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Las bacterias en los repositorios geológicos para residuos nucleares de
alto nivel
Guadalupe de la Rosa1 *, Diana E. Vázquez-Álvarez1 , Irene Cano-Rodriguez1 , Rosalba
Fuentes-Ramirez1 , Francisco Martínez-González2 , Phillip C. Goodell3
1
Departamento de Ingeniería Química, Facultad de Química Universidad de Guanajuato;
Facultad de Ingeniería Geomática e Hidráulica, Universidad de Guanajuato;
3
Environmental Science and Engineering Ph.D. Program, The University of Texas at El
Paso.
*(473)7320006 ext 8139
E- mail: delarosa@quijote.ugto.mx
Resumen
En los últimos años se han estudiado y sintetizado diferentes materiales para la fabricación
de contenedores de residuos radiactivos. Además de los estudios para la selección del
material, es importante que se evalúen los riesgos potenciales de degradación de dichos
contenedores ya que esto implica la posibilidad de que el material radiactivo que contienen
sea liberado al medio ambiente. Existen pocas investigaciones sobre el papel que las
bacterias podrían jugar en la degradación de estos contenedores. Por las características de
los contenedores y de los depósitos geológicos en donde se pretenden confinar, algunos
microorganismos extremófilos serían los más aptos para sobrevivir. Algunos resultados han
indicado que ciertas bacterias podrían en realidad inducir la corrosión del contenedor y el
transporte de radionúclidos. Debido a que los efectos a largo plazo de las bacterias en estos
depósitos son muy difíciles de predecir, y que además la factibilidad de mantener un
ambiente estéril en estos lugares es prácticamente imposible, sería importante tomar una
serie de precauciones con el fin de reducir los riesgos de degradación de los contenedores.
Entre las precauciones que se podrían realizar se incluye el reducir, en la medida de lo
posible, la presencia de agua y de nutrientes. Puesto que los repositorios geológicos
presentan características muy variadas, el empleo de modelos matemáticos para predecir el
comportamiento tanto de las bacterias como del medio geológico promete ser una
herramienta muy útil. De esta forma se tendrían elementos valiosos para determinar los
riesgos implicados cuando se hace la selección de un sitio para fines de confinamiento de
residuos radiactivos.
Palabras clave: repositorios geológicos, contenedores, corrosión, bacterias.
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Introducción
El uso de la energía nuclear genera controversia y en ocasiones polariza opiniones.
Sin embargo, en muchos países del mundo es una fuente importante de energía para la
generación de electricidad. Esta actividad, como cualquier otra, genera residuos de los
cuales los llamados de alto nivel son los de manejo más delicado. Los residuos radiactivos
de alto nivel incluyen el combustible usado (también llamado gastado) de las plantas
nucleares y algunos subproductos. Es importante para el sistema de disposición final tener
en cuenta la actividad del residuo radiactivo. Así, cuando actividad es baja, es requerible un
aislamiento mínimo de 50 años con un sistema superficial con mejoras de ingeniería. Para
media actividad es requerible un aislamiento de 300 años contemplando por ejemplo un
repositorio monolítico de hormigón cercano a la superficie. En el caso de alta actividad el
aislamiento debe garantizarse por más de 300 años y ser un repositorio geológico profundo
(CNEA, 2002)
Se han diseñado diferentes contenedores para los residuos de alto nivel y se ha investigado
ampliamente acerca de los tipos de material que pueden ser utilizados en estas actividades.
La Figura 1 muestra un diagrama de un casco para transportación y eventual contenedor
con sus componentes. Hasta el año 2005 en los Estados Unidos, las albercas y los
contenedores de casco seco eran los únicos métodos aprobados por la U.S. Nuclear
Regulatory Commission para el almacenamiento de combustible usado (NRC web page,
2003). A lo largo del tiempo se han estudiado diferentes materiales que puedan utilizarse
para este propósito. En los años cincuentas se realizaron intensas investigaciones para
desarrollar y mejorar vidrios de diferentes composiciones que pudieran proveer un
ambiente más seguro para el almacenamiento de este tipo de residuos (Ewing et al., 1995).
Más tarde, en los setentas, apareció un nuevo material cerámico llamado Synroc, el cual
prometió ser una excelente opción debido a su durabilidad y efectividad para inmovilizar
diferentes formas de residuos radiactivos de alto nivel (Jostsons, 2002). También se
elaboraron algunos otros materiales cerámicos incluyendo derivados de óxido de titanio y
algunas formas cementosas. La aplicación de estos materiales depende de las cara cterísticas
específicas de los residuos que se desee guardar (Ewing et al., 1995).
