Un método para reciclar los residuos nucleares más peligrosos.

Uno de los principales problemas de la energía obtenida a partir de la fisión nuclear es qué hacer con el combustible usado. Hay una parte de él que es especialmente peligrosa que está constituida por los actinoides (vulgo, actínidos) minoritarios (AM), siendo los mayoritarios el uranio y el plutonio, ya que emiten radiación alfa y tienen vidas medias extremadamente largas. La solución actual para los AM es el almacenamiento geológico profundo.

Una alternativa interesantísima sería coger los AM y realimentarlos a la planta nuclear para que los usase como combustible y, tras el proceso, se convirtiesen en productos no radioactivos. El problema está en que no hay una forma eficaz escalable industrialmente de separar lantanoides (vulgo, lantánidos) de los AM, lo que impide que éstos puedan reutilizarse. Si existiese un método para esta separación, permitiría una reducción drástica en la cantidad de residuo de alto nivel generada y el tiempo de almacenamiento necesario pasaría de ser indefinido a un par de centenares de años como mucho. Pues bien, un método viable y, a priori, fácilmente escalable en términos técnicos y económicos, es lo que acaba de presentar un equipo de investigadores encabezado por Frank Lewis, de la Universidad de Reading (Reino Unido). Publican sus resultados en el Journal of the American Chemical Society.

En un reactor nuclear típico, en cada ciclo productivo se introducen en el sistema alrededor de 500 kg de uranio (U), lo que produce unos 859 g de residuos de alto nivel. En su mayor parte estos residuos están compuestos por AM, fundamentalmente neptunio (Np), americio (Am) y curio (Cm). Estos residuos por el momento deben almacenarse bajo capas de hormigón de varios metros de espesor.

Se estima que dentro de una década poco más o menos empiecen a funcionar (si la política no lo impide) una nueva generación de reactores nucleares que serán capaces de usar los AM como combustible, convirtiéndolos en productos no radioactivos. Estos nuevos reactores se basarán en flujos neutrónicos de alta intensidad, bombardeando el material fisible con una intensa corriente de neutrones. Con un control adecuado del flujo neutrónico se asegura una velocidad de reacción apropiada. El sistema consigue que todos los actinoides presentes sirvan como combustible, pero los lantanoides actúan como absorbedores de neutrones por lo que se consideran contaminantes de primer nivel del combustible.

Todos hemos visto alguna vez un embudo de decantación (en la foto). Uno de los usos de estos embudos es hacer extracciones, es decir, llevar una sustancia que está como parte de una mezcla disuelta en un disolvente A, a un disolvente B inmiscible con el A y de diferente densidad. La extracción de aromas naturales, por ejemplo, se hace así, donde el disolvente A es el agua y el B alcohol isopropílico o similar. Esta técnica se aplica ampliamente en laboratorio y a nivel industrial, y es la que emplea el equipo encabezado por Lewis. En este caso el disolvente A es ácido nítrico (HNO₃) en el que se disuelve el residuo nuclear de alta actividad; el disolvente B es octanol en el que está presente el quid de la cuestión, un ligando de alta selectividad que es capaz de llevarse al octanol los AM pero no a los lantanoides.

El ligando se basa en una estructura de cuatro anillos aromáticos que contienen nitrógeno suplementados, y esta es la genialidad, con grupos tetrametilciclohexilo como sustitutos de los hidrógenos bencílicos, lo que convierte un compuesto fácilmente atacable por la radiación, en uno mucho más resistente. El efecto de la nueva estructura no puede ser más espectacular. Se considera que una separación es buena si el ligando “atrapa” 20 AM por cada lantanoide. El nuevo ligando obtuvo valores de entre 68 y 400.

El mecanismo preciso de acción no está claro del todo. La molécula resultante tiene forma de herradura y, permítaseme la licencia, no he podido evitar visualizar su funcionamiento como el de las pokebolas de los Pokémon (vease la imagen creativamente). Dos ligandos se acoplan a un catión formando una cavidad en la que solamente encajarían los AM.

El ligando no tiene una estructura excesivamente compleja que impida sintetizarlo a nivel industrial de forma económica (hay fármacos mucho más complejos); es resistente a los ácidos y a la radiación...La solución a buena parte de los depósitos de residuos radioactivos y a algunos de los problemas de la energía nuclear puede que ya sólo sea una cuestión de presupuestos.

Esta entrada es una participación de Experientia docet en la I Edición del Carnaval de la Tecnología que acoge La vaca esférica y en VII Edición del Carnaval de Química que alberga Feelsynapsis.

Referencia:

Lewis, F., Harwood, L., Hudson, M., Drew, M., Desreux, J., Vidick, G., Bouslimani, N., Modolo, G., Wilden, A., Sypula, M., Vu, T., & Simonin, J. (2011). Highly Efficient Separation of Actinides from Lanthanides by a Phenanthroline-Derived Bis-triazine Ligand Journal of the American Chemical Society DOI: 10.1021/ja203378m