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Explicacion cientifica de la explosion de la Central Nuclear de Fukushima

14/03/2011 12:09 0 Comentarios Lectura: ( palabras)

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Las centrales nucleares producen energía a partir de la fisión de un isótopo llamado Uranio-235 (U-235).

El U-235 es inestable y en su estado "normal" se descompone generando dos pequeños núcleos atómicos, más 2 ó 3 neutrones.

Si uno de esos neutrones golpea a otroátomo de U-235 hace que se libere energía y a su vez ocasiona la liberación de más neutrones que afectan a más átomos de U-235 y así sucesivamente.

Si esto no se controla, se produce la reacción en cadena de una explosión nuclear. Si se aprovechan correctamente, puede ser utilizado como una fuente de energía.

Aquí hay un esquema simplificado de un Reactor de Agua en Ebullición (BWR) - el mismo tipo de reactor como el de Fukushima en Japón.

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Pero, ¿Cómo se usa en U-235 en una planta nuclear?

Las barras de combustible de uranio poco enriquecido (normalmente menos del 10% de U-235 y el resto se compone de U-238, que es un isótopo más estable, no fisionable de uranio) se insertan en el reactor. Sólo un pequeño porcentaje de las barras de combustible se compone de U-235. Esto es en parte porque el uranio natural contiene menos de 1% de U-235 y el enriquecimiento de uranio natural es caro y consume tiempo.

También porque cuando el U-238 absorbe neutrones producidos por fisión del U-235, se convierte en plutonio, que puede ser extraído y utilizado para hacer bombas atómicas, pero eso es otro cuento...

Debido al bajo contenido de U-235, el núcleo no alcanza criticidad (es decir, una reacción auto sostenida en cadena) por sí mismo. ¿Si no hubo una reacción en cadena, por qué se produjo radioactividad en la zona de Fukushima?

Para alcanzar criticidad es necesario introducir un "moderador" para frenar los neutrones en el reactor haciéndolos más propensos a seguir provocando la fisión de otros átomos.

Sin este "moderador", no se obtiene la reacción en cadena.

En un BWR (Boiled Water Reactor - Reactor de Ebullición de Agua) como el de Fukushima, el agua refrigerante que circula por el reactor actúa como un moderador. Esta es una característica de seguridad inherente en el diseño de este tipo de reactores en que, si hay una pérdida total de líquido refrigerante en el núcleo, se opta por agua, donde lareacción será lenta y se detendrá por sí misma, aunque con daños considerables a la base como resultado del exceso de calor producido.

En un BWR, el calor absorbido por el agua de refrigeración se convierte en vapor en la parte superior del reactor. Este vapor se alimenta directamente a una turbina que hace girar un generador para producir electricidad.

Debido a que esta agua pasa a través del núcleo es ligeramente radioactiva. En circunstancias normales, el agua refrigerante se separa de las barras de combustible y por tanto no se contamina con isótopos radiactivos del combustible. Sin embargo, sí absorbe neutrones del núcleo que puede producir isótopos radiactivos de cortaduración.

El isótopo producido en principio es el nitrógeno-10, producto del oxígeno en el agua, el cual tiene una vida media muy corta desintegrándose de nuevo al oxígeno. Por lo que el riesgo de radioactividad del agua de refrigeración es baja.

Unúltimo elemento en el diseño del reactor son las barras de control, estas están hechas de un material absorbente de neutrones. En el caso de una emergencia, estas se insertan en el reactor de fisión y hacen que todos dejen de absorber los neutrones necesarios para mantener una reacción en cadena.

En Fukushima, tan pronto como el terremoto fue detectado, todos los reactores en el sitio pasaron a modo "scrammed", es decir que tenían todas sus barras de control totalmente insertadas para detener la reacción de fisión. Esta es una medida de seguridad estándar y se lleva a cabo para atender el caso improbable de que un terremoto pudiese dañar el reactor.

No obstante, aunque la fisión del U-235 había cesado en el núcleo del reactor, este continuaba produciendo una cantidad considerable de calor. La razón de esto es que, además de uranio, el núcleo contiene una gran cantidad de otros productos de fisión, es decir átomos radiactivos que fueron producidos a partir de la fisión de átomos de U-235.

Debido a que estos productos de fisión están sujetos a las mismas leyes de desintegración radiactiva, el calor producido por ellos decae exponencialmente con el tiempo, pero para los primeros días de la parada del reactor, el núcleo todavía tiene que ser enfriado mediante el bombeo de refrigerante ya que el calor de estos productos de fisión podría causar un daño significativo a la base.

En Fukushima, con el reactor apagado, la planta comenzó a depender de la red nacional de energía para mantener las bombas de suministro de refrigerante, pero al fallar dicho suministro, se tuvo que optar por generadores Diesel, y si esto falla, baterías.

