Hielo Marino
Temperatura Polo Norte
Este artículo se refiere principalmente a los eventos en el reactor japonés Daiichi-1. El desarrollo en Daiichi-3 parece seguir hoy un curso similar. Las explicaciones en este documento le ayuda-rán a comprender qué está sucediendo allí. Manténgase informado en: www.world-nuclear-news.org.
Estoy escribiendo este texto el 12 de marzo para darle alguna tranquilidad en relación con algunos de los problemas en Japón: la seguridad de los reactores nucleares de Japón. La situación es seria, pero bajo control. Y este texto será largo! Pero después de haberlo leído usted sabrá más sobre las plantas nucleares que todos los periodistas de este planeta juntos. No hubo y no habrá ninguna liberación significativa de radiación.
Por “significante” quiero decir un nivel de radiación mayor a la que recibiría usted durante un vuelo de larga distancia, o bebiendo un vaso de cerveza que proviene de ciertas áreas con altos niveles de radiación natural de fondo.
Nota de FAEC: O mucho peor es manejar un camión cargados con bananas!
Estuve leyendo todas las noticias sobre el incidente desde el sismo. No hubo ni un solo informe (!) que fuese preciso y libre de errores (y parte del problema es también una debilidad en la crisis japonesa de comunicacio-nes). Por “ni libre de errores” no me refiero al periodismo tendencioso o antinuclear –eso es muy normal en estos días. Por “no libre de errores” quiero decir crasos errores relacionados con la física y las leyes naturales, como también a una grosera mala interpretación de los hechos debido a una obvia ausencia de la comprensión básica sobre la manera en que se construyen y se operan los reactores nucleares. He leído un informe de 3 páginas de la CNN donde cada uno de los párrafos contiene un error.
Vamos a tener que cubrir algunos asuntos fundamentales antes de ir a lo que está sucediendo en Japón.
Los reactores BWR son similares a una 'olla de presión' común. El combustible nuclear calienta al agua, ésta hierve y produce vapor, el vapor impulsa las turbinas que producen la electricidad. El vapor es enfriado y condensado en agua, y el agua devuelta al núcleo para ser nuevamente calentada por el combustible nuclear. La olla de presión familiar opera a unos 250ºC.
El combustible nuclear es óxido de uranio. Es una cerámica con un punto de fusión (derretimiento) muy alto, de unos 3.000ºC. El combustible se fabrica en forma de pastillas (piense en pequeños cilindros del tamaño de un block del juguete plástico Lego). Esas piezas son colocadas luego en un largo tubo hecho de Zircaloy que tiene un punto de fusión de 2.200ºC, y finalmente herméticamente sellado. El conjunto es llamado “barra de com-bustible”. Esas barras son colocadas juntas para formar paquetes más grandes, y una cierta cantidad de esos paquetes se introducen en el reactor. Todos estos paquetes juntos y la estructura que los contiene son llamados “el núcleo” del reactor.
La envoltura de Zircaloy es el primer contenedor. Separa al combustible radioactivo del resto del mundo.
El núcleo es colocado entonces en las “cubas de presión”. Esa es la “olla de presión” de la que hablamos antes. Las cubas de presión son el segundo contenedor. Se trata de una muy fuerte “olla” diseñada para contener con seguridad al núcleo para temperaturas de muchos cientos de grados centígrados. Eso cubre los escenarios donde el enfriamiento puede ser restaurado hasta un cierto punto.
Todo el “hardware” o estructuras de acero del reactor nuclear –las cubas de presión y todas las cañerías, bombas, reservas de refrigerante (agua), está finalmente alojado en un tercer contendor. Este tercer conte-nedor es una muy gruesa burbuja hecha del acero y hormigón más resistente, herméticamente sellada. El tercer contenedor está diseñado, construido y ensayado para un solo propósito: contener indefinidamente a un posible derretimiento (o fusión) del núcleo.
