Transporte maritimo de materiales nucleares



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TRANSPORTE MARITIMO DE MATERIALES NUCLEARES*

Julio VERGARA Aimone**

Capitán de Corbeta
Introducción
Hemos presenciado durante los últimos años travesías de buques por los mares australes con materiales y desechos relacionados con la operación de los reactores nucleares japoneses. Estas naves, periódicamente hacen noticia provocando gran alarma y, durante un par de semanas, reciben diversos apodos, tales como "buque de la muerte" ó "cargamento del infierno".
El propósito de este artículo es distraer a los lectores de esta revista de la noticia emocional y a veces desinformada, y así darle mayor racionalidad al tema. Las inquietudes y enriquecedoras opiniones de expositores y asistentes a una reciente mesa redonda, organizada por el Centro de Estudios Estratégicos de la Armada, motivaron al interior a profundizar el trabajo que, presentó en esa oportunidad como panelista. La idea central es ilustrar sobre los orígenes y necesidades de este problema, establecer algunas tendencias futuras en el transporte de materiales nucleares, describir las clases de carga para cada una de ellas y los recipientes de transporte para cada una, aventurar en el posible impacto ambiental de un sabotaje o accidente, y, proponer en cada materia, a las autoridades ciertas iniciativas.Algunas de las ideas planteadas son extrapolables al caso de Chile.
Motivación del Transporte de Materiales Nucleares.

El transporte de materiales nucleares tiene un origen económico, fundado en las de tendencias energéticas globales. Este fenómeno ha sido anticipado por Japón, país que ha diseñado una estrategia geopolítica de muy largo plazo, destinada a mantener su actual posición industrial y comercial reduciendo gradualmente su alta dependencia energética, en circunstancias que otros países, entre los cuales se incluye Chile, recurren en una medida importante a un abastecimiento dependiente de combustibles alternativos de corto plazo, de origen regional o extracontinental. Japón señala a la energía nucleoeléctrica como un agente de creciente relevancia en su estructura energética. De hecho, el problema del suministro energético no es exclusivo de Japón, aunque para este Estado sea considerado estratégico.


El incremento del consumo de energía está compuesto por el producto del incremento de la población (N) y del crecimiento del producto interno bruto (PIB) per capita, asumiendo un nivel tecnológico medianamente constante, definido éste último por la tasa de cambio entre la energía y el PIB.
El primer factor es cada vez más empinado, pues la población actual, de más de cinco mil millones de habitantes, se está duplicando cada 50 años. El segundo factor refleja el estándar de vida, el que difícilmente se reducirá en el futuro; por lo demás los países de bajo nivel tienden a avanzar a mayores tasas. El tercer factor indica qué tan eficientemente se consume la energía para mantener el producto, el que pese a ser decreciente, es excedido por los otros factores. Por lo tanto, aún con esfuerzos de ahorro energético, el crecimiento de una economía hace necesario incorporar nuevas centrales generadoras de energía. Como resultado, la demanda de energía eléctrica mundial crece a mayores tasas que el producto interno bruto de las naciones. En los países desarrollados, mientras el PIB crece a un 2.2% anual en promedio, la electrificación crece al 2.5% por año. En países en desarrollo, las cifras son del orden del 1.8 y 8%, respectivamente. A modo de comparación, en Chile, el PIB y la electrificación crecen al 6.2 y 7.3%, respectivamente, es decir presenta una correlación energía a PIB correspondiente a la de los países desarrollados, pero con tasas de países en desarrollo.
Una vez que se comprende el problema de la demanda, se puede analizar la oferta energética. Una tendencia anticipable en forma clara es que existe un agotamiento progresivo de los recursos energéticos de bajo costo, por ejemplo el petróleo y el gas natural. Nótese que no es la energía en sí la que se agota, sino que la de bajo costo. Por otro lado, los recursos renovables se copan (hidroelectricidad, geotérmica) o son de baja densidad energética (solar directa, mareomotriz, mareotérmica, eólica, solar microónda, etc.) como para ser aplicadas a gran escala. Junto con los recursos carboníferos, los recursos uraníferos para la energía nuclear son los únicos que durarían más allá del año 2100.
En la siguiente Tabla se comparan los recursos primarios, en toneladas métricas de petróleo equivalente (TMPE), y un índice de la autonomía, dado por la razón reserva-producción (R/P) al año 1990.
Nótese que esta cantidad es referencial ya que pueden variar tanto las reservas como la producción. La fracción R/P para la opción nuclear considera la tecnología actual de reactores.





