lunes, 14 de marzo de 2011

Como entender la crisis nuclear de Japón

Créditos: Ars Technica,


Después de los acontecimientos en los reactores nucleares de Fukushima Daiichi, Japón se ha enfrentado a un desafío. En el mejor de los casos, incluso los que están presentes en el sitio tienen una visión limitada de lo que está pasando en el interior de los reactores y la situación ha cambiado rápidamente en los últimos días. Mientras tanto la terminología en cuestión es un tanto confusa, algunas barras de combustible se han derretido casi con toda seguridad, pero no hemos visto una crisis; material radiactivo ha sido liberado de los reactores, pero el combustible radiactivo que figura permanece actualmente .

Con el tiempo, la situación se ha vuelto un poco menos confusa, ya que se ha explicado el funcionamiento del reactor y los acontecimientos que han ocurrido dentro. Lo que vamos a tratar de hacer es agregar la información más fiable que podemos encontrar, con material proporcionado por múltiples fuentes dignas de crédito. Se ha tratado de confirmar alguna de esta información con grupos como la Comisión Reguladora Nuclear y el Departamento de Energía, pero hasta ahora, en estas organizaciones no hay personal disponible para hablar con la prensa.

Dentro de un reactor nuclear

Los reactores nucleares son alimentados por la fisión de un elemento radiactivo, por lo general uranio. Hay una serie de productos de esta reacción, pero la que produce energía es el calor, que el proceso de fisión emite en abundancia. Hay diferentes maneras de extraer electricidad a partir del calor, pero la forma más común de hacerlo comparte algunas características con las primeras máquinas de vapor: se hierve el agua y el uso de la presión resultante impulsa un generador.

La radiactividad hace las cosas más simples y complejas. En el lado más simple, la fisión ocurre fácilmente bajo el agua, así es más fácil de transferir el calor al agua simplemente mojando el combustible nuclear.

En el diseño del reactor utilizado en Japón, el combustible se sumerge en agua, que hierve para generar energía, se enfría, y después vuelve al reactor. El recipiente a presión y la contención primaria mantener la radiactividad en el interior

Por desgracia, la radiactividad complica las cosas. A pesar de que el combustible está sellado en barras, es inevitable que esta agua recoja algunos isótopos radiactivos. Como resultado, el agua no puede emplearse de manera habitual ya que ha sido expuesto a las barras de combustible. En cambio, las barras y el agua permanecen sellados en un contenedor de alta presión y el agua caliente o vapor es distribuidos mediante tuberías vinculadas que son manejadas por maquinaria, luego se vuelve a inyectar de nuevo el agua en el centro después de que se haya enfriado, manteniendo un ciclo cerrado.

Con la recirculación del agua no sólo vamos a conseguir estar fuera del reactor, esencial para mantener la frescura del núcleo del reactor. A menos que el calor de decaimiento se realice fuera de la base, donde la temperatura se elevará rápidamente, y el combustible junto a su soporte estructural se derretirá.

La reacción de fisión


Por su parte, el isótopo de uranio utilizado en los reactores nucleares se degrada lentamente, liberando una cantidad mínima de calor. Sin embargo, uno de los productos de desintegración es un neutrón, que puede chocar con otro átomo e inducir a la división; otros neutrones se producirían como productos de la descomposición. En altas densidades, esta reacción en cadena de los neutrones de fisión inducida puede producir una explosión nuclear. En un reactor nuclear, la densidad del combustible es lo suficientemente bajo para no ser tal amenaza y la tasa de la fisión se puede controlar mediante la inserción o la eliminación de las barras de un material que absorbe los neutrones, por lo general boro.

Insertando completamente barras de control para limitar la fisión del uranio no se afecta a lo que ha pasado en los productos de reacciones anteriores. Muchos de los elementos que se producen después de dividir los mismos son uranio radiactivo, sin necesidad de estímulo de un neutrón. Algunos de los neutrones del reactor también son absorbidos por los átomos en el agua o equipos de refrigeración, para conversión de isótopos radiactivos. La mayoría de este material adicional radiactivo se desintegra en el lapso de unos días. Para asegurarse que incluso después de que un reactor es cerrado por las barras de control, no hay suficiente descomposición radiactiva en torno manteniendo las cosas calientes por un tiempo.

