Galería de imágenes del terremoto y tsunami de Japón La central nuclear de Fukushima II Dai Ni después de un terremoto y tsunami de magnitud 8,9. Un terremoto de 8,9 grados en la escala de Richter azotó la costa noreste de Japón el 11 de marzo. 2011. Vea más fotografías de las secuelas del terremoto y el tsunami. Foto de DigitalGlobe a través de Getty Images Diferentes personas tienen diferentes opiniones sobre la industria de la energía nuclear. Algunos ven la energía nuclear como una tecnología ecológica importante que no emite dióxido de carbono al tiempo que produce enormes 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 mucho que pueden salir mal las cosas.
En cualquier caso, Los reactores nucleares comerciales son una realidad en muchas partes del mundo desarrollado. Debido a que utilizan 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. ¿Terremotos? No hay problema. Huracanes? No hay problema. ¿Ataques directos de aviones jumbo? 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 Japón el 11 de marzo, 2011, sin embargo, esas percepciones de seguridad comenzaron a cambiar rápidamente. Las explosiones sacudieron varios reactores diferentes en Japón, a pesar de que los informes iniciales indicaron que no hubo problemas con el terremoto en sí. Se produjeron incendios en la planta de Onagawa, y hubo explosiones en la planta de Fukushima Daiichi.
Entonces, ¿qué salió mal? ¿Cómo puede tan bien diseñado, ¿Los sistemas altamente redundantes fallan de manera tan catastrófica? Vamos a ver.
Contenido
Este diagrama muestra todas las partes de un reactor nuclear. © 2011 HowStuffWorks.com Si ha leído Cómo funcionan los reactores nucleares, está familiarizado con la idea básica detrás de una planta de energía nuclear. A un nivel alto, estas plantas son bastante simples. Combustible nuclear, que en las centrales nucleares comerciales modernas se presenta en forma de uranio enriquecido, produce calor de forma natural a medida que los átomos de uranio se dividen (consulte la sección Fisión nuclear de Cómo funcionan las bombas nucleares para obtener más detalles). El calor se usa para hervir agua y producir vapor. El vapor impulsa una turbina de vapor, que hace girar un generador para crear electricidad. Estas plantas son grandes y generalmente pueden producir algo del orden de un gigavatio de electricidad a plena potencia.
Para que la producción de una central nuclear sea ajustable, el combustible de uranio se forma en gránulos aproximadamente del tamaño de un Tootsie Roll. Estos gránulos se apilan uno tras otro en largos tubos metálicos llamados barras de combustible. Las varillas están dispuestas en paquetes, y los haces están dispuestos en el núcleo del reactor. Las barras de control encajan entre las barras de combustible y pueden absorber 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 varillas de control se extraen del núcleo lo más lejos posible, el núcleo produce su máximo calor. Piense en el calor producido por una bombilla incandescente de 100 vatios. Estos bulbos se calientan bastante, lo suficiente como para hornear un cupcake en un horno Easy Bake. Ahora imagina un 1, 000, 000, Bombilla de 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 reactores de agua hirviendo Mark 1 diseñados por General Electric en la década de 1960. Este es uno de los primeros diseños de reactores, en el que el combustible de uranio hierve agua que impulsa directamente la turbina de vapor. Este diseño fue reemplazado más tarde por reactores de agua a presión debido a preocupaciones de seguridad que rodean al diseño 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 condujo al desastre.
Un reactor de agua hirviendo tiene un talón de Aquiles, un defecto fatal, que es invisible en condiciones normales de funcionamiento y en la mayoría de los escenarios de falla. La falla tiene que ver con el sistema de enfriamiento.
Un reactor de agua hirviendo hierve agua:eso es obvio y bastante simple. Es una tecnología que se remonta a más de un siglo hasta las primeras máquinas de vapor. Mientras 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 reutilizarse 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 de agua fresca en la caldera, el agua sigue hirviendo, y el nivel del agua comienza a bajar. Si hierve suficiente agua, las barras de combustible están expuestas y se sobrecalientan. En algún momento, incluso con las barras de control completamente insertadas, hay suficiente calor para derretir el combustible nuclear. De aquí es de donde viene el término fusión. Toneladas de uranio fundido fluyen al 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 al medio ambiente.
Debido a esta vulnerabilidad conocida, hay una enorme redundancia en torno a las bombas y su suministro de electricidad. Hay varios juegos de bombas redundantes, y hay fuentes de alimentación redundantes. La energía puede provenir 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 se exponga el defecto fatal.
