Cómo Funciona La Crisis Nuclear De Japón

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La crisis nuclear de japón implicó el fracaso de múltiples medidas de seguridad. Aprende cómo funciona la crisis nuclear de japón.

Diferentes personas tienen diferentes opiniones de la industria de la energía nuclear. Algunos ven la energía nuclear como una tecnología verde importante que no emite dióxido de carbono mientras produce grandes cantidades de electricidad confiable. Señalan un admirable historial de seguridad que abarca más de dos décadas.

Otros ven la energía nuclear como una tecnología intrínsecamente peligrosa que representa una amenaza para cualquier comunidad ubicada cerca de una planta de energía nuclear. Señalan accidentes como el incidente de Three Mile Island y la explosión de Chernobyl como prueba de lo mal que pueden salir las cosas.

En cualquier caso, los reactores nucleares comerciales son un hecho de la vida en muchas partes del mundo desarrollado. Debido a que hacen uso de una fuente de combustible radiactivo, estos reactores están diseñados y construidos con los más altos estándares de la profesión de ingeniería, con la capacidad percibida de manejar casi cualquier cosa que la naturaleza o la humanidad puedan ofrecer. ¿Temblores? No hay problema. Huracanes? No hay problema. ¿Golpes directos por jumbo jets? No hay problema. ¿Ataques terroristas? No hay problema. La fuerza está incorporada, y las capas de redundancia están destinadas a manejar cualquier anomalía operativa.

Poco después de que un terremoto azotara a Japón el 11 de marzo de 2011, sin embargo, las percepciones de seguridad comenzaron a cambiar rápidamente. Las explosiones sacudieron varios reactores diferentes en Japón, aunque los informes iniciales indicaron que no hubo problemas con el terremoto. Se produjeron incendios en la planta de Onagawa, y hubo explosiones en la planta de Fukushima Daiichi.

Entonces, ¿qué salió mal? ¿Cómo pueden fallar tan catastróficamente sistemas tan bien diseñados y altamente redundantes? Vamos a ver.

Entendiendo un reactor nuclear

Este diagrama muestra todas las partes de un reactor nuclear.

Este diagrama muestra todas las partes de un reactor nuclear.

Si ha leído Cómo funcionan los reactores nucleares, está familiarizado con la idea básica detrás de una planta de energía nuclear. En un nivel alto, estas plantas son bastante simples. El combustible nuclear, que en las modernas centrales comerciales de energía nuclear en forma de uranio enriquecido, produce calor de manera natural a medida que se dividen los átomos de uranio (consulte la sección Fisión nuclear de Cómo funcionan las bombas nucleares para obtener más información). El calor se utiliza para hervir el agua y producir vapor. El vapor impulsa una turbina de vapor, que hace girar un generador para generar electricidad. Estas plantas son grandes y generalmente pueden producir algo del orden de un gigavatio de electricidad a plena potencia.

Para que la salida de una planta de energía nuclear sea ajustable, el combustible de uranio se forma en pellets aproximadamente del tamaño de un Tootsie Roll. Estos pellets se apilan de extremo a extremo en tubos metálicos largos llamados barras de combustible. Las barras están dispuestas en paquetes, y los paquetes están dispuestos en el núcleo del reactor. Las barras de control encajan entre las barras de combustible y son capaces de absorber los neutrones. Si las barras de control están completamente insertadas en el núcleo, se dice que el reactor está apagado. El uranio producirá la menor cantidad de calor posible (pero seguirá produciendo calor). Si las barras de control se extraen del núcleo lo más posible, el núcleo produce su máximo calor. Piense en el calor producido por una bombilla incandescente de 100 vatios. Estas bombillas se calientan bastante, lo suficiente como para hornear una magdalena en un horno Easy Bake. Ahora imagine una bombilla de 1.000.000.000 vatios. Ese es el tipo de calor que sale del núcleo de un reactor a plena potencia.

Los reactores que fallaron en Japón son los reactores de agua en ebullición Mark 1 diseñados por General Electric en los años sesenta. Este es uno de los diseños de reactor anteriores, en los que el combustible de uranio hierve el agua que impulsa directamente la turbina de vapor. Este diseño fue reemplazado posteriormente por reactores de agua a presión debido a preocupaciones de seguridad que rodean el diseño de Mark 1. Como hemos visto, esas preocupaciones de seguridad se convirtieron en fallas de seguridad en Japón. Echemos un vistazo a la falla fatal que llevó al desastre.

