Acondicionamiento de residuos nucleares de baja y media actividad

Secciones

• Introducción
• Tipología de residuos de baja y media conductividad
• Acondicionamiento de los Residuos
• Aplicación concreta a un acondicionamiento de resinas

Introducción

En un reactor nuclear se generan diferentes tipos de residuos nucleares y convencionales. En anteriores artículos se centró la atención sobre la generación de los residuos y su tratamiento específico. En el presente artículo, el objetivo es el acondicionamiento y la inertización de los residuos de baja y media actividad.

A modo de resumen, recordemos que los residuos de alta actividad (Uranio 235, U238, Pu-239,…) se encuentran en las vainas de zircaloy presentes en el núcleo del reactor. Así mismo los fragmentos de fisión originados en la reacción nuclear quedan confinados en las propias vainas.

Todo este grupo de residuos, una vez haya finalizado el ciclo del combustible, son transportados a la piscina de almacenamiento donde permanecerán hasta el traslado a depositorio final, ya sea en superficie o depositorio geológico. Hay otro tipo de residuos que se generan como consecuencia de las reacciones nucleares de activación neutrónica, de captura de diferentes tipos de partículas (neutrones) o procesos de adsorción gamma.

En especial el líquido refrigerante que circula por el circuito primario y que tiene la doble  misión de extraer la energía generada por las reacciones nucleares y refrigerar el  núcleo del reactor donde acontecen los sucesos nucleares.

Este líquido que refrigera el reactor está constituido por sustancias específicas como:

• Ácido bórico: Su objetivo es la adsorción de neutrones para así  disminuir el número de fisiones y moderar la reacción nuclear. Su concentración oscila en función de la actividad del núcleo pero oscila entre los 1000 – 2000 ppm.
• Hidróxido de litio: Su objetivo es controlar el pH del refrigerante para evitar procesos de corrosión.
• Peróxido de hidrógeno: Regula el potencial de la disolución. Favorece que los metales en disolución permanezcan en forma iónica y no originen depósitos en codos o puntos específico del circuito.
• Productos de corrosión: Diferentes metales que proceden de la estructura de acero del circuito primario y que por diferentes procesos de corrosión se incorporan en la disolución del refrigerante (Co-60, Mn-54, Co-58,…).
• Tritio, procedente de la activación del deuterio natural presente el el agua por efecto de los neutrones. El tritio es un emisor β y uno de los principales problemas del procesado de residuos nucleares.

Hay toda una serie de residuos operacionales que pueden contener concentraciones variables de Cs-137, Sr-90, Co-60 y que se generan en limpiezas específicas de válvulas, movimientos de combustible gastado a piscinas, limpieza de lodos, etc.

En este artículo el tratamiento de gases no se tratará por ser un apartado muy específico con problemáticas centradas en grupo de especies del yodo, gases nobles, tritio, etc. Nos centraremos en los efluentes líquidos con residuos de baja y media actividad.

Los residuos radiactivos se pueden clasificar atendiendo a distintos criterios, como por ejemplo, según su estado físico (gaseosos, líquidos y sólidos, que a su vez podrían clasificarse en residuos compactables, incinerables, metálicos, etc.), según el tipo de radiación que emitan (alfa, beta, gamma, neutrones), el periodo de semidesintegración (vida corta o vida larga), o su actividad específica (actividad alta, media, y baja).  

Atendiendo a la gestión de los residuos  radiactivos, la clasificación se centra en el nivel de actividad específica y al período de decaimiento puesto que estos dos factores condicionan el tipo de aislamiento y acondicionamiento que deben tenerse en cuenta en su almacenamiento.

El Organismo Internacional de la Energía Atómica propone una clasificación con vistas al almacenamiento definitivo de los residuos (ref. 11), cuyos criterios se resumen en la Tabla 1 y se representan esquemáticamente en la figura 2.

Como se observa, para la clasificación se consideran varios límites cuantitativos: 

• Una dosis efectiva máxima para miembros del público de 10 µSv/año, como límite para la exención o desclasificación de los residuos.
• 30 años de periodo de semidesintegración como valor de separación entre residuos de vida corta y vida larga.
• Un contenido medio de 400 Bq/g y máximo de 4.000 Bq/g de emisores alfa de vida larga para que el residuo deba ser considerado de vida larga.
• Una potencia calorífica superior a 2 kW/m3 para que el residuo deba ser considerado de alta actividad (también se debe exceder el límite en emisores alfa de vida larga).

