El 11 de marzo de 2012, esperando que no ocurra nada catastrófico anteriormente, el apagado reactor número 3 de Fukushima Daiichi (福島第一) seguirá generando 5 Megavatios de calor. Eso es más del doble de la potencia total de los 14.000 módulos fotovoltaicos de una central en Castellón (España). Repito: eso es sólo uno de los reactores, y está apagado. Hoy vamos a ver qué es este enorme calor residual (decay heat) y a qué se debe a nivel físico.
Reactores 3 y 4 de Fukushima (16-mar-2011) - AFP
Los reactores nucleares producen electricidad de una manera similar a las
plantas de carbón convencionales en cuanto a que calientan vapor para mover una turbina unida a un
generador eléctrico. Sin embargo, se diferencian en cómo producir el calor. Las plantas de carbón queman carbón para calentar una caldera que produce el vapor de agua, mientras que en los reactores nucleares se usa fisión nuclear para crear el calor. Los reactores de Fukushima son reactores-calderas de agua (
boiling water reactor, BWRs) que producen el vapor directamente en el núcleo del reactor, vapor que a continuación mueve las turbinas.
El calor en el reactor se produce principalmente por
fisión de
isótopos como el uranio-235 y el plutonio-239. Cuando un neutrón choca con uno de esos nucleos y los hace partirse (fisionarse) se libera una gran cantidad de energía que va a parar al combustible nuclear, su recubrimiento, el refrigerante y las estructuras circundantes.
Reacción en cadena de la fisión del uranio-235
De media, aproximadamente el 80% de la energía liberada en una fisión se divide entre los dos (o más) nuevos átomos resultado de la fisión. Como estos productos no llegan muy lejos, esta energía se queda dentro del reactor. El otro 20% de energía se libera en forma de neutrones y otras formas de radiación.
Cuando ocurre una parada de emergencia en el reactor (
SCRAM), todas las barras de control se insertan y el reactor se detiene, la reacción de fisión se para casi por completo y la potencia baja drásticamente a un 7% del total... en un solo segundo. Ahora bien, la potencia no baja a cero absoluto debido a los isótopos radiactivos que quedan como residuos de las fisiones anteriores, que siguen produciendo diversos tipos de radiación al descomponerse (
decay): rayos gamma, partículas beta y alfa. Esta radiación acaba mayormente en el combustible nuclear y lo calienta. A esto es a lo que se llama calor residual (decay heat). Conforme más y más isótopos van decayendo, acaban llegando a isótopos estables por lo que la radiación no puede más que ir bajando con el tiempo, aunque lentamente. Y lo mismo ocurre con la temperatura.
El calor residual debe ser eliminar al mismo ritmo en que se produce o el núcleo del reactor se empezará a calentar. Esto es lo que se pretende conseguir con diversos mecanismos de refrigeración que proporcionan flujos de agua al núcleo del reactor para llevarse al calor a cualquier otro sitio donde el agua se enfría.
Sin embargo, en Fukushima estos sistemas han sido dañados gravemente por el enorme tsunami, y ese es el problema contra el que luchan los operarios de la planta.
La cantidad de calor que se espera a lo largo del tiempo es algo bien estudiado. Abajo se muestra una figura y una tabla con la estimación de dicho calor en los reactores 1, 2 y 3 de Fukushima-1. Las unidades son MW, y el origen de tiempos es el momento del terremoto.
Ojo, estos datos no son medidas sobre los reactores reales, sino el resultado de un modelo físico muy bien establecido y usado rutinariamente en centrales nucleares.
Calor residual aproximado a lo largo del tiempo
(El origen de tiempos es el momento del SCRAM justo posterior al terremoto)
Datos tabulados de calor residual para los tres reactores, desde 1 segundo hasta 1 año después del terremoto:
El reactor 1 de Fukushima-1 tiene una potencia eléctrica nominal de 460MWe y los reactores 2 y 3 de 784MWe. Sin embargo, debido a limitaciones termodinámicas y prácticas, la eficiencia total de la planta es de un 33%. Por lo tanto, el calor (MWth, MW de energía térmica hablando propiamente) que generan realmente es sobre 3 veces esas cantidades, y ésta es la potencia que hay que contrarrestar con la refrigeración.
La bajada de potencia es muy rápida el primer día hasta llegar a un 2% del total de la potencia operativa normal, pero luego baja muy lentamente. En un año, habrá bajado al 0.2% de dicho máximo.
Si este calor no se elimina adecuadamente, la temperatura puede aumentar rápidamente oxidando el recubrimiento (~1200C), fundiéndolo (~1850C) y fundiendo el combustible nuclear mismo (~2400-2860C).
¿Qué es lo peor que puede ocurrir?
Al principio decía "esperando que no ocurra nada catastrófico anteriormente". ¿Por qué digo eso? Porque mientras el combustible no se funda, como mucho generará unos "meros" MWth de energía calorífica. Pero recordemos que esto es gracias a las barras de control que redujeron la potencia al 7% del total, y que actualmente permanecen insertadas entre las barras de combustible.
Si las barras de combustible se llegaran a fundir (y por desgracia, parece que entra en lo posible), el material fisible se podría acumular en el fondo. Si la cantidad y pureza del material es suficiente, podría alcanzar
criticalidad y recomenzar una reacción en cadena que eleve la generación de calor. Ese calor, seguiría derritiendo más barras y podría juntarse aún más material, acelerando la reacción. No es necesario decir que si eso continúa el tiempo suficiente, el material fisible podría llegar a salir del reactor.
Por lo tanto, el futuro desarrollo de la crisis depende de si los operarios son capaces de enfriar los reactores a tiempo. Esperemos que sea así.
Fuente:
Ciencia Explicada
Memoria y creatividad. Dormir ayuda a consolidar la memoria, pero también a reorganizar la información y a extraer los datos más relevantes, según un estudio reciente de la Universidad de Notre Dame (EE UU). De acuerdo con los autores, de este modo el sueño favorece que produzcamos ideas nuevas y más creativas.
