¿Es posible enviar todos los residuos nucleares de la Tierra al Sol?

Question

Si no tenemos en cuenta el peligro de que el cohete no despegue y el coste, ¿sería físicamente posible enviar todos los residuos nucleares de la Tierra al Sol? ¿Habrá algún obstáculo que lo impida? ¿Por ejemplo, los vientos solares?

Answer 1

Enviar los residuos nucleares al sol es, por supuesto, físicamente posible, pero hay un obstáculo importante: la energía y, por tanto, el dinero.

Consideremos el lanzamiento de un barril de residuos nucleares al sol. No se quiere que los residuos empiecen a orbitar alrededor del sol y acaben cayendo a la Tierra, así que hay que enviarlos directamente al sol. Sin embargo, la Tierra se desplaza alrededor del sol a una velocidad de $30$ km/s, por lo que habría que dar al cañón una velocidad inicial de al menos unos 30 km/s para que se quede quieto en el marco de referencia heliocéntrico -los efectos de la rotación de la Tierra son despreciables-. Esto es dos veces la velocidad máxima de un cohete Ariane 5.

Ahora, digamos que quieres enviar una tonelada de residuos al sol. Para que un cohete de cuatro etapas alcance esta velocidad, con esta carga útil, utilizando el mejor combustible conocido -es decir, hidrógeno líquido y oxígeno líquido-, necesita pesar alrededor de $44\times 10^3$ toneladas: esto es más de 10 veces la masa del Saturno V. Ahora, supongamos que la masa de su cohete es más realista, digamos $3,000$ toneladas. Entonces, la carga útil que finalmente llegue al Sol pesaría unos 100 kg, y costaría unos 4 M \$ per kilogram. In comparison, based on the Yucca Mountain nuclear waste repository, it seems that storing nuclear waste underground costs around 1000\$ /kg.

Por último, como has dicho, el cohete podría resultar muy dañado por los vientos solares, por lo que habría que proteger los residuos nucleares en un bote de acero. Entonces, sólo la mitad de la carga útil serían residuos nucleares.

Answer 2

Mientras que otros han destacado el coste prohibitivo (del orden de la magnitud del PIB estadounidense) y el riesgo 1 , el tiempo y la manipulación serán un problema también. Ambos están relacionados: El factor clave común para la manipulación segura de los residuos de alta actividad es, como es lógico, un blindaje eficaz, que inevitablemente implica una gran masa de blindaje. En primer lugar, mostraré que se necesitará un número irreal de lanzamientos incluso para el combustible casi sin blindaje. A continuación, abordaré brevemente las dificultades que entraña su manipulación durante los lanzamientos.

Masa

Examinemos la masa que necesitamos para lanzar. Esto es algo complicado: ¿estamos midiendo la cantidad neta de residuos nucleares? ¿Barras de combustible gastadas? ¿Residuos vitrificados? ¿Residuos en hormigón? ¿Qué cambiaría si estuviéramos seguros de lanzarlo al espacio? ¿Seguiría siendo necesario sellarlo tan bien? Después de todo, el altamente radiactivo y El combustible gastado, altamente venenoso, debe ser separado cuidadosamente de la biosfera también durante el lanzamiento. (De hecho, supongo que dispararlo al sol es su idea de la separación definitiva).

Un número que flota por ahí es Más de 70.000 toneladas de combustible gastado en EE.UU, o algo así como 200.000 a 300.000 toneladas en todo el mundo. Esto se ajusta a la cifra de unas 25 toneladas de combustible gastado por año y reactor, suponiendo que los aproximadamente 400 reactores de todo el mundo hayan funcionado 30 años: 12.000 años-reactor con 25 toneladas/reactor/año. Pero esto es un peso neto. Para transportar y manipular el combustible se suele fundir con vidrio o sellar en hormigón, triplicando o cuadruplicando la masa. Para transportar el combustible gastado de forma segura, se sella en un contenedor de acero que pesa 100 toneladas por cada 10 toneladas de combustible gastado. 2

Pero supongamos que no intentamos lanzar barriles de acero de combustible gastado ordinarios. De todos modos, no sobrevivirían a un fallo de lanzamiento 3 . En lugar de ello, nos limitamos a lanzar pastillas de vidrio sin blindaje o similares, y esperamos que nuestro cohete pueda soportar la importante radiación durante las pocas horas que transcurren entre la carga y el lanzamiento. Esto todavía implica la necesidad de lanzar una masa bruta global de alrededor de un millón de toneladas para eliminar 200.000 o 300.000 toneladas de residuos nucleares netos.

