Ahora, a causa de la crisis nuclear que hay en Fukushima el tema está en boca de todos. El riesgo que hay en el país nipón va desde la emisión de radiaciones hasta la fusión del núcleo.
Cómo funciona la energía nuclear
El proceso de la energía nuclear se basa en una colisión entre varios elementos dentro del núcleo de la central. Cuando allí el uranio, torio y plutonio reciben un neutrón se produce un impacto entre ambos, algo que libera energía creando dos neutrones, que a continuación impactarán con dos núcleos atómicos que se volverán a multiplicar y así sucesivamente. En este proceso se genera mucha energía, en forma de calor.
El combustible de uranio genera calor mediante la fisión nuclear. Los átomos grandes de uranio se dividen en átomos más pequeños. Esto genera calor más neutrones (una de las partículas que forman un átomo). Cuando el neutrón golpea a otro átomo de uranio, este se divide, generando más neutrones y así sucesivamente. Eso se llama reacción nuclear en cadena.
Ahora, un montón de paquetes de barras de combustible junto a otro pueden producir rápidamente un sobrecalentamiento y, después de unos 45 minutos, una fusión de las barras de combustible. Vale la pena mencionar en este punto que el combustible nuclear en un reactor nunca puede causar una explosión nuclear del tipo de una bomba. La construcción de una bomba nuclear es en realidad es bastante difícil.
En Chernóbil, la explosión fue causada por la acumulación de exceso de presión, una explosión de hidrógeno y la ruptura de todos los elementos de contención, impulsando material del núcleo fundido en el medio ambiente (una “bomba sucia”).
Con el fin de controlar la reacción nuclear en cadena, los operadores del reactor utilizar las llamadas “barras de moderación”. Estas barras absorben los neutrones y matan la reacción en cadena de forma instantánea. Un reactor nuclear se construye de tal manera que, cuando funciona con normalidad, se sacan todas las barras de moderación. El agua de refrigeración quita el calor a continuación (y la convierte en vapor y electricidad) en la misma proporción que el núcleo lo produce. Y tienes mucha libertad de acción en torno al punto de operación estándar de 250 ° C. Resumiendo, lo que se busca en las centrales nucleares es hacer este proceso de forma controlada aplicando 2 procedimientos:
- usando un material para diluir el material fusionable y disminuir la velocidad de los neutrones
- utilizando un material que comúnmente se llama moderador.
Con esto se puede controlar lo que ocurre en el proceso, pero para que la central nuclear sea efectiva es necesario extraer la energía para lo que se usa un líquido refrigerante, que también servirá para enfriar el reactor.
El reto es que, después de insertar las barras y detener la reacción en cadena, el centro todavía sigue produciendo calor. El uranio ha “parado” la reacción en cadena. Pero una serie de elementos radiactivos intermedios son creados por el uranio en su proceso de fisión, en particular isótopos de cesio y yodo, es decir, versiones de estos elementos radiactivos que con el tiempo se dividirá en pequeños átomos y no ser más radiactivos. Los elementos se mantienen en descomposición y producen calor. Debido a que no se regeneran por más tiempo que el uranio (el uranio detiene su descomposición después de colocar las barras de moderación), se generan cada vez menos, por lo que el núcleo se enfría en cuestión de días, hasta que los elementos radiactivos intermedios se han agotado.
Así que el primer “tipo” de material radiactivo es el uranio en las barras de combustible, además de los elementos radiactivos intermedios en que el uranio se divide, también dentro de la barra de combustible (cesio y yodo).
Hay un segundo tipo de material radiactivo creado, fuera de las barras de combustible.
La gran diferencia principal es directa: estos materiales radiactivos tienen una media de vida muy corta, lo que significa que se descomponen muy rápido y se dividen en materiales no radiactivos. Por rápido me refiero a segundos. ¿Por qué? En cuestión de segundos estos materiales ya serán inocuos ya que se han dividido en elementos no radiactivos. Los elementos radiactivos son N-16, el isótopo radiactivo (o versión) de nitrógeno (aire).
Los otros son los gases nobles como el xenón. Pero ¿de dónde vienen? Cuando el uranio se divide, genera un neutrón (véase más arriba). La mayoría de estos neutrones llegará a otros átomos de uranio y mantienen la reacción nuclear en cadena en funcionamiento. Sin embargo, algunos abandonan la barra de combustible y golpean las moléculas de agua o el aire que está en el agua. A continuación, un elemento no radiactivo puede “capturar” el neutrón. Se vuelve radiactivo. Como se describe más arriba, rápidamente (segundos) se deshacerse nuevamente del neutrón para regresar a su antigua y hermosa forma anterior.
