El Torio como combustible nuclear

El Torio (Th) es un elemento de número atómico 90 perteneciente a la serie de los Actínidos, que se encuentra naturalmente en minerales como la monacita, torita y torianita.

En estado puro, es un metal de color plateado que se oxida lentamente. Este elemento es 3 a 4 veces más abundante en la naturaleza que el Uranio, lo que lo hace un elemento relativamente fácil de explotar en diversas localidades del planeta para fines relacionados con la industria nuclear. Basa su composición principalmente en el isótopo fértil ²³²Th, que posibilita su conversión mediante absorción neutrónica hacia el isótopo físil ²³³U.

Dado esto, el Torio tiene un gran potencial como material nuclear que puede implicar a futuro un importante desarrollo de un ciclo de combustible nuclear a gran escala, para la utilización de este recurso en la generación de energía nuclear en reactores de potencia.

En particular, las principales ventajas que se visualizan en torno al desarrollo de un Ciclo de Combustible Nuclear basado en el Torio, son las siguientes:

Como se expuso anteriormente, el Torio se encuentra presente en la naturaleza 3 a 4 veces más que el Uranio, presentando asimismo una amplia distribución geográfica en diversos países que lo hace atractivo para su beneficio y explotación comercial a gran escala
El Torio se constituye como un excelente complemento al Uranio, pues permite economizar este último de manera importante, contribuyendo a la seguridad de este recurso (y los reactores nucleares actuales y futuros) en el largo plazo
Permitiría obtener una gran cantidad de energía con pocos desechos radiactivos en comparación al Uranio
Se podrían incinerar las armas atómicas de Plutonio así como también el Plutonio usado en el ámbito civil
La sección eficaz de los neutrones termales del ²³²Th (7,4 barns) es aproximadamente 3 veces mayor que la del ²³⁸U (2,7 barns), lo que implica que es más fácil convertir Torio a Uranio, que Uranio a Plutonio
El ²³²Th es un mejor material Fértil que el ²³⁸U en reactores termales (pero no así en los reactores rápidos)
El ²³³U, proveniente del ²³²Th, posee un número η mayor a 2,0 en un amplio rango del espectro de neutrones termales
El compuesto ThO₂ es químicamente más estable y tiene más resistencia a la radiación que el UO₂, pues posee propiedades termoquímicas favorables como una conductividad térmica más alta y un coeficiente de expansión térmica bajo, lo que implica un mejor desempeño en reactor
El ThO₂ es más inerte y por ende no presenta grandes problemas en cuanto a oxidación, lo que contribuye a un almacenamiento interino y a una disposición permanente como desecho mucho más simple
Su desarrollo a gran escala como combustible nuclear implicaría una intrínseca resistencia a la proliferación producto de la formación de ²³²U, ²³³Pa y ²³³U. Los productos de decaimiento del ²³²U tienen una muy corta vida media, algunos de los cuales son grandes emisores de radiación Gamma como el ²¹²Bi y el ²⁰⁸Tl
Con un ciclo de ²³²Th – ²³³U se produce una muy pequeña cantidad de Plutonio y de Actínidos de larga vida media en comparación al ciclo de ²³⁸U – ²³⁹Pu

Por otro lado, las principales desventajas que se visualizan son las siguientes:

En el back end, el ciclo de combustible nuclear basado en Torio presenta otros radionucleidos como el ²³¹Pa, ²²⁹Th y el ²³⁰U que pueden tener un impacto radiológico a largo plazo
Si bien, el punto de fusión del ThO₂ es a 3.350°C, el cual es mucho mayor en comparación al UO₂, se requiere una temperatura muy elevada para sinterizar (más de 2.000°C) con la finalidad de producir una alta densidad de ThO₂
El combustible basado en Torio no se disuelve tan fácilmente en ácido nítrico, lo que es crítico al momento de efectuar el reprocesamiento. Esto implica la adición de otros compuestos que provocan corrosión en el equipamiento y tuberías de las plantas actuales de reprocesamiento, aunque esto se pude mitigar con Nitrato de Aluminio
Los combustibles irradiados contienen grandes cantidades de ²³²U, el que tiene vida media de 73,6 años el que está asociado a productos de decaimiento con grandes emisiones de radiación Gamma; esto conlleva a un reproceso automatizado y remoto completamente, así como también la fabricación de combustible nuevo requiere un gran blindaje, o que incrementa significativamente el costo
En la cadena de conversión desde el ²³²Th a ²³³U se forma ²³³Pa, el que tiene una mayor vida media en relación con los elementos intermedios derivados del ciclo de Uranio (esto es ²³⁹Np), lo que implica que se requiere de 1 año de refrigeración aproximadamente para completar el decaimiento a Uranio
Los procesos de separación del Uranio, Plutonio y Torio desde los combustibles basados en (Th, Pu)O₂ son conocidos y viables, pero aún no se han desarrollado a gran escala
La experiencia en el uso de este recurso es muy limitada en comparación al uso del Uranio, lo que ha sido puesto como argumento para su ralentización en la industria nuclear

Los aspectos relacionados con la seguridad nuclear tienen que ver en algunos casos con la generación de Productos de Fisión con alta emisión de radiación Gamma, lo que implica consideraciones especiales respecto al blindaje protector y la disponibilidad de tecnología avanzada para la manipulación de elementos combustibles. En otros casos, desbalances de energía entre las regiones espaciales de Uranio y Torio conllevan a una alta liberación de gases de fisión y un significativo gradiente de temperatura axial, lo que también implica esfuerzos en términos de tecnología orientada a controlar la emisión de dichos gases y a reforzar la resistencia de los materiales contenidos en el núcleo del reactor para un adecuado desempeño en condiciones normales de operación.