Consumo Anual (TMPE)


R/P (años) (1990)


Recurso vs Año

1970

1980



1990

Mundial

Regional

Hidroelectricidad

255



432

541

renovable

renovable

Carbón

1662


1815

2192

238

456

Gas Natural

900


1286

1738

58

76

Petróleo

2260


3024

3101

43

46

Uranio

23


172

461

130

>200

Total primarios

5100


6729

8033

------

------

A modo de ilustración, la generación de energía hidroeléctrica en Chile, excepto en períodos de sequía, disponible sólo en el Sistema Interconectado Central (SIC), es cercana al 90%, con recursos hidráulicos viables estimados entre 10 a 17 GWe. A las tasas de crecimiento de la demanda indicadas, éstos se coparían a partir del año 2010. Los proyectos de generación a gas con suministro desde Argentina y Bolivia, del orden de los 2 a 3 GWe para el SIC, y de ~1 GWe para el Sistema Interconectado del Norte Grande (SING), sólo dilatan en algunos años las soluciones autónomas de largo plazo. La energía nuclear es una de esas opciones para reemplazar a los combustibles fósiles.


Algunos grupos de presión sostienen que la solución al problema de fondo es la eficiencia energética, como por ejemplo el uso de aislación térmica, iluminación de baja potencia, etc.. Muchas de estas medidas son necesarias, pero no son sostenibles en el largo plazo sin cambios importantes en la conducta humana, tales como reducir la temperatura media en las casas, cocinar en hornos solares, reducir los electrodomésticos, etc. Esas medidas de eficiencia son asintóticas, y además los mismos dispositivos modernos de ahorro de energía han sido fabricados utilizando energía contaminante, a veces en grandes cantidades. Algunos de esos grupos de presión generan dificultades a muchas de las opciones, sin ofrecer soluciones concretas.
La energía nucleoeléctrica debe verse como una opción adicional, en especial para el mediano y largo plazo, con las ventajas y desventajas que se expondrán más adelante. Para un nutricionista energético la clave del momento es establecer una dieta energética balanceada; para un financista energético será disponer de una cartera diversificada de fuentes, para un bajo riesgo.
Todas las opciones implican un impacto ambiental, con externalidades negativas y a veces positivas, aún las más simples. Los recursos renovables demandan represas, alteraciones de riego, ruido, etc., que crean algún tipo de depredación natural. Los recursos fósiles (carbón, petróleo, gas natural) producen un impacto ambiental global degradante en el mediano plazo, manifestado principalmente por dos fenómenos:
. Efecto invernadero, debido de la emanación a la atmósfera de anhídrido carbónico y otros agentes, que ocasiona un aumento de temperatura, con cambios climáticos globales, con aumento del nivel del mar por desprendimiento de hielos continentales y con expansión térmica.
. Deposición ácida o lluvia ácida (óxidos nitrosos y sulfurosos), que se estima afectará a la cadena alimenticia en el mediano plazo. Este afecta bosques, lagos y aguas, aumenta los productos de corrosión, etc..
Casi todas las opciones energéticas implican algún tipo de transporte cuando la industria respectiva no está completamente integrada, es decir cuando no se disponen localmente de ciertos procesos. La energía de fisión nuclear no está ajena al impacto ambiental ni a la necesidad de transporte, como es el caso de Japón, que ha debido subcontratar servicios de reproceso de combustible nuclear en Europa, hecho que es la motivación central de éste trabajo.
La energía nuclear compite comercialmente desde 1957, logrando una participación de alrededor del 10% de la energía primaria, y el 18% de la generación eléctrica, manteniendo en expansión 430 centrales nucleares de variados diseños, con reactores de hasta 1450 MWe de potencia individual, además de 70 reactores en construcción y otros 60 en proyecto. Japón posee más de 40 centrales en operación y otra decena en construcción. El rendimiento y la seguridad de operación de esos reactores en substancialmente superior a la de los existentes en Estados Unidos, debido en gran parte a una visión de largo plazo y al mayor esfuerzo en investigación y desarrollo. Japón ha sido uno de los líderes en considerar al transporte marítimo de propulsión nuclear en el panorama energético. Esta forma de propulsión sería rentable en ciertos buques con perfil de navegación continua, preferentemente de alta potencia.
Por el momento, en espera de mejores condiciones competitivas, de demanda y de entorno, la propulsión nuclear sólo encuentra aplicaciones en buques de guerra, especialmente submarinos y portaaviones, con alrededor de 400 reactores navales, la mayoría con una tecnología muy similar a la de las centrales nucleoeléctricas.
La Energía de la Fisión Nuclear.