Lo que parece haber sucedido es que todos estos sistemas fueron dañados o destruidos por el tsunami que azotó el lugar con posterioridad al terremoto, lo que dejó al reactor sin fuente de poder de suministro de refrigerante a la base por un tiempo bastante considerable.

Pero entonces, ¿Qué ocasionó la explosión?

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Para entender como ocurrió la explosión, tenemos que mirar el diseño del propio reactor. No he podido encontrar un diagrama decente del reactor real en Fukushima, pero aquí les muestro un reactor similar, tomado del Manual de Conceptos de la United States Nuclear Regulatory Comission.

Observen el gran espesor de la pared de hormigón que rodea el reactor propiamente dicho.

Este es un elemento obligatorio de todos los reactores en el oeste del mundo y está diseñado para contener una explosión catastrófica de la propia central.

En Fukushima se perdió toda fuente de energía para suministrar refrigerante al reactor, en este caso, todavía hay un último mecanismo de refrigeración de emergencia.

Como se observa en la gráfica, por debajo del reactor se encuentra un toroide (que es un nombre elegante para una cosa en forma de anillo), y se encuentra generalmente lleno hasta la mitad con agua.

Cuando el reactor comienza a recalentarse por fallas en el suministro de refrigerante, la tapa del reactor comienza a alimentarse del agua fría del toroide a través de tuberías.

Si esto ocurre, se genera un vapor que se enfría y se condensa rápidamente en agua. Esto crea un efecto de succión de gran potencia que se puede utilizar para accionar una turbina con una potencia suficiente para pasar el agua desde el toroide hasta el reactor y enfriarlo.

Esto es sin embargo una medida deúltimo recurso para evitar que el núcleo entre en fusión porque el proceso acumula presión de vapor de agua con suficiente potencial de hacer que las tuberías estallen en el interior del reactor o incluso provocar una explosión catastrófica.

El procedimiento normal en este caso es que el vapor excesivo se libere a la atmósfera, el cual, siempre que el núcleo no esté dañado, no debe contener subproductos de la fisión, teniendo solamente al nitrógeno-16 como única fuente importante de radioactividad, producido a partir de la irradiación de neutrones en el núcleo en su funcionamiento normal que como ya mencioné, se descompone muy rápidamente a la atmósfera y no es especialmente peligroso.

Lo que sucedió fué que por alguna razón (pienso que para evitar la contaminación ambiental por radiación), este vapor no fue liberado.

Sin embargo lo que ocasionó la explosión no fue este vapor de agua sino una acumulación de hidrógeno en el techo del contenedor exterior de concreto de la planta.

Antes de explicar como pasó esto, primero quiero enfatizar que la explosión no tuvo que ver con el núcleo del reactor, y que lo que ocurrió en Chernobyl y en Fukushima son dos tipos de eventos completamente diferentes, para entenderlo, nada más que tenemos que observar las dos imágenes de ambos siniestros:

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Observemos la diferencia con respecto a los daños causados en Chernobyl:

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Si la explosión en Fukushima hubiese sido una explosión en el núcleo, o incluso en la estructura de contención alrededor de la base, tendría que haber sido lo suficientemente grande como para romper la contención de hormigón y acero en torno al reactor, los cuales son incluso mucho más fuertes que sus equivalentes en la planta de Chernobyl.

Habiendo aclarado que lo que sucedió en Fukushima no tuvo nada que ver con el núcleo del reactor, procedemos a decir que lo que realmente sucedió es lo que ocurre en todas las plantas que generan energía con combustibles fósiles, y en el caso de Fukushima, estamos hablando de los generadores auxiliares a Diesel.

Estas plantas son vulnerables a la acumulación de gas hidrógeno. Este hidrógeno puede ser utilizado para enfriar a su vez los generadores en la sala de turbinas. Con una pérdida de energía ocasionada por el terremoto, la contención del hidrógeno para los generadores puede haber fallado.

Como el hidrógeno es más ligero que el aire, se levanta y se acumula en la parte superior de un edificio. Todo lo que necesita es, pues, una fuente de ignición y plantas de energía están llenas de ellos.

De modo que, esta explosión por acumulación de hidrógeno expulso el vapor de agua contaminado con el isótopo de nitrógeno-16 a la atmósfera con los consecuentes efectos de elevación de radioactividad, lo que definitivamente deja ver que la explosión y la consecuente contaminación radioactiva nunca tuvo nada que vercon el núcleo del reactor.

Obviamente esto es malo y no debería ocurrir nunca, y aún más importante, debe hacer reflexionar una vez más a los propietarios de las plantas nucleares acerca de la necesidad de revisar sus procedimientos de emergencia.

Mi reflexión en este sentido es que se debería reconsiderar si este tipo de plantas realmente valen la pena en función de los riesgos que para la comunidad presentan, sobre todo por el hecho de que indudablemente aun requieren de combustibles fósiles para continuar funcionando en caso de una emergencia.

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elprofesordeciencias.blog.com.es
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