La falla fatal en los reactores nucleares de agua hirviendo

Un reactor de agua en ebullición tiene un talón de Aquiles, un defecto fatal, que es invisible en condiciones normales de operación y en la mayoría de los escenarios de falla. La falla tiene que ver con el sistema de refrigeración.

Un reactor de agua hirviendo hierve agua: eso es bastante obvio y simple. Es una tecnología que se remonta más de un siglo a las primeras máquinas de vapor. A medida que el agua hierve, crea una gran cantidad de presión, la presión que se utilizará para hacer girar la turbina de vapor. El agua hirviendo también mantiene el núcleo del reactor a una temperatura segura. Cuando sale de la turbina de vapor, el vapor se enfría y se condensa para ser reutilizado una y otra vez en un circuito cerrado. El agua se recircula a través del sistema con bombas eléctricas.

La vulnerabilidad del diseño entra en juego si las bombas eléctricas pierden potencia. Sin un suministro fresco de agua en la caldera, el agua continúa hirviendo y el nivel del agua comienza a caer. Si se evapora suficiente agua, las barras de combustible están expuestas y se sobrecalientan. En algún momento, incluso con las barras de control totalmente insertadas, hay suficiente calor para derretir el combustible nuclear. Aquí es de donde viene el término fusión. Toneladas de uranio fundido fluyen hacia el fondo del recipiente a presión. En ese punto, es catastrófico. En el peor de los casos, el combustible fundido penetra en el recipiente a presión y se libera en el medio ambiente.

Debido a esta vulnerabilidad conocida, existe una gran redundancia en torno a las bombas y su suministro de electricidad. Hay varios conjuntos de bombas redundantes y fuentes de alimentación redundantes. El poder puede venir de la red eléctrica. Si eso falla, hay varias capas de generadores diesel de respaldo. Si fallan, hay un sistema de batería de respaldo.Con toda esta redundancia, parece que la vulnerabilidad está completamente cubierta. No hay forma de que la falla fatal sea expuesta.

Desafortunadamente, poco después del terremoto, el peor escenario se desarrolló.

El peor escenario en la crisis nuclear de Japón

El peor escenario de la crisis nuclear de Japón sería un derrumbe y una liberación masiva de radiación nuclear en el medio ambiente.

El peor escenario de la crisis nuclear de Japón sería un derrumbe y una liberación masiva de radiación nuclear en el medio ambiente.

Las centrales nucleares en Japón resistieron el terremoto sin dificultad. Las cuatro plantas más cercanas al epicentro del terremoto se apagaron automáticamente, lo que significa que las barras de control se insertaron completamente en los núcleos de sus reactores y las plantas dejaron de producir energía. Este es el procedimiento de operación normal para estas plantas, pero significó que la primera fuente de electricidad para las bombas de enfriamiento había desaparecido. Eso no es un problema porque la planta podría obtener energía de la red eléctrica para hacer funcionar las bombas.

Sin embargo, la red eléctrica se volvió inestable y también se apagó. La segunda fuente de electricidad para las bombas de enfriamiento había desaparecido. Eso puso en juego los generadores diesel de respaldo. Los generadores diésel son una forma robusta y comprobada de generar electricidad, por lo que no hubo preocupaciones.

Pero entonces el tsunami golpeó. Y desafortunadamente, el tsunami fue mucho más grande de lo que nadie había planeado. Si los generadores diesel de respaldo hubieran estado más arriba del suelo, diseñados para funcionar mientras estaban sumergidos en agua o protegidos de aguas profundas de alguna manera, la crisis podría haberse evitado. Desafortunadamente, los niveles inesperados de agua del tsunami hicieron que los generadores fallaran.

Esto dejó la última capa de redundancia - baterías - para operar las bombas. Las baterías funcionaron como se esperaba, pero estaban dimensionadas para durar solo unas pocas horas. La suposición, aparentemente, era que la electricidad estaría disponible de otra fuente con bastante rapidez.