Para comprender mejor el origen del transporte marítimo de combustible nuclear usado, plutonio, desechos nucleares, etc., y su posible impacto ambiental, es necesario conocer brevemente la naturaleza de esta energía y su aplicación en la generación de electricidad y en la propulsión naval, incluyendo sus inconvenientes.


Al contrario de las reacciones químicas de los combustibles fósiles, la energía nuclear se deriva de las poderosas fuerzas internas que mantienen unido al núcleo del átomo. El combustible de fisión nuclear tradicional es el uranio, que existe en la naturaleza en una mezcla de isótopos de propiedades nucleares diferentes: El 238U en un 99.3%, y el 235U en un 0.7%. En general, todos los elementos químicos de alta masa pueden fisionarse si están suficientemente excitados, pero entre ellos, el 235U es el único isótopo aún disponible en la tierra, capaz de fisionarse al ser impactado por un neutrón de baja energía (neutrón lento). Cuando un núcleo del 235U es enfrentado por este neutrón, existe una alta probabilidad de absorberlo, tornándose inestable y fraccionándose. La energía liberada resulta de una diferencia o defecto de masas de esa partición, la que ha sido transformada en energía según la ecuación E=mc2. De acuerdo a la Figura 1, se obtienen dos núcleos más pequeños (llamados fragmentos de fisión (ff), como el cesio y el estroncio) con una elevada energía cinética. El núcleo atómico emite radiación electromagnética de alta energía (radiación gamma) y partículas de carga eléctrica unitaria (radiación beta), además de 2 a 3 neutrones de alta energía (neutrones rápidos). Estos últimos, después de frenarse, enfrentarán otros núcleos de 235U, permitiendo mantener la reacción en cadena en el reactor. La energía cinética de todos los productos de la fisión del uranio, equivalente, a igual masa, a 5.5 millones de veces la liberada en cualquier reacción química, se transforma en calor que es aprovechable en plantas térmicas, ya sea como vapor u otro medio.
Este fenómeno se produce también con núcleos de plutonio 239Pu, que no existe en la naturaleza. Este isótopo del plutonio es creado artificialmente en los reactores nucleares mediante reacciones sucesivas a partir de los abundantes núcleos de 238U, según la Figura 2, y queda disponible para una reacción de fisión nuclear. Luego, se puede producir combustible en reactores nucleares. Además, durante la operación se van generando, en menor cantidad, otros elementos de mayor masa atómica que el uranio, denominados transuránidos (TRU), los que tienen una vida media muy larga. La fisión también se logra con uranio 233U, creado de manera similar al 239Pu, a partir del torio 232Th, unas cuatro veces más abundante en la tierra que el uranio.
Los fragmentos de la fisión (ff) son altamente radiactivos, es decir son núcleos atómicos muy inestables, que tenderán a su estabilidad emitiendo ondas o partículas, con una vida media de unos 30 años. Algunos de estos fragmentos o de los TRU pueden ser separados para servir como fuentes de radiaciones nucleares ionizantes, necesarias para su uso en la industria, medicina, alimentación, ciencia, etc. Otras fuentes de interés pueden ser activadas al exponer materiales especiales en un reactor. Es decir, como se muestra en la Figura 3, la energía nuclear encuentra múltiples aplicaciones en la actividad industrial moderna.
Ciclo de Combustible Nuclear.