Todo lo anterior hace que la operación continua del sistema de enfriamiento de la planta sea esencial. Por desgracia, las fallas del sistema de refrigeración han afectado a varios de los reactores de Fukushima Daiichi.

Sobrevivir el terremoto, pero no al tsunami


El enfriamiento es tan esencial para el funcionamiento de una planta, que hay unas varias opciones de seguridad para mantener las bombas funcionando. Para empezar, aunque los reactores estén fuera de línea, las bombas de refrigerante pueden recibir energía de fuera del sitio, esta opción fue eliminada por el propio terremoto, que al parecer cortó la fuente de alimentación externa a Fukushima. El terremoto también provocó el cierre de los reactores, la eliminación de la fuente local de poder obvia a las bombas. En este punto, el sistema de copia de seguridad falló: un conjunto de generadores en las instalaciones que queman combustibles fósiles para mantener el equipo funcionando.

Los generadores duraron sólo un rato antes de que el tsunami llegara e inundara el sistema eléctrico de la planta en el proceso. Las baterías que estaban en su lugar para permitir una copia de seguridad a corto plazo para estos generadores simplemente fueron drenadas o hubo una falla del sistema electrico. En cualquier caso, los generadores adicionales tardaron en actuar debido a la destrucción generalizada y no se pudo conseguir que las bombas entraran de nuevo en funcionamiento.

Como resultado, las plantas han estado operando sin un sistema de enfriamiento desde poco después del terremoto. A pesar de que la reacción primaria de uranio fue cerrada inmediatamente, los núcleos del reactor han seguido a calentándose debido a los productos de la descomposición secundaria.

Feas posibilidades

Sin refrigeración, hay una serie de posibilidades claramente feas. Como el agua sigue siendo calentada, más vapor se genera dentro de la vasija del reactor, aumentando la presión de allí, posiblemente hasta el punto en que sea un fracaso. Si la vasija del reactor iba a estallar en un recipiente de contención primaria, limitaría la difusión inmediata de materiales radiactivos. Sin embargo, la ruptura de la vasija del reactor por completo elimina cualquier posibilidad de restaurar el sistema de enfriamiento y en última instancia, podría dejar el núcleo del reactor expuesto al aire.

Y eso sería un problema, ya que el aire no lleva el calor tan eficientemente como el agua, por lo que es más probable que las temperaturas aumentarían lo suficiente como para comenzar a derretir las barras de combustible. El otro problema resulta de la exposición de las barras de combustible con el aire puesto que la cubierta principal de las barras es circonio, que puede reaccionar con vapor de agua, reduciendo la integridad de las barras y la generación de hidrógeno.

Para responder a esta amenaza, los operadores de la planta tuvieron dos acciones, realizadas en diferentes días con los diferentes reactores. Para empezar, se trató de usar bomba de agua fría de mar directamente en los reactores para reemplazar el agua de refrigeración. Esto no fue una decisión tomada a la ligera, el agua de mar es corrosiva y sin duda, dañará las partes metálicas del reactor y su compleja mezcla de contenido también complicará la limpieza. Esta acción comprometida de los operadores hará que nunca vuelva a funcionar el reactor sin un reemplazo completo de su hardware. Como precaución adicional, el agua de mar se enriquece con un compuesto de boro para el aumento de la absorción de neutrones en el reactor.

La segunda acción implicó liberar un poco de presión de la vasija del reactor con el fin de disminuir el riesgo de una falla catastrófica. Esta fue también una opción poco atractiva, dado que el vapor de agua necesariamente contenía radiactividad. Sin embargo, se consideró una opción mejor que permitir que el contenedor estuviera a punto de explotar.

Esta decisión de descargar la presión en última instancia condujo a los primeros indicios de radiactividad que se escapó del núcleo del reactor y su estructura de contención. Por desgracia, también voló el techo del edificio del reactor.