Para ese propósito se construye debajo de las cubas de presión (el segundo contenedor) un grueso piso de hormigón, todo esto dentro del tercer contenedor. Esto es el llamado “atrapa núcleo”. Si el núcleo se funde, derrite, fusiona, etc, y las cubas de presión estallan por la presión del vapor (y eventualmente se funden), será atrapado por el “atrapa núcleo”, que impedirá que el combustible fundido y todo el resto salgan al exterior. Se construye típicamente de tal manera que el combustible nuclear derretido se extienda sobre el mismo, y así pueda enfriarse.
Este tercer contenedor está luego rodeado por el edificio del reactor. Es una cáscara externa que se supone mantendrá al tiempo del lado de afuera, y que nada ingrese al edificio. Esta fue la parte que fue dañada en la explosión, pero más de ello más adelante.
Fundamentos de las reacciones nucleares
El combustible de uranio genera calor mediante la fisión nuclear. Grandes átomos de uranio son divididos en átomos más pequeños. Eso genera calor más neutrones (una las partículas que forman al átomo). Cuando el neutrón impacta sobre otro átomo de uranio, éste se divide generando más neutrones y así por delante. Esa es la llamada “reacción en cadena nuclear”.
Ahora, colocar una cantidad de barras de combustible muy juntas llevará muy rápidamente a un sobrecalenta-miento, y después de unos 45 minutos al derretimiento o fusión de las barras. Es importante mencionar en este punto que el combustible nuclear en un reactor no puede jamás causar una explosión atómica del tipo de las bombas atómicas. NUNCA. Construir una bomba atómica es en realdad bastante difícil (pregúntenle a Irán). La explosión en Chernobyl fue causada por un excesivo aumento de la presión, una explosión de hidrógeno, y rotura de todos los contenedores, propulsando material derretido del núcleo al ambiente (una “bomba sucia”). Es importante notar que el reactor de Chernobyl no tenía al tercer contenedor, como tienen todos los reacto-res de Occidente. Por qué eso no sucedió, ni podrá suceder en Japón, más abajo en seguida.
Para controlar la reacción en cadena nuclear, los operadores del reactor usan las llamadas “barras de control”. Éstas absorben a los neutrones y matan a la reacción de manera instantánea. Un reactor nuclear se construye de manera tal que, cuando opera normalmente se quitan todas las barras de control. El agua de refrigeración se lleva entonces al calor y lo convierte en vapor y electricidad, al mismo ritmo que el núcleo lo produce. Y se tiene un amplio margen de seguridad para moverse en el punto estándar de operación de los 250ºC.
El desafío es que después de insertar las barras de control y detener la reacción en cadena, el núcleo sigue produciendo calor. El uranio detuvo su reacción en cadena. Pero una cantidad de elementos radiactivos intermedios son creados en el uranio durante su proceso de fisión, notablemente isótopos de Cesio y Iodo, es decir, versiones radioactivas de estos elementos que eventualmente se dividirán en átomos más pequeños y no serán más radioactivos. Esos elementos siguen decayendo y produciendo calor. A causa de que no son regenerados desde el uranio (el uranio dejó de decaer luego de que se retiraron las barras de control), se hacen menos numerosos y así el núcleo se enfría en materia de unos días, hasta que esos elementos interme-dios se consumen.
Es el calor residual lo que causa los dolores de cabeza actuales.
De manera que el primer tipo de material radioactivo es el uranio en las barras de combustible, más los elementos radioactivos intermedios en que el uranio se divide, también dentro de la barra de combustible. (Cesio y Iodo).
Existe un segundo tipo de material radioactivo creado, afuera de las barras de combustible. La gran y principal diferencia primero: esos materiales radioactivos tienen una vida media muy corta, significando que se descom-ponen muy rápido y se dividen en materiales no-radioactivos. Por “muy rápido” quiero decir ”SEGUNDOS”. De modo que si estos materiales radioactivos secundarios son liberados al ambiente, sí, se liberó radioactividad, pero NO, no ha sido peligroso para nada. ¿Por qué? Para el tiempo en que usted haya deletreado “R-A-D-I-O-N-C-L-E-I-D-O”, esas partículas ya habrán sido inofensivas porque se habrán dividido en elementos no radio-activos.