Para lograr los beneficios de la energía de la fisión nuclear se debe procesar los minerales uraníferos hasta lograr el combustible en la pureza y concentración requerida, además de conformar a una geometría que permita el funcionamiento en el reactor. Estas operaciones se realizan en el llamado ciclo de combustible nuclear, que comprende los procesos desde la extracción del uranio hasta su tratamiento después de ser consumido. El ciclo sólo es dominado en toda su extensión por una veintena de países. La ausencia de capacidad local de algunos de estos procesos del ciclo de combustible obligan al transporte de materiales nucleares. En general, el manejo de materiales antes de ser introducido en un reactor no reviste problemas en el transporte. La peligrosidad está en el manejo después de ser consumido en el reactor, donde se han generado productos de alta radiotoxicidad.


En la Figura 4 se muestra el ciclo más simple de todos, el denominado ciclo abierto, que ha sido favorecido por Estados Unidos, México, Brasil, Corea, etc., mientras que en la Figura 5 se muestra el denominado ciclo cerrado, entre los cuales destaca Japón, Inglaterra, Francia, Argentina, Bélgica, China, etc.
En breve, el ciclo comienza en la mina, donde el mineral se encuentra como óxidos de composición y concentración variable. Este se muele para ser concentrado químicamente y reducir el volumen a transportar. Luego se purifica eliminando impurezas químicas que comprometen las reacciones nucleares. El siguiente paso, de alto nivel tecnológico, es el enriquecimiento donde se aumenta la proporción de 235U por sobre la natural, típicamente hasta un 3.2%, para lo cual requieren de una conversión química previa y de una posterior, denominada reconversión. Los elementos combustibles requieren ser fabricados con un cierto compuesto químico y enriquecimiento, y quedan dispuestos en una geometría definida, según el tipo de reactor.
El atributo diferenciador del ciclo cerrado es que en este último se reprocesa o se recicla el combustible gastado, para:
 Recuperar combustible no utilizado.

 Clasificar los desechos por familias y comportamiento.



