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I V Concurso Energía y Sociedad Foro Nuclear Español  Proyecto Urania:Estudio de un sistema de almacenamiento o eliminación extraterrestre de residuos nucleares de alta actividad.
ÍNDICE
1.- Introducción. Objetivo La situación actual y futura del abastecimiento energético a nivel mundial presenta serias dificultades, de manera especial la energía procedente de los combustibles fósiles. Ante este panorama se hace necesaria la implicación de otras fuentes energéticas y en especial la energía nuclear. Sin embargo, uno de los problemas que presenta este tipo de energía es el de la gestión de los residuos radiactivos de alta actividad que por su elevado periodo de semidesintegración (de miles de años) constituyen un riesgo para la población. Este trabajo tiene como objetivo precisamente estudiar formas de almacenamiento o eliminación de residuos radiactivos de forma extraterrestre y por lo tanto sin los riesgos que su tratamiento actual plantea. Un primer y serio problema que se nos planteo al estudiar la viabilidad de este tipo de gestión de residuos es precisamente el momento del lanzamiento de los vehículos espaciales portadores por el riesgo que conlleva de explosión y, por consiguiente, de contaminación radioactiva posterior, y por su elevado coste actual. Sin embargo, el creciente desarrollo de la investigación espacial, que demanda cada día la realización de proyectos cada vez más ambiciosos, como la puesta en marcha de la estación espacial internacional ISS o las misiones a Marte, nos hace pensar que en un futuro pueden alcanzarse niveles de seguridad aceptables para llevar a cabo un proyecto de este tipo. Consecuentemente, nuestro equipo decidió acometer un estudio de estas características. En un primer capitulo nos detenemos en el estudio del panorama internacional de los residuos radiactivos para, más adelante, considerar las siguientes posibilidades:
Finalmente, realizamos un estudio de los posibilidades actuales y futuras del transporte espacial de estos residuos. El presente trabajo también está presentado, en una versión más ampliada en formato WEB y FLash. Por su elevada extensión hemos incluido a modo de anexos los siguientes: Anexo 1 Los residuos radiactivos. Clasificación y gestión Anexo 2: Evaluación de la seguridad a largo plazo de un AGP. 2.- Panorama internacional de los residuos radiactivos A lo largo del año pasado, 2002, se han conectado dos nuevos reactores nucleares a las redes eléctricas, con lo que el número de reactores operativos en estos momentos asciende a 438, siendo la potencia nuclear instalada de 54906 MW netos. Por otro lado, habría que añadir los incrementos de potencia de 20 reactores de diferentes países, que solamente en Estados Unidos representaron 1091 MW. Además, durante el presente año se prevé la entrada en funcionamiento de unas 7 unidades, estando, además, en construcción 32 nuevos reactores. Sabiendo que una unidad típica de 1000 MW, puede generar un volumen de residuos de alta actividad, una vez acondicionados de manera adecuada, de unos 2 - 3 m3 por año, está claro que el problema de los residuos radiactivos a nivel mundial es en el momento presente grave y preocupante. En el caso concreto de España, y limitándonos exclusivamente a residuos radiactivos, se producen al año unas 2000 toneladas, de las cuales sólo 160 toneladas corresponden a combustible gastado. Con este panorama energético nuclear, está claro que el conjunto de los residuos nucleares procedentes del combustible nuclear va adquiriendo un volumen cada vez mayor, siendo limitada, en cambio, la capacidad de almacenamiento de dichos residuos, aun cuando en Estados Unidos se haya iniciado ya el Proyecto de Yucca Mountain, en el desierto de Nevada. Durante decenios el combustible gastado procedente de las centrales nucleares se ha almacenado de manera segura en emplazamientos de almacenamiento provisional. A pesar de que estos podrían seguir utilizándose durante un cierto tiempo con algunas modificaciones, parece conveniente el considerar otras opciones más atrevidas tecnológicamente pero que, en principio, solucionarían de manera definitiva el problema. Tales son las soluciones que proponemos a continuación y que describimos brevemente, quedando abierta la posibilidad de prolongar nuestro trabajo con otras posibilidades y con un tratamiento científico más riguroso y más amplio. 3.-Almacenamiento Lunar Un primer intento de solución, provisional o definitiva, pasa por considerar el almacenamiento de residuos nucleares en la Luna. Para ellos debemos estudiar la siguientes cuestiones. 