Cómo Funciona Un Reactor Nuclear

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A lo largo de los años, los reactores nucleares han sido vistos como un milagro y una amenaza. ¿cómo hace un reactor nuclear su trabajo?

Los reactores nucleares tienen un solo trabajo: dividir los átomos en una reacción controlada y usar la energía liberada para generar energía eléctrica. A lo largo de los años, los reactores han sido vistos como un milagro y una amenaza.

Cuando el primer reactor comercial de EE. UU. Entró en línea en Shippingport, Pensilvania, en 1956, la tecnología fue considerada como la fuente de energía del futuro, una que algunos creían que con el tiempo la electricidad sería demasiado barata para medir. Los países de todo el mundo construyeron 442 reactores nucleares, y aproximadamente una cuarta parte de esos reactores se construyeron en los Estados Unidos [fuente: Euronuclear.org]. El mundo ha llegado a depender de los reactores nucleares para el 14 por ciento de su electricidad [fuente: Instituto de Energía Nuclear]. De hecho, los futuristas fantasearon con tener automóviles propulsados ​​por energía nuclear [fuente: Ford].

Luego, 23 años después, cuando la Unidad 2 en la central eléctrica de Three Mile Island, en Pensilvania, sufrió un malfuncionamiento en el enfriamiento y una fusión parcial de su combustible radioactivo, los sentimientos sobre los reactores cambiaron radicalmente. A pesar de que la contención del reactor afectado se mantuvo y no hubo una emisión importante de radiación, muchas personas empezaron a ver los reactores como demasiado complicados y vulnerables a fallas humanas y de equipos, con consecuencias potencialmente catastróficas. También se preocuparon por los residuos radioactivos de los reactores. Peor aún, muchos se preguntaban si los reguladores gubernamentales y la industria de la energía nuclear se estaban estabilizando con el público. Como resultado, la construcción de nuevas plantas nucleares se detuvo en los Estados Unidos. Cuando se produjo un accidente más grave en la planta nuclear de Chernobyl de la Unión Soviética en 1986, la energía nuclear parecía condenada a la obsolescencia [fuente: Unión de Científicos Preocupados].

Pero a principios de la década de 2000, los reactores nucleares comenzaron a reaparecer, gracias a la creciente demanda de energía, la disminución del suministro de combustibles fósiles y la creciente preocupación por el cambio climático debido a las emisiones de dióxido de carbono. A fines de la década, la Comisión Reguladora Nuclear de los Estados Unidos comenzó a aprobar los permisos para nuevas plantas, y el presidente Barack Obama incluyó la energía nuclear como una parte clave de su plan energético.

Pero luego, en marzo de 2011, se produjo otra crisis, esta vez en la central nuclear de Fukushima Daiichi en Japón, que volvió a despertar preocupación.

En este artículo, explicaremos cómo funcionan los reactores nucleares, qué sucede cuando funcionan mal y los riesgos que representan para nuestra salud y el medio ambiente en comparación con otras fuentes de energía. También veremos qué avances tecnológicos podrían hacer que los reactores nucleares del futuro sean más seguros.

Pero primero, veamos cómo funciona la fisión nuclear, el proceso que realmente produce la energía.

Aprovechar una reacción nuclear

En pocas palabras, un reactor nuclear divide los átomos y libera la energía que mantiene unidas sus partes.

Si ha pasado un tiempo desde que tomó la física de la escuela secundaria, le recordaremos cómo Fisión nuclear Obras: los átomos son como pequeños sistemas solares, con el núcleo donde estaría el sol y los electrones que orbitan a su alrededor. El núcleo está formado por partículas llamadas protones y neutrones, que están unidas por algo llamado fuerza potente. Tal vez fue llamada "fuerza fuerte" porque es casi demasiado poderosa para que la imaginemos, de hecho, muchos, miles de millones de veces más fuertes que la gravedad, [fuente: Bryson]. A pesar de la fuerza de la fuerza fuerte, es posible dividir un núcleo, disparándole neutrones. Cuando se hace eso, se libera una gran cantidad de energía. Cuando los átomos se dividen, sus partículas se estrellan contra los átomos cercanos, dividiéndolos también en una reacción en cadena. (Piense en un accidente de varios autos en la autopista).