Esos elementos radioactivos son 16N, el isótopo radioactivo (o versión) del Nitrógeno en el aire y Cesio. Los demás son gases nobles como el Argón. ¿Pero de dónde vienen? Cuando el uranio se divide genera un neutrón. La mayoría de estos neutrones impactarán sobre otros átomos de uranio mantendrán viva a la reacción ató-mica en cadena. Pero algunos neutrones abandonarán a la barra de combustible y chocarán con las moléculas de agua, o las del aire contenido en el agua. Entonces un elemento no-radioactivo puede capturar al neutrón. Se vuelve radioactivo. Como se describió arriba, rápidamente, en segundos, se liberará del neutrón para regresar a su antiguo estado no radioactivo.
Este segundo tipo de radiación es muy importante cuando más adelante hablemos de la radioactividad liberada al ambiente.
Lo que pasó en Fukushima
Trataré de resumir los hechos principales. El sismo que golpeó a Japón fue 5 veces más potente que el peor sismo para el cual se había construido la central nuclear. La escala de Richter es logarítmica; la diferencia entre los 8.2 para los que fue diseñada la planta, y los 8.9 que ocurrieron es 5 veces, no 0.7. De modo que el primer hurra! Sea para la ingeniería japonesa, todo resistió.
Cuando el sismo golpeó con 8.9 Richter, los reactores nucleares entraron en detención automática. En segun-dos después del comienzo del sismo las barras de control fueron insertadas en el núcleo y la reacción en cadena del uranio se detuvo. Ahora el sistema de refrigeración tenía que llevarse el calor residual. La carga de calor residual alrededor del 3% de la carga de calor bajo condiciones normales de operación.
El sismo destruyó la fuente externa de energía del reactor. Ese es uno de los accidentes más serios para una planta de energía, y por consiguiente un “apagón en la planta” recibe mucha atención cuando se diseña un sistema de respaldo. Se necesita de energía eléctrica para mantener funcionando a las bombas de enfriamien-to. Dado que la planta nuclear había dejado de funcionar y producir electricidad, no podía generar electricidad para proveer energía las bombas de refrigeración.
Las cosas anduvieron bien durante una hora. Un conjunto de múltiples generadores Diesel de emergencia echaron a andar y suministraron la electricidad necesaria. Entonces llegó el tsunami, mucho mayor de lo que la gente esperaba cuando se construyó la planta nuclear. El tsunami dejó sin funcionar a todos los generadores Diesel de respaldo.
Cuando se diseña a una planta nuclear los ingenieros siguen una filosofía llamada “Defensa en Profundidad”. Eso significa que primero se debe construir todo para resistir a la peor catástrofe imaginable, y luego diseñar a la planta de manera tal que pueda resistir el fallo de uno de los sistemas –que uno pensaba que nunca podría fallar- uno tras otro. Un escenario como ese es un tsunami que cancele de un golpe toda la energía de respal-do. La última línea de defensa es poner a todo dentro del tercer contenedor que mantendrá todo, cualquiera que sea el lío, sean las barras de control adentro o afuera, el núcleo derretido o no, dentro del reactor.
Cuando los generadores diesel dejaron de funcionar. Los operadores del reactor conectaron la electricidad proveniente de baterías. Las baterías fueron diseñadas como uno de los respaldos a los demás respaldos, para proveer de electricidad al enfriamiento del núcleo. Y lo hicieron.
Se debía encontrar otra fuente de electricidad antes de 8 horas y conectarla a la central nuclear. La red de energía estaba caída debido al terremoto. Los generadores diesel habían sido destruidos por el tsunami. Entonces se trajeron generadores diesel transportables mediante camiones.
Aquí es donde las cosas comenzaron a ponerse seriamente mal. Los generadores externos no pudieron conectarse a la planta porque los conectores o enchufes no eran los adecuados. De modo que cuando las baterías se agotaron, el calor residual no pudo ser sacado fuera del núcleo.
En este punto los operadores comenzaron a seguir procedimientos de emergencia que están en el lugar para un LOCA (loss of cooling event) o “evento de pérdida de refrigerante”. Es otro paso a lo largo de las líneas de “Defensa en Profundidad”. El suministro de electricidad a los sistemas de enfriamiento no debería haber fallado completamente, pero lo hizo, de modo que se retiraron a la próxima línea de defensa. Todo esto, por chocante que nos parezca a nosotros, es parte del entrenamiento día a día que hacen los operadores para manejar un derretimiento del núcleo.