3.1. Emplazamiento. Geología Lunar Para realizar un almacenamiento potencialmente seguro de los residuos radiactivos se precisa localizar un lugar en la superficie de la Luna que cumpla una serie de condiciones: - Terreno lunar adecuado para el almacenamiento de residuos en su interior. - Baja frecuencia de movimientos sísmicos en la zona. - Proximidad a fuentes de agua o hielo . Tras largos análisis de la superficie lunar llegamos a la elección del cráter Gassendi, cuyas coordenadas son 18 ºS 40 ºW, y se encuentra situado en el Mar Humorum., zona en la que muy recientemente ha sido detectado hielo lunar y que posee un diámetro de unos 110 km. Es un cráter candidato a ser considerado idóneo para un almacenamiento residual. Fotografías del cráter Gassendi desde distintos ángulos y distancias
Sismología lunar El estudio de la sismología lunar nos indica que el cráter elegido se encuentra situado en una zona sísmicamente estable, por lo que no presenta riesgo de movimientos sísmicos que podrían poner en peligro la integridad de la instalación. Normalmente, las inestabilidades sísmicas se producen en su mayoría en la litosfera, a unos 1000 km de profundidad, lejos del lugar de almacenamiento. Composición geológica de la zona La corteza, que alcanza unos 60 km de profundidad, está formada básicamente por tres tipos fundamentales de rocas:
- Basalto: Se encuentra en los "mares" y es una roca ígnea volcánica o porfídica. 3.2. Almacenamiento geológico. Previsión y diseño. Hemos considerado en apartados anteriores el panorama internacional de los residuos radiactivos, así como los estudios correspondientes del suelo lunar que nos han conducido a la elección del cráter Gassendi como lugar idóneo para situar allí nuestro proyecto, dejando para más adelante el problema del transporte Tierra - Luna de los residuos radiactivos. En el presente apartado contemplamos la previsión y el diseño del almacenamiento lunar de los residuos nucleares, bien sea definitivo, o bien temporal, para, posteriormente, decidir su eliminación solar o planetaria. Primeramente analizamos las distintas opciones de almacenamiento para cada tipo de residuo, y las razones que nos han llevado a escoger el AGP como mejor opción, este trabajo por razones de extensión lo incluimos a modo de anexo.(ver Anexo 1 Los residuos radiactivos. Clasificación y gestión. En todas las opciones de gestión, además de un almacén temporal (que se puede realizar en piscinas, contenedores especiales o recintos adecuados), es necesario contar con un sistema de almacenamiento definitivo para los RAA. Las distintas opciones que para ello se barajan actualmente en nuestro planeta, tales como su almacenamiento en los casquetes polares, en fosas marinas o en zonas de subducción de la corteza terrestre, no son posibles en la Luna, quedando únicamente como opciones viables el AGP o un cementerio nuclear en superficie, denominado actualmente ATC (Almacén Transitorio Centralizado), que podría ser viable debido a la falta de atmósfera en nuestro satélite. Sin embargo, la posibilidad de que existan colonias humanas en la Luna en un futuro próximo (para las que constituiría un gran riesgo el ATC), y la necesidad de disponer de un sistema de almacenamiento definitivo para los RAA, nos decantó finalmente por el Almacenamiento Geológico Profundo (AGP) como mejor sistema de almacenamiento para nuestro proyecto. El Almacenamiento Geológico Profundo. Principios básicos. El AGP consiste en el confinamiento de los residuos de alta actividad en formaciones geológicas estables a gran profundidad, dada la capacidad de aislamiento y confinamiento de éstas, siempre que reúnan unas características de estabilidad, potencia (espesor), ausencia de vías preferentes de migración y capacidad de retención. Esto se complementa con la interposición de una serie de barreras en torno a los RAA, que, ubicados en cápsulas metálicas resistentes a la corrosión, se disponen en galerías taponadas con materiales absorbentes y rodeadas de terreno de baja permeabilidad con gran capacidad de retención. Las profundidades que actualmente se están barajando en nuestro planeta para situar estas galerías varían entre los 300 y los 800 metros. Dadas las características geológicas del cráter lunar Gassendi, consideramos que la profundidad más adecuada para nuestro proyecto es de 500 metros, profundidad que podría variar ligeramente en función de los métodos de excavación