El uranio, un elemento con átomos realmente grandes, es perfecto para la división del átomo porque su fuerza fuerte, aunque poderosa, es relativamente débil en comparación con otros elementos. Los reactores nucleares utilizan un isótopo particular llamado uranio-235 [fuente: Unión de Científicos Preocupados]. El uranio-235 es raro en la naturaleza; el mineral de las minas de uranio solo contiene alrededor del 0,7 por ciento de uranio-235. Por eso usan los reactores. uranio enriquecido, que se crea al separar y concentrar el uranio-235 a través de un proceso de difusión de gas [fuente: NRC].

Este proceso es lo que da a una bomba atómica, como las que se lanzaron sobre Hiroshima y Nagasaki, Japón, durante la Segunda Guerra Mundial, un poder tan terrible. Pero en un reactor nuclear, la reacción en cadena se controla insertando barras de control hechas de un material como cadmio, hafnio o boro, que absorben algunos de los neutrones [fuente: World Nuclear Association]. Eso todavía permite que el proceso de fisión emita suficiente energía para calentar el agua a una temperatura de aproximadamente 520 grados Fahrenheit (271 grados Celsius) y convertirla en vapor, que se usa para encender turbinas y generar electricidad [fuente: Union of Concerned Scientists]. Básicamente, una planta nuclear funciona como una planta eléctrica que funciona con carbón, excepto que la energía para hervir el agua proviene de la división de los átomos en lugar de la quema de carbono [fuente: Comisión Reguladora Nuclear].

En la siguiente sección, hablaremos sobre los diferentes tipos de reactores y cómo funcionan sus partes clave.

¿Qué países dependen más de la energía nuclear?

Los Estados Unidos obtienen aproximadamente el 20 por ciento de su electricidad de los reactores nucleares, pero otros países dependen más de ellos. Aquí hay una lista de países y porcentajes de energía nuclear:

Lituania - 76,2 por ciento

Francia - 75.2 por ciento

Eslovaquia - 53.5 por ciento

Bélgica - 51,7 por ciento

Ucrania - 48.6 por ciento

Armenia - 45.0 por ciento

Hungría - 43.0 por ciento

Suiza - 39.5 por ciento

Eslovenia - 37.8 por ciento

Suecia - 37.4 por ciento

Bulgaria - 35.9 por ciento

Corea del Sur - 34.8 por ciento

[fuente: Instituto de Energía Nuclear]

Componentes del reactor nuclear

Este diagrama muestra todas las partes de un reactor nuclear.

Este diagrama muestra todas las partes de un reactor nuclear.

Hay varios tipos diferentes de reactores nucleares, pero todos tienen algunas características comunes. Todos ellos tienen un suministro de pastillas de combustible radioactivo, generalmente óxido de uranio, que se disponen en tubos para formar barras de combustible en el núcleo del reactor [fuente: Asociación Nuclear Mundial].

El reactor también tiene lo mencionado anteriormente. barras de control - hecho de material absorbente de neutrones, como cadmio, hafnio o boro, que se insertan en el núcleo para controlar o detener la reacción [fuente: World Nuclear Association].

