Josef Oehmen (original en inglés), 12 de marzo de 2011
[N. del T.: A 15 de marzo de 2011, este texto está desactualizado y no describe la situación actual, que ha empeorado algo más de lo que pronosticaba Oehmen. Sigue sirviendo para conocer los fundamentos del funcionamiento de una central BWR y como resumen de los sucesos hasta el 12 de marzo. Para conocer el estado actual de la situación, consultad los enlaces que proporciona Oehmen al final de este texto. Además, el Departamento de Ciencia e Ingeniería Nuclear del MIT mantiene este mismo texto matizado y actualizado, y nuevas informaciones.]
Escribo este texto (12 de marzo) para darte cierta tranquilidad de espíritu con respecto a uno de los problemas de Japón: la seguridad de los reactores nucleares japoneses. Vaya por delante que la situación es grave, pero está bajo control. ¡Y este texto es largo! Pero al final sabrás más sobre centrales nucleares que todos los periodistas del planeta juntos.
No ha habido y no habrá ninguna fuga significativa de radiactividad.
Por «significativa» quiero decir un nivel de radiación mayor del que recibirías durante, por ejemplo, un vuelo de larga distancia, o al beberte un vaso de cerveza que proceda de algún lugar con altos niveles de radiación natural de fondo.
He estado leyéndome todas las noticias sobre el incidente desde que se produjo el terremoto. No ha habido ni una sola (!) pieza que fuera precisa y no tuviera errores (y parte del problema es también la debilidad de la comunicación de crisis por parte de Japón). Por «con errores» no me refiero al periodismo tendencioso antinuclear; eso es bastante normal hoy en día. Por «con errores» me refiero a los errores de cajón sobre física y ley natural, además de interpretaciones erróneas de los hechos, debido a una evidente falta de entendimiento básico y fundamental de la forma en que se construyen y operan los reactores nucleares. He leído una noticia de tres páginas de la CNN en la que todos y cada uno de los párrafos contenían un error.
Primero tenemos que abordar ciertos fundamentos y luego nos ponemos con lo que está sucediendo.
Construcción de las plantas nucleares de Fukushima
Las plantas de Fukushima son los famosos reactores de agua en ebullición (Boiling Water Reactors), o BWR por abreviar. Los reactores de agua en ebullición son parecidos a una olla a presión. El combustible nuclear calienta agua, el agua entra en ebullición y crea vapor, luego el vapor hace girar unas turbinas que generan la electricidad, y luego el vapor se enfría y se condensa de nuevo en agua, y el agua se envía de vuelta para que el combustible nuclear vuelva a calentarla. La olla a presión funciona a unos 285 °C.
El combustible nuclear es óxido de uranio. El óxido de uranio es un material cerámico con un punto de fusión de unos 2800 °C (N. del T.: fusión como paso a estado líquido, no confundir con fusión nuclear). El combustible se fabrica en pellets (piensa en pequeños cilindros del tamaño de piezas de Lego). Estas piezas se colocan en un tubo largo hecho de zircaloy (una aleación de circonio), con una temperatura máxima de funcionamiento de 1200 °C (debido a la autooxidación catalítica del agua), que se sella muy bien. Este montaje se llama «barra de combustible». Después, estas barras de combustibles se colocan juntas para formar paquetes más grandes. Luego, cierto numero de estos paquetes se colocan en el reactor. Todos estos paquetes juntos se conocen como «el núcleo».
Este revestimiento de zircaloy es la primera contención. Separa el combustible radiactivo del resto del mundo.
Luego el núcleo se coloca en «vasijas presurizadas». Estas son la olla a presión de la que hablaba antes. Las vasijas presurizadas son la segunda contención. Son piezas robustas con forma de tarro, diseñadas para contener el núcleo de forma segura para temperaturas de varios cientos de °C. Esto abarca los escenarios en los que se puede recuperar la refrigeración en algún punto.