 Obtener fuentes para radiaciones nucleares.
En primer lugar se puede recuperar el uranio remanente y separar el plutonio generado, ambos reutilizables en los reactores nucleares. Entre estos últimos, existe un concepto avanzado especialmente apto para optimizar el uso del recurso base, denominado reactor reproductor rápido (FBR) donde se puede obtener tanto combustible (plutonio), generado en un manto de 238U, como el uranio y/o plutonio que se ha consumido originalmente en el corazón del reactor. El grado de utilización del uranio puede aumentar desde un valor típico del 4% con los reactores actuales, hasta un 80% con esos reactores FBR, además de justificar la extracción de uranio de menor ley. Luego, con el reproceso de combustible y con una combinación adecuada de reactores, la fracción R/P de uranio es unas 8 veces la alcanzable con los reactores clásicos. Sin embargo, el bajo costo actual del uranio, sumado a otros problemas que se verán a continuación, han retardado los avances más allá del prototipo industrial.
El reproceso permite clasificar el volumen remanente por especies según su comportamiento y vida media radiactiva, para así reducir el volumen neto de los residuos de largo plazo, los que requieren de un tratamiento previo al depósito permanente. Los productos de fisión son de alta radiotoxicidad inicial pero decaen en períodos relativamente cortos en elementos químicos menos radiactivos, mientras que los transuránidos son de menor radiotoxicidad inicial pero permanecen radiactivos por períodos relativamente largos. Luego, esta discriminación previa al depósito final es conveniente y necesaria. La complementación del reproceso con reactores FBR permitiría lograr un proceso de partición y transmutación in-situ de los transuránidos, simplificando el reproceso posterior, la radioprotección, y los flujos asociados. Si se lograra transmutar los transuránidos al 0.5% de su valor original, la radiotoxicidad caería en unos dos órdenes de magnitud.
Por último permite separar elementos aptos para ser usados en fuentes radiactivas para aplicaciones en la medicina, como por ejemplo el 99Mo y 137Cs, que son productos de fisión, como también para la generación radioisotópica de electricidad en satélites y faros, como por ejemplo el 238Pu, 242Cm y 90Sr, y varios otros elementos útiles.
El reproceso de combustible es un proceso controversial, pues por un lado es vital para garantizar la autonomía del recurso uranio, y por otro tiene aplicaciones militares, al obtener plutonio para armas, como se muestra en la Figura 6. En el combustible descargado, aproximadamente el 60% del plutonio es 239Pu después del primer ciclo de reproceso, el que, purificado, constituye una materia prima de muy alta calidad y baja masa, apto para ser usado como explosivo nuclear (una bomba de última generación, de 239Pu y 241Pu, dopada, requiere de unos 5 kg de muy alta pureza, equivalente a una esfera de 8 cm de diámetro). Luego, aparece una componente adicional cuando se transporta plutonio, ante el riesgo de abordaje y captura por un grupo terrorista intermediario de un país con ambiciones de armamento nuclear. No obstante, después de unos cinco ciclos de reproceso, el plutonio posee menos 239Pu y más plutonio 238Pu, 240Pu 242Pu, muy inestables para ser usados en un arma nuclear. Por otro lado, el reproceso deja de justificarse económicamente cuando hay suficiente uranio disponible a bajo costo, pues el reproceso eleva el costo unitario de combustible y complica el proceso de fabricación.
Por ello, en varios países no se realiza, dejándose los elementos combustibles en piscinas temporales contiguas a los reactores, en espera de soluciones de largo plazo. Puede notarse que los explosivos también pueden ser fabricados a partir de uranio de muy alto enriquecimiento (HEU) en 235U (>90%) y purificado, al intensificar la magnitud del proceso de enriquecimiento respecto de su versión comercial, o bien repitiendo muchas veces el proceso. El HEU es mucho menos práctico que el plutonio, pues requiere de una esfera de unos 14 cm de diámetro. Por esta relación con las armas nucleares, presentes en unos pocos países, la industria nuclear ha sido muy entorpecida.
Tendencias en el Transporte de Materiales Nucleares.

El transporte de materiales nucleares sólo ha cobrado notoriedad en Chile desde hace algunos años, con el transporte de materiales desde Europa a Japón. No obstante, los viajes vienen sucediendo desde hace más tiempo. Esto obedece a una política energética de creciente autosuficiencia y de muy largo plazo, que ha exigido mayor énfasis en la energía nucleoeléctrica, que se estima crecerá a ritmos superiores al 4% anual, y que sorprendió a ese país sin la debida capacidad propia de reproceso. El transporte marítimo se debe a que Estados Unidos (dueño del combustible original) no permitió el transporte aéreo. La Ley 94-79 de 1975 prohibió el tráfico aéreo de plutonio hasta no desarrollar un contenedor que resistiese la caída y explosión del avión. Se fabricaron paquetes de mayor resistencia que la exigencia original, pero de tamaño relativamente pequeño para uso en gran escala comercial. Esta ley ha obligado a otros países a modificar sus políticas de transporte aéreo, eliminándose como opción, y dando paso obligado al transporte marítimo. La ruta ha sido aparentemente elegida para evitar grupos de presión, y abordaje.