Un reactor también tiene un moderador, una sustancia que ralentiza los neutrones y ayuda a controlar el proceso de fisión. La mayoría de los reactores en los Estados Unidos usan agua ordinaria, pero los reactores en otros países a veces usan grafito, o agua pesada, en el que el hidrógeno ha sido reemplazado por deuterio, un isótopo de hidrógeno con un protón y un neutrón [fuente: World Nuclear Association, Federation of American Scientists]. Otra parte importante del sistema es una refrigerante - nuevamente, generalmente agua ordinaria - que absorbe y transmite calor del reactor para generar vapor para hacer girar las turbinas y enfría el núcleo del reactor para que no alcance la temperatura a la cual se derrite el uranio (aproximadamente 6,900 grados Fahrenheit, o 3,815 grados centígrados) [fuente: Asociación Nuclear Mundial]. (Explicaremos por qué una fusión es algo muy malo más adelante en este artículo).

Finalmente, un reactor está encerrado en un contención, una estructura grande y pesada, generalmente de varios pies de espesor y hecha de acero y concreto, que mantiene los gases y líquidos radioactivos en el interior, donde no pueden dañar a nadie [fuente: World Nuclear Association].

Hay varios diseños diferentes de reactores en uso, pero en los Estados Unidos, aproximadamente dos tercios de los reactores están en uso. reactores de agua a presión (PWRs). En un reactor de agua a presión, el agua se bombea al contacto con el núcleo y luego se mantiene bajo presión para que no se convierta en vapor. Esa agua presurizada se pone en contacto con un segundo suministro de agua no presurizada, que es lo que se convierte en vapor para hacer girar las turbinas. El tercio restante de los reactores en los Estados Unidos son reactores de agua hirviendo (BWRs). Con los BWR, el agua que entra directamente en contacto con el núcleo del reactor puede convertirse en vapor para generar electricidad [fuente: Asociación Nuclear Mundial].

En la siguiente sección, veremos los riesgos potenciales que representan los reactores nucleares y cómo evaluarlos.

¿Qué tan seguro es un reactor nuclear?

La respuesta a esa pregunta es bastante complicada, y depende de a quién le pregunte y cómo defina "seguro". ¿Está preocupado por la radiación que se filtra rutinariamente de las plantas o por los residuos radiactivos generados por los reactores? O, ¿está más preocupado por la posibilidad de un accidente catastrófico? ¿Qué grado de riesgo considera un compromiso aceptable para los beneficios de la energía nuclear? ¿Y en qué medida confía en que el gobierno y la industria de la energía nuclear mantengan las cosas seguras y proporcionen información precisa al público?

"Radiación" es una palabra cargada, principalmente porque todos sabemos que las grandes dosis de radiación, por ejemplo, de una explosión de una bomba nuclear, pueden matar a decenas de personas o enfermarlas horriblemente.

Los defensores de la energía nuclear, sin embargo, señalan que todos estamos expuestos de manera rutinaria a la radiación de diversas fuentes, incluidos los rayos cósmicos y la radiación emitida naturalmente por la Tierra. La exposición promedio anual a la radiación es de aproximadamente 6.2 milisieverts (mSv), la mitad de ella proveniente de fuentes naturales y la mitad de fuentes artificiales, que van desde radiografías de tórax hasta detectores de humo y esferas de vigilancia luminosas [fuente: Nuclear Regulatory Commission]. ¿Cuánto obtenemos de los reactores nucleares? Una pequeña fracción de un porcentaje de nuestra exposición anual típica - 0.0001 mSv [fuente: Comisión Reguladora Nuclear].

Mientras que todas las plantas nucleares inevitablemente pierden pequeñas cantidades de radiación, en los Estados Unidos, los reguladores mantienen a los operadores en un estándar estricto. No pueden exponer a las personas que viven alrededor de la planta a más de 1 mSv de radiación por año, y los trabajadores en la planta tienen un umbral de 50 mSv por año. Esto puede parecer mucho, pero de acuerdo con la Comisión Reguladora Nuclear, no hay evidencia médica que demuestre que las dosis de radiación anuales por debajo de 100 mSv suponen un riesgo para la salud [fuente: Comisión Reguladora Nuclear].