Además de seleccionar el tipo de contenedor, muchos otros factores tienen que considerarse
cuando se hace la elección del lugar que ha de servir como repositorio final. En la selección
de un lugar adecuado para la evacuación de desechos radiactivos deberá tenerse en cuenta
factores como: geología, hidrogeología, y sismicidad, meteorología, aprovechamiento de la
tierra, distribución de la población y protección del medio ambiente, entre otros. En el
mundo se han diseñado diferente tipos de instalaciones para desechos radiactivos de
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actividad baja e intermedia. Aproximadamente el 62% son instalaciones cerca de la
superficie ( a unos diez metros de la superficie terrestre); el 18% son instalaciones más
simples cerca de la superficie: el 7% cavidades subterráneas excavadas; y el 4%,
repositorios geológicos. Klinsberg y Duguid (1982) publicaron “Isolating Radioactive
Wastes”, en donde explican paso por paso los aspectos más importantes que se deben tomar
en cuenta para seleccionar apropiadamente este tipo de lugares, sobre todo considerando
que los residuos sean de alto nivel y transuránicos. Sin embargo, los autores no hacen
mención acerca de el posible efecto que los microorganis mos pudieran tener en la
seguridad de dichos repositorios, este problema también debe atenderse. Más recientemente,
algunos investigadores han reportado la caracterización de una bacteria que se ha
encontrado en lugares que podrían ser repositorios geológicos potenciales. Además se han
reportado diferentes estudios sobre el efecto de éstos microorganismos en los materiales
que se utilizan para guardar los residuos mencionados. El objetivo de este trabajo es el de
resumir los estudios existentes relativos a la disposición de residuos nucleares y al efecto de
los microorganismos en los contenedores y las rocas, así como en el transporte de
radionúclidos.
La Montaña de Yucca aparece en escena.
De acuerdo con la Nuclear Waste Policy Act de 1982, los residuos radiactivos de alto nivel
deben ser dispuestos bajo tierra; la montaña de Yucca, localizada en el estado de Nevada,
fue elegida como el candidato para que se llevara a cabo la caracterización (NRC webpage,
2003). Uno de los propósitos de el U.S. Department of Energy (D.O.E.) es proteger el
medio ambiente y proveer un lugar seguro para el almacenamiento de los mencionados
residuos (DOE webpage, 2004). D.O.E. es también la sección gubernamental que realizó
los estudios necesarios para determinar si la Montaña de Yucca es el sitio apropiado para
ser usado como repositorio de residuos radiactivos de alto nivel. Los estudios de D.O.E.
comenzaron en 1978 (Yucca Mountain Project webpage, 2004) y hasta el 2002 se habían
completado los siguientes proyectos: (a) Un túnel de 5 millas de longitud; (b) Pruebas
exploratorias experimentales; (c) Estudios para determinar el equipo más apropiado para
realizar las perforaciones donde el residuo será depositado y (d) Estudios que determinarán
el efecto del calor en la roca (Telfer, 2002). La caracterización del lugar se concluyó en
Febrero del 2002, pero muchos estudios están aún en progreso debido a que se requiere una
muy completa descripción del sitio. El siguiente paso es obtener una licencia de la U.S.
Nuclear Regulatory Commission para comenzar a operar el sitio. Sin embargo el Estado de
Nevada ha realizado protestas (Telfer, 2002).
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Función y composición de los paquetes de residuos.
De acuerdo con el reporte YMSER (Yucca Mountain Science and Engineering
Report) (2002), los contenedores de residuos de la montaña de Yucca fueron diseñados para
trabajar mejor en zonas insaturadas (o zonas de aireación). Los contenedores tienen capas
interiores y exteriores que pueden estar fabricadas de diversos materiales incluye ndo
Aleación 22 y Acero puro. Además, un escudo de titanio proporciona protección extra al
contenedor del residuo y el gas helio previene la oxidación y ayuda en el proceso de
transferencia de calor para controlar temperatura en los residuos nucleares. La YMSER
además explica las funciones de los contenedores de residuos, las cuales son: (a) restringir
el transporte al medio ambiente de los radionúclidos; (b) proveer protección contra la
criticalidad (mediante la cual se generaria una enorme cantidad de calor); (c) prevenir
reacciones indeseables; (d) mantener íntegra las estructura de los residuos; (e) prevenir la
corrosión; (f) proveer estabilidad al residuo; y (g) facilitar la descontaminación de la
superficie de los contenedores de residuos. Esto indica que los aspectos físicos y químicos
han sido cubiertos en su totalidad. Sin embargo, el aspecto biológico ha sido olvidado. De
hecho, el efecto de los microorganismos en los contenedores de residuos para usarse en la
Montaña Yucca no ha sido tomado en cuenta y como ha sido mencionado, este es un
aspecto que debe ser estudiado y discutido. Se puede pensar que la radiación provee un
ambiente estéril. Sin embargo se sabe que algunos microorganismos son capaces de resistir
ambientes extremos. Por lo que la esterilidad puede no ser cubierta completamente.