Características típicas de las distintas categorías de residuos radiactivos propuestas por el OIEA
Categoría del residuo	Características típicas	Sistemas de almacenamiento
Residuos exentos o desclasificados (RE)	Niveles de actividad cuya liberación no implique una dosis anual a los miembros del público superior a 10 µSv	Sin restricciones radiológicas
Residuos de baja o media actividad (RBMA)	Niveles de actividad cuya liberación pueda implicar una dosis anual a los miembros del público superior a 10 µSv y que tengan una potencia térmica inferior a 2 kW/m3
Residuos de baja o media actividad y vida corta (RBMA-VC)	Concentración limitada de radionucleidos de vida larga (4000 Bq/g de emisores alfa de vida larga como máximo en lotes individuales, con un valor medio de 400 Bq/g en el conjunto)	Sistemas de almacenamiento en superfície o sistemas geológicos
Residuos de baja o media actividad y vida larga (RBMA-VL)	Concentraciones de radionucleidos de vida larga superiores a las de los residuos de vida corta	Sistemas geológicos de almacenamiento
Residuos de alta actividad (RAA)	Potencia térmica superior a 2 kW/m3 y concentraciones de radionucleidos de vida larga superiores a las de los residuos de vida corta	Sistemas geológicos de almacenamiento
Tabla 1

Gráfica 1

En referencia a los residuos que vamos a tratar en el presente articulo, residuos de baja y media actividad podemos concretar lo siguiente:

• Residuos de actividad baja y media (RBMA) – Residuos cuya concentración en radionúclidos es tal que la generación de energía térmica durante su evacuación es suficientemente baja. Esos valores aceptables se establecen en función del lugar de evacuación después de una evaluación de seguridad.
• Residuos de vida corta (RBMA-VC) – Residuos radiactivos que contienen nucleídos cuya vida media es inferior o igual a la del Cs-137 y Sr-90 (treinta años, aproximadamente) con una concentración limitada de radionúclidos alfa de vida larga (limitación de los radionúclidos emisores alfa a 4 000 Bq/g en lotes individuales de residuos y a una media general de 400 Bq/g en el volumen total de residuos).
• Residuos de vida larga (RBMA-VC) – Radionúclidos y emisores alfa de vida larga cuya concentración es superior a los límites aplicables a los residuos de vida corta.

 
Se ha de tener en cuenta que el sistema de clasificación se destina a ser utilizado únicamente para residuos sólidos, aunque hay que señalar que algunos residuos radiactivos tienen estado líquido y se podrían tratar como residuos de transición. Esta tipología de residuos proviene de hospitales y actividades médicas. 

Con relación a nuestro país, cabe indicar que en esencia se siguen las recomendaciones de la CE, si bien, dentro de la categoría de RBMA, en España se está considerando otro grupo de residuos, los de muy baja actividad (RMBA), que contienen radionúclidos en concentraciones muy bajas y cuyo almacenamiento no requiere sistemas de aislamiento tan complejos como para el resto de los RBMA. Por lo tanto, esta subdivisión se aplica exclusivamente desde el punto de vista del tipo de almacenamiento requerido.

En la gestión de residuos radiactivos de baja y media actividad, se aplica el concepto de “Bulto”. Se entiende por bulto al conjunto formado por el residuo radiactivo, el agente de acondicionamiento y el embalaje que lo alberga. La práctica mayoría de residuos de baja y mediana actividad se gestiona mediante los bultos. Normalmente el bulto implica un bidón de 220 litros con toda una estructura de protección y un sistema de inertización del propio residuo.

La cantidad en volumen y porcentaje de residuos de baja y mediana actividad que deben ser gestionados en España, en el ámbito nuclear, viene indicado en la siguiente tabla. Prácticamente el 92% proviene de las CCNN y su desmantelamiento.