utilizados. Suponiendo que todas las operaciones de acondicionamiento de los RAA se realizaran, previo transporte Tierra-Luna, en instalaciones terrestres (lo cual supondría unas considerables ventajas para su transporte) nuestro AGP constaría de: • Instalaciones en superficie: escombrera, planta de encapsulado, edificios de mantenimiento y de personal, maquinaria de los elevadores, instalaciones de evaluación de la seguridad, laboratorios..., así como las infraestructuras necesarias para recibir los RAA tras su transporte); todas ellas adaptadas a la vida y a la falta de atmósfera lunar. • Accesos al subsuelo, entre los que estarían dos pozos verticales de 500 m de profundidad dotados de elevadores, así como una rampa de acceso que se utilizaría, además de para bajar los RAA, como medida de seguridad en caso de que se produjese un fallo en el sistema de los elevadores (Véase gráfico). • Instalaciones subterráneas, esto es, las áreas centrales a las que llegarían tanto los pozos como la rampa de acceso, y de las que saldrían una serie de galerías de almacenamiento situadas a 500 m bajo la superficie lunar. Como queda dicho, un Almacenamiento Geológico Profundo se fundamenta en el principio multibarrera, es decir, en la interposición, entre los residuos y la superficie, de un conjunto de barreras, artificiales y naturales, que impidan o retarden la llegada de los radionucleidos, lo suficiente para que su actividad haya decaído hasta unos valores aceptables. Así, cada barrera impone unas condiciones específicas, permitiendo al conjunto desarrollar la función final para la que ha sido diseñado. Mientras que las barreras de ingeniería son diseñadas y construidas en función de las características del repositorio, las barreras naturales no son construidas por el hombre, pero sí seleccionadas mediante los estudios geológicos del suelo. Las barreras con las que constaría nuestro AGP son, a grandes rasgos, las mismas que actualmente se estudian para posibles proyectos en la Tierra; a excepción, claro está, de la biosfera, que se considera la última barrera, y que naturalmente en la Luna no existiría. Por lo demás, las barreras serían:
Función de las barreras de ingeniería:
La primera barrera, de tipo físico-químico, la constituye la forma química del residuo, debido a su resistencia a la corrosión e insolubilidad. Las cápsulas metálicas albergan los RAA, lo que permite operar con ellos con facilidad dentro de las instalaciones. Además, pueden contar con materiales de relleno que actúen a modo de barrera físico-química. Sus características son:
Los materiales a utilizar pueden ser tipo cobre, titanio o del grupo de los aceros. Dadas las características de nuestro proyecto, consideramos como más adecuadas éstas últimas (concretamente de acero al carbono). A continuación presentamos su diseño ( La arcilla utilizada para el sellado es la bentonita, que se colocaría entre las cápsulas y la formación geológica. Sus características son:
Función de la barrera geológica: -Proteger las barreras de ingeniería. - Minimizar el volumen de agua en el repositorio - Retardar o inmovilizar la salida de radionucleidos Proteger al repositorio frente a la intrusión humana (aunque quizás esto pueda parecer un tanto descabellado dada la situación actual en la Luna, recordemos que un AGP deberá estar operativo durante un tiempo excepcionalmente largo) Finalmente realizamos un estudio de la seguridad en un AGP que por razones de extensión lo adjuntamos a modo de anexo (ver Anexo 2:Evaluación de la seguridad a largo plazo de un AGP) 4.- Eliminación Solar de residuos radiactivos Introducción El almacenamiento de residuos nucleares en la Luna posiblemente podría ser insuficiente (e incluso inviable) para garantizar la seguridad de los seres humanos, dados los elevados costes que serían necesarios para ello, además de las probables protestas de las organizaciones que estén desarrollando proyectos de creación de espacios habitables en el satélite. Por estos motivos, se han considerado otras soluciones al problema que no impliquen el uso de la Luna como almacén de residuos altamente contaminantes. La nave a utilizar tendría que disponer de:
Eliminación solar
