Por qué no me preocupan los reactores de Japón

[Lo que sigue es un artículo del Dr. Josef Oehmen, científico del MIT.  El artículo original ("Why I am not worried about Japan´s nuclear reactors) se encuentra aquí.  Me parece uno de los más completos y claros artículos sobre los problemas de Fukushima, y por eso lo incluyo aquí.  No es, estrictamente, Física de Película, así que olvidad pelis como "El Síndrome de China" ... y luego leed esto.  Es largo, así que poneos cómodos.  Mis aclaraciones van entre corchetes.

Y para que conste: sí, soy pro-nuclear.  Siento que a algunos no os guste.  Pero leedlo igual, los detalles son impresionantes]

Estoy escribiendo este texto (12 Marzo) para darte algo de paz de espíritu con relación a algunos de los problemas de Japón, esto es, la seguridad de los reactores nucleares de Japón.  Hasta ahora, la situación es seria pero está bajo control.  !Y este texto es largo!  Pero después de leerlo, sabrás mas sobre las centrales nucleares que todos los periodistas del planeta juntos.

No hay y NO habrá liberaciones significativas de radioactividad.

Por " significativa" quiero decir un nivel de radiación mayor que lo que recibirías en, digamos, un vuelo a larga distancia, o con beber un vaso de agua cerveza en ciertas zonas con altos niveles de radiación natural.

He estado leyendo cada comunicado de prensa sobre el incidente desde el terremoto.  No ha habido ni un solo informe que sea exacto y libre de errores (y parte de ese problema es también una debilidad en la comunicación japonesa sobre la crisis).  Por "no libre de errores", no me refiero a periodismo antinuclear tendencioso - eso es bastante normal estos días.  Por "libre de errores" quiero decir errores gordos en relación a las leyes físicas y naturales, así como a una mala interpretación de los datos debida a una obvia falta de comprensión fundamental sobre cómo los reactores nucleares se construyen y funcionan.  He leído un informe de 3 págínas en la CNN, donde cada párrafo contenía un error.

Tendremos que ir al lo básico, antes de ir a lo que está pasando

Construcción de los reactores nucleares de Fukushima

Los reactors de Fukushima son del tipo de Reactor de Agua en Ebullición, o BWR [Boiling Water Reactor].  Los Reactores de Agua en Ebullición son similares a una olla a presión.  El combustible nuclear caliente agua, el agua entra en ebullición y crea vapor, el vapor impulsa turbinas que crean la electricidad, el vapor se enfría y es condensado de nuevo a agua, y el agua se envía de vuelta para volver a ser calentada por el combustible nuclear. La olla a presión funciona a unos 250 ºC

El combustible nuclear es óxido de uranio.  El óxido de uranio es cerámico, con un punto de fusión muy alto, de unos 3000 ºC.  El combustible se fabrica en pastillas (pequeños cilindros del tamaño de piezas de Lego).  Esas piezas se insertan en un largo tubo hecho de Zircaloy [aleación de circonio] con un punto de fusión de 2200ºC, y se sellan bien.  El conjunto se llama barra de combustible.  Estas barras se juntan para formar paquetes más largos, y un conjunto de estos paquetes van al reactor.  Todos esos paquetes juntos se conocen como “el núcleo”.

La envoltura de Zircaloy es el primer sistema de confinamiento.  Separa el combustible radiactivo del resto del mundo.

El núcleo se inserta ahora en una “vasija de presión”.  Eso es la olla a presión de que hablamos antes.  La vasija de presión es el segundo sistema de confinamiento.  Es una cacerola bien fuerte, diseñada para contener con seguridad el núcleo a temperaturas de varios cientos de ºC.  Eso cubre los escenarios en los que el enfriamiento puede ser restaurado hasta cierto punto.