Opciones duras a malos resultados

Como se observa en algunas secuencias de vídeo, más bien dramáticas, poco después de liberarse la presión, los edificios que albergaban los reactores empezaron a explotar. El culpable: el hidrógeno, creado por la reacción del combustible de la cubierta con vapor de agua. Las explosiones iniciales se produjeron sin dañar la vasija de contención del reactor, lo que significo que los materiales radiactivos de manera más significativa, como el combustible, se mantuvieran en su lugar. Si bien hubo un aumento mayor en la radiactividad, que siguió luego de una de las explosiones, indica un posible daño a la vasija de contención, aunque los niveles desde entonces han fluctuado.

Sin embargo, la mera presencia de hidrógeno, indica un problema potencialmente grave: sólo se forma si las barras de combustible han estado expuesto al aire, lo que indica que los niveles de refrigerante dentro del reactor se han reducido significativamente. Esto también significa no solo que la integridad estructural de las barras de combustible es cuestionable, sino que probablemente se haya derretido parcialmente.

Parte de la confusión en la cobertura de estos eventos ha sido generada por el uso del término "crisis." En el peor de los casos, la varilla del combustible se derrite, lo que permite recogerla en la planta del reactor. Si la  temperatura se eleva, elevando la posibilidad de que el material llegará a ser tan caliente que se derritiera a través del piso del reactor o llegará a una fuente de agua y produjera una liberación explosiva de vapor de agua mezclada con combustible radioactivo. No hay indicación de que nada de esto está sucediendo en Japón por el momento.

Sin embargo, la fusión parcial de un poco de combustible incrementa la probabilidad de que un poco de material altamente radiactivo se expuesto. Estamos muy lejos de la peor de los casos, pero no estámos en ninguna parte buena, tampoco.

Una amenaza adicional recientemente se ha puesto de manifiesto, uno de los reactores inactivos en el lugar sufrió una explosión y un incendio en la zona donde está el combustible almacenado. Casi no hay información disponible acerca de cuáles serían las consecuencias del combustible almacenado. El hidrógeno es nuevo y se sospecha que fue la fuente de la explosión, que a su vez sugiere que algunas de las barras de combustible ha estado expuesto al aire y puede haber una fusión. Es posible que los problemas con el combustible almacenado contribuya a las emisiones de radiación reciente.

Una vez más, se han hecho planes para agregar agua de mar para la zona de almacenamiento, tanto en helicóptero y a través de instalaciones contra incendios estándar.

Nuestro punto de vista

Hasta ahora, la mayoría de los materiales radiactivos de larga vida en el lugar parece que se mantienen contenidos dentro de los edificios de los reactores. Radioisótopos siguen sin estar en contención, pero no hay indicación hasta ahora de que se trata de algo más allá de los productos de descomposición secundaria con una vida media corta.

Aunque la radiación por encima de los niveles de fondo se ha detectado lejos del emplazamiento del reactor, la mayor parte de esto ha sido de bajo nivel y producida por los isótopos de corta vida. Los vientos también han enviado una gran cantidad de el material radioactivo al Pacífico. Como resultado, la mayoría de los problemas con la exposición radiactiva han sido en las inmediaciones de los reactores de Fukushima Daiichi, donde la radiación a veces ha llegado a los niveles de amenaza, logrando exponer los límites anuales de exposición segura en cuestión de horas en ocasiones. Las áreas alrededor de los reactores han sido evacuadas o sometidas a restricciones, pero no está claro hasta qué punto las áreas de exposición importante se amplíen o cambien rápidamente.

Todo esto complica seriamente los esfuerzos para obtener la temperatura bajo control. El personal simplemente no puede pasar mucho tiempo en el sitio del reactor sin ser expuestos a niveles peligrosos de radiactividad. Como resultado, todos los esfuerzos para obtener refrigerante fresco en su lugar han sido limitadas y sujetas a la interrupción de radiación cuando los niveles descienden. Los técnicos que siguen trabajando en el sitio están poniendo su salud en riesgo.