Contrariamente a lo expuesto, se ha trabajado también en la introducción de Actínidos Menores y Transuránidos como parte del combustible para los reactores de agua liviana, pero aún están pendientes varios desafíos que permitan lograr un mayor control del reactor. También se ha visto en algunos casos específicos una disparidad en la reactividad y en el output de potencia, claramente en este sentido los desafíos van de la mano por administrar de mejor forma el factor de multiplicación de neutrones, así como también contar con elementos de control que ayuden a entregar una potencia uniforme.

Con respecto a los recursos naturales disponibles, en base a las estimaciones documentadas en el Uranium 2014: Resources, Production and Demand (conocido también como Red Book) de la IAEA-NEA, el detalle de los recursos estimados de Torio que podrían utilizarse, junto con su distribución geográfica, es el siguiente:

El desarrollo de Ciclos de Combustible Nuclear basados en Torio tiene implicancias potentes desde un punto de vista político, en particular, debido a su posible participación a futuro en el consumo del Plutonio tanto militar como civil que actualmente se encuentra disponible. Bajo este prisma, el Torio puede contribuir de manera muy importante a que varios países desarrollen una tecnología efectiva que podría entregar varios beneficios para la sociedad, por ejemplo aquellos que se relacionan con la seguridad internacional respecto del desarme y uso de aquel plutonio en reactores de Torio que puede ser imitado eventualmente por otros países, y resultado de aquello, la generación a gran escala de energía eléctrica o calor de manera abundante, económica y libre de Gases de Efecto Invernadero, contribuyendo de manera subyacente a la lucha contra el Cambio Climático. Estos elementos podrían contribuir a que los gobiernos se inclinen en el futuro por desarrollar a gran escala el beneficio del Torio y su utilización en programas nucleares. Asimismo, dadas las características relativas a la menor producción de residuos radiactivos, esto también contribuiría desde una perspectiva de política pública y medioambiente a su promoción a largo plazo, pues justamente para la población el tema de los desechos nucleares es algo extremadamente sensible y cuestionable, a veces de manera exacerbada, por ende, un ciclo de combustible más sustentable desde este punto de vista contribuiría de manera positiva a su aceptación pública, aunque clave será el traspaso de información hacia la gente de manera transparente. Particularmente, en Chile ya se está difundiendo información con respecto al Torio, sus potenciales aplicaciones y beneficios, lo que de alguna forma demuestra que ya se está convirtiendo en tema de interés para los medios, así como también para mucha gente.

Con respecto a las salvaguardias, por ser un material nuclear debe estar sujeto a las normas vigentes en la materia, aunque se podría inferir que una vez que los ciclos de combustible se desarrollen y se encuentren funcionando por una buena cantidad de años, existan algunas ventanas que permitan relajar algunas medidas de seguridad entendiendo que este recurso justamente podría evitar la diversión hacia aplicaciones bélicas o terroristas. Habrá que ver entonces como el Torio contribuye en la realidad a estos fines, en la medida en que los países decidan desarrollar programas nucleares basados en Torio, lo cual podría contribuir significativamente a cumplir con el trasfondo de muchas salvaguardias. Sin duda, que aquellas normas relativas a la seguridad física y técnica deben seguir vigente y seguir fortaleciéndose en la medida en que las tecnologías involucradas en el desarrollo de estos ciclos de combustible sigan desarrollándose y mejorando, sobre todo pensando que muchas aplicaciones tecnológicas aún están en etapa de investigación.

Una infraestructura óptima para un programa nacional debe en primer lugar seguir los lineamientos actualmente vigentes en la materia, esto es, el desarrollo de un Nuclear Energy Programme Implementation Organization (NEPIO). Sin embargo, un elemento clave en nuestro país será el determinar cuanta es la cantidad de recursos efectivamente disponibles y explotables de Torio, con la finalidad de determinar las posibles necesidades tecnológicas y de capital humano ante un eventual programa nuclear chileno que considere el Torio, al menos con fines de investigación en un principio. Clave puede ser la eventual construcción de reactores de investigación para desarrollar un know how suficiente con respecto al Torio, paralelamente a la construcción y puesta en marcha de reactores de potencia en base a Uranio, lo que ayudaría a tomar experiencia suficiente en esta materia a través de una tecnología conocida y probada, mientras se avanza en la investigación para el desarrollo futuro de un ciclo basado en Torio. Claramente, todo podría depender de la disponibilidad nacional de este recurso, así como también de sus precios internacionales.

Como conclusión, el Torio es un elemento abundante que debemos aprovechar en el corto-mediano plazo a gran escala, pues nos permitirá contribuir a una mayor sustentabilidad de la industria nuclear a nivel mundial. Sin embargo, aún quedan desafíos tecnológicos y también económicos, pues muchos países no migran todavía a un sistema combinado con Uranio o Plutonio ya que la curva de experiencia en base a estos elementos está consolidada en la industria, lo que se transforma en una potente barrera de entrada. Sin embargo, India ha sido el referente en este último tiempo que permea hacia otros países que también han investigado y desarrollado someramente estos ciclos de combustible basados en Torio. Habrá que esperar entonces un poco más para contemplar si efectivamente la industria aprovecha verdaderamente la utilización de este recurso y toma parte en las características que a la larga beneficiarán a toda la población.

Referencias:

“Burnup characteristics and fuel cycle economics of mixed uranium–thorium fuel in a simplified small pebble bed reactor”; Journal of Nuclear Science and Technology; Dwi Irwanto & Toru Obara; 2012

“Thorium fuel cycle — Potential benefits and challenges”; International Atomic Energy Agency; 2005

“Role of Thorium to Supplement Fuel Cycles of Future Nuclear Energy Systems”; International Atomic Energy Agency; 2012

http://www.worldnuclear.org/info/currentandfuturegeneration/thorium/