Pero es importante mencionar que no todos están de acuerdo con esa evaluación de los riesgos de radiación. Por ejemplo, Physicians for Social Responsibility, un crítico de larga data de la industria nuclear, cita un estudio realizado en 2009 sobre niños que viven cerca de las centrales nucleares alemanas. El estudio encontró que aquellos que viven a una distancia de 3.1 millas (5 kilómetros) de las plantas tenían el doble de riesgo de contraer leucemia que aquellos que viven más lejos [fuente: Physicians for Social Responsibility].

También está el problema de los residuos radiactivos generados por los reactores. Cubriremos ese desafío en la página siguiente.

¿Cómo se mide la radiación?

La unidad para cuantificar la dosis de radiación es un Sievert (Sv). Es la relación entre la energía de radiación (julios) y la masa corporal total expuesta (kilogramos). Un Sievert es una gran cantidad de radiación: una dosis instantánea de 1 a 3 Sv puede causarle náuseas severas y paralizar su sistema inmunológico, y 10 Sv al mismo tiempo podrían matarlo. Normalmente, las personas están expuestas a dosis mucho más pequeñas, que se miden en milisieverts (mSv) que ascienden a 0.001 de un Sievert.La persona promedio está expuesta a aproximadamente 6.2 mSv anualmente de fuentes naturales y artificiales [fuente: National Institutes of Health].

Residuos de reactores nucleares

Este hombre está probando desechos radioactivos en una planta de energía nuclear.

Este hombre está probando desechos radioactivos en una planta de energía nuclear.

La energía nuclear es promocionada por los partidarios como energía "limpia" porque no pone grandes cantidades de gases de efecto invernadero en la atmósfera, como lo hacen las plantas de energía que queman carbón. Pero los críticos señalan otro problema ambiental: la eliminación de residuos nucleares. Algunos de los residuos son combustible gastado de los reactores, que continúa emitiendo radioactividad. Otro material de desecho que debe almacenarse es el desecho radioactivo de alto nivel (HLW, por sus siglas en inglés), un residuo líquido que queda cuando el combustible gastado es reprocesado para remover y reciclar el uranio que quede en él. En este momento, la mayoría de estos desechos se almacenan en el sitio en plantas de energía nuclear, en piscinas de agua que absorben parte del calor sobrante generado por el combustible gastado y ayudan a proteger a los trabajadores de la exposición a la radiación [fuente: Agencia de Protección Ambiental].

Un problema con el combustible nuclear gastado es que ha sido modificado por el proceso de fisión. Cuando los grandes átomos de uranio se dividen, crean subproductos: isótopos radiactivos de varios elementos más ligeros, como el cesio-137 y el estroncio-90, llamados productos de fision. Son calientes y muy radiactivos, pero con el tiempo, durante un período de 30 años, se descomponen en formas menos peligrosas. Ese período se llama media vida. Además, algunos átomos de uranio también capturan neuronas y forman elementos más pesados, como el plutonio. Estos elementos transuránicos no generan tanto calor o radiación penetrante como los productos de fisión, pero tardan mucho más en descomponerse. Plutonio-239, por ejemplo, tiene una vida media de 24,000 años [fuente: Comisión Reguladora Nuclear].

Esta residuos radiactivos de alto nivel Los reactores son peligrosos para los humanos y otras formas de vida, ya que pueden emitir una dosis enorme y fatal de radiación, incluso de una exposición corta. Una década después de que se retire un conjunto de combustible de un reactor, por ejemplo, emite 200 veces más radioactividad en una hora que se necesita para matar a una persona. Y si los desechos se introducen en aguas subterráneas o ríos, podrían entrar en la cadena alimentaria y poner en peligro a un gran número de personas [fuente: Comisión de Regulación Nuclear].

