Cómo funciona un reactor nuclear (y qué pasa en Fukushima)

Hay que dimensionar el peligro y sus causas antes de ceder al temor ciego.

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El fin de semana, como coletazos del terremoto de Japón, la preocupación mundial recae en el posible desastre nuclear proveniente de la planta de Fukushima Daiichi. Como sabemos que para muchas personas -la mayoría de las personas- lo que ocurre dentro de un reactor nuclear es un absoluto misterio, pensamos que es oportuno intentar explicarlo.

Los que vimos Volver al Futuro sabemos que los reactores nucleares se alimentan con algún mineral misterioso, generalmente fosforescente, luego ocurre una magia y del otro lado del circuito sale energía. Mucha energía que a veces viene de regalo con explosiones con forma de hongo que se ven desde el espacio.

Lo cierto es que, más allá del estereotipo, en VeoVerde llevamos varias semanas hablando sobre las ventajas y desventajas de la energía nuclear, pero primero es necesario explicar qué es y cómo funciona, antes de correr en círculos temiendo que pueda fallar.  Es un artículo sobre física en un sitio sobre sustentabilidad pero, para criticar, tenemos que entender.

No soy físico nuclear. Soy ingeniero civil y alguna vez tuve ramos de física, mecánica cuántica y química, pero no tengo el conocimiento ni la terminología para decirme entendido en el tema. Me aprovecho de esa posición para explicar algo con mis palabras a los que tampoco son entendidos en el tema ni dominan la terminología necesaria para entender una explicación más elaborada.

1.- El Vapor: ese viejo conocido

Aunque hay más de una manera de generar electricidad, la gran mayoría de las centrales del mundo opera mediante la conversión de energía mecánica en energía eléctrica a través de una turbina. La turbina es como esos dínamos que se les pone a las bicicletas y generan una diferencia de potencial cuando están en movimiento, lo cual es una aplicación algo más elaborada de la vieja ley de Faraday, que no vamos a explicar acá pero relaciona movimiento con diferencia de voltaje dadas ciertas condiciones geométricas.

Las centrales hidroeléctricas accionan la famosa turbina obligando al agua a empujar unas paletas (igual que un molino de agua). Las centrales eólicas hacen lo propio con la fuerza del viento y el giro de una hélice. Las centrales termoeléctricas, en cambio, usan el mismo sistema de las locomotoras de vapor: calientan agua, el agua se convierte en vapor, el vapor está sujeto a la ley de los gases y junto con el calor aumenta su presión.

Esa presión acciona un émbolo o cualquier otro dispositivo mecánico imprimiéndole una rotación, y esa rotación, que en las antiguas locomotoras movía el ferrocarril, en una central termoeléctrica hace girar la turbina.

En otras palabras, con todas las refinaciones y avances de por medio, bien en el fondo seguimos usando el mismo principio que James Watt patentó en 1784 (la figura que ven abajo). La única diferencia es que en vez de quemar leña se quema carbón, diesel, gas natural o Uranio. Bueno, la verdad es que el uranio no se "quema", y que eso nos lleva a la segunda parte.

2.- Las Fuerzas Elementales de la Naturaleza

Junto a la Fuerza del Amor y otras notables, la física contempla cuatro fuerzas elementales definen la realidad como la conocemos.

Primero, la fuerza gravitatoria. Esta la planteó Newton y es lo que permite que tengamos los pies sobre la tierra la mayor parte del tiempo, que la Luna no se arranque de la Tierra ni la Tierra del Sol. Básicamente, la atracción entre dos cuerpos es proporcional a la masa de ambos e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia.  Cuando al menos una de las masas es muy grande, ejerce atracción gravitatoria sobre los otros cuerpos, y es mayor mientras mayor es la masa. Por eso en la Luna uno pesa menos y en Júpiter pesa mucho más.

Segundo, la fuerza electromagnética. Es lo que explica los imanes y los electroimanes. Como esa cinta que hay en el techo en Toy Story 3 que separa la basura orgánica de la metálica. Básicamente, las partículas con igual carga eléctrica se repelen, mientras que aquellas con carga contraria se atraen.