Todo el “hardware” del reactor nuclear (la vasija de presión y todas las tuberías, bombas y reservas de refrigerante –agua- ) se envuelve ahora en un tercer sistema de confinamiento.  Este sistema es una burbuja hermética, muy gruesa, del mejor acero y cemento.  El tercer sistema de confinamiento está diseñado, construido y probado para un único propósito: contener indefinidamente una fundición [meltdown] total del núcleo.  Para eso, se ubica un gran y grueso suelo de cemento bajo la vasija de presión (el segundo sistema de confinamiento), todo dentro del tercer sistema.  Este es el llamado “recogedor del núcleo”.  Si el núcleo se funde y la vasija de presión revienta (y acaba fundiéndose), recogerá el combustible fundido y todo lo demás.  Suele construirse de tal forma que el combustible nuclear se esparcirá, permitiendo que se enfríe.

El tercer sistema de confinamiento está a su vez rodeado por el edificio del reactor.  El edificio del reactor es una concha exterior que debe mantener el clima fuera, y no dejar entrar nada (esta es la parte que fue dañada por la explosión, pero ya volveremos luego a eso).

Fundamentos de las reacciones nucleares

El combustible de uranio genera calor mediante fisión nuclear.  Los grandes átomos de uranio se parten en átomos más pequeños.  Eso genera calor y neutrones (una de las partículas que forman un átomo).  Cuando el neutrón golpea otro átomo de uranio, lo rompe, generando más neutrones, y así sucesivamente.  A eso se llama reacción nuclear en cadena.

Ahora bien, tan sólo empaquetar un montón de barras de combustible generaría un sobrecaliento rápido, y tras unos 45 minutos llegaría a una fundición de las barras de combustible.  Vale la pena mencionar en este punto que el combustible nuclear de un reactor NUNCA puede causar una explosión nuclear como la de una bomba atómica.  Construir una bomba nuclear es realmente muy difícil (preguntadle a Irán).  En Chernobil, la explosión fue causada por una excesiva presión, explosión de hidrógeno y ruptura de todos los sistemas de confinamiento, propulsando material fundido del núcleo hacia la atmósfera (una “bomba sucia”).  Por qué eso no puede suceder, y no sucederá, en Japón, lo veremos más adelante.

Para controlar la reacción nuclear en cadena, los operarios del reactor usan las llamadas “barras de control”.  Las barras de control absorben los neutrones y acaban instantáneamente con la reacción en cadena.  Un reactor nuclear se construye de forma tal que, cuando funciona normalmente, las barras de control están extraídas.  El agua del refrigerante se lleva el calor (y lo convierte en vapor y electricidad) a la misma velocidad a la que lo produce el núcleo.  Y tienes mucho margen en torno al punto estándar de funcionamiento de 250ºC.

El reto está en que, después de insertar las barras y detener la reacción en cadena, el núcleo continúa produciendo calor.  El uranio “detuvo” la reacción en cadena.  Pero se crea un conjunto de elementos radiactivos intermedios durante el proceso de fisión, muy particularmente isótopos de Cesio y Yodo, esto es, versiones radiactivas de esos elementos, que tarde o temprano se desintegrarán en átomos más pequeños que no serán radiactivos.  Esos elementos siguen desintegrándose y produciendo calor. Como ya no se regeneran a partir del uranio (el uranio dejó de desintegrarse cuando se insertaron las barras de control), decrecen en número, y el núcleo se enfría en cuestión de días, hasta que esos elementos intermedios radiactivos se agutan.

Es el calor residual lo que ahora está causando los problemas.

Así que el primer “tipo” de material radiactivo es el uranio de las barras de combustible, junto con los elementos radiactivos intermedios en los que se convierte el uranio, los cuales también están en las barras de combustible (Cesio y Yodo).

Fuera de las barras de combustible, se crea un segundo tipo de material radiactivo. La diferencia fundamental es ésta: esos materiales radiactivos tienen una vida media muy breve, lo que significa que se desintegran con gran rapidez y se convierten en materiales no radiactivos.  Por rápido quiero decir segundos.  Si esos materiales radiactivos se liberan en el medio ambiente, sí, se libera radiactividad, pero no, no es peligroso en absoluto.  ¿Por qué?  Para cuando hayas deletreado “R-A-D-I-O-N-Ú-C-L-I-D-O”, ya serán inofensivos, puesto que se habrán desintegrado 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 salen? Cuando el uranio se desintegra, genera un neutrón (ver más arriba).  La mayoría de los neutrones golpearán otros átomos de uranio y mantendrán en marcha la reacción nuclear.  Pero algunos abandonarán la barra de combustible y golpearán las moléculas de agua, o bien el aire contenido en el agua.  Entonces, un elemento no radiactivo puede “capturar” el neutrón.  Se vuelve radiactivo.  Como se ha descrito antes, se librará del neutrón rápidamente (en segundos), para volver a su bonito yo anterior.