Fue en este momento en que la gente comenzó a hablar de “fusión del núcleo”. Porque al final del día, si el enfriamiento no podía ser restaurado, el núcleo eventualmente se fundiría –después de horas o días. Entonces entraría a funcionar la tercera línea de defensa y el “atrapa núcleo”.
Pero la meta en esta etapa era manejar al núcleo mientras se estaba calentando, y asegurar que el primer contenedor (los tubos de Zircaloy que contienen al combustible nuclear), como también al segundo contenedor (la “olla de presión”) permaneciese operativo el mayor tiempo posible, para darle tiempo a los ingenieros el tiempo necesario para enfriar los sistemas.
Como enfriar al núcleo es un asunto tan grande, el reactor tiene una cantidad de sistemas de enfriamiento, cada uno en múltiples versiones (el sistema de limpieza del agua del reactor, la remoción del calor de decai-miento, el enfriamiento de aislamiento del núcleo del reactor, y el sistema de emergencia de enfriamiento del reactor). No está claro en estos momentos cuál y cuando alguno de ellos falló o no.
De modo que imagine a nuestra olla de presión sobre la hornalla, el calor al mínimo –pero encendido. Los operadores usan cualquier capacidad de los sistemas de enfriamiento para liberarse de la mayor cantidad posible de calor, pero la presión sigue aumentando. La prioridad ahora es mantener la integridad del primer contenedor (mantener la temperatura de las barras de combustible a menos de 2200ºC), como también el segundo contenedor, las cubas o la “olla de presión”.
Ventear vapor
Para mantener la integridad del segundo contenedor –la olla de presión- la presión tiene que ser liberada de tiempo en tiempo. Porque la capacidad de hacer eso en una emergencia es tan importante, el reactor tiene 11 (once) válvulas de alivio de presión. Los operadores comenzaron ahora a ventear vapor a intervalos para controlar la presión. La temperatura es esta etapa era de unos 550ºC.
Es entonces cuando comenzaron a aparecer los informes de de “filtraciones de radiación”. Creo haber explica-do más arriba por qué ventear el vapor es teóricamente lo mismo que liberar radiación al ambiente, pero tam-bién por qué no era ni es peligroso. El nitrógeno radioactivo, como tampoco los gases nobles, no imponen ninguna amenaza a la salud humana.
En algún momento de este venteo ocurrió una explosión. La explosión tuvo lugar fuera del tercer contenedor (nuestra última línea de defensa), y del edificio del reactor. Recuerde que el edificio del reactor no cumple ninguna función en mantener a la radioactividad contenida dentro del reactor, es decir, no está diseñado para impedir la salida de radioactividad al ambiente. Eso lo hacen los demás contenedores. No está muy claro todavía qué y cómo ocurrió, pero este es un escenario muy posible:
Los operadores decidieron ventear al vapor de las cubas de presión no directamente al ambiente, sino al espacio entre el tercer contenedor y el edificio del reactor para darle a la radioactividad tiempo para decaer. El problema es que a las altas temperaturas que el núcleo había alcanzado en esta etapa, las moléculas de agua pueden disociarse en oxígeno e hidrógeno –una mezcla muy explosiva.
Y explotó, pero fuera del tercer contenedor, dañando al edificio del reactor. Fue esa clase de explosión, pero dentro de las cubas de presión que llevó a la central de Chernobyl a emitir radioactividad al exterior, porque el diseño de reactor era pésimo y no fue apropiadamente manejado por los operadores. Es jamás ha sido un riesgo en Fukushima. El problema de la formación hidrógeno-oxígeno es uno de los más grandes cuando se diseñan los reactores (es decir, si usted no es Soviético), de manera que el reactor es operado de una manera en que eso no pueda suceder dentro del segundo contenedor. Sucedió afuera, algo que no fue lo pretendido pero es un probable escenario y está OK, porque no impone ningún riesgo para el contenedor de las cubas donde está toda la radioactividad.