Todo este «hardware» del reactor nuclear (las vasijas presurizadas y todos los tubos, bombas y reservas de refrigerante [agua] se encierran en el tercer continente. El tercer continente es una burbuja sellada herméticamente muy gruesa, hecha con el acero y hormigón más fuertes. La tercera contención se diseña, construye y prueba con un solo propósito: para contener, de forma indefinida, una completa fusión del núcleo. Para ese propósito, se coloca un cuenco de hormigón muy grande y grueso bajo la vasija presurizada (el segundo contenedor), todo dentro del tercer contenedor. Esto es el famoso «core catcher» (receptor del núcleo). Si el núcleo se derrite y revienta la vasija presurizada (y se funde luego), el receptor atrapará el combustible fundido y todo lo demás. Se suele construir de manera que el combusitlbe nuclear se extienda y se pueda enfriar.
Esta tercera contención se rodea luego del edificio del reactor. El edificio es una capa externa que se supone que sirve para dejar fuera las inclemencias del tiempo (esta es la parte que quedó dañada con la explosión, luego lo retomamos).
Fundamentos de las reacciones nucleares
El combustible de uranio genera calor por fisión nuclear. Los átomos de uranio, que son grandes, se dividen en átomos más pequeños. Esto genera calor y neutrones (una de las partículas que forman un átomo). Cuando el neutrón choca con otro átomo de uranio, este se divide, generando más neutrones, etcétera. Esto se conoce como reacción nuclear en cadena.
Ahora bien, poner simplemente un montón de barras de combustible unas junto a otras provocaría rápidamente un sobrecalentamiento y tras unos 45 minutos se derretirían. Es necesario mencionar que el combustible nuclear de un reactor nunca puede provocar una explosión nuclear del tipo de una bomba nuclear. Construir una bomba nuclear es en realidad bastante difícil (preguntadle a Irán). En Chernóbil, la explosión fue causada por un aumento excesivo de la presión, una explosión de hidrógeno y la ruptura de todos los contenedores, lanzando material del núcleo fundido al medio ambiente (una «bomba sucia»). Por qué esto no ha pasado y no pasará en Japón, más adelante.
Para controlar la reacción nuclear en cadena, los operadores del reactor utilizan las famosas «barras de control». Las barras de control absorben los neutrones y detienen inmediatamente la reacción en cadena. Los reactores nucleares se construyen de manera que, cuando funcionan de forma normal, se sacan todas las barras de control. El agua refrigerante recibe el calor (y lo convierte en vapor y electricidad) al mismo ritmo que lo produce el núcleo. Hay mucho margen de libertad alrededor del punto operativo estándar de 250°C.
El reto está en que después de insertar las barras y detener la reacción en cadena, el núcleo sigue produciendo calor. El uranio «paró» de reaccionar en cadena. Pero durante el proceso de fisión del uranio se crean cierto número de elementos radiactivos intermedios, los más importantes, isótopos de cesio yodo, es decir, versiones radiactivas de estos elementos que en algún momento se dividirán en átomos más pequeños y dejarán de ser radiactivos. Esos elementos siguen desintegrándose y produciendo calor. Como ya no son regenerados a partir del uranio (ya que el uranio dejó de desintegrarse cuando se colocaron las barras de control), cada vez hay menos y menos, y el núcleo termina enfriándose en cuestión de días, hasta que todos esos elementos radiactivos intermedios se consumen.
Este calor residual es el que está causando dolores de cabeza ahora mismo.
Entonces, el primer «tipo» de material radiactivo es el uranio de las barras de combustible, más los elementos radiactivos intermedios en los que se dividió el uranio, también en el interior de la barra de combustible (cesio y yodo).