Este segundo “tipo” de radiación es muy importante cuando hablemos de radiactividad liberada al medio ambiente más adelante.

Qué sucedió en Fukushima

Intentaré resumir los hechos principales.  El terremoto que golpeó Japón fue 5 veces más potente que el peor terremoto para el que la centran nuclear fue construida (la escala Richter es logarítmica; la diferencia entre el 8.2 para el que fue diseñada la central, y el 8.9 que sucedió, es 5 veces, no 0.7).  Así que un primer hurra para la ingeniería japonesa, todo aguantó firme.

Cuando el terremoto golpeó con 8.9, los reactores nucleares pasaron todos a modo de cierre automático. En cuestión de segundos, las barras de control habían sido insertadas en el núcleo, y la reacción nuclear en cadena del uranio se detuvo.  Ahora el sistema de refrigeración tiene que llevarse el calor residual.  La carga de calor residual es aproximadamente un 3% del calor que se tiene en condiciones normales de funcionamiento.

El terremoto destruyó el suministro externo de energía al reactor.  Ese es uno de los accidentes más serios para una central nuclear, y en consecuencia, un “apagón del reactor” recibe mucha atención a la hora de diseñar sistemas de respaldo.  Se necesita energía para mantener funcionando las bombas que mueven el refrigerante.  Como el reactor ha sido apagado, ya no puede producir electricidad por sí mismo.

Las cosas fueron buen durante una hora.  Un conjunto múltiple de generadores diésel de emergencia se pusieron en marcha,  proporcionando la electricidad necesaria.  Entonces llegó el tsunami, mucho más grande de lo que los constructores del reactor habían esperado (ver más arriba, factor 7 [errara: es factor 5]).  El tsunami se llevó por delante todos los generadores diésel de emergencia.

Cuando diseñan una central nuclear, los ingenieros siguen la filosofía de “Defensa en Profundidad”.  Eso significa que, primero, lo construyes todo para soportar la peor catástrofe que puedas imaginar, y luego diseñas la central de forma que aun así pueda con un fallo del sistema (que no pensabas que podría suceder) tras otro.  Un caso así sería un tsunami que se llevase por delante toda la energía de emergencia.  La última línea de defensa es ponerlo todo en el tercer sistema de confinamiento (ver más arriba), eso mantendrá todo en el interior del reactor, sea cual sea el problema, con barras de control o sin ella, con el núcleo fundido o sin fundir.

Cuando fueron eliminados los generadores diésel, los operarios del reactor cambiaron a energía de baterías de emergencia.  Las baterías fueron diseñadas para ser un respaldo del respaldo, y proporcionar energía para enfriar el núcleo durante 8 horas.  Y eso hicieron.

En esas 8 horas, hay que encontrar otra fuente de energía y conectarlo al reactor.  La red de energía eléctrica había caído debido al terremoto.  Los generadores diésel fueron destruidos por el tsunami.  Así que se enviaron generadores diésel móviles en camión.

Aquí es donde las cosas comenzaron a ponerse feas.  Los generadores externos no pudieron conectarse al reactor (los enchufes no encajaban).  Así que, cuando las baterías se agotasen, el calor residual no podría ser extraído.

En este punto, los operarios del reactor comenzaron a seguir procedimientos de emergencia para un “evento de pérdida del refrigerante”.  Es de nuevo un paso en las líneas de “Defensa en Profundidad”.  Nunca debería haber fallado por completo la energía a los sistemas de refrigeración, pero lo hizo, así que se “retiraron” a la siguiente línea de defensa.  Todo esto, sorprendente como pueda parecernos a nosotros, es parte del entrenamiento del día a día que tienen que seguir los operadores del reactor, hasta la propia fundición del núcleo.