Tercero, las interacciones nucleares fuertes, son las que impiden que las partículas que componen en núcleo del átomo se separen, aunque al ser de la misma carga debieran repelerse por la fuerza electromagnética. En rigor, sí se repelen, pero las interacciones nucleares fuertes son tan superiores que no le entran balas. En comparación con las demás, esta fuerza es muchísimo mayor.

En cuarto lugar están las interacciones nucleares débiles, que nunca he sabido explicar y afortunadamente no son protagonistas de este artículo. Si de todos modos quieren saberlo, no es propiamente una fuerza de atracción o repulsión, sino que es responsable del cambio de color y sabor en quarks y leptones. Más fácil imposible.

Pues bien, cuando se divide el núcleo de un átomo, digamos en dos mitades parecidas, la fuerza que las mantenía unidas (interacción nuclear fuerte) queda libre, y se manifiesta en forma de calor. El principio de un reactor de fisión es hacer que los núcleos de Uranio 235 se separen en núcleos de Kriptón y Bario. También se puede usar plutonio en vez de Uranio y los subproductos pueden ser distintos, pero para lo que nos importa digamos que pasa como en el dibujo siguente.

Tenemos un Isótopo de Uranio 235 relativamente estable pero sumamente tóxico. Se le bombardea con neutrones y durante unos instantes existe como Uranio 236, colapsando rápidamente en Kriptón y Bario, y liberando 3 neutrones. Uno o más de esos neutrones impactará a otro Uranio 235 y se generará una reacción en cadena. Por cada núcleo de Uranio 235 fisionado se va liberando energía. Esa energía calienta un circuito de agua, el agua se evapora y volvemos al ejemplo de la turbina y la locomotora.

Fisión Controlada

A diferencia de una bomba nuclear, un reactor nuclear mantiene una cantidad de Uranio en celdas separadas (elementos de combustible nuclear) de manera que la reacción en cadena no encuentre más que unos pocos núcleos vecinos que fisionar. El uranio que compone estos elementos de combustible se ubica en la forma de pellets sólidos de pocos milímetros, que se van consumiendo conforme la reacción avanza. Entre las celdas hay camisas de un elemento aislante como el circonio, capaz de absorber los neutrones locos sin propagar la reacción. A estas camisas de circonio se les llama "varillas de control".

Cuando se detecta una emergencia, como la que ocurrió en Fukushima, los mecanismos de seguridad ponen las varillas haciendo que las celdas queden ciegas, de modo que la reacción en la celda activa se completa y luego el reactor queda inerte. Esto implica que no se puede detener la reacción en una celda una vez que ya ha empezado, y hay que hacer algo con el calor que seguirá liberando hasta completarse, haciendo recircular el agua durante todo el proceso.

¿Qué pasó en Fukushima?

A diferencia de las centrales nucleares en las que el sistema de enfriamiento está dotado de seguridad intrínseca (o sea, en el peor de los casos decae siempre a un estado más seguro) en la planta de Fukushima que tiene unos 40 años, el sistema de enfriamiento depende de un ciclo de recirculación de agua, similar al radiador de un auto, que no funciona sin energía. Actualmente estos sistemas de recirculación se autoalimentan usando la gravedad y el calor latente del reactor.

Cuando ocurrió el terremoto, en Fukushima los sistemas de alerta temprana bajaron las varillas de circonio y cada celda de combustible quedó ciega, pero la celda activa obviamente se siguió consumiendo. Lo malo es que fallaron los sistemas de alimentación eléctrica diesel de emergencia y el agua dejó de circular. Dentro de tres reactores de la zona el agua estancada empezó a recalentarse, convirtiendo el núcleo de éstos en una caldera con mezcla de líquido y vapor a alta presión, superando en un 50% la presión de diseño.

Los reactores están rodeados de paredes de concreto de dos metros de espesor, que pueden aguantar el impacto de un avión, pero eso no significa que sean infinitamente fuertes. Eventualmente, si la mezcla líquido vapor del interior supera una determinada presión, efectivamente podría destruir las paredes y sería una catástrofe épica, lo que llamamos un Nuclear Meltdown como ocurrió en Chernobyl.

