Información importante de la situación nuclear de Japón

| Marzo 15, 2011 | 0 Comments

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Hoy queremos dejaros en estas páginas una información sobre los acontecimientos que están ocurriendo en Japón, y más concretamente en su central nuclear de Fukushima. Esta es la exposición de un reputado experto en energía nuclear, publicado en un blog a través de su twitter. Aunque desde nuestra ignorancia no podemos corroborar la exactitud de las mismas y nuestro optimismo es bastante más contenido que el del Dr. Josef Oehmen, nos parece muy apropiado dejar aquí su punto de vista para poder tener más perspectiva de lo que está pasando. Es un texto extenso pero creemos que merece la pena leerlo.

Este artículo ha sido escrito por el Dr. Josef Oehmen, científico de investigación en ingeniería mecánica y sistemas de ingeniería en el Instituto de Tecnología de Massachusetts. Científico en la MIT en Boston. Editado por el Departamento de Ciencia e Ingeniería Nuclear del MIT.

En el momento de su publicación aún no había tenido lugar la explosión en el reactor 2, que según una actualización de este artículo, que añadiremos al final, puede haber sido algo similar a las dos anteriores.

Esto viene a ser una traducción de aquí (http://mitnse.com). La traducción no es exacta por lo que podéis señalar correcciones.

TEXTO

“Estoy escribiendo este texto (12 de marzo) para daros cierta tranquilidad sobre algunos de los problemas en Japón, que es la seguridad de los reactores nucleares japoneses. Es decir, el asunto es serio, pero está bajo control. El texto es largo, pero después de leerlo sabrás más sobre centrales nucleares que todos los periodistas del mundo juntos.

No ha habido y “no” habrá algún escape de radiactividad importante.

Por “importante” me refiero a un nivel de radiación mayor del que recibirías en – digamos, un vuelo de larga distancia o beber un vaso de cerveza que viene desde ciertas áreas con altos niveles de radiación natural.

He estado leyendo cada noticia publicada sobre el incidente desde el terremoto y no ha habido ni una sola noticia que fuera precisa y libre de errores. Por “no libre de errores” no me refiero a periodismo que tiende a lo “anti-nuclear”- que es algo normal estos días, sino que me refiero a evidentes errores con respecto a las leyes físicas y naturales, así como una inmensa malinterpretación de los hechos, debido a una falta (obvia) de conocimientos fundamentales y básicos sobre cómo funcionan y se operan los reactores nucleares. He leído un reportaje de 3 páginas de la CNN en donde cada párrafo contenía un error.

Tendremos que cubrir algunos principios antes de que nos metamos a fondo en qué está pasando.

Construcción de las plantas nucleares de Fukushima

Las plantas de Fukushima son los llamados “Boiling Water Reactors” (Reactores de agua hirviente o en ebullición) o BWR en adelante (para acortar). El combustible nuclear calienta agua, el agua hierve y crea vapor, el vapor entonces se lleva a unas turbinas que crean la electricidad, tras ello el vapor es enfriado y condensado a agua y dicho agua se reenvía para que sea calentado de nuevo por el combustible nuclear. El reactor opera a unos 250ºC – 285ºC.

El combustible nuclear es óxido de uranio. El óxido de uranio es un cerámico con un alto punto de fusión sobre los 2800ºC – 3000ºC. El combustible es manufacturado en bolitas, llamados pellets (cilindros de 1 cm de alto y 1 cm de diámetro). Esas piezas son puestas en un tubo largo hecho de Zircaloy (una aleación de Zirconio) con un punto de fusión de 2200ºC que soporta una temperatura máxima de 1200ºC (debido a la oxidación auto-catalítica del agua), y son sellados fuertemente. Este tubo se llama barra de combustible. Estas barras de combustible se juntan, de los cuales varios cientos hacen el núcleo del reactor.

El pellet de combustible sólido (Una matriz de óxido cerámico) es la primera barrera que mantiene muchos productos radiactivos producidos del proceso de fisión. La carcasa de Zircaloy es la segunda barrera a liberar que separa el combustible radiactivo del resto del reactor.

El núcleo es colocado en un “recipiente de presión”. El recipiente de presión es un recipiente de acero grueso que opera a una presión sobre los 7MPa (~1000 psi), y está diseñado para soportar altas presiones que puedan ocurrir durante un accidente. El recipiente de presión es la tercera barrera a la liberación del material radiactivo.

