De todos los elementos que forman la corteza terrestre, uranio es razonablemente abundante, ocupando el puesto 49, por delante de elementos como el estaño, el tungsteno y la plata. Desde que la humanidad comenzó a explotar el uranio por sus propiedades fisionables en la producción de energía, esta abundancia también se ha traducido en una disponibilidad generalizada para minería. A partir de 2019, Kazajstán, Canadá y Australia formaron los principales productores del mundo y representaron alrededor del 68% de la producción.

Teniendo en cuenta la enorme densidad energética del uranio cuando se utiliza como combustible en un reactor de fisión nuclear, la demanda de uranio es relativamente baja, especialmente en combinación con los largos ciclos de recarga (dos años en promedio) de los reactores comerciales. El efecto es que, incluso con el muy ineficiente ciclo de combustible de paso único, que solo utiliza una fracción de la energía potencial del combustible de uranio, los precios de mercado del uranio se han mantenido relativamente bajos y estables incluso en medio de crisis geopolíticas.

A pesar de esto, el aumento paulatino de mercado de uranio precios ($10/lb en 2003, $49/lb en 2022), así como la rápida construcción de nuevos reactores está impulsando nuevas exploraciones. Aquí, las innovaciones recientes pueden hacer que el combustible de uranio sea aún más accesible para todas las naciones, al desbloquear los miles de millones de toneladas de uranio que se encuentran en el agua de mar, así como las muchas toneladas de cenizas volantes producidas por las plantas de carbón todos los días.

Es la economía, tonto

Efecto del precio del uranio en el costo del combustible (fuente: Asociación Nuclear Mundial)
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La razón principal por la que la mayoría de los operadores de plantas nucleares optan por un ciclo de combustible que solo usa una fracción del U-235 fisionable, es que los costos de combustible para una planta nuclear son increíblemente bajos. Si bien los costos iniciales de una nueva planta de energía nuclear a nivel de GW son considerables, los costos operativos durante su vida útil de 40 a 100 años son muy bajos, que es donde el costo adicional de reprocesar el combustible gastado para eliminar los actínidos recién formados y transuránicos, hace poco sentido económico.

Este ángulo económico es también uno de los factores que ha hecho que el desarrollo de reactores de neutrones rápidos (FNR) poco atractivo. Si bien estos FNR pueden generar su propio combustible a partir de isótopos fértiles a través de la captura de neutrones, son más complicados y costosos que un reactor de agua ligera, prácticamente todas las plantas nucleares comerciales en funcionamiento en la actualidad. Todos estos factores juegan un papel en si ciertos recursos de uranio son económicos para extraer del suelo o de otras fuentes, al tiempo que hacen bastante obvio por qué la extracción de uranio de las cenizas volantes y el agua de mar no era económica antes.

Aunque los mares y océanos de la Tierra contienen aproximadamente 4.6 millones de toneladas de uranio, su dilución en estas vastas aguas significa que hay que filtrar una sustancia de la que solo hay unas pocas moléculas por billón. De manera similar, para las cenizas volantes, la separación del uranio de los otros componentes de las cenizas debe realizarse de una manera que sea lo suficientemente eficiente como para competir con los métodos de minería existentes, como la lixiviación in situ (ISL).

Sin embargo, otro beneficio potencial de la extracción de uranio del agua de mar y las cenizas volantes es que puede evitar por completo el impacto ambiental de la minería tradicional, al tiempo que ayuda potencialmente a abordar el peligro ambiental que representan las cenizas volantes.

Problema de residuos de carbón

Fotografía aérea del derrame de cenizas volantes de carbón de Kingston Fossil Plant.
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Ceniza de carbón consiste en la ceniza que queda en el fondo de la caldera junto con la ceniza fina, o ceniza volante, que es capturada por precipitadores electrostáticos o equipos similares instalados en o cerca de las chimeneas de la planta de carbón. Contiene algo de carbono sobrante, junto con grandes cantidades de dióxido de silicio, óxido de aluminio y dióxido de calcio. Además, contiene elementos traza de muchos metales pesados ​​y sustancias igualmente problemáticas, como arsénico, cadmio, cromo hexavalente, plomo y mercurio.

Encontrar una manera de reciclar o procesar las cenizas volantes ha sido un tema cada vez más problemático, especialmente ahora que las cenizas volantes generalmente ya no se liberan a la atmósfera, sino que se almacenan en enormes estanques de cenizas de carbón. Estos estanques constituyen un peligro potencial, como lo ilustra el 2008 Derrame de lodos de la planta de combustibles fósiles de Kingston, que liberó 4.2 millones de metros cúbicos (1.1 millones de galones estadounidenses) de cenizas volantes mezcladas con agua en el río Emory adyacente. La limpieza posterior costó la vida de aproximadamente 40 trabajadores debido a la exposición a los químicos peligrosos.