Debido a que el desperdicio es tan peligroso, muchas personas se sienten incómodas por tener 60,000 toneladas de ellas en plantas nucleares cercanas a las principales ciudades. Pero encontrar un lugar seguro para guardarla no ha sido fácil. Por décadas, el gobierno federal de los Estados Unidos, por ejemplo, ha estado estudiando la posibilidad de almacenarlo en Yucca Mountain en Nevada, 90 millas (144.8 kilómetros) fuera de Las Vegas. A pesar de las fuertes objeciones locales, el Congreso aprobó el proyecto en 2004. Pero en 2009, el Secretario de Energía de la Administración Obama, Steven Chu, anunció que el plan se estaba archivando y que los desechos se almacenarán en las plantas locales hasta que el gobierno encuentre otra solución [fuente: Hebert].

Lo que más preocupa a las personas con respecto a los reactores nucleares es el desperdicio radioactivo, es decir, más allá del posible escenario más obvio y más aterrador: una falla del reactor que desencadena consecuencias potencialmente catastróficas. Discutiremos ese tipo de escenario en la página siguiente.

¿Qué puede salir mal con un reactor nuclear?

Un diagrama de la contaminación por radiación después del desastre de Chernobyl.

Un diagrama de la contaminación por radiación después del desastre de Chernobyl.

Con los reguladores gubernamentales mirando por encima de sus hombros, los ingenieros han dedicado mucho tiempo a lo largo de los años a diseñar reactores para una seguridad óptima, no solo para que funcionen correctamente, sino también para que haya medidas de seguridad de respaldo cuando algo falla. Como resultado, año tras año, las plantas nucleares parecen bastante seguras en comparación con, digamos, los viajes aéreos, que habitualmente matan a entre 500 y 1.100 personas al año en todo el mundo [fuente: Daily Mail].

Sin embargo, los reactores nucleares han sufrido grandes averías. En la Escala Internacional de Eventos Nucleares (INES, por sus siglas en inglés), que califica los accidentes en una escala creciente de 1 a 7, ha habido cinco accidentes desde 1957 que calificaron entre 5 y 7 [fuente: Agencia Internacional de Energía Atómica].

La peor pesadilla es una falla del sistema de enfriamiento, que permitiría que el combustible se sobrecaliente y experimente una fusión. Con un fusión de un reactor, el combustible se convierte en líquido y luego se quema a través del recipiente de contención, arrojando radiación a lo largo y ancho. En 1979, la Unidad 2 de Three Mile Island llegó peligrosamente cerca de este escenario, con el núcleo parcialmente derretido y fluyendo hacia el fondo del recipiente de contención. Afortunadamente, como descubrieron posteriormente los científicos al colocar una cámara en la unidad, la contención bien diseñada fue lo suficientemente fuerte como para evitar que la radiación saliera [fuente: Smithsonian].

Los soviéticos tuvieron peor suerte. El peor accidente nuclear en la historia fue la catástrofe de abril de 1986 en la Unidad 4 de la planta nuclear de Chernobyl en la entonces URSS, causada por una combinación de fallas en el sistema, fallas de diseño y personal mal entrenado. Durante una prueba de rutina, el reactor se disparó repentinamente y las barras de control se atascaron, impidiendo una parada de emergencia. La repentina acumulación de vapor causó dos explosiones, exponiendo al aire al moderador de grafito del reactor y lo incendió. Sin nada para enfriarlos, las barras de combustible del reactor se sobrecalentaron y sufrieron un colapso total, en el que el combustible se volvió líquido [fuente: Asociación Nuclear Mundial]. Treinta trabajadores de la planta fueron asesinados. A diferencia de la planta en Three Mile Island, el reactor afectado de Chernobyl aparentemente carecía de un recipiente de contención robusto, y grandes cantidades de radiación se derramaron sobre un área de 125,000 millas cuadradas (323,749 kilómetros cuadrados).La cantidad de muertes causadas por enfermedades relacionadas con la radiación aún no está clara, pero un estudio de 2006 de la Organización Mundial de la Salud estimó que puede haber causado 9,000 muertes por cáncer [fuente: Organización Mundial de la Salud].