Cantidades totales de RMBA a gestionar en España
CONCEPTO	VOLUMEN (m3)	PORCENTAJE
Operación de centrales nucleares	36.071	20,46%
Desmantelamiento de centrales nucleares	127.185	72,12%
Operación y desmantelamiento de fábrica elementos combustibles + PIMIC	1.593	0,90%
Instalaciones radiactivas y similares	4.861	2,76%
Incidentes de contaminación y otros	6.636	3,76%
Total	176.346	100,00%

 

En referencia a los residuos radiactivos  de baja y media actividad generados en el desmantelamiento de las centrales nucleares españolas, se han generado hasta la fecha, únicamente los derivados del desmantelamiento a Nivel 2 de la central nuclear de Vandellós-I, lo cual supone del orden del 20% de la generación prevista del total que se producirá en esta central cuando se finalice su desmantelamiento y se proceda a la correspondiente clausura.

La generación de RBMA correspondiente al desmantelamiento ya efectuado, ha alcanzado el valor de 3.400 m3 lo que apenas es el 3% del volumen previsto de gestionar en el desmantelamiento del conjunto de las centrales nucleares.

Tipologia de residuos de baja y media conductividad

En función de la naturaleza de los residuos, podemos definir 7 tipologias:

• Resinas: Suspensiones de resinas de intercambio iónico que una vez agotadas, se descargan de los desmineralizadores de los sistemas de purificación. Los sistemas de intercambio de retención del boro, retenciones de cesio y cobalto son uno de los más importantes, con objeto de limpiar los isótopos del refrigerante. Uno de los problemas de las resinas es su capacidad de hinchamiento. En contacto con la disolución incorporan disolvente acuoso en su estructura y esto afecta al volumen final del residuo. Desde este punto de vista se están estudiando   otras opciones como los adsorbentes de isótopos específicos.
• Concentrados de evaporadores: Disoluciones de sales concentradas procedentes de evaporadores para el tratamiento de ácido bórico, y efluentes de procesos.
• Lodos: Fangos procedentes de depósitos, precipitados, limpieza de vías de comunicación para el traslado de combustible gastado, fangos procedentes de filtros. Estos fangos, deben ser inertizados. Una de las fuentes de lodos es  la eliminación de la pre-capa e insolubles de los filtros de los sistemas de purificación del agua del reactor y de la piscina de combustible irradiado. Otros lodos que forman parte de esta corriente de residuos son los generados en el sistema de tratamiento de residuos radiactivos líquidos por sedimentación del agua almacenada en los tanques adicionales de residuos, así como, los barros procedentes de los contra-lavados del sistema de filtración del condensado. Un ejemplo de esta producción de residuos en decantadores lo tenemos en el tratamiento de lodos procedente de la Central de Santa Maria de Garoña. El procesado de los lodos actualmente existentes en los tanques decantadores  se llevará a cabo mediante fluidificación por re-suspensión, mezclado, filtración, secado y embidonado de los mismos. El volumen de lodos contenidos en los tanques decantadores es 300 m3 y se espera una producción de 580 bidones de 135 litros de residuos acondicionados. En los tanques adicionales de residuos existen otros 50 m3 de barros decantados que, dependiendo de la situación operacional del sistema de tratamiento de residuos radiactivos líquidos, serán también procesados.
• Materiales compactables: Estos materiales hacen referencia a vestimenta específica EPI’s, filtros de ventilación, trapos, utensilios de plástico.
• Sólidos no compactables: herramientas, piezas metálicas, escombros, maderas, etc.
• Filtros de circuitos líquidos: Filtros metálicos de sistemas de proceso.
• Residuos no operacionales o derivados de actuaciones puntuales como el tratamiento de efluentes con Sb-125.

Todos estos residuos deben ser inmovilizados y emplazados en bidones debidamente homologados. Comúnmente se utilizan bidones de 220 litros. Existen dos tipos de bultos que se clasifican  por su actividad en dos niveles 1 y 2.

Bultos de Nivel 1: Son aquellos bultos, que de forma individual y acondicionados en un contenedor de 0.22m3 no superan el valor de actividad máxima que se indica en el anexo de la especificación técnica  031-ES-IN-0002.Los valores por bulto individual dependen de distintas configuraciones: número de bultos por U.A., tipo de bulto y características del contenedor.