Toda la primera capa del reactor nuclear – el recipiente de presión, las tuberías, las bombas y las reservas de refrigerante (agua), es alojada en una estructura de contención. Esta estructura es la cuarta barrera. La estructura de contención está herméticamente cerrada, una muy gruesa estructura hecha de metal y hormigón. Esta contención está diseñada, construida y probada para una sola función: contener indefinidamente la completa fusión de un núcleo. Para ese cometido, una gran y gruesa capa de hormigón es vertida alrededor de la estructura de contención y es llamada como la contención secundaria (segunda contención). Tanto las estructuras de la contención principal como de la secundaria son alojadas en el edificio del reactor. Dicho edificio es un caparazón externo que “supuestamente” mantiene el clima fuera, pero nada dentro, (esta es la parte que fue dañada en la explosión, pero más de eso luego).

Principios de las reacciones nucleares

El combustible de uranio genera calor por la fisión nuclear (inducida). Los átomos de uranio son divididos en átomos más ligeros (se produce la fisión). Eso genera más calor junto con neutrones (una de las partes que forma un átomo). Cuando el neutrón golpea otro átomo de uranio, se puede partir, generando más neutrones y así en adelante. Eso es lo que se llama reacción nuclear en cadena. Operando normalmente a pleno rendimiento, el número de neutrones en el núcleo es estable (se mantiene igual) y el reactor está en un estado crítico.

Vale la pena mencionar que llegados a este punto, el combustible nuclear no podrá “nunca” causar una explosión nuclear del tipo de ‘bomba nuclear’. En Chernóbil, la explosión fue causada por un acumulamiento excesivo de presión, una explosión de hidrógeno y una ruptura de todas las estructuras, expulsando material fundido del núcleo al medio ambiente. Ten en cuenta que Chernóbil no tuvo una estructura de contención como barrera. Por qué eso no pasó ni ocurrirá en Japón, se hablará más abajo.

Para controlar las reacciones nucleares en cadena, los operadores del reactor usan las tan llamadas “barras de control“. Estas barras están hechas de boro que absorben los neutrones. Durante un funcionamiento normal en una BWR, las barras de control son usadas para mantener la reacción en cadena en un estado crítico. Las barras de control también son usadas para disminuir la energía del reactor desde un 100% hasta unos 7% (calor residual).

El calor residual es causado por la descomposición / el deterioro de los productos de fisión. El deterioro de la radiación es un proceso por el cual los productos de fisión se estabilizan a ellos mismos emitiendo energía en forma de partículas pequeñas (alfa, beta, gamma, neutrón, etc…). Hay una multitud de productos de fisión que son producidos en el reactor, incluyendo cesio y yodo. Este calor residual disminuye con el tiempo después de que el reactor se apague y tiene que ser quitado/extraído por los sistemas de refrigeración para prevenir el sobrecalentamiento de las barras de combustible y el fallo de las mismas como barrera ante la radiación. Manteniendo el suficiente refrigeramiento para extraer el calor residual del reactor, que es el principal reto en los reactores afectados en Japón ahora mismo.

Es importante comentar que muchos de estos productos de fisión (que producen calor) se descomponen de una forma extremadamente rápida, y se convierten en inofensivos para cuando hayas deletreado “R-A-D-I-O-N-U-C-L-E-I-D-O”. Otros se descomponen más lentamente como el cesio, yodo, estroncio y argón.

Lo que ocurrió en Fukushima (a fecha de 12 de marzo de 2011)

Lo siguiente es un resumen de los hechos principales. El terremoto que alcanzó Japón era 5 veces más potente que el peor terremoto para el cual la planta nuclear podía resistir (cuando fue construída), (la escala de Ritcher funciona logarítmicamente; la diferencia entre 8.2 que la planta puede soportar y el 8.9 que golpeó Japón no es de 0,7, sino de 5 veces mayor).

Cuando el terremoto golpeó, todos los reactores nucleares se apagaron automáticamente. A pocos segundos después de que comenzara el terremoto, las barras de control habían sido insertadas dentro del núcleo y la reacción en cadena se detuvo. Llegados a este punto, el sistema de refrigeración tiene que llevarse todo el calor residual. Este calor, es sobre el 7% del calor que surge cuando se opera en condiciones normales.