Este segundo “tipo” de radiación es muy importante cuando hablemos de la radiactividad que se libera al medio ambiente.
Las plantas de Fukushima tienen los llamados reactores de agua hirviendo, o BWR (en inglés), para abreviar. Los BWR son similares a una olla a presión. El combustible nuclear calienta el agua, el agua hierve y crea vapor, el vapor es derivado a turbinas que generan electricidad, después el vapor se enfría y condensa nuevamente a estado líquido, y el agua se envía de nuevo para ser calentada por el combustible nuclear. Una olla a presión que funciona a unos 250°C.
Una explicación de esto algo más extendida la podéis leer de mano de Arturo Quirantes, profesor de Física de la Universidad de Granada.
El combustible nuclear es óxido de uranio. Este óxido de uranio es una cerámica con un alto punto de fusión, alrededor de 3000 ° C. El combustible es fabricado en pellets (cilindros pequeños del tamaño de piezas de Lego). Esas piezas se ponen en un tubo largo hecho de Zircaloy con un punto de fusión de 2.200 ° C, y bien sellado. El conjunto es llamado barra de combustible. Estas barras de combustible se juntan para formar paquetes más grandes, y una cantidad de estos paquetes son puestos en el reactor. Todos estos paquetes juntos se conocen como “el núcleo”.
La cubierta Zircaloy es la primera contención. Separa el combustible radiactivo del resto del mundo.
El núcleo se coloca en un “recipiente a presión”. Esa es la olla a presión de la que hablábamos antes. Los recipientes a presión son la segunda contención. Este es una pieza sólida como una olla, diseñado para contener con seguridad el núcleo a temperaturas de varios cientos de ºC. Esto cubre los escenarios en donde el enfriamiento puede ser restaurado en algún momento.
El recipiente de presión y tuberías, las bombas, el líquido refrigerante (agua) son encerrados en una tercera contención. Esta tercera contención está herméticamente sellada, una burbuja muy gruesa del acero más fuerte. Esta contención se ha diseñado, construido y probado para un solo propósito: contener, de forma indefinida, una fusión completa del núcleo. Para tal efecto, una gran cantidad de hormigón se echa en el recipiente de presión (segunda contención), que está lleno de grafito, todas dentro de la tercera contención. Este es el llamado “receptor principal” (core-catcher). Si el núcleo se funde y el recipientes a presión explota (y eventualmente se derrite), esto captura el combustible líquido y todo lo demás. Está construido de tal manera que el combustible nuclear se extiende, por lo que puede enfriarse.
Esta tercera contención está rodeada por el edificio del reactor. El edificio del reactor es una cubierta exterior que se supone sirve para mantener el clima fuera y nada entra (esta es la parte dañada por la explosión).
Qué es la fusión del núcleo
Antes de nada aclarar que “Fusión nuclear” no es lo mismo que “fusión del núcleo del reactor nuclear”. Aunque se emplea con frecuencia el término “fusión nuclear”, esto no tiene nada que ver con que se funda el núcleo de un reactor que es en realidad una fundición: el material se funde y la reacción se vuelve más inestable y se descontrola.
Normalmente el reactor funciona a unos 1.200ºC y hay un riesgo real de fusión cuando se alcanzan los 3.000ºC.
La fusión del núcleo se puede producir debido a diferentes causas pero principalmente porque la potencia del reactor no pueda ser controlada ya que no se pueda refrigerar correctamente el reactor, ya sea por la pérdida de refrigerante o por la imposibilidad de hacer funcionar el sistema. Esto último es lo que está sucediendo en la central de Fukushima.
Cuando se sobrepasa la barrera de temperatura anteriormente mencionada tiene lugar la fusión del núcleo que se produce cuando el material usado, normalmente uranio, pasa de estar en estado sólido a líquido. Con esto se produciría la destrucción del reactor y lo más grave, un posible colapso de la estructura del edificio —que es lo que sucedió en Chernobyl debido a algo mucho más serio, una explosión del reactor— y la posible filtración del material radiactivo al subsuelo.
Os dejamos con un esquema de lo ocurrido en Fukushima:
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Fuente e imágenes: lainformación, Energética Futura, echoboomers, ElPais, ALT1040 y wikipedia.