El reactor de neutrones rápidos BN-800

Artículo de invitado por el comentarista ruso “Syndroma” en el blog de Energy Matters, traducido. Artículo original: https://euanmearns.com/the-bn-800-fast-reactor-a-milestone-on-a-long-road/

Nota: El artículo fue publicado en el blog de Energy Matters el 4 de noviembre de 2016. Cualquier referencia temporal en éste se refiere y toma su referencia la misma fecha de publicación original.1478072683_1478464312.jpg

Fotografía del reactor y su circuito secundario (el primario está en el interior de la vasija), cuyos tubos se asemejan a las patas de una araña.

Historia

El programa ruso de reactores rápidos se inició durante los primeros días de la era nuclear. Los científicos de entonces se percataron de que los reactores térmicos no eran más que una solución temporal, para salir del paso. Sí, son simples, pero desde un punto de vista energético son poco agradables a la vista: Son ineficientes, no usan más de un 1% del contenido energético del Uranio natural, y generan muchos residuos altamente radiactivos de vida larga, que no pueden gestionarse adecuadamente sin reactores reproductores. Los científicos, siendo quizás algo idealistas, no creían que a largo plazo alguien quisiera tener reactores térmicos por lo que conllevaba a nivel de residuos.

El primer intento de un reactor de neutrones rápidos sin aplicaciones energéticas fue el BR-2 (“B” para “Rápido” en Ruso, “R” para “Reactor” en Ruso). Su potencia era de 100 kW, se cargó con plutonio metálico y se refrigeró con mercurio. Solo unos meses después de su arranque en 1955, el mercurio reveló ser un refrigerante horrible. Era altamente corrosivo, dañaba las vainas del combustible y las tuberías. Las fugas de mercurio eran bastante frecuentes. El reactor se empezó a desmantelar un año después de su arranque, el mercurio se descontaminó y luego se vendió para su uso civil. El mismo edificio e infraestructuras se utilizaron para el BR-5, que se terminó en 1959. Era un proyecto distinto, con una potencia de 5 MW, después aumentado a 10 MW, cargado con óxido de Plutonio y refrigerador por Sodio [1].

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Figura 1: Evolución de los reactores de neutrones rápidos refrigerados por sodio en Rusia [2].

El BR-5/10 siguió funcionando hasta 2002, y demostró ser un gran éxito, otorgando la primera experiencia operacional y grandes cantidades de datos científicos sobre el comportamiento de los combustibles y materiales en un espectro neutrónico rápido. Aun así, estaba limitado por su geometría y potencia, por lo que un tipo experimental mayor arrancó en 1969: El BOR-60 (“O” para “experimental” en ruso). Aún a día de hoy sigue en funcionamiento, utilizándose principalmente para investigación de materiales en equipos internacionales y rusos. Se espera que sea reemplazado entorno a 2020 por el MBIR (Reactor