Un cohete Ariane 5 puede transportar 10 toneladas métricas por lanzamiento a una órbita geoestacionaria; probablemente será menos si queremos salir de la Tierra Esfera de la colina que yo consideraría lo suficientemente bueno para nuestro propósito, dado un pequeño empujón adicional.

Esto se traduce en unos 100.000 lanzamientos (que cuestan quizás 2*10^13 dólares 4 con un coste de 200 millones de dólares por lanzamiento ). SpaceX lanzará más barato, pero por otro lado los mayores requisitos de seguridad pueden encarecer de nuevo los lanzamientos.

Pero mi principal argumento es que aunque lances 2 o 3 cohetes cada maldito día, necesitas 30.000 días, o más de 75 años. Es decir, si se deja de usar la energía nuclear ahora. Las más de 400 centrales nucleares producen unas 10.000 toneladas de residuos netos/30.000 toneladas de residuos brutos cada año necesita 3.000 lanzamientos, lo que hace que enviar los residuos al espacio sea peor que pintar la Torre Eiffel: Mientras se lanza la cantidad de residuos nucleares crece realmente. Es necesario lanzar 10 Arianes cada día para que la cantidad de combustible nuclear no crezca.

Actividad

El combustible nuclear gastado es extremadamente radiactivo. Estar junto a él es letal en cuestión de minutos, sin necesidad de ingerir nada. (¿Recuerdas a los equipos de limpieza de Chernóbil que se turnaban para entrar y salir del reactor en una breve acción de limpieza?) No he podido encontrar información sobre el impacto a corto plazo de la fuerte radiación gamma y de neutrones en la electrónica, aparte de las afirmaciones generales de que hace afectarles.

Aunque el vehículo de lanzamiento pueda soportar la radiación, las personas seguramente no. Ya por razones puramente técnicas no me queda claro cómo, dónde y cuándo se monta el contenedor de carga útil. Será necesario hacerlo en el lugar de lanzamiento general, posiblemente junto a la plataforma, porque después de desembalar el combustible de los barriles de transporte los humanos generalmente no pueden acercarse a él.

Toda la manipulación después del desembalaje debe ser a distancia o robotizada. La manipulación de los gránulos en bruto es algo que se hace normalmente en instalaciones nucleares especiales para evitar la contaminación nuclear del entorno. Están fuertemente reguladas y auditadas, mucho más que cualquier empresa espacial civil. La manipulación del combustible nuclear gastado cambia por completo el carácter del emplazamiento.

Los aspectos no técnicos son al menos igual de desafiantes. La manipulación del combustible nuclear gastado es un riesgo para la seguridad. Los centros de procesamiento son operaciones de alta seguridad por temor a ataques terroristas directos, así como al robo del inventario nuclear, ya sea para una bomba sucia o para el plutonio que contiene. Probablemente será necesario disponer de edificios seguros contra accidentes aéreos y/o defensas antiaéreas, al menos instalaciones de cortinas de humo, porque obviamente el sistema de lanzamiento está expuesto y es vulnerable. Habrá transportes regulares de residuos nucleares de gran volumen desde todo el mundo hasta el emplazamiento, que también tendrán que estar protegidos y deberán superar la posible resistencia política local a lo largo de las líneas de tren o las carreteras. Para lanzar 100 toneladas de residuos vitrificados es necesario transportar tal vez 10 ataúdes de 100 toneladas de peso bruto cada uno, lo que corresponde aproximadamente a un solo tren de transporte, cada día. A modo de comparación, tales transportes se produjeron aproximadamente cada dos años en Alemania durante los últimos 20 años. El último transporte de este tipo, en 2011, necesitó 5 días para cruzar Europa central y estuvo protegido por un fuerza policial de 30.000 personas (¡!). Usted tendría que todos los días.