Desafortunadamente, poco después del terremoto, se desarrolló el peor de los casos.
El peor de los casos en la crisis nuclear de Japón sería un colapso y una liberación masiva de radiación nuclear al medio ambiente. © iStockphoto.com/caracterdesign Las centrales nucleares de 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 operativo 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 desapareció. Eso puso en juego los generadores diesel de respaldo. Los generadores diésel son una forma robusta y probada de generar electricidad, así que no hubo preocupaciones.
Pero luego llegó el tsunami. Y desafortunadamente, el tsunami fue mucho más grande de lo que nadie había planeado. Si los generadores diesel de respaldo hubieran estado más altos del suelo, diseñado para funcionar sumergido en agua o protegido de aguas profundas de alguna manera, la crisis podría haberse evitado. Desafortunadamente, los niveles de agua inesperados del tsunami hicieron que fallaran los generadores.
Esto dejó la última capa de redundancia, las baterías, para operar las bombas. Las baterías funcionaron como se esperaba, pero estaban dimensionados para durar solo unas pocas horas. La suposición, aparentemente, era que la electricidad estaría disponible de otra fuente con bastante rapidez.
Aunque los operadores transportaron generadores nuevos, no pudieron ser conectados a tiempo, y las bombas de refrigerante se quedaron sin electricidad. No obstante, el defecto fatal en el diseño del agua hirviendo, que se creía imposible de descubrir a través de tantas capas de redundancia, había quedado al descubierto. Con ella expuesta el siguiente paso del proceso condujo a la catástrofe.
Con las baterías agotadas fallaron las bombas de refrigerante. Sin refrigerante fresco fluyendo hacia el núcleo del reactor, el agua que lo mantenía fresco empezó a hervir. Mientras el agua se evaporaba, las puntas de las barras de combustible estaban expuestas, y los tubos de metal que contenían los gránulos de combustible de uranio se recalentaron y agrietaron. Las grietas permitieron que el agua ingresara a los tubos y llegara a los pellets de combustible, donde comenzó a generar gas hidrógeno. El proceso se llama termólisis - si el agua está lo suficientemente caliente, se descompone en sus átomos de hidrógeno y oxígeno constituyentes.
El hidrógeno es un gas altamente explosivo; recuerde la explosión de Hindenburg, en el que el Hindenburg estaba lleno de gas hidrógeno. En las plantas nucleares de Japón, presión del hidrógeno acumulado, y hubo que ventilar el gas. Desafortunadamente, tanto hidrógeno se ventiló 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 contenían los núcleos nucleares, tampoco liberaron cantidades significativas de radiación. Eran simples explosiones de hidrógeno, no explosiones nucleares. Las explosiones dañaron los edificios de hormigón y acero que rodean los recipientes a presión.
Las explosiones también indicaron que las cosas se habían salido de control. Si el agua continuara hirviendo, un colapso estaría casi asegurado.
Entonces, los operadores decidieron inundar los reactores con agua de mar. Este es un último esfuerzo para controlar la situación, dado que el agua de mar arruina completamente un reactor, pero es mejor que un colapso. Además, el agua de mar se mezcló con boro para actuar como una versión líquida de las barras de control. El boro absorbe neutrones y es uno de los componentes principales de las barras de control.
La planta de energía nuclear de Tricastin es una de las 59 plantas francesas que proporcionan el 75 por ciento de la electricidad del país. David McGlynn / Elección del fotógrafo RF / Getty Images Los incidentes nucleares en Japón se describen como eventos INES de nivel 6 (escala internacional de eventos nucleares y radiológicos). Three Mile Island fue un evento de Nivel 5. Chernobyl fue un evento de nivel 7, y ese es el tope de la escala de eventos [fuente:Reuters]. Obviamente, es una situación grave.
Japón ha perdido una parte importante 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 deberá ser reemplazada de alguna manera.
A los 40 años estos reactores se están acercando 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 una década o más, y el público en general en Japón puede no tener apetito por nuevos reactores nucleares. Todavía es demasiado pronto para saberlo.
Hay varios reactores Mark 1 en los Estados Unidos. Es seguro que serán dados de baja o alterados para aprovechar las lecciones aprendidas en Japón. También se pueden modificar otros reactores 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 eventos en Japón pueden detener este renacimiento. O pueden estimular la investigación en otros posiblemente más seguro, tecnologías nucleares.