Las bacterias resistentes a la radiación iónica han sido clasificadas como polyextremófilos y
algunos científicos las han llamado toxitolerantes. Estas bacterias y algunas otras especies
pueden tener un rol en la corrosión de contenedores de residuos así como también en el
trasporte de radionúclidos.
¿Que se sabe sobre las bacterias en repositorios nucleares?
Un reporte efectuado por el Lawrence Livermore National Laboratory en 1995 (LLNL,
1995) admitió que los factores biológicos pueden afectar el ambiente en los repositorios
geológicos ya sea causando corrosión o influenciando el transporte de radionúclidos.
Alternativamente, se identificaron cerca de 65 especies y subspecies de bacterias que
habitan la Montaña de Yucca (McCright, 2004).
Una investigación extensiva se ha realizado en el Hungarian Upper Permian Siltsone, una
formación geológica importante localizada en Hungría. La investigación se llevó a cabo
con la finalidad de evaluar la seguridad de futuros repositorios nucleares en lo que se
refiere a las posibles condiciones biológicas (Farkas y col., 2000; 2002). Los investigadores
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a cargo de este estudio identificaron un total de 277 bacterias aerobias y anaerobias en ese
lugar. Este número incluye bacterias mesófilicas y termofílicas, así como algunas bacterias
productoras de sideróforos (compuestos que entre otras características, movilizan metales).
También se reportó la presencia de bacterias productoras de ácidos orgánicos. Además se
identificaron bacterias resistentes a la radiactividad. Rogers et al. (2003) estudiaron la
degradación de materiales cementosos causada por biopelículas de microorganismos. En
este caso una descarga continua de ácidos orgánicos e inorgánicos ca usada por bacterias fue
identificada como la responsable de tal degradación. Aviam y col. (2004) reportaron una
serie de experimentos usando Halothiobacillus neapolitanus y Thiomonas intermedia para
acelerar la degradación. Estos investigadores identificaron movimiento de Ca+2, Si+2, Sr y
Cs+1. Esto puede ser una señal del daño potencial que podrían sufrir los contenedores, así
como de la movilización potencial de los radionúclidos en los repositorios geológicos y
otros sitios de confinamiento. Estudios similares se han llevado a cabo en diferentes países,
incluyendo U.S.A. y Canadá (Pedersen, 1999; Askarieh y col, 2000). Adicionalmente, otros
investigadores han reportado intensa actividad microbiana en almacenes de combustible
nuclear (Santo Domingo y col., 1998).
Otros aspectos que se debieran considerar incluyen el efecto del agua en la posible
degradación de contenedores y el material geológico. Stroes-Gascoyne y Sargent (1998)
reportaron una serie de resultados donde demostraron que la ausencia de agua en las
cercanías de los contenedores impedía el movimiento de la bacteria, así como también su
proliferación reduciendo con ello el riesgo de movimiento de radionúclidos. Sin embargo,
en la presencia de humedad las bacterias proliferarían rápidamente incre mentando así la
probabilidad de daño al contenedor.
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Figura 1. Diagrama de los componentes de un casco transportador de residuos nucleares.
Se ha propuesto que estos mismos podrían servir como contenedores para confinamiento
(Murray, 2003).
Conclusiones.
Los efectos a largo plazo de las bacterias en repositorios nucleares son realmente
difíciles de predecir, y el asegurar la esterilidad del ambiente en estos lugares es
prácticamente imposible. Una serie de precauciones pueden lle varse a cabo para reducir los
riesgos. Entre estas se incluye la disminución, tanto como sea posible, de la presencia de
agua y elementos nutritivos para las bacterias. Debido a que los repositorios de residuos
geológicos poseerán un amplio rango de características, la creación de un modelo
matemático para predecir el comportamiento de las bacterias y del medio geológico será
una excelente herramienta para determinar los riesgos implicados cuando se selecciona un
sitio como repositorio nuclear.
Referencias:
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