Fue en este punto cuando la gente comenzó a hablar de fundición del núcleo.  Porque al final del día, si no se conseguía restaurar la refrigeración, el núcleo acabaría fundiéndose (tras horas o días), y entraría en juego la última línea de defensa, el recogedor del núcleo y el tercer sistema de confinamiento.

Pero en esta fase, el objetivo era gestionar el núcleo mientras se calentaba, y asegurarse de que el primer sistema de confinamiento (los tubos de Zircaloy que contenían el combustible nuclear) y el segundo (nuestra olla a presión) permaneciesen intactos y operativo durante todo el tiempo posible, para dar a los ingenieros tiempo para arreglar los sistemas de refrigeración.

Como refrigerar el núcleo es una tarea enorme, el reactor tiene varios sistemas de refrigeración, cada uno de ellos en múltiples versiones (el sistema de limpieza de agua del reactor, la retirada del calor, el enfriamiento aislante del núcleo del reactor, el sistema de enfriamiento líquido en espera, el sistema de enfriamiento de emergencia del núcleo).  Cuál de ellos falló, cuándo, o si no falló, no está claro en estos momentos.

Así que imagina nuestra olla a presión a fuego lento.  Los operarios usan cualquier tipo de sistema de refrigeración que tengan a mano para librarse de todo el calor posible, pero la presión comienza a incrementarse.  La prioridad ahora es mantener la integridad del primer confinamiento (mantener la temperatura de las barras de combustible por debajo de 2200ºC), así como el segundo confinamiento, la olla.  Para mantener la integridad de la olla (el segundo confinamiento), hay que soltar vapor de vez en cuando.  Como la capacidad de poder hacerlo en una emergencia es tan importante, el reactor tiene 11 válvulas de presión.  Los operarios comenzaron a liberar vapor de vez en cuando para controlar la presión.  La temperatura en este punto era de unos 550ºC.

Es entonces cuando comenzaron los informes sobre “filtraciones de radiación”.  Creo haber explicado antes por qué ventilar el vapor es teóricamente lo mismo que liberar radiación en el ambiente, pero por qué no era y no es peligroso.  El nitrógeno radiactivo y los gases nobles no constituyen una amenaza a la salud humana.

En algún momento de este proceso de ventilación, sucedió la explosión.  La explosión tuvo lugar fuera del tercer sistema de confinamiento (nuestra “última línea de defensa”), y fuera del edificio del reactor.  Recuerda que el edificio del reactor no tiene ninguna función de contención de la radiactividad.  No está del todo claro qué sucedió, pero esto es lo más probable: Los operarios decidieron liberar vapor de la vasija de presión, pero no directamente al exterior, sino al espacio entre el tercer confinamiento y el edificio del reactor (para que el vapor tuviera más tiempo de reducir su radiación).  El problema es que, a las altas temperaturas que el núcleo había ya alcanzado, las moléculas de agua pueden “disociarse” en oxígeno e hidrógeno … una mezcla explosiva.  Y explotó, fuera del tercer sistema de confinamiento, dañando el edificio del reactor.  Fue ese tipo de explosión, pero dentro de la vasija de presión que llevó a la explosión en Chernobil (ya que fue mal diseñado y mal gestionado por los operarios).  Esto nunca fue un riesgo en Fukushima.  El problema de formación de hidrógeno-oxígeno es de los gordos cuando diseñas un reactor nuclear (si no eres soviético, vamos), así que el reactor se construye y funciona de forma que esto no pueda suceder dentro del sistema de confinamiento.  Sucedió en el exterior, lo que no estaba pensado pero era un escenario posible, y estuvo bien, porque no representaba un riesgo al sistema de confinamiento.

Así que, al liberar vapor, la presión estaba bajo control.  Ahora bien, si la olla sigue hirviendo, el problema es que el nivel del agua bajará y bajará.  El núcleo está cubierto por varios metros de agua para que pase algún tiempo (horas, días) antes de que quede expuesto [al aire].  Una vez que las barras comiencen a quedar expuestas por la parte superior, dicha parte alcanzará la temperatura crítica de 2200ºC en unos 45 minutos.  Ahí es cuando fallaría el primer sistema de confinamiento, el tubo de Zircaloy.