El proceso a seguir sería el siguiente: Fase 1. Lanzamiento de la nave. El vehículo debería ser enviado en un sentido opuesto al de la Tierra, utilizando una fuerza que forme un ángulo de 90º con la fuerza de la gravedad del Sol. Fase 2. Tierra–Venus. La nave debería ejercer un impulso que redujera la velocidad angular de la nave, de modo que su trayectoria coincidiese con la órbita de Venus. Fase 3. Venus. Se podría emplear el campo gravitacional de Venus para desacelerar la nave. Fase 4. Venus–Sol. Con el impulso de su sistema de propulsión y el de la fuerza de la gravedad de Venus, la nave debería dejar atrás la órbita de Mercurio e ir aproximándose al Sol. Fase 5. Sol. Es preciso que la nave se acercara al Sol a varios millones de kilómetros, penetrando en la corona del Sol, donde las temperaturas alcanzan 1.000.000 K. Prácticamente cualquier objeto sometido a estas temperaturas pasaría al estado de plasma. El calor, junto a la acción del viento solar, dispersaría los átomos de la nave. 5.- Eliminación planetaria de los residuos radiactivos
El proceso de viaje sería similar al del caso anterior (enviar los residuos al Sol), con la ventaja de que el punto de destino está mucho más cerca de la Tierra, por lo que el ahorro económico es sustancial. 6.- Almacenamiento en órbitas especiales Una solución menos costosa sería la de “almacenamiento” de los residuos nucleares en una órbita alrededor del Sol. Se escogería por supuesto una zona de poco transito de naves espaciales y se mantendría desde tierra una permanente vigilancia. Se podrían considerar varias posibilidades Residuos en órbita alrededor del Sol. existen dos posibles soluciones optimas en caso de órbitas alrededor del sol en el plano de la eclíptica veamos:
El proceso a seguir sería el siguiente: Fase 1. Lanzamiento. La nave despegaría en el sentido contrario al de la Tierra en el caso a o en el mismo en el caso b. Fase 2. Cambio de órbita. La nave debería ejercer un impulso que redujera (o aumentara) su velocidad angular de modo que el vehículo se alejara de la órbita de la Tierra. Una separación de 500.000-1.000.000 km podría ser suficiente. Fase 3. Posicionamiento en la nueva órbita. La nave, una vez en su perihelio (o afelio en el caso b), debería ejercer otro impulso, igual que el de la fase 2, pero en el sentido contrario. De esta manera, los residuos seguirían girando alrededor del Sol continuamente. La desventaja de este sistema es que, si se continuara usando una y otra vez, se formaría un “cinturón de residuos” que podría dañar alguna otra nave que intentara atravesarlo posteriormente, aunque los riesgos serían muy pequeños. Aun así, sería conveniente lanzar las naves con los residuos periódicamente, de forma que se concentraran en uno o varios puntos de su órbita, y hacer un seguimiento (que no tendría porqué ser directo) de estos puntos. Órbitas fuera de la eclíptica. Esta solución es, en principio, casi igual que la anterior, con la única diferencia de que, una vez situada la nave en su nueva órbita, ejerce un impulso perpendicular a la eclíptica. Una vez se ha alejado del plano de la eclíptica una distancia de unos 500-1.000 km, la nave se estabiliza en una órbita exterior al plano de la eclíptica mediante un segundo impulso equivalente al anterior, pero en sentido contrario. La ventaja de este sistema es que los residuos se sitúan en una región del Sistema Solar donde es poco probable que pase alguna otra nave o cuerpo celeste. Creemos que este último sistemas es uno de los más seguros y económicos de los propuestos. 7.- Transporte Un reactor nuclear puede producir unas 30 toneladas de residuos radiactivos de alta actividad al año ,teniendo en cuenta que hay unas 472 centrales en todo el mundo hay que prever un sistema para transportar unas 1500 toneladas de residuos al año, por lo cual el transporte supone hoy en día un reto difícil de alcanzar tanto tecnológinamente como económicamente, sin embargo pensamos que en un futuro próximo se podrían diseñar cohetes con las suficientes medias de seguridad para una carga tan especial. Panorama actual del transporte espacial En la actualidad para el lanzamiento europeo se usan cohetes Ariane 4 y Ariane 5. A partir de 2003, las cadenas de producción Ariane en Europa estarán dedicadas exclusivamente al Ariane 5. Su capacidad de carga actual es de 6.4 toneladas, pero se están desarrollando versiones de mayor potencia, capaces de colocar 10 toneladas (en 2002) y 12 toneladas (en 2005) en órbita GTO. El Ariane 4 dispone de seis versiones en las que varía la capacidad de carga y el tipo de propulsores auxiliares que usan (de propelente sólido o líquido). La versión básica del Ariane 4 es el AR-40 que consta de tres etapas y a la que no se le acoplan propulsores auxiliares. En el resto de versiones los propulsores auxiliares se añaden a la primera etapa del lanzador.