Sin embargo, antes de que eso ocurra, los operadores procederían a liberar parte de la mezcla líquido vapor, como ocurre al purgar una olla a presión. Este vapor es radioactivo pero no trae ningún componente realmente peligroso. Probablemente vengan algunos isótopos de gases corrientes que se degradarán en pocos minutos dejando como consecuencia una emisión no muy agradable de rayos Gamma. En otras palabras, el vapor liberado no genera contaminación radioactiva de largo plazo, pero no querrías estar ahí por  nada del mundo, y por eso hay que evacuar algunos kilómetros a la redonda so pena de sufrir quemaduras radioactivas.

El caso de Fukushima es particularmente grave porque la liberación de presión en el núcleo del reactor fue tan violenta que generó una verdadera explosión. ¿Cómo puede pasar esto, si el vapor no es inflamable? Bueno, todo es cuestión de temperatura. Cuando las celdas de combustible están realmente calientes (y sin circulación de agua estamos hablando de temperaturas MUY altas) más que evaporar el agua circundante la descomponen en hidrógeno y oxígeno. Cuando se abrió el reactor 3 en Fukushima para aliviar la presión no sólo salió vapor de agua con isótopos levemente radioactivos, sino que salió mucho hidrógeno. Tal como aprendieron los pasajeros del Hindenburg, el hidrógeno ionizado requiere de una simple chispa para estallar, y eso es lo que ocurrió.

La explosión de hidrógeno dañó algunas estructuras de contención y dejó a varias personas heridas (aunque no necesariamente por quemaduras radioactivas). Se supone que no dañó la pared de concreto de 2 metros, pero sí otras envolturas que existen, justamente, como segundas y terceras líneas de defensa. En segundo lugar, la empresa a cargo no tiene la seguridad de que las medidas para restablecer los ciclos de refrigeración estén funcionando. Sigue latente el riesgo de que uno o más de estos reactores colapsen y expongan sus celdas de combustible al medio ambiente.

Demasiado poder para la mano humana

Al igual que Chile, todos sabemos que Japón es un país telúrico. Su infraestructura debe ser la mejor preparada para el planeta para resistir un sismo de gran intensidad.

Sin embargo, nada que pueda diseñar el hombre es realmente indestructible. Un edificio puede diseñarse para resistir un terremoto de grado 10, pero se vendrá abajo si viene un terremoto de grado 11. En el caso de los reactores de Fukushima, la estructura estaba diseñada para resistir un terremoto de grado 7.9, pero no un 8.9 como el que ocurrió el viernes. Ya es una gran cosa que no hayan colapsado por completo, pero tampoco fueron diseñados para salir incólumes de ese fenómeno, y no lo consiguieron.

Desde tiempos primigenios el hombre ha vivido deseando y a la vez temiendo la posibilidad de encontrarse manejando un poder incontrolable, un conocimiento demasiado terrible de poseer, una fruta prohibida que nos dará el conocimiento de los dioses pero nos haga objeto de su furia. El poder demiúrgico para destruir planetas y crear vida.

A medida que avanza la ciencia ese poder está cada vez más cerca de nuestras manos, y como no somos del todo ingenuos estamos perfectamente conscientes de que hace falta un sistema de protección que regule la salida de ese poder, que lo aisle del contacto con la naturaleza y que permita cegarlo si un día se sale de control. Todo eso lo tenemos claro, pero de vez en cuando la naturaleza nos demuestra que todo lo que hacemos por mantenerlo acotado, encerrado detrás de mecanismos de defensa, es insuficiente.

A partir de lo que sucedió en Japón, es esperable que se inicie un arduo debate a nivel mundial en torno al uso de le energía nuclear. Y en Chile, con el fantasma del racionamiento eléctrico a la vuelta de la esquina, seguro que la discusión será más que apasionada y reunirá a distintos grupos de interés. Por todo esto, es importante que conozcamos cómo funciona esta energía, cuáles son su costos, beneficios y también sus debilidades y peligros. Una vez más, la informaciòn es la clave.

Links:
Uncertainty surrounds Japan's nuclear picture (BBC)
Japanese Scramble to Avert Meltdowns as Nuclear Crisis Deepens After Quake (NY Times)

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