Calor

Una parte de la radiactividad crea calor del orden de 100kW/t de metal pesado para los residuos frescos, disminuyendo exponencialmente a 1 kW/t después de 10 años. Después de 5 años la actividad puede ser alrededor de 5kW/t, lo que hace que la carga útil de 10t sea una fuente de calor de quizás 25 kW (unos 12 calentadores domésticos), suponiendo 5t de combustible gastado. En este punto, el combustible no se derretirá ni siquiera en ausencia de refrigeración activa, pero una carga útil tan literalmente caliente es ciertamente inusual para un sistema de lanzamiento. Puede afectar a la electrónica y a los tanques de combustible. Supongo que sólo el calor hace necesario minimizar el tiempo entre la carga y el lanzamiento.

Conclusión:

En primer lugar, la necesidad de dejar enfriar el combustible gastado antes de poder hacer nada con él da lugar a una inevitable acumulación de varios años en la Tierra, aunque la perspectiva de lanzarlo al espacio suene seductora al principio.

El transporte y la manipulación del combustible gastado es un asunto peligroso que requiere un elaborado equipo técnico y medidas de seguridad de tipo técnico y militar. Las propiedades físicas de la carga útil son lo suficientemente inusuales como para presentar nuevos retos de ingeniería. 5

La cantidad de existencias de combustible gastado existente, así como el ritmo de producción, harían necesario el lanzamiento de decenas de cargas útiles al día para reducir sustancialmente la cantidad de combustible gastado en la Tierra. Enviar el combustible nuclear existente al espacio sería cuestión de muchas décadas, lo que hace que no sea una solución elegante a corto o medio plazo, sino una operación militar-industrial a gran escala, a largo plazo, excesivamente cara y arriesgada.

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_{¹Aunque los haya excluido explícitamente de su pregunta.}

_{²Cabe mencionar que estos contenedores pueden manejar el combustible gastado sólo después de que haya estado en un <a href="https://en.wikipedia.org/wiki/Spent_fuel_pool" rel="nofollow noreferrer">piscina de combustible gastado </a>durante un par de años, cuando hayan perdido parte de su radiactividad inicial. En otras palabras, no se puede transportar muy bien el combustible gastado fresco, y varios años de combustible gastado estarán en la tierra pase lo que pase por razones puramente técnicas de transporte.}

_{³<a href="https://www.youtube.com/watch?v=D_5nYUkU5Rs" rel="nofollow noreferrer">Pero sobreviven a un choque de trenes.</a>}

_{⁴<a href="https://www.bea.gov/newsreleases/national/gdp/gdpnewsrelease.htm" rel="nofollow noreferrer">El PIB de EE.UU. es de unos 1,9*10^13 dólares.</a>}

_{⁵Este es realmente el caso <em>no importa qué </em>que se hace con el combustible. Incluso el simple hecho de enterrarlo crea retos de ingeniería inusuales, porque el calor y la radiación aceleran la corrosión y el deterioro general de las contenciones.}

Answer 3

Es posible, pero será al menos un doble desperdicio de recursos.

1. El lanzamiento será, como James respondió muy caro.
2. ¿Quién dice que los residuos nucleares serán residuos ¿para siempre? Hay esfuerzo para reciclar los residuos nucleares. Cuando tenga éxito, los residuos se convertirán en un recurso .