Fuera de las barras de combustible se está creando un segundo tipo de material radiactivo. Primero la gran diferencia: esos materiales radiactivos tienen un período de semidesintegración muy corto, es decir, se desintegran muy rápidamente y se dividen en materiales no radiactivos. Por «rápidamente» quiero decir «en segundos». Por tanto, si se emiten estos materiales al medio ambiente, sí, se emite radiactividad, pero no, no es peligrosa. En absoluto. ¿Por qué? En el tiempo que tardas en deletrear «R-A-D-I-O-I-S-Ó-T-O-P-O» se habrán hecho inofensivos, porque se habrán dividido en elementos no radiactivos. Esos elementos radiactivos son N-16, el isótopo (o versión) radiactivo del nitrógeno (aire). Los otros son gases nobles como el argón. Pero, ¿de dónde proceden? Cuando se divide, el uranio genera un neutrón (ver arriba). La mayoría de estos neutrones chocarán con otros átomos de uranio y mantendrán en funcionamiento la reacción nuclear en cadena. Pero algunas saldrán de la barra de combustible y chocarán con las moléculas de agua, o con el aire que hay disuelto en el agua. Después, un elemento no radiactivo puede «capturar» al neutrón. Se hace radiactivo. Como he descrito antes, rápidamente (segundos) se deshará del neutrón para volver a su bella forma anterior.
Este segundo «tipo» de radiación es muy importante cuando hablemos más adelante de la radiactividad que se libera al medio ambiente.
Lo que pasó en Fukushima
Intentaré resumir los hechos principales. El terremoto que sacudió Japón fue cinco veces más fuerte que el peor terremoto para el que fue construida la central nuclear (la escala de Richter es logarítmica; la diferencia entre los 8,2 para los que fueron construidas las plantas y los 8,9 que se dieron es de 5 veces, no de 0,7). Así que un primer hurra por la ingeniería japonesa: todo se sostuvo.
Cuando el terremoto sacudió con sus 8,9, todos los reactores nucleares se apagaron automáticamente. Pocos segundos después de que comenzara el terremoto, las barras de control se insertaron en el núcleo y la reacción nuclear en cadena se detuvo. Ahora bien, el sistema de refrigeración tiene que llevarse el calor residual. La carga calorífica residual es aproximadamente un 3% de la carga calorífica que hay bajo las condiciones normales de funcionamiento.
El terremoto destruyó el suministro externo de energía del reactor nuclear. Eso es uno de los accidentes más graves que puede tener una central nuclear y, en consecuencia, un «apagón de central» recibe una gran cantidad de atención cuando se diseñan los sistemas de respaldo. Se necesita energía para mantener las bombas de refrigeración en funcionamiento. Como la planta de energía se había apagado, ya no podía producir energía por sí misma.
Las cosas fueron bien durante una hora. Se pusieron en funcionamiento un conjunto de generadores diésel que proporcionaron la electricidad necesaria. Luego vino el tsunami, mucho más grande de lo que había anticipado la gente que construyó la central (ver arriba, factor 7). El tsunami se llevó por delante todos los grupos de generadores diésel de respaldo.
Al diseñar una central nuclear, los ingenieros siguen una filosofía llamada «defensa en profundidad». Eso significa que primero lo construyes todo para que soporte la peor catástrofe que se pueda imaginar, y luego diseñas la planta de manera que aun así pueda soportar el fallo de un sistema (uno que nunca pensarías que pudiera ocurrir) tras otro. Un tsunami que se lleve de golpe todo el suministro de energía de respaldo es uno de esos escenarios. La última línea de defensa es ponerlo todo dentro del tercer contenedor (ver arriba), que lo mantenga todo dentro del reactor, sea cual sea el desastre, estén las barras de control dentro o fuera, esté el núcleo fundido o no.
Cuando se perdieron los generadores diésel, los operadores del reactor cambiaron a la batería de emergencia. Estas baterías se diseñaron como respaldo al respaldo, para proporcionar energía para refrigerar durante ocho horas. Y lo hicieron.
En menos de ocho horas había que buscar otra fuente de energía y conectarla a la planta. La red de energía eléctrica estaba cortada por el terremoto. El tsunami destruyó los generadores diésel. Así que hubo que llevar en camión generadores diésel portátiles.
Ahí es cuando las cosas empezaron a ir realmente mal. Los generadores externos no podían conectarse a la planta (los enchufes no encajaban). Así que, cuando se agotaron las baterías, ya no se pudo contener el calor residual por más tiempo.