El terremoto destruyó la fuente externa de electricidad del reactor nuclear. Es uno de los accidentes desafiantes para una central energética nuclear, y se es referido como una “pérdida de la fuente de energía externa”. El reactor y sus sistemas de apoyo son diseñados para poder manejar este tipo de accidentes incluyendo sistemas de energía de reserva para mantener las bombas de refrigerante funcionando. Es más, como la central eléctrica se ha apagado, ya no puede producir más electricidad por sí misma.

Durante la primera hora, uno de los múltiples juegos de generadores de energía diésel comezó a funcionar y suministró la electricidad necesaria. Pero más tarde vino el tsumani (un tsumani más raro y grande que el anticipado) y anegó los generadores diésel, haciendo que éstos dejaran de funcionar (fallaran).

Uno de los principios fundamentales en el diseño de una planta energética nuclear es la “Defense of Depth” (Defensa en profundidad). Este enfoque lleva a los ingenieros a diseñar una planta que pueda soportar muchas catástrofes, aun cuando muchos sistemas fallen. Un gran tsunami que inutilice todos los generadores diésel es uno de esos casos, pero el tsunami del 11 de marzo superó todas las expectativas. Para mitigar tal suceso, los ingenieros idearon una línea extra de seguridad, ¿cómo? Poniendo todo en la estructura de contención (ver arriba), que está diseñada para mantener todo dentro de la estructura.

Cuando los generadores diésel fallaron tras el tsunami, los operadores del reactor utilizaron la energía de la batería de emergencia. Las baterías fueron diseñadas como una de las medidas de reserva, y así poder proporcionar la energía necesaria para bombear refrigerante al núcleo durante 8 horas, y eso hicieron.

Tras esas 8 horas, las baterías se agotaron, y el calor residual ya no pudo ser disipado.

En este momento, los operadores de la central empezaron a seguir procedimientos de emergencia en caso de que fallara el sistema de refrigeración. Estos son procedimientos que siguen el enfoque de “La profundida en defensa”. Todo esto, aunque nos parezca sorprendente, es parte del entrenamiento día a día por el que atraviesas como operador.

En este tiempo, la gente comenzó a hablar de la posibilidad de ‘fusión del núcleo’, Porque si la refrigeración no se retomaba, el núcleo acabaría derritiéndose (después varios días), y sería contenido en el contenedor. Decir que el término “meltdown” (derretimiento) tiene una definición imprecisa. “Fallo de combustible” es mejor término para describir el fallo de la barrera en la barra de combustible (Zircaloy). Esto ocurrirá antes de que el combustible se funda y es resultado de fallos mecánicos, químicos o térmicos (demasiada presión, demasiada oxidación o demasiado calor).

De todos modos, el derretimiento estaba lejos de ocurrir, el objetivo principal era poder controlar el núcleo mientras se estuviera calentando, a la vez de asegurando que el blindaje permaneciera intacto y operativo durante el mayor tiempo posible.

Como refrigerar el núcleo es una prioridad, el reactor tiene una serie de sistemas de refrigeración, cada uno en distintas versiones (el sistema de limpieza de agua del reactor, la disipación del calor, el enfriamiento del núcleo del reactor, el líquido ‘en espera’ del sistema de refrigeración y otros sistemas de refrigeración de emergencia). En este momento todavía no se sabe ni cuándo ni cuál de ellos falló o no.

Ya que los operadores perdieron la mayor parte de sus capacidades de refrigerar debido a la pérdida de energía, tuvieron que usar cualquier sistema de refrigeración que tenían para desprenderse de todo el calor posible. Pero siempre cuando la producción de calor exceda la retirada de calor, la presión comienza a aumentar y más agua hierve a vapor. La prioridad ahora es mantener la integridad de las barras de combustible manteniéndolas a una temperatura inferior a 1200ºC, así como mantener la presión en un nivel manejable. Para mantener la presión del sistema, el vapor de agua tenía que ser liberado de ver en cuando. Este proceso es importante durante un accidente ya que la presión no excede lo que los componentes pueden soportar, así que el reactor está diseñado con muchas válvulas de reemplazo. Los operadores comentaron a ventilar / expulsar vapor de vez en cuando para controlar la presión.

Como se ha mencionado previamente, el vapor y otros gases son expulsados. Algunos de estos gases son productos de la fisión nuclear, pero existen en pequeñas cantidades. Por tanto, cuando los operadores comenzaron a ventilar el sistema, algunos gases radiactivos fueron expulsados al medio ambiente de manera controlada (en pequeñas cantidades a través de filtros). Mientras algunos de estos gases son radiactivos, no suponen una postura de riesgo a la seguridad pública o a los trabajadores.


