reemplazado por advanced technology fuel (combustible de tecnología avanzada), con el fin de reflejar un enfoque más amplio», añade Aragón.

De este modo, «el término ATF engloba a aquellos combustibles nucleares que se apartan del sistema tradicional, basado en pastillas de dióxido de uranio contenidas en tubos de aleación de circonio, e incorporan materiales y diseños avanzados que permiten una operación más exigente del núcleo sin comprometer la seguridad. Además, «ofrecen ventajas, como mayor resistencia a la corrosión, mejor retención de productos de fisión y una mayor adaptabilidad entre la pastilla y la vaina para gestionar las tensiones generadas durante la operación. En situaciones de accidente severo, los combustibles ATF mantienen la integridad y capacidad de refrigeración durante más tiempo, dando un margen adicional de seguridad que facilita la intervención de los sistemas de emergencia que frenan el accidente», explica Cristina Muñoz-Reja, directora de I+D+i en la Empresa Nacional del Uranio (ENUSA), con más de treinta años de experiencia en combustible nuclear.

Evolutivos y revolucionarios

La investigación en combustibles de tecnología avanzada no se desarrolla de manera uniforme. Como explica Muñoz-Reja, «ha progresado a diferentes velocidades según la complejidad tecnológica requerida para su desarrollo e implementación». Esta diversidad de ritmos ha llevado a clasificar los ATF en dos grandes categorías: los evolutivos, que introducen mejoras sobre los materiales y diseños ya consolidados en la industria, y los revolucionarios, que incorporan materiales completamente nuevos y requieren procesos de validación y homologación mucho más exigentes. «En este último caso, las lagunas de datos y las necesidades de caracterización experimental son más amplias, lo que sitúa su posible implementación comercial en un horizonte temporal más lejano», admite Aragón.

Por ese motivo, los ATF evolutivos representan la línea de desarrollo más cercana a su implantación en los reactores nucleares. Se basan en ir modificando el combustible convencional, un marco tecnológico con décadas de experiencia operativa y un comportamiento bien conocido. «Se han realizado irradiaciones en reactores experimentales y desarrollado modelos y códigos específicos que permiten simular su respuesta tanto en operación normal como en situaciones accidentales. Gracias a estos avances, junto con la evidencia experimental acumulada, los organismos reguladores han autorizado su uso en configuraciones de barras o de elementos de demostración en varios países. Sin embargo, aún no se han realizado recargas completas equivalentes a un tercio del núcleo, es decir, a una tercera parte de los elementos combustibles que lo componen», indica Muñoz-Reja. 

Principalmente, las modificaciones introducidas en los combustibles para crear ATF evolutivos se centran en dos grandes líneas de investigación. Por un lado, se pretende mejorar la pastilla de dióxido de uranio mediante técnicas como el dopado con óxidos de aluminio, silicio o cromo, que aumentan la retención de productos de fisión, mejoran la plasticidad del material y facilitan la acomodación de tensiones durante la operación; por otro, se busca reducir la oxidación de la vaina – que compromete su resistencia y produce hidrógeno, con el consiguiente riesgo de explosión– gracias a diferentes recubrimientos. «Para resistir la oxidación por vapor a altas temperaturas, la capa de óxido formada en la superficie de la vaina debe ser estable física y químicamente en presencia de vapor, al mismo tiempo que actúa como barrera efectiva frente al transporte de compuestos químicos oxidantes hacia el material de la vaina», añade Aragón. Ya que el óxido de circonio (ZrO₂) no cumple estos requisitos, la investigación se ha centrado en otros, como el de cromo (Cr₂O₃), aluminio (Al₂O₃) y silicio (SiO₂), que poseen una estabilidad aceptable frente al vapor. 

Para Muñoz-Reja, la estrategia más desarrollada es «la aplicación de un recubrimiento de cromo sobre tubos convencionales de aleación de circonio. Este recubrimiento, aplicado mediante diversas tecnologías (deposición física de vapor, pulverización térmica o galvanización), actúa como barrera frente a la corrosión y reduce la generación de hidrógeno tanto en condiciones normales como en accidentes. Ciertos diseños incluyen, además, capas intermedias para optimizar la adherencia y la compatibilidad entre el recubrimiento y el sustrato de circonio».

En concreto, como destaca Aragón, «los estudios postirradiación de los ensayos que se han llevado a cabo con pastillas de UO₂ dopadas con cromo y vainas de aleación de circonio (Zircaloy) recubiertas con cromo han mostrado un comportamiento mejorado, con un grado de oxidación muy reducido y baja adherencia de depósitos superficiales (crud), incluso a altos quemados próximos a 75 MWd/kgU».