Aunque los operadores transportaban camiones en generadores nuevos, no podían conectarse a tiempo, y las bombas de refrigerante se quedaron sin electricidad. La falla fatal en el diseño del agua hirviendo, que se cree que es imposible de descubrir a través de tantas capas de redundancia, sin embargo, se ha visto expuesta. Con esto expuesto, el siguiente paso en el proceso llevó a la catástrofe.

Explosiones en las centrales nucleares de Japón

Con las baterías agotadas, las bombas de refrigerante fallaron. Sin refrigerante fresco fluyendo hacia el núcleo del reactor, el agua que lo mantenía fresco comenzó a hervir. Cuando el agua se evaporó, las partes superiores de las barras de combustible quedaron expuestas y los tubos de metal que contenían los gránulos de combustible de uranio se sobrecalentaron y se agrietaron. Las grietas permitieron que el agua entrara en los tubos y llegara a los gránulos de combustible, donde comenzó a generar gas de hidrógeno. El proceso se llama termolisis - Si calientas el agua lo suficiente, se descompone en sus átomos constitutivos de hidrógeno y oxígeno.

El hidrógeno es un gas altamente explosivo: recuerda la explosión de Hindenburg, en la cual el Hindenburg estaba lleno de gas de hidrógeno. En las plantas nucleares de Japón, se acumuló la presión del hidrógeno y hubo que ventilar el gas. Desafortunadamente, tanto hidrógeno se descargó tan rápidamente que explotó dentro del edificio del reactor. Esta misma cadena de eventos se desarrolló en varios reactores diferentes.

Las explosiones no rompieron los recipientes a presión que sostienen los núcleos nucleares, ni liberaron cantidades significativas de radiación. Estas fueron simples explosiones de hidrógeno, no explosiones nucleares. Las explosiones dañaron los edificios de concreto y acero que rodeaban los recipientes a presión.

Las explosiones también indicaron que las cosas se habían salido de control. Si el agua continuara hirviendo, una crisis estaría casi asegurada.

Así que los operadores decidieron inundar los reactores con agua de mar. Este es un último esfuerzo para controlar la situación, ya que el agua de mar arruina por completo un reactor, pero es mejor que una fusión. Además, el agua de mar se mezcló con boro para actuar como una versión líquida de las barras de control. El boro absorbe los neutrones y es uno de los principales constituyentes de las barras de control.

Próximos pasos en la crisis nuclear de Japón

La central nuclear de Tricastin es una de las 59 centrales francesas que proporcionan el 75 por ciento de la electricidad del país.

La central nuclear de Tricastin es una de las 59 centrales francesas que proporcionan el 75 por ciento de la electricidad del país.

Los incidentes nucleares en Japón se describen como eventos INES de Nivel 6 (Escala Internacional de Eventos Radiológicos y Nucleares). Three Mile Island fue un evento de nivel 5. Chernobyl fue un evento de Nivel 7, y ese es el máximo de la escala de eventos [fuente: Reuters]. Obviamente, es una situación seria.

Japón ha perdido una parte significativa de su capacidad de generación eléctrica. Aproximadamente un tercio de la electricidad de Japón proviene de plantas de energía nuclear, y aproximadamente la mitad de esa capacidad se ha perdido (aproximadamente el 20 por ciento de la capacidad de generación total) [fuente: Izzo]. Esa capacidad tendrá que ser reemplazada de alguna manera.

A los 40 años, estos reactores están llegando al final de su vida útil de diseño de todos modos. Una alternativa es simplemente reconstruir las plantas. Los dos problemas con este enfoque son que será un proceso muy largo, posiblemente tomando una década o más, y el público en general en Japón puede que no tenga apetito por nuevos reactores nucleares. Todavía es muy temprano para decirlo.

Hay una serie de reactores Mark 1 en los Estados Unidos. Es seguro que serán retirados o modificados para aprovechar las lecciones aprendidas en Japón. Otros reactores también pueden modificarse según sea necesario.

La industria nuclear esperaba un renacimiento de la energía nuclear en los Estados Unidos ahora que han pasado más de tres décadas desde que el incidente de Three Mile Island cerró la construcción de una nueva planta nuclear en los Estados Unidos. Los acontecimientos en Japón pueden detener este renacimiento. O pueden estimular la investigación en otras tecnologías nucleares, posiblemente más seguras.


Suplemento De Vídeo: Segundos Catastroficos - Fukushima (Completo / Español Latino).




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