L  a carga se acomoda dentro de una pieza especial del fuselaje (payload) situada en la parte superior del Ariane. Pueden disponerse en ella ciertas estructuras para aumentar el número contenedores transportables. Con el objetivo de abaratar costes, el Ariane 4 está especialmente preparado para permitir el lanzamiento de una mayor capacidad de carga en una sola misión. Para ello es necesario utilizar la estructura SPELDA, o bien SYLDA, mientras que para pequeña carga tenemos la plataforma ASAP.¿Cuántos lanzamientos es capaz de gestionar el centro al año en la actualidad y con qué intervalo de tiempo entre ellos? La cadencia media desde hace algunos años es de un lanzamiento al mes, o doce al año, lo que representa una quincena de satélites procesados al año, pues se intenta dentro de lo posible realizar lanzamientos dobles, para reducir los costes. Un fenómeno corriente es la indisponibilidad de satélites en las fechas convenidas con el fabricante, lo que obliga a todas las empresas del CSG a ser flexibles y absorber esos retrasos sin penalizar a los clientes que siguen en la lista. Por eso, las instalaciones y los equipos humanos están dimensionados para reducir a tres semanas el intervalo entre el lanzamiento de dos Ariane 4 consecutivos, y a una semana el intervalo entre un Ariane 4 y un Ariane 5, con lo cual estamos ante un crecimiento constante en las toneladas transportadas al año. Prototipos de futuro El X-37 es un vehículo ideado para probar tecnologías que permitirán construir los futuros vehículos espaciales reutilizables, capaces de volar hacia la órbita en misiones militares o civiles y regresar a la Tierra planeando. El objetivo del X-37 es probar las diversas tecnologías avanzadas que necesitará la NASA para sus futuros vehículos reutilizables, incluyendo el sustituto de la actual lanzadera. Por su parte, la USAF utilizará la información para su SMV, una nave capaz de maniobrar en el espacio para tareas militares de inspección y observación. En esencia, la NASA desea colocar unos cimientos bien sólidos para que un vehículo reutilizable de segunda generación pueda por fin hacerse realidad. El programa tendrá un coste aproximado de 4.800 millones de dólares hasta 2006, de los cuales la agencia acaba de otorgar 767 millones en forma de contratos a un total de 22 empresas. Este dinero se empleará para desarrollar conceptos y tecnologías que se espera permitan aumentar 10 veces las seguridad de los vehículos, 100 veces la supervivencia de las tripulaciones, y reducir hasta una décima parte el coste de los lanzamientos. Se elegirá un ganador en 2010 para que se convierta en el sustituto de los actuales transbordadores espaciales. El objetivo a largo plazo es construir los motores de propulsión líquida reutilizables de próxima generación tanto para la NASA (SLI) como para la USAF (IHPRPT). Por ejemplo, el COBRA será un motor criogénico que tendrá un empuje que duplicará el del actual SSME usado por la lanzadera espacial. Por su parte, el RLX tendrá un empuje similar. En cuanto al AJAX, consumirá hidrocarburos (queroseno). 9.- Conclusiones A lo largo de nuestro trabajo hemos podido comprobar, en primer lugar, que parecería arriesgado prescindir en la situación actual mundial de un soporte energético tan serio como es el de la energía nuclear, no en vano el "Libro Verde" de la Unión Europea en materia energética propone el uso continuado de la energía nuclear como uno de los tres pilares para asegurar la seguridad del suministro en el futuro. Consecuentes con lo anterior, hemos tratado de iniciar un estudio de eliminación de residuos radiactivos basándonos en la idea fundamental de que la gestión actual no supone de ninguna manera una solución definitiva al problema planteado, y sí nos hace caer en la cuenta de que, desde el punto de vista físico, en nuestro planeta hay una limitada cantidad de vida posible que debemos cuidar. En otras palabras, podemos postular que la Humanidad tiene limitados el espacio, la energía, la materia y el tiempo. Es precisamente este sentimiento el que nos ha llevado a proponer una solución "atípica" para el problema de los residuos nucleares, pero que puede conducir a la construcción de un mundo en cierto modo liberado de "lo inútil", que supondría una degradación física de nuestro entorno. Para evitarlo tenemos la Ciencia y la Tecnología, que nos permite corregir las imperfecciones que ha creado la propia especie humana. Ante estas negativas consecuencias, pensamos todos los miembros del equipo que sólo cabe una postura de afirmación, de enfrentamiento con los problemas. Y pensamos también que la persona humana vive de pan y también de esperanza. Y mientras espera, piensa, pues por fortuna no son actitudes incompatibles. 10.- Adaptación informática del proyecto Por último, el entusiasmo que nos ha producido el involucrarnos en este proyecto nos ha impulsado a realizar una versión ampliada de este proyecto en formato WEB y Flash. |
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