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Durante alguna fase de esta “ventilación”, ocurrió la explosión que tuvo lugar en el exterior de la tercera contención y del edificio del reactor (nuestra ‘última línea de defensa’). Recuerda que el edificio del reactor no tiene ninguna función de mantener la radiactividad contenida. Todavía no está del todo claro qué es lo que ha sucedido, pero el escenario tiene pinta de que: los operadores no decidieron expulsar el vapor del recipiente de presión directamente a la atmósfera, sino al espacio entre la tercera contención y el edificio del reactor (para dar más tiempo a disminuir la radiactividad en el vapor de agua antes de arrojarse a la atmósfera). El problema son las altas temperaturas a las que el núcleo había alcanzado llegados a este punto, las moléculas de agua se “disociaron” en oxígeno e hidrógeno – una combinación explosiva. Y explotó en el exterior de la tercera contención, dañando el edificio del reactor. Fue este tipo de explosión (pero dentro del recipiente de presión) lo que llevó a la explosión de Chernóbil, pero esto nunca ha sido un riesgo en Fukushima. El problema de la formación de hidrógeno-oxígeno es uno de los grandes problemas al diseñar una central eléctrica (si no eres soviético, claro), así que el reactor es construido y manejado de tal manera que la explosión no ocurra dentro del ‘contenedor’.

Así que, la presión estaba bajo control tras expulsar vapor de agua. Ahora, si sigues hirviendo tu cacerola, el problema es que el nivel de agua sigue disminuyendo con el tiempo. El núcleo está cubierto por varios metros de agua para permitir cierto tiempo (horas, días) antes de que esté expuesto. Una vez que las barras empiezan a ser expuestas empezando por lo más alto, las partes expuestas alcanzan temperaturas críticas de 2200ºC tras haber pasado unos 45 minutos. Aquí sería cuando la primera contención, los tubos de Zircaloy, fallan.

Y esto es lo que empezó a ocurrir: La refrigeración no pudo ser reanudada antes de que hubiera cierto daño al recubrimiento del combustible. El material nuclear seguía intacto, pero la carcasa de Zircaloy empezó a derretirse. Lo que sucede ahora es que algunos de los subproductos provenientes de la descomposición del uranio – Cesio y yodo radiactivo – empezaron a mezclarse con el vapor. El gran problema, el uranio, seguía bajo control, porque las barras de óxido de uranio aguantarían hasta los 3000ºC. Se ha confirmado que pequeñas cantidades de cesio y yodo fueron detectadas en el vapor liberado a la atmósfera.

Parece que fue la señal para un plan B. Las pequeñas cantidades de cesio que fueron detectadas ‘avisaron’ a los operadores de que la primera contención de una de las barras (de algún lado) iba a ceder. El plan A había sido recuperar uno de los sistemas de refrigeración para bajar la temperatura del núcleo. La razón por la que falló sigue sin saberse. Una posible explicación es que el tsunami también se llevó / contaminó todo el agua necesaria para los sistemas de refrigeración normales.

El agua usada en estos sistemas de refrigeración es muy limpia, agua desmineralizada (como destilada). La razón para usar agua pura es la anterior mencionada, es decir, la activación de neutrones procedentes del Uranio: El agua pura no consigue activarse mucho, por lo que permanece casi libre de radiación. Agua sucia o salada absorberá los neutrones más rápidamente, convirtiéndose más radiactivo. Esto da igual en el núcleo – sea lo que sea que lo refrigere. Pero se convierte en un problema para los operadores y mecánicos cuando tienen que hacerse cargo con el agua activada (ligeramente radiactiva).

Pero el plan A falló – los sistemas de refrigeración o agua limpia no estaban disponibles – así que se cambió a un plan B.

Esto es lo que parece que sucedió:

Con el fin de prevenir una fusión de nucleo, los operadores empezaron a usar agua de mar para enfriar el núcleo. No estoy muy seguro de si inundaron nuestra olla a presión con ese agua de mar (la segunda contención) o si inundaron la tercera contención. Pero no nos es relevante.