Sube la temperatura
De manera que la presión estaba bajo control a medida de que el vapor era venteado. Ahora, si se mantiene hirviendo y venteando a la “olla de presión” el problema es que el nivel del agua descenderá cada vez más. El núcleo está cubierto por varios metros de agua para permitir quépase el tiempo (horas, días) antes de que quede expuesto. Una vez que las barras de combustible comienzan a exponerse en la parte superior, la partes expuestas alcanzarán la temperatura crítica de 2200ºC en unos 45 minutos. Este es el momento en que el primer contenedor fallará. Comenzará a fundirse.
Y esto ha comenzado a producirse. El enfriamiento no pudo restaurarse antes de que hubiese algún daño (muy limitado, pero lo hubo) a la cobertura de Zircaloy de algo del combustible. El material nuclear estaba intacto, pero la cáscara de Zircaloy había comenzado a derretirse. Lo que había sucedido ahora es que algunos de los subproductos del decaimiento del uranio. Cesio y Iodo radioactivo- comenzaron a mezclarse con el vapor. El gran problema, el uranio, estaba todavía bajo control, porque las barras de óxido de uranio son buenas hasta los 300ºC. Ha sido confirmado que una muy pequeña cantidad de Cesio y Iodo fue media en el vapor liberado a la atmósfera.
Parece que esto fue la señal de actuar para un gran Plan B. La pequeña cantidad de Cesio que fue medida le dijo a los operadores que el primer contenedor de una las barras en alguna parte del núcleo estaba a punto de fallar. El Plan A había sido restaurar uno de los sistemas de enfriamiento regulares al núcleo. Por qué falló esto no está claro. Una explicación plausible es que el tsunami también se llevó/contaminó toda al agua limpia necesaria para los sistemas regulares de enfriamiento.
El agua usada en el sistema de refrigeración es muy limpia, desmineralizada y destilada. La razón para usar agua pura es la activación mencionada más arriba, de los neutrones del uranio: el agua pura no es activada mucho, de manera que permanece prácticamente libre de radioactividad. Suciedad o sal en el agua absorberá neutrones más rápidamente, haciéndose más radioactiva. Esto no tiene efecto alguno sobre el núcleo, que no le importa con qué es enfriado. Pero le hace la vida más difícil a los operadores y mecánicos cuando tienen que enfrentarse con agua activada, ligeramente radioactiva.
Pero el Plan A había fracasado –los sistemas de refrigeración caídos o agua adicional no disponible- de modo que el Plan B entró en efecto. Esto parece ser lo que sucedió:
El Plan B
Para impedir el derretimiento del núcleo los operadores comenzaron a usar agua de mar para enfriar al núcleo. No estoy muy seguro si ellos inundaron a nuestra “olla de presión” con ella (el segundo contenedor), o si ellos inundaron al tercer contenedor, sumergiendo a la “olla de presión.” Pero eso no es relevante para nosotros.
El asunto es que el combustible nuclear ha sido ahora enfriado. Porque la reacción en cadena ha sido detenida hace mucho tiempo atrás, hay ahora muy poco calor residual produciéndose. La gran cantidad de agua de enfriamiento que ha sido usada es suficiente para tomar ese calor. Porque es muchísima agua, el núcleo ya no produce suficiente calor para producir ninguna presión significativa. También se ha añadido ácido bórico al agua de mar. El ácido bórico es una “barra de control líquida”. Cualquier decaimiento que pueda seguir produ-ciéndose, el Boro capturará los neutrones y acelerará el enfriamiento del núcleo.