La subcontratación de los servicios de reproceso por Japón data de 1977, cuando se llevaron por primera vez parte de las 7000 toneladas de combustible usado a las plantas de La Hague(Francia) y Sellafield (UK). A cambio de un valor se les entregarán unas 30 toneladas de plutonio, junto a los desechos de la operación, que serán devueltos en transportes sucesivos hasta el año 2010. En 1977 entró en funcionamiento a nivel experimental la planta de reproceso de Tokai, en Japón y recientemente, en 1993, se inició la construcción de la planta de reproceso de Rokkashomura, que durará hasta el año 2000, diseñada para reprocesar 800 toneladas al año, la que se encargaría de separar otras 50 toneladas de plutonio acumuladas en el combustible usado hasta el 2010. A partir de ese año, vendrán otras tres plantas de reproceso, y no será necesario el transporte masivo debido a la independencia en el ciclo de combustible nuclear.
Debido a los problemas actuales que afectan la imagen y competitividad de la energía nuclear, existe una reducción del número de pedidos de nuevas centrales nucleoeléctricas, al que se suma la salida planificada de centrales que van cumpliendo su vida útil. Por otro lado, se espera se cumplan progresivamente las tendencias energéticas, que implican un aumento del costo de generación, donde la energía nuclear posee ventajas relativas.
Hacia el año 2020 se espera que confluyan dos fenómenos; el primero de ellos como resultado de una importante pérdida de participación de generación eléctrica en el corto plazo, lo que expondrá a varios países al uso de energías más caras y contaminantes; el segundo, la disponibilidad de reactores denominados avanzados, de media potencia, de bajo costo relativo de construcción, aptos para mercados en desarrollo y que, a la vez, incorporan sistemas pasivos de seguridad, más confiables y efectivos que los activos. Como resultado, es posible anticipar a partir de esa fecha una recuperación sostenida de la participación de la energía nuclear. Además, este efecto hará que el costo del uranio natural aumente, con un consiguiente incremento de la demanda e importancia del reproceso de combustible. Si los proveedores de reproceso permanecen concentrados, implicaría un aumento del transporte, pero no necesariamente por la vía marítima.
La siguiente Tabla indica las capacidades actuales (y las capacidades adicionales esperadas en el plazo de una década) de reprocesamiento para reactores de agua liviana (LWR, los más comunes), en toneladas de metal pesado
(THM), actualmente concentrado en pocos países.

├──────────────────┬──────────────────┬──────────────────┬──────────┐

│ País │ Reactores LWR │ Reactores FBR │ Otros │

│ │ │ │ Reactores│

│ │ │ │ │

│ │ │ │ │

│ │ │ │ │



Francia

1200 (+400)


5

600

India







200 (+400)


Japón

100 (+800)








Rusia

400

(+1500)









Inglaterra

1200 (+400)


10

1500

Total:


2900 (+3100)


15

2300 (+400)

Estados Unidos posee una de las mayores capacidades de reproceso, pero no las opera comercialmente, pues optó en los años 70 por un ciclo abierto en generación de energía, para así desincentivar la proliferación horizontal de armas nucleares, destinando esas plantas a su programa militar. También existen capacidades menores en otros países, tales como Alemania, Bélgica, Argentina, e Italia.


El colapso de la Unión Soviética y su pérdida de poder relativo frente a Estados Unidos ha permitido iniciar un incipiente desmantelamiento de las cabezas nucleares. El arsenal nuclear actual, entre armas operativas y arsenales es de unas 55000 cabezas totales, mayoritariamente entre Estados Unidos y la ex Unión Soviética, con un inventario de alrededor de 1000 toneladas de uranio de alto enriquecimiento y unas 220 toneladas de plutonio, combustible suficiente para unos 4 años de generación nucleoeléctrica. Actualmente, se estima que se desmantela a una tasa de no más de 4000 por año, limitada por el elevado costo del desarme. Se prevé que en unas dos décadas se habrá desmantelado el 50% de los arsenales, quedando ese valor a futuro. Estados Unidos ya ha comprado uranio enriquecido a Rusia, y es posible esperar que también exista comercialización y transporte de plutonio.
En el mediano o largo plazo, dependiendo de la evolución del precio del uranio, y también de las tendencias políticas, se prevé una introducción progresiva de los reactores FBR que consumen y demandan plutonio, los que además, pueden convertir in-situ los elementos químicos de larga vida media, simplificando el reproceso y los flujos asociados. Cabe destacar que antes de que se agote el uranio natural, se espera haber dominado la tecnología de la fusión nuclear, cuyas materias primas candidatas para combustible son el deuterio, el helio, y el tritio. De lograrse la compleja tecnología de reactores de fusión, estimado en al menos unos 50 años más, en especial aquella que considera el deuterio, que está contenido en el agua, se contaría con un recurso limpio, casi sin residuos radiactivos, y prácticamente inagotable.
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