Bultos de Nivel 2: Son bultos cuya actividad es superior a la correspondiente al Nivel 1 y cuyo valor máximo de actividad no supera los límites derivados  de los valores de las unidades de acondicionamiento de Nivel 2, con la consideración debida al factor de heterogeneidad. En el anexo II de la especificación  031-ES-IN-0011. 

La siguiente tabla muestra los diferentes niveles de clasificación de los bultos:

CLASIFICACIÓN BULTOS TIPIFICADOS
RESIDUOS LÍQUIDOS HOMOGÉNEOS	Nivel 1	Concentrados de evaporador, resinas en polvo, lodos o mezclas incorporados a matriz de conglomerante hidráulico.
	Nivel 2
RESIDUOS SÓLIDOS (HETEROGÉNEOS U HOMOGÉNEOS LLEVADOS A SEQUEDAD	Nivel 1	Resinas de bola incorporadas a matriz de C.H.
	Nivel 2
	Nivel 1	Filtros de circuitos líquidos inmovilizados por medio de Conglomerante hidráulico.
	Nivel 2
	Nivel 1	Sólidos no compactables introducidos en contenedor(1,3m3)
	Nivel 2
	Nivel 1	Sólidos compactables y no compactables
	Nivel 2
	Nivel 1	Residuos sólidos o llevados a sequedad inmovilizados por medio de conglomerado hidráulico.
	Nivel 2

Acondicionamiento de los Residuos

El acondicionamiento del residuo nuclear se produce en todas las Centrales Nucleares para el tratamiento de los  residuos anteriormente citados. Previo a un proceso de evaporación, deshidratación en el caso de las resinas de operación o resinas de descontaminación del circuito primario, se utiliza un conglomerante hidráulico (cemento o mortero) como agente de solidificación o de inmovilización para hacer una matriz homogénea y estable.

Los efluentes concentrados, las resinas agotadas y los lodos se mezclan con cemento. Este cemento debe cumplir la referencia técnica A32-ES-CB-0063. Por ejemplo, según el documento JC-LP-29 la relación de agua/cemento en un acondicionamiento no debe superar el 0,47 y el porcentaje de resina seca por bulto no superará el valor del 4%.  

En el caso de sólidos no estables, en especial determinados tipos de filtros, la inmovilización se realiza con mortero formando una envolvente que recubre al residuo y lo estabiliza. 

Los principales criterios a modo de resumen, que deben cumplir el acondicionamiento de bultos son los siguientes:

1. Límites de actividad específica y global contenidos en las tablas incluidas en los  anexos I i II.
2. No podrán tener complejantes por encima del 8%
3. Los residuos acondicionados no deberán contener líquidos orgánicos incorporados en la matriz, por encima del 3%.
4. Los residuos acondicionados no deberán contener substancias pirofóricas ni susceptibles de tener reacciones fuertemente exotérmicas. 
5. Los residuos serán acondicionados mediante incorporación a matriz o mediante pared de conglomerado hidráulico.
6. Se minimizará la existencia de huecos libres.  La tasa de llenado para bultos incorporados a matriz sólida será del 95% +/- 5%. La tasa de llenado para bultos con pared será superior o igual al 98%.
7. El líquido libre para bultos acondicionados no superará después del fraguado el 0,5%.
8. Con carácter general, las matrices o paredes de conglomerado hidráulico, conferirán al bulto una resistencia mecánica mínima definida por la instrucción 031-ES-IN-0011;

   8.1 Para bultos de nivel 1 inmovilizados por incorporación a matriz sólida; las matrices deberán tener una resistencia media a la compresión superior o igual a 3MPa.

   8.2 Para bultos de nivel 1 inmovilizados por pared de conglomerante hidráulico. La pared tendrá un espesor nominal de  5 cm para filtros y residuos de naturaleza dispersable y una resistencia mecánica media de 7,5MPa.

   8.3 Para bultos de nivel 2 inmovilizados por incorporación a matriz sólida, las matrices de conglomerante hidráulico tendrán un valor medio de resistencia a compresión superior o igual a 10 MPa.