No obstante, el cromo no es la única solución que se está implementando, sino que también se utilizan materiales cerámicos basados en carburo de silicio (SiC) o las aleaciones FeCrAl, que no generan hidrógeno y destacan por su «excelente resistencia a la oxidación a altas temperaturas. Sin embargo, su madurez tecnológica y la base de datos experimentales disponibles son aún más limitadas que las de las soluciones de vaina cromada», reconoce Muñoz-Reja.

Por su parte, los ATF revolucionarios presentan un horizonte temporal más lejano y su grado de madurez es menor. Se basan en el uso de nuevos materiales tanto para el combustible como para las vainas. En concreto, para las pastillas, se investigan compuestos avanzados de uranio, como los siliciuros (en particular, U₃Si₂) y los nitruros de uranio (UN), que poseen una mayor densidad de uranio y mejor conductividad térmica que el UO₂ convencional. En cuanto a las vainas, «las líneas de trabajo más prometedoras se centran en materiales cerámicos, especialmente el carburo de silicio (SiC), utilizado en configuraciones monocapa o en composites SiC/SiC. Su resistencia a la oxidación y su estabilidad estructural frente a temperaturas extremas los convierten en candidatos idóneos para entornos severos», indica Muñoz-Reja. En su opinión, su desarrollo se ve limitado por la complejidad técnica asociada a su  fabricación, la falta de experiencia previa en tecnologías comparables, la dificultad de obtener materiales de la calidad y en la cantidad necesaria para ensayos representativos y la amplia diversidad de conceptos actualmente en estudio. «Por el momento, ninguno de estos diseños ha operado en reactores comerciales. Solo se han irradiado materiales de forma aislada, en configuraciones experimentales muy alejadas de lo que podría considerarse una barra o elemento de demostración», explica.

Otra línea prometedora dentro de los diseños revolucionarios es la de los combustibles integrales o compuestos, en los que el uranio se embebe directamente en una matriz de circonio, formando una estructura que posteriormente se encapsula en una vaina de aleación de circonio. Además, «en los reactores refrigerados por gas o de alta temperatura se desarrollan conceptos de combustible diferentes a los de los reactores de agua ligera. Entre ellos destaca el combustible tipo TRISO (Tri-structural isotropic particle fuel), formado por diminutas partículas en las  que el material físil queda confinado dentro de sucesivas capas cerámicas que actúan como contención de los productos de fisión y refuerzo estructural frente a procesos de irradiación y oxidación», matiza Muñoz-Reja.

El camino de la investigación

Comparados con los combustibles convencionales, los ATF presentan un rendimiento superior tanto a la hora de producir energía como de adaptarse a la demanda. «Pastillas más densas, con mayor conductividad térmica y con más capacidad de acomodar los esfuerzos mecánicos en seguimiento de carga permiten un uso más eficiente del combustible. A esto se suma una vaina capaz de resistir durante más tiempo las duras condiciones de temperatura, presión y fluencia neutrónica que se dan en el reactor, lo que garantiza un rendimiento óptimo», indica Muñoz-Reja.

Además, presentan la ventaja de que están diseñados para utilizarse en los reactores comerciales actuales, aunque todavía persisten limitaciones importantes derivadas, en gran medida, de su evolución y desarrollo más reciente. La más relevante es la falta de experiencia operacional: «los ATF no cuentan con la extensa experiencia acumulada durante décadas por los combustibles convencionales», recuerda Muñoz-Reja. Para evaluar el comportamiento termo‑mecánico de los ATF, «es necesario un enfoque complementario que combine estudios experimentales y analíticos, desarrollando herramientas fiables capaces de predecir su comportamiento tanto en operación normal como en condiciones de accidente», añade Aragón. «En el contexto de la investigación en ATF, es imperativo disponer de datos experimentales representativos, incluyendo mediciones de materiales irradiados bajo condiciones que se extiendan más allá de los criterios de seguridad actuales», puntualiza.

También la industria ha de adaptarse para afrontar su producción, ya que los procesos y los materiales son más avanzados que los utilizados en la actualidad para combustibles convencionales y requieren un alto grado de especialización Otro de los retos a los que se enfrentan los ATF es la gestión de residuos. La presencia de elementos como el cromo requiere estudiar con precisión su comportamiento durante la etapa de enfriamiento, teniendo en cuenta los posibles cambios químicos y radiológicos. Además, como indica Muñoz-Reja, «su capacidad para permitir ciclos de irradiación más largos y alcanzar quemados de descarga más altos impacta directamente en la cantidad y composición isotópica del combustible gastado, afectando la radiotoxicidad. Francia, único país europeo con capacidad para el reprocesado y reutilización del combustible, ha identificado la presencia de cromo como un desafío que requiere una investigación exhaustiva para cuantificar exactamente cómo se comportan el cromo y sus compuestos durante el reprocesado».

En conjunto, para implantar los ATF en los reactores actuales es necesario acumular experiencia operacional, fomentar la investigación y el análisis de los resultados, y consolidar una base de datos que permita conocer su comportamiento a largo plazo.