Si bien las cenizas volantes se mezclan cada vez más en todo, desde concreto hasta asfalto y pasta de dientes, la gran cantidad producida significa que una cantidad significativa de aproximadamente 34.7 × 10⁶ toneladas de cenizas volantes producidas por plantas de carbón solo en los EE. UU. cada año terminan en vertederos. La extracción de cenizas volantes para obtener elementos útiles como el uranio podría ayudar a reducir su volumen total, al tiempo que podría facilitar el uso del material sobrante.

Torta amarilla, también llamada urania.
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Ya en 2007, Sparton Resources de Canadá reportaron productor pastel amarillo (principalmente U₃O₈) de cenizas volantes de una planta de carbón china. Se encontró que los niveles de uranio eran de alrededor de 160 ppm, lo que corresponde a alrededor de 0.2 kg de torta amarilla de una tonelada de ceniza. Como señaló por The Economist en un artículo de 2010, esto se compara con las 1,000 ppm o más en el mineral de uranio. Usando un proceso que involucra ácido sulfúrico y clorhídrico que recuerda a la lixiviación in situ, el uranio y otros elementos disueltos se filtran y precipitan usando carbonato de amonio.

En ese momento en 2010, Sparton afirmó poder extraer un kilogramo de uranio de esta manera por $ 77, y el precio de mercado al contado del uranio era entonces de $ 90. La mayor parte de la I+D sobre este tema parece tener lugar en China, donde se considera una fuente viable de combustible de uranio, especialmente a la luz de los más de cien nuevos reactores nucleares que China ha planificado o está desarrollando. en proceso de construir, y su enfoque en la autosuficiencia.

Sun et al. (2016) describen la extracción de uranio de las cenizas de fondo y la alta concentración de uranio (374 mg/kg) en las cenizas de fondo que quedan después de quemar carbón con alto contenido de germanio. Aunque el uranio extraído de CFA aún no es una gran industria, la investigación en curso y los ensayos a pequeña escala, como se describe, muestran la viabilidad de este enfoque.

Minería de los océanos

El concepto de filtrar el uranio de las aguas marinas y oceánicas es simple: esencialmente se reduce a bombear la mayor cantidad de agua posible a través de un sistema de filtro que retendrá los elementos que nos interesan, después de lo cual las moléculas de uranilo pueden ser más transformado en combustible para reactores. Donde las cosas se complican es que, aunque los océanos contienen cientos de veces más uranio fácilmente accesible que la tierra firme, la baja densidad de unas pocas partículas por billón (ppb) hace que sea esencial contar con un método de filtrado altamente eficiente.

As señaló por un artículo de Stanford de 2017, el enfoque utilizado en ese momento consistía en pegar fibras de plástico que contenían un compuesto llamado amidoxima en el agua y esperar a que las fibras se saturen con uranilo, que luego se puede procesar. En 2018, PNNL reportaron recuperando un gramo entero de torta amarilla del agua de mar de esta manera.

En un estudio publicado el año pasado en Naturaleza, Yang y col. (2021), demuestran un enfoque alternativo en el que el agua de mar se conduce a través de una membrana porosa jerárquica, similar a la red de ramificación de un pulmón o vasos sanguíneos. Recubriendo el interior de los canales así formados con amidoxima y forzando el agua que contiene uranio a través de ellos, demostraron una tasa de extracción significativamente mejorada en comparación con los intentos anteriores, principalmente debido al área de superficie enormemente aumentada y al mayor flujo de agua a través de la amidoxima- material revestido

Una vez alcanzada la saturación, el uranio se puede disolver utilizando ácido clorhídrico, siguiendo el enfoque de procesamiento habitual en combustible para reactores. La membrana así limpia se puede reutilizar muchas veces, lo que la convierte en una opción potencialmente económica y una forma de extraer uranio para las propias necesidades de cualquier nación que tenga acceso a una masa de agua marina o oceánica.

No se agota pronto

A diferencia de los combustibles fósiles, que están comenzando a ver algunas caídas significativas en la producción debido a que muchos de los mejores yacimientos de petróleo, carbón y gas han sido explotados hasta el agotamiento, los reactores de fisión que utilizan solo uranio como combustible pueden sostener a la sociedad humana en sus niveles de energía actuales durante miles de años, incluso sin una inversión significativa en el reprocesamiento del combustible gastado, o en reactores de neutrones rápidos. Quizás aún más tentador es que agrega la limpieza de los desechos tóxicos creados por las plantas de carbón como una característica de esta transición.

Además de explotar las cenizas volantes para obtener uranio, algunos investigadores están tratando de determinar si los elementos de tierras raras también pueden recuperarse económicamente de estas cenizas. De esta manera, la contaminación de ayer posiblemente ayude a impulsar el futuro, en un giro irónico.

Imagen de pancarta: Chien Wai de PNNL sosteniendo un vial con 5 gramos de torta amarilla recuperada del agua de mar.