Hay algunas buenas noticias, ya que cada día sin un fallo crítico permite que los materiales radiactivos reduzcan el riesgo general de un evento catastrófico. En el interior, sin embargo, no hay mucho que podemos hacer para influir en la probabilidad de un gran lanzamiento de material radiactivo. La obtención de agua de mar en los reactores ha demostrado ser un un acierto y no se sabe aún de la integridad estructural de muchos de los edificios de contención en este momento, lo que está sucediendo en las áreas de almacenamiento de combustible es aún más incierto . En resumen, nuestra única opción real es tratar de obtener más agua y esperar lo mejor.

Futuro de la Energía Nuclear

La energía nuclear desempeña un papel importante en la mayoría de los planes para limitar el uso de combustibles fósiles. Los acontecimientos sucedidos en Japón, sin duda, desempeñarán un papel prominente en el debate público, de hecho, es posible que por sí solo enciendan el debate sobre un tema que el público en gran medida ha hecho caso omiso. El mensaje para llevar a casa, sin embargo, es un poco difícil de discernir en este momento.

De alguna manera, las plantas japonesas, a pesar de que poseen un diseño antiguo, fue realizado admirablemente. Soportaron el quinto mayor terremoto registrado y los sistemas de seguridad, incluyendo el cierre automático y fuentes de alimentación secundarios, entraron en acción sin ningún problema. Los sistemas de contención han sobrevivido en gran medida varias explosiones de hidrógeno y hasta ahora, los únicos materiales radiactivos que se han publicado son isótopos de corta vida que se concentran en los alrededores de la planta. Si las cosas terminan donde están ahora, las mismas plantas se han hecho muy bien dadas las circunstancias.

Pero, como se mencionó anteriormente, poniendo fin a donde estamos ahora esta totalmente fuera de nuestro control y pone de relieve algunas de las razones por qué esto no puede ser considerado un triunfo. Algunos de los temas están en el diseño. Aunque la planta estaba lista para un evento extremo, está claro que no fue diseñada para soportar un tsunami simplemente porque es imposible hacer planes para cualquier eventualidad. Sin embargo, esto parece ser una omisión importante dada la ubicación de la planta. También parece que las zonas de almacenamiento de combustible no eran de un diseño tan robusto como los reactores.

Una vez que comenzó la crisis de enfriamiento, un conjunto de cuestiones predecibles ha surgido. Nunca podremos enviar seres humanos dentro de muchas de las áreas del reactor, depende de equipo de monitoreo que pueden no estar trabajando o no ser fiable durante una crisis. Y, una vez que la radiación comienza a gotear, no podemos enviar gente a muchas áreas que antes eran seguras, lo que significa que tenemos menos de una idea de lo que está pasando en el interior, y menos puntos a intervenir. El hardware que no fue diseñado para algunos propósitos, como el bombeo de agua de mar en la vasija del reactor y no ha funcionado especialmente bien para las medidas de emergencia.

A fin de cuentas, los sistemas de seguridad de este reactor se realizaron razonablemente bien, pero fueron empujadas contra una mezcla de acontecimientos no previstos y a los límites de diseño. Y, una vez que algo empieza a ir mal con un reactor nuclear, pone toda la infraestructura bajo estrés, y la intervención se convierte en un muy, algo muy difícil de hacer.

Este último conjunto de problemas quiere decir que la mejor manera de construir una planta nuclear segura es asegurarse de que nada va mal en el primer lugar. Hay maneras de reducir el riesgo mediante la adición de más características de seguridad y vigilancia, mientras que adaptar el diseño a algunos de los eventos locales más extremos. Pero estos se suman al costo de una central nuclear y no serán nunca capaz de asegurarse de que nada va a ir mal. Así, el poder de decidir sobre si y cómo seguir ampliado una central nuclear requiere un cuidadoso análisis de riesgo.


Referencia:
John Timmer, "Understanding Japan’s Nuclear Crisis", Ars Technica

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