La central casi sufre una fusión de núcleo. El peor de los escenarios fue evitado: si el agua de mar no hubiera podido ser utilizado para el tratamiento, los operadores hubieran continuado expulsando el vapor de agua para evitar una acumulación de la presión. La tercera contención hubiera tenido que ser completamente sellada para permitir que ocurriera la fusión de núcleo sin liberar material radiactivo. Después de la fusión, hubiera habido un periodo de espera a que los materiales radiactivos intermedios se degeneraran dentro del reactor y que todas las partículas radiactivas se encuentren dentro de la contención. El sistema de refrigeración acabaría siendo arreglado y el núcleo fundido sería enfriado a unas temperaturas más estables. La contención tendría que limpiarse por dentro. Entonces hubiera comenzado una ardua tarea de remover el núcleo fundido de la contención, empaquetando el (ahora sólido de nuevo) combustible poco a poco en contenedores de transporte para que sean enviados a centrales de tratamiento. Dependiendo del daño, el bloque de la central tendría que ser o desmantelado o reparado.

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¿Ahora, en qué nos deja esto?

– La central se encuentra segura y permanecerá segura.

– Japón lo ve como un accidente INES de Nivel 4: Accidente nuclear con consecuencias locales. Esto es malo para la compañía propietaria de la central, pero no para nadie más.

– Cierta radiación fue liberada cuando el contenedor de presión fue ventilado. Todos los isótopos radiactivos del vapor activado se han ido decayendo. Una pequeña porción de yodo y cesio fue liberada. Si estuvieras sentándote en lo más alto de las chimeneas de las centrales cuando estaban ventilando, tal vez deberías de dejar de fumar para volver a tu esperanza de vida anterior. Los isótopos del cesio y del yodo fueron llevados al mar y nunca serán vistos de nuevo.

– Hubo un cierto (pero limitado) daño a la primera contención. Eso significa que ciertas cantidades radiactivas de cesio y yodo también serán expulsadas junto con el agua refrigerante, pero no uranio o sustancias repugnantes (el óxido de uranio no se disuelve en agua). Hay instalaciones para tratar el agua refrigerante que permanece dentro de la tercera contención. El cesio y yodo radiacitivo será retirado allí y acabarán almacenándose como desecho radiactivo en almacenes (para ello).

– Con el paso del tiempo, el agua de mar será reemplazado por agua “normal”.

– El núcleo del reactor será desmantelado y transportado a una instalación de tratamiento, como se hace cuando se cambia el combustible.

– Las barras de combustible y la central entera serán revisadas para ver si hay daños potenciales. Esto llevará 4 o 5 años.

– Los sistemas de seguridad de todas las centrales japonesas se remodelarán para soportar terremotos de magnitud 9 o más.

– Creo que el mayor problema significante será la prolongación de la escasez de energía. Más o menos, la mitad de los reactores nucleares de Japón tendrán que ser inspeccionados, reduciendo la capacidad de generar energía del país en un 15%. Esto será cubierto probablemente con centrales térmicas (con gas) que suelen ser utilizadas sólo cuando se alcanzan picos. Esto incrementará tu factura eléctrica, así como, llevará a una carestía de energía durante picos de demanda, en Japón.

Traducción de la actualización después de la explosión en el reactor 2, en la madrugada del 15 de marzo:

Una confirmación de fuertes sonidos llegó esta mañana de la Seguridad Nuclear e Industrial Agency (NISA). Señaló que “la cámara de supresión puede estar dañada, aunque no está claro que los sonidos fueran explosiones”.

También conocido como el toro, esta gran estructura en forma de anillo se encuentra en el centro del edificio del reactor a un nivel más bajo que el del reactor. Contiene un conjunto muy grande de agua para que el vapor se pueda dirigir en situaciones de emergencia. El vapor se condensa y reduce la presión en el sistema del reactor.

La presión en la piscina se ha visto disminuir a partir de tres ambientes en una atmósfera después del ruido, lo que sugiere un posible daño. Los niveles de radiación en el borde del compuesto de la planta presentaban unos breves picos de 8217 microsieverts por hora, pero luego cayeron a alrededor de un tercio de eso.

Se mantiene una estrecha vigilancia de los niveles de radiación para determinar el estado de la contención. Como medida de precaución Tokyo Electric Power Company ha evacuado todo el personal no esencial de la unidad. Los ingenieros de la compañía continúan bombeando el agua de mar en el recipiente de presión del reactor, en un esfuerzo para que se enfríe.

El primer ministro, Naoto Kan ha solicitado a todas las personas retirarse de la zona de evacuación de diez kilómetros alrededor de la planta de energía nuclear y que las personas que se queden dentro, permanezcan en espacios cerrados.

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