Y eso es lo que comenzó a suceder.  Antes de que la refrigeración fuese restaurada, se dañó (de forma limitada, pero se dañó) la envoltura de parte del combustible.  El propio material nuclear estaba intacto, pero el recubrimiento exterior de Zircaloy comenzó a fundirse.  Lo que sucedió a continuación es que algunos de los subproductos de la desintegración del uranio (Cesio y Yodo radiactivos) comenzaron a mezclarse con el vapor.  El problema gordo, el uranio, seguía bajo control, ya que las barras de óxido de uranio aguantan hasta los 3000ºC.  Se confirmó que se midieron cantidades muy pequeñas de Cesio y Yodo en el vapor liberado a la atmósfera.

Parece que esa fue la “señal de adelante” para un gran plan B.  Las pequeñas cantidades de Cesio que se midieron indicaron a los operarios que el primer sistema de confinamiento de una de las barras iba a ceder.  El Plan A consistía en restaurar uno de los sistemas de normales de enfriamiento del núcleo.  Por qué falló no está claro.  Una explicación plausible es que el tsunami también se llevó por delante, o bien contaminó, toda el agua limpia necesaria para los sistemas normales de refrigeración.

El agua usada en el sistema de refrigeración es agua muy limpia, desmineralizada (como destilada).  El motivo de usar agua pura es la anteriormente mencionada activación por los neutrones procedentes del uranio: el agua pura no se activa mucho, así que queda prácticamente libre de radiactividad.  El polvo o la sal en agua absorberían mejor los neutrones, haciéndose más radiactivos.  Esto no afecta al núcleo, ya que le da igual con qué lo enfriemos.  Pero hará la vida mucho más difícil para los operarios y los mecánicos, si éstos tienen que trabajar con agua activada (ligeramente radiactiva).

Pero el Plan A había fallado (los sistemas de refrigeración habían caído, o bien no había disponible más agua pura), así que entró el Plan B.  Esto es lo que parece que sucedió:

Para evitar una fundición del núcleo, los operarios comenzaron a usar agua de mar para enfriar el núcleo.  No estoy seguro de si la usaron para inundar la vasija de presión (el segundo sistema de confinamiento), o si inundaron el tercer confinamiento, sumergiendo la vasija de presión.  Pero esto no es relevante.

La cuestión es que el combustible nuclear había sido enfriado.  Puesto que la reacción en cadena se había detenido tiempo ha, sólo hay ahora un poco de calor residual.  La gran cantidad de agua de refrigeración usada es suficiente para extraer ese calor.  Como es un montón de agua, el núcleo ya no produce suficiente calor para generar presiones significativas.  Asimismo, se añadió ácido bórico al agua de mar.  El ácido bórico es una “barra de control líquida”.  Sea lo que sea que siga desintegrándose, el boro capturará los neutrones y acelerará el enfriamiento del núcleo.

El reactor estuvo cerca de una fundición.  Esto es lo peor que podía haber pasado, y que se evitó: Si no se hubiera usado el agua de mar, los operarios habrían seguido liberando vapor de agua para evitar una presión excesiva.  El tercer sistema de confinamiento habría sido sellado por completo para permitir la fundición sin que se liberase material radiactivo.  Tras la fundición, habría habido un período de espera para que los materiales radiactivos intermedios se desintegrasen dentro del reactor, y para que todas las partículas radiactivas se depositasen en la superficie, dentro del sistema de confinamiento.  El sistema de refrigeración se restauraría tarde o temprano, y el núcleo fundido se enfriaría hasta una temperatura más manejable.  Se limpiaría el sistema de confinamiento por dentro.  Luego comenzaría un pesado trabajo de retirada del núcleo fundido, empaquetamiento del combustible (sólido de nuevo) fragmento a fragmento, para su transporte en contenedores hasta las plantas de procesado.  Dependiendo del  daño, el bloque del reactor sería reparado o desmantelado.