Answer 4

Sí, lo es. Pero considere la gran cantidad de residuos radiactivos, por ejemplo. Cantidad de residuos radiactivos

Respuesta corta: Los residuos almacenados en Estados Unidos son aproximadamente 60.000 toneladas (residuos de alto nivel). Si se toma esta cifra y se multiplica por cuatro, ya que en EE.UU. hay 104 de las más de 400 centrales nucleares del mundo, se obtienen 240.000 toneladas. tiene 104 de las más de 400 centrales nucleares del mundo y obtenemos 240.000 toneladas. No estoy de acuerdo en que haya que enviar cosas directamente al sol. Una vez que sale de la órbita terrestre, desaparece de todos modos. Así que asumamos los costes básicos de lanzamiento (aunque sólo son hasta la órbita, hay que salir de ella, así que será más caro). por ejemplo Costes de lanzamiento 27.000 dólares por libra

Eso es demasiado caro para una eliminación de residuos. Preferiría considerar la perforación de un pozo MUY profundo, digamos de 10 km, si quieres olvidarte de los residuos para siempre, sería mucho más barato sin duda.

Answer 5

¿Habrá algún obstáculo que lo impida? ¿Por ejemplo, los vientos solares?

El viento solar es efectivamente inofensivo para la mayoría de las naves espaciales, a menos que estén expuestas durante periodos muy largos de tiempo, en cuyo caso el vidrio conductor sobre el matrices solares suelen ser las partes que sufren más daños (es decir, el cristal se vuelve lentamente "negro", lo que reduce la eficiencia de los paneles solares). El mayor problema sería ablación de los fotones de alta energía cerca del sol. Si no se hace correctamente, el cuerpo de la nave espacial se vaporizaría por completo cuando todavía está muy por encima del fotosférico superficie (es decir, la superficie solar). Es decir, si su intención era atrapar los residuos radiactivos en el pozo de gravedad solar.

El Sonda Solar Plus misión se enfrenta a problemas similares, es decir, cómo acercarse sin ablación. Puede que los enlaces de la página web de la misión te resulten útiles.

Nota al margen: Si la nave espacial se ablanda antes de quedar atrapada por el pozo de gravedad, los efectos en la Tierra ni siquiera serían medibles.

Si sólo adiabáticamente expandir una tonelada de puro uranio más de 1 AU de forma esféricamente simétrica, la densidad cambiará como $\rho \propto r^{-2}$ . En estado sólido, el uranio tiene una densidad de ~19,1 g/cm 3 o ~19100 kg/m 3 por lo que una tonelada métrica (es decir, 1000 kg) de uranio ocuparía inicialmente un volumen de ~0,0524 m 3 o ~52,5 litros. Si ahora disminuimos esa densidad por el $r^{-2}$ (asumiendo una conservación de la masa) sobre 1 UA, entonces en la Tierra el número de partículas de uranio por metro cúbico sería de ~10 -24 m -3 . A modo de comparación, la densidad numérica típica de protones en el entorno cercano a la Tierra es de ~10 cm -3 o ~10 6 m -3 .

En resumen, aunque la nave se ablandara completamente a baja altura cerca del sol y fuera recogida por el viento solar, para cuando llegara a la Tierra no habría efectos medibles (es decir, nunca podríamos medir densidades numéricas tan bajas).

Si no tenemos en cuenta el peligro de que el cohete no despegue y el coste, ¿sería físicamente posible enviar todos los residuos nucleares de la Tierra al Sol?

Estoy de acuerdo con el comentario de @Luaan en que ya estamos encontrando uso a las llamadas barras de combustible nuclear "gastadas", por ejemplo, busquen artículos sobre reactores reproductores . Con el blindaje adecuado, también podrían utilizarse como fuentes de calor bajas de larga duración, reduciendo los costes de energía, etc. Por supuesto, la preocupación por los usos inadecuados (por ejemplo, para bombas sucias) siempre está presente, pero hay formas de hacer que la extracción sea excesivamente inútil.

Por ejemplo, los contenedores actuales utilizados para almacenar las barras de combustible gastadas pueden soportar las fuerzas producidas por un impacto supersónico con hormigón sólido, la exposición al napalm ardiente durante más de 24 horas, la mayoría de los artefactos explosivos de gran potencia, etc. sin perder su capacidad de contención. Básicamente, la cantidad de fuerza/energía necesaria para romper uno de estos contenedores me preocuparía mucho más que cualquier cosa dentro de los contenedores.