En la siguiente sección, veremos cómo la crisis en la planta nuclear de Fukushima Daiichi en Japón se compara con los accidentes pasados ​​y cómo se evitan las catástrofes nucleares.

Fukushima Daiichi Crisis de la planta nuclear

Las preocupaciones sobre la exposición a la radiación se extendieron por Japón y en todo el mundo después de un terremoto y un tsunami en marzo de 2011 paralizaron la planta nuclear de Fukushima Daiichi.

Las preocupaciones sobre la exposición a la radiación se extendieron por Japón y en todo el mundo después de un terremoto y un tsunami en marzo de 2011 paralizaron la planta nuclear de Fukushima Daiichi.

Los diseñadores de reactores nucleares construyen salvaguardas basadas en una evaluación probabilística, en el que intentan equilibrar el daño potencial de un evento con la probabilidad de que realmente ocurra [fuente: Comisión Reguladora Nuclear]. Pero algunos críticos dicen que deberían prepararse, en cambio, para los eventos más raros, más improbables pero de mayor impacto: lo que el filósofo Nassim Nicholas Taleb llama eventos de "cisne negro" [fuente: Oro].

Caso en cuestión: la crisis de marzo de 2011 en la planta nuclear de Fukushima Daiichi en Japón. Según se informa, la planta fue diseñada para soportar un gran terremoto, pero no un desastre tan grande como el terremoto 9.0 que envió olas de tsunami de 46 pies de altura (14 metros) que se estrellaron sobre los muelles diseñados para resistir olas de 18 pies (5,4 metros). [fuente: Swinford, Fisher]. La avalancha del tsunami destruyó los generadores diesel de respaldo que estaban instalados para alimentar los sistemas de refrigeración de los seis reactores de la planta, en el caso de que se cortara la electricidad. Así, incluso después de que las barras de control de los reactores de Fukushima apagaran las reacciones de fisión, el combustible aún caliente causó que la temperatura subiera peligrosamente dentro de los reactores afectados [fuente: Nosowitz].

Los funcionarios japoneses recurrieron a una medida extrema: inundar los reactores con enormes cantidades de agua de mar mezclada con ácido bórico, lo que podría evitar una crisis, pero destruiría el equipo del reactor en el proceso [fuente: Nosowitz]. Finalmente, con la ayuda de camiones de bomberos y barcazas de la Armada de los Estados Unidos, los japoneses pudieron bombear agua dulce a los reactores [fuente: Nuclearstreet.com]. Pero para entonces, los edificios del reactor y las contenciones habían sufrido grandes daños, y el monitoreo ya mostraba niveles alarmantes de radiación en la tierra y el agua circundantes. En una aldea a 25 millas (40,2 kilómetros) de la planta, el cesio-137, un elemento radioactivo, se midió a niveles mucho más altos que el estándar que los soviéticos usaron como indicador para recomendar el abandono de tierras alrededor de Chernobyl, presentando la perspectiva de que el área podría volverse permanentemente inhabitable [fuente: Wald].

Mientras que el desastre japonés ha provocado escrúpulos públicos sobre la energía nuclear de los Estados Unidos, William Levis, CEO del operador nuclear PSEG Power, dijo al Congreso en marzo de 2011 que las plantas de los Estados Unidos podrían soportar un evento similar aquí. Levis dijo que las empresas de servicios públicos estadounidenses gastaron $ 6.5 mil millones solo en 2009 para reemplazar equipos viejos y mejorar las precauciones, y que las plantas están preparadas para eventos extremos que van desde incendios y explosiones hasta la pérdida de bombas de refrigeración y múltiples fallas en el sistema de seguridad. También dijo que los operadores de plantas nucleares estaban reevaluando la vulnerabilidad de las plantas a terremotos masivos y podrían agregar más medidas de protección [fuente: PR Newswire].


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