¿Y dónde nos deja esto?  Mi evaluación es:

• La central está asegurada y así permanecerá
• Japón lo ha declarado un Accidente INES de Nivel 4: Accidente nuclear con consecuencias locales.  Eso es malo para la empresa propietaria de la central, pero no para los demás
• Se ha liberado algo de radiación cuando se ventiló la vasija de presión.  Todos los isótopos radiactivos del vapor activado han sido eliminados (desintegrados).  Se liberó una cantidad muy pequeña de Cesio y de Yodo.  Si estuvieses sentado encima de la chimenea del reactor cuando estaba siendo ventilado, deberías dejar de fumar para volver a tu anterior esperanza de vida.  Los isótopos de Cesio y Yodo acabaron en el mar y no volveremos a verlos
• Hubo un daño limitado en el primer sistema de confinamiento.  Eso significa que ciertas cantidades de Cesio y Yodo radiactivo serán también liberadas en el agua de refrigeración, pero no uranio u otras sustancias feas (los óxidos de uranio no se disuelven en agua).  Hay instalaciones para tratar el agua de refrigeración del tercer sistema de confinamiento.  El Cesio y Yodo radiactivo serán retirados y finalmente almacenados como residuos radiactivos.
• El agua de mar usada como refrigerante estará activada en cierto grado.  Como las barras de control están totalmente insertadas, no está sucediendo la reacción en cadena de uranio.  Eso significa que la reacción nuclear “principal” no está sucediendo, y por tanto no contribuye a la activación.  Los materiales radiactivos intermedios (Cesio y Yodo) casi han desaparecido en este punto, ya que la desintegración de uranio se detuvo hace tiempo.  Eso reduce más la activación-  Habrá algo de activación de bajo nivel en el agua de mar, la cual tendrá también que ser retirada.
• El agua de mar tendrá, con el tiempo, que ser reemplazada con agua “normal” de refrigeración
• El núcleo del reactor será entonces desmantelado y transportado a una instalación de procesamiento, igual que durante el cambio habitual de combustible.
• Las barras de combustible y todo el reactor serán revisados en busca de posibles daños.  Eso llevará unos 4-5 años.
• Los sistemas de seguridad de todos los reactores japoneses serán mejorados para poder soportar un terremoto y tsunami de intensidad 9.0 (o peor)
• (Actualizado) Creo que el mayor problema será una prolongada escasez de energía.  11 de los 55 reactores nucleares de Japón fueron desconectados en varias centrales y tendrán que ser inspeccionados, reduciendo directamente la capacidad de generación nuclear de energía en un 20%, en un país donde el 30% de la capacidad generadora de energía del país es de origen nuclear.  No he pensado en posibles consecuencias para otras centrales nucleares no directamente afectadas.  Probablemente se podrán cubrir las pérdidas con centrales de gas que se suelen usar solamente para cargas pico, y que ahora tendrán que cubrir también las necesidades de carga base.  No estoy familiarizado con la cadena de suministro japonesa de petróleo, gas y carbón, ni con los daños sufridos a los puertos, refinerías, redes de almacenamiento y transporte, así como los daños a la red nacional de distribución.  Todo eso incrementará la factura de la luz, y provocará cortes de energía en Japón durante la demanda punta y los esfuerzos de reconstrucción.
• Todo esto es solamente parte de un cuadro mucho más grande.  La respuesta a la emergencia tiene que tratar con problemas de refugios, agua potable, alimentación, cuidados médicos, infraestructura de transportes y comunicaciones, además de al suministro eléctrico.  En un mundo con magras redes de suministro, vemos grandes retos en todos esas áreas.

Si quiere seguir informado, olvide los medios tradicionales y consulten los siguientes sitios web:

• http://www.world-nuclear-news.org/RS_Battle_to_stabilise_earthquake_reactors_1203111.html
• http://www.world-nuclear-news.org/RS_Venting_at_Fukushima_Daiichi_3_1303111.html
• http://bravenewclimate.com/2011/03/12/japan-nuclear-earthquake/
• http://ansnuclearcafe.org/2011/03/11/media-updates-on-nuclear-power-stations-in-japan/