En este momento los operadores de la central empezaron a seguir los procedimientos de emergencia diseñados para un «suceso de pérdida de refrigeración». Es otro paso en las líneas de «defensa en profundidad». La energía de los sistemas de refrigeración nunca tuvo que haber fallado por completo, pero lo hizo, así que se «retiraron» hacia la siguiente línea de defensa. Todo esto, por impactante que nos parezca, es parte del entrenamiento diario que recibe un operador, hasta gestionar una fusión del núcleo.
Fue en este punto donde la gente empezó a hablar de fusión del núcleo. Porque al final del día, si no se puede restablecer la refrigeración, el núcleo empezará a fundirse (y tardará horas o días), y entrará en juego la última línea de defensa, el receptor del núcleo.
Pero el objetivo en esta fase era gestionar el núcleo mientras se calentaba y asegurar que el primer contenedor (los tubos de zircaloy que contienen el combustible nuclear), además del segundo contenedor (nuestra olla a presión) permanezcan intactos y operativos, durante el mayor tiempo posible, para darle tiempo a los ingenieros a arreglar los sistemas de refrigeración.
Como enfriar el núcleo es un tema tan importante, el reactor tiene varios sistemas de refrigeración, cada uno de ellos en múltiples versiones (el sistema de limpieza de agua del reactor, la eliminación del calor de desintegración, la refrigeración aislante del núcleo del reactor, el sistema de refrigeración líquida de reserva y el sistema de refrigeración del núcleo de emergencia). Cuál de ellos falló, cuándo falló, o si no falló, no está claro en estos momentos.
Así que imaginaos nuestra olla a presión en el fuego, a fuego lento, pero en el fuego. Los operadores utilizan toda la capacidad de refrigeración de la que disponen para deshacerse de todo el calor posible, pero la presión empieza a aumentar. La prioridad entonces es mantener la integridad del primer contenedor (mantener la temperatura de las barras de combustible por debajo de 1200°C), además del segundo contenedor, la olla a presión. Para mantener la integridad de la olla a presión (el segundo contenedor), debe liberarse presión de cuando en cuando. Como es tan importante tener la posibilidad de hacer eso en una situación de emergencia, el reactor tiene 11 válvulas de liberación de presión. Los operadores empezaron a descargar vapor de cuando en cuando para controlar la presión. En esos momentos, la temperatura era de unos 550°C.
Entonces es cuando empezaron a salir las noticias de «fuga de radiación». Creo que expliqué antes por qué liberar el vapor es teóricamente lo mismo que liberar radiación en el medio ambiente, y por qué no era y no es peligroso. El nitrógeno radiactivo, junto con los gases nobles, no suponen una amenaza para la salud humana.
En algún momento durante esta descarga de vapor, sucedió la explosión. La explosión se produjo fuera del tercer contenedor (nuestra «última línea de defensa») y fuera del edificio del reactor. Recuerda que el edificio del reactor no cumple ninguna función de contención de la radiactividad. Todavía no está del todo claro lo que ha sucedido, pero este es escenario más probable: los operarios decidieron descargar vapor de la vasija presurizada no directamente al medio ambiente, sino al espacio que hay entre el tercer contenedor y el edificio del reactor (para darle tiempo al vapor radiactivo a perder su radiactividad). El problema es que, con la temperatura que había alzanzado el núcleo en esta fase, las moléculas de agua pueden «disociarse» en oxígeno e hidrógeno: una mezcla explosiva. Y explotó, fuera del tercer contenedor, dañando el edificio del reactor. Fue ese tipo de explosión, pero dentro de la vasija presurizada (porque estaba mal diseñada y no fue gestionada bien por los operarios) la que provocó la explosión de Chernóbil. Esto nunca ha sido el peligro en Fukushima. El problema de la formación de hidrógeno-oxígeno es uno de los mayores que existen a la hora de diseñar una planta de energía (esto es, si no eres soviético), por lo que el reactor se construye y se opera de manera que no pueda suceder dentro del contenedor. Sucedió fuera, algo que no estaba planeado pero que era un escenario posible y dentro de lo correcto, porque no planteaba ningún riesgo al contenedor.