   8.4 Para bultos de nivel 2 inmovilizados por pared de conglomerante hidráulico. La pared tendrá un espesor nominal de  5 cm para filtros y residuos de naturaleza dispersable y una resistencia mecánica media de 25MPa.

9. La tasa de dosis en contacto no deberá superar en el momento de la retirada un valor de 100mSv/h.
10. La contaminación superficial desprendible en el exterior de los bultos deberá ser inferior a 4Bq/cm2 en emisores β y a 0.4 Bq/cm2 en emisores α

Los ensayos a los cuales se debe someter un bulto acondicionado se resumen a continuación:

RESIDUOS SÓLIDOS HOMOGÉNEOS Y HETEROGÉNEOS INMOVILIZADOS POR C.H.
ENSAYOS (Propiedades a medir)	Nivel 1	Nivel 2
Ausencia de líquido libre	Si	Si
Espesor de la pared	Si	Si
Resistencia a la compresión uniaxial del C.H.	Si	Si
Resistencia a la tracción indirecta del C.H.	No	Si
Difusión radionucleidos a través material de innovación	No	Si
Ensayos de ciclos térmicos de la pared	No	Si
Difusión de tritio (para concentración > 7,4 MBq/Kg.)	No	Si
Ensayos de ADR (sobre bulto)	Si	Si

 

Aplicación concreta a un acondicionamiento de resinas

El acondicionamiento de las resinas empieza reduciendo la cantidad de agua incorporada en su estructura. Son resinas en grano asociadas a las impurezas propias del proceso de retención. Normalmente estas resinas son una mezcla de resinas catiónicas y aniónicas en una proporción de 2 partes aniónicas por una catiónica.

Físicamente es un sólido dividido con humedades del orden del 50%. El tipo de cemento que se utiliza para acondicionar estas resinas es del tipo y categoría III/B 32,5 N/SR.

El proceso se realiza mediante conglomerado hidráulico. Los bidones utilizados tienen un volumen de 220 litros y un peso máximo de 410Kg.

La tasa de llenado es del 95% +/- 5%. Los bidones de 220 litros están diseñados y construidos según la especificación de compra de bidones de acero para residuos radiactivos y las normas UNE 36563; UNE 36051; UNE 36086 y DIN 933/125.

Las dimensiones externas máximas son de 602 mm de diámetro y 870 mm de altura sin tapa. El material de construcción es de chapa de acero al carbono  con espesores nominales de 1,25 mm en cuerpo y de 1,5 mm en tapa.

Llevan un recubrimiento interno de pintura epoxi poliamida o una imprimación fosfocromatizable de 20 µ y acabado esmalte epoxi de 20µ. 

Las características de la matriz se exponen a continuación:

Característica de la matriz	Nivel 1	Nivel 1 y 2
Volumen aparente resina enrasada en agua	120 litros	90 litros
Resina	81.6 litros	61.2 litros
Agua libre	69.7 litros	81.2 litros
Cemento	164 kg	191 kg
Relación másica agua libre/Cemento	0.40-0.50	0.40-0.45

Las características radiológicas de la matriz de nivel 2 se concretan con una tasa de dosis en superficie inferior en cualquier caso a los 100mSv/h. A 1 metro del bulto, la tasa no podrá ser superior a los 10 mSv/h.

Para matrices de Nivel 1, la tasa de radiación es esperable que sea inferior a 6 mSv/h en contacto y 0,5 mSv/h a 1 m.

Finalmente se realiza un control de homogeneización radiológico donde se controla el cumplimiento de las especificaciones sobre la aceptación de los bultos primarios.

BIBLIOGRAFIA 

1.-Criterios aceptación de bultos primarios. ENRESA

2.-“Curso sobre gestión de residuos radiactivos 2009” CIEMAT. Ministerio de Ciencia e Innovación. ISBN: 978-84-7834-603-5

3.-CSN .Sede electrónica. 

4.- V Jornadas de investigación y desarrollo tecnológico en gestión de residuos radiactivos. ISSN: 1134-380X. D.L.: M-34149-2004 Julio de 2004.

5.-“Control del proceso de solidificación de residuos radiactivos de baja y media actividad” Guia de seguridad nº 9.1 CSN.Madrid Julio 1991.