La planta estuvo muy cerca de un derretimiento del núcleo. Este es el “escenario de peor caso” que fue evitado: si el agua de mar no habría podido ser usada para el tratamiento, los operadores habrían continuado venteando vapor para aliviar la presión. El tercer contenedor habría sido completamente sellado para permitir el derretimiento del núcleo sin la liberación al exterior de la radioactividad. Después del derretimiento del núcleo habría existido un período de espera para que los materiales intermedios radioactivos decayesen dentro del reactor, y todas las partículas se asentaran en las superficies dentro del contenedor. El sistema de refrigera-ción hubiese sido eventualmente restaurado, y el núcleo derretido enfriado a una temperatura manejable. El contenido habría sido limpiado en el interior. Luego habría comenzado el sucio trabajo de retirar al núcleo derretido, empacando al ahora nuevamente sólido combustible, trozo a trozo, para transportarlo en contene-dores a las plantas de reprocesamiento. Dependiendo del daño, el bloque de la planta hubiese sido reparado o desmantelado.
Conclusión
Ahora, ¿dónde nos deja todo esto?
Japón está viendo a un accidente INES nivel 43: Accidente Nuclear con consecuencias locales. Eso es malo para la compañía dueña de la planta, pero para nadie más.
Se liberó alguna radiación cuando se venteó a las cubas de presión. Todos los isótopos radioactivos del vapor activado han desaparecido (decayeron totalmente). Una muy pequeña cantidad de Cesio fue liberado, como también Iodo. Si usted está sentado en la parte superior de la chimenea de la planta cuando estuvieron venteando, quizás habría usted dejado de fumar para retornar a su anterior expecta-tiva de vida. El Cesio y el Iodo fueron llevados por los vientos hacia el mar y jamás serán vistos otra vez.
Hubo un daño muy limitado al primer contenedor. Eso significa que alguna catidad de Cesio radioactivo y Iodo también será liberado en el agua de refrigeración, pero no uranio u otra porquería desagradable. El óxido de uranio no se disuelve en el agua. Existen instalaciones para el tratamiento del agua de refrige-ración dentro del tercer contenedor. El Cesio radioactivo y el Iodo serán retirados allí y eventualmente almacenados como desechos radioactivos en la disposición final.
El agua de mar usada como refrigerante será activada en cierto grado. Porque las barras de control están totalmente insertadas, la reacción en cadena del uranio no está ocurriendo. Eso significa la reacción nuclear no está sucediendo, no contribuyendo así a la activación. Los materiales intermedios radioactivos (Cesio y Iodo) han ya casi desaparecido en esta etapa, porque el decaimiento del uranio ya se detuvo hace mucho tiempo. Esto reduce todavía más la activación. La conclusión es que habrá alguna activación de bajo nivel del agua de mar, que también será retirada de la central.
El agua de mar será entonces reemplazada a lo largo del tiempo con agua de refrigeración normal.
El núcleo del reactor será entonces desmantelado y transportado a una instalación de procesamiento, lo mismo que durante un normal cambio de combustible.
Las barras de combustible y toda la planta será revisada para descubrir daños potenciales. Esto llevará unos 4 a 5 años.
Los sistemas de seguridad de todas las plantas japonesas serán mejoradas para resistir un terremoto escala 9.0 y un tsunami (o peor).
[Actualización] Creo que el problema más significativo será una escasez prolongada del abastecimiento de energía eléctrica. De las 55 centrales nucleares de Japón, 11 fueron cerradas y deberán ser inspec-cionadas, reduciendo directamente a la capacidad de generación eléctrica del país en un 20%, con una capacidad de generación de origen nuclear del 30%. No me he fijado aún en las posibles consecuencias para otras centrales nucleares no afectadas directamente. Esto probablemente será cubierto mediante plantas de gas que son usualmente usadas sólo durante cargas pico y para cubrir algo de la carga de base también. No estoy familiarizado con la cadena de abastecimiento japonesa de petróleo, gas y carbón, y que daños han sufrido los puertos, refinerías, almacenamiento, y redes de transporte, como también los daños sufridos por la red nacional de distribución. Todo eso aumentará nuestras facturas de la electricidad, como también llevará a apagones o escasez de energía durante la demanda pico y los esfuerzos de reconstrucción en Japón.
Esto es parte de una imagen mucho mayor. La respuesta a emergencias tiene que ver con refugio, agua potable, alimentos y cuidados médicos, transporte e infraestructura de comunicaciones, como también provisión de electricidad. En un mundo de débiles cadenas de abastecimiento, estamos mirando a algunos de los mayores desafíos en estas áreas.
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