Entonces, la presión estaba bajo control, ya que se había descargado vapor. Ahora bien, si sigues calentando tu olla, el problema es que el nivel del agua seguirá bajando y bajando. El núcleo está cubierto por varios metros de agua para dejar un margen de tiempo (horas, días) hasta que quede expuesto. En cuanto las barras empiezan a quedar expuestas en la parte de arriba, las partes expuestas alcanzarán la temperatura crítica de 1200 °C tras unos 45 minutos. Entonces es cuando fallaría el primer contenedor, el tubo de zircaloy.
Y esto es lo que empezó a suceder. No pudo restablecerse la refrigeración antes de que se produjera cierto daño (muy limitado, pero daño) al revestimiento de parte del combustible. El propio material nuclear seguía intacto, pero la capa de zircaloy que lo rodeaba empezó a derretirse. Lo que pasó entonces es que algunos subproductos de la desintegración del uranio (cesio y yodo radiactivos) empezaron a mezclarse con el vapor. El gran problema, el uranio, seguía bajo control, porque las barras de óxido de uranio no tienen problemas hasta los 3000 °C. Se ha confirmado la detección de una cantidad muy pequeña de cesio y yodo en el vapor que se emitió a la atmósfera.
Parece que esto fue la señal que inició el plan B. Las pequeñas cantidades de cesio que se midieron indicó a los operarios que el primer contenedor de una de las barras estaba a punto de ceder. El plan A era restablecer uno de los sistemas ordinarios de refrigeración del núcleo. No está claro por qué falló esto. Una explicación plausible es que el tsunami también se llevó (o contaminó) todo el agua limpia necesaria para los sistemas ordinarios de refrigeración.
El agua utilizada en el sistema de refrigeración es agua muy limpia y desmineralizada (como el agua destilada). La razón por la que se usa agua pura es la activación por los neutrones del uranio mencionada anteriormente: el agua pura no se activa mucho, por lo que permanece prácticamente libre de radiactividad. La suciedad o la sal del agua absorben mejor los neutrones, haciéndola más radiactiva. Esto no tiene ningún efecto en el núcleo; no le importa con qué se lo refrigera. Pero dificulta la vida de los operarios y mecánicos que tienen que manejar agua activada (es decir, ligeramente radiactiva).
Pero el plan A había fallado (sistemas de refrigeración desactivados o agua limpia adicional no disponible), así que entró en funcionamiento el plan B. Esto es lo que parece que sucedió:
Para evitar una fusión del núcleo, los operarios empezaron a usar agua marina para enfriar el núcleo. No estoy muy seguro si inundaron nuestra olla a presión (el segundo contenedor) con ella o si inundaron el tercer contenedor, sumergiendo la olla a presión. Pero esto no es relevante para nosotros.
El tema es que el combustible nuclear se ha enfriado. Como la reacción en cadena se detuvo hace mucho tiempo, ahora mismo solo se produce un calor residual muy pequeño. La gran cantidad de agua refrigerante que se ha utilizado es suficiente para absorber ese calor. Como es mucha agua, el núcleo no produce suficiente calor que genere una presión significativa. Además se le ha añadido ácido bórico al agua marina. El ácido bórico es «barra de control líquida». Sea cual sea la desintegración que todavía se esté produciendo, el boro capturará los neutrones y acelerará el enfriamiento del núcleo.
La planta estuvo a punto de llegar a la fusión del núcleo. El peor de los escenarios, que fue evitado, es el siguiente: si no se hubiera podido usar agua marina para refrigerar, los operarios tendrían que haber seguido descargando vapor de agua para evitar un aumento de la presión. Se habría sellado completamente el tercer contenedor para permitir que el núcleo se fundiera sin liberar material radiactivo. Tras la fusión, habría habido un período de espera para que los materiales radiactivos intermedios se desintegraran dentro del reactor, y todas las partículas radiactivas se instalaran sobre una superficie en el interior del contenedor. El sistema de refrigeración habría terminado por restablecerse, y el núcleo fundido se habría enfriado hasta una temperatura manejable. Se habría limpiado el contenedor por dentro. Luego habría comenzado el aparatoso trabajo de retirar todo el núcleo fundido del contenedor, empaquetando el combustible (de nuevo sólido) trozo a trozo en contenedores de transporte de camino a las plantas de procesamiento. Dependiendo del daño, ese bloque de la central sería reparado o desmantelado.
Entonces, ¿dónde nos deja esto? Mi valoración:
- La central es segura y seguirá siendo segura
- Japón está considerando un accidente de nivel 4 INES: accidente nuclear con consecuencias locales. Eso es malo para la compañía dueña de la central, pero para nadie más.
- Cuando se descargó la vasija presurizada, se emitió cierta radiación. Todos los isótopos radiactivos del vapor activado ya han desaparecido (se han desintegrado). Se liberó una cantidad muy pequeña de cesio, además de yodo. Si hubieras estado sentado justo encima de la chimenea de la planta cuando descargaron el vapor, probablemente tendrías que dejar de fumar para tener tu esperanza de vida anterior. Los isótopos de cesio y yodo se los llevó el mar y nunca más los veremos.
- El primer contenedor sufrió daños limitados. Eso significa que también se liberó cierta cantidad de cesio y yodo radiactivos en el agua refrigerante, pero no uranio ni otras cosas feas (el óxido de uranio no se «disuelve en el agua»). Existen instalaciones para tratar el agua refrigerante del interior del tercer contenedor. El cesio y yodo radiactivos serán eliminados allí y finalmente serán almacenados como residuo radiactivo en el almacén terminal.
- El agua marina utilizada como refrigerante se activará en cierta medida. Como las barras de control están completamente insertadas, no hay reacción en cadena del uranio. Eso significa que no se está produciendo la reacción nuclear «principal», y por tanto no contribuye a la activación. Los materiales radiactivos intermedios (cesio y yodo) también han desaparecido casi por completo en este momento, porque la desintegración del uranio se detuvo hace tiempo. Esto reduce todavía más la activación. En resumidas cuentas, habrá una cierta activación del agua marina, que será eliminada también en las instalaciones de tratamiento.
- Con el tiempo agua marina será reemplazada por el agua refrigerante «normal».
- El núcleo del reactor será desmantelado y transportado hasta una instalación de procesamiento, igual que en un recambio ordinario de combustible.
- Se buscarán daños en las barras de combustible y en toda la planta. Esto llevará unos 4-5 años.
- Los sistemas de seguridad de todas las centrales japonesas se mejorarán para que puedan soportar un terremoto 9,0 y un tsunami (o algo peor).
- (Actualizado) Creo que el problema más significativo será la escasez prolongada de energía eléctrica. Once de los 55 reactores nucleares de Japón han sido desactivados y necesitarán una inspección, reduciendo de manera directa la capacidad de generación de energía del país en un 20%, ya que la energía nuclear supone el 30% de toda la capacidad de generación de electricidad del país. No he considerado las posibles consecuencias sobre otras centrales no afectadas directamente. Probablemente esto quede cubierto por centrales de gas que normalmente solo se utilizan para los picos de carga. No estoy familiarizado con la cadena de suministro de Japón para el petróleo, el gas y el carbón, y qué daños han sufrido las redes de puertos, refinerías, almacenamiento y transporte, además del daño a la red nacional de distribución eléctrica. Todas estas cosas harán subir tu factura eléctrica y provocará cortes eléctricos durante los picos de demanda y las tareas de reconstrucción.
- Todo esto es solo una parte de una imagen mucho mayor. La respuesta a esta emergencia tendrá que ocuparse de proporcionar refugio, agua potable, comida y atención médica, infraestructuras de transporte y comunicaciones, además de suministro eléctrico. En un mundo con cadenas de suministro tan malas, vamos a ver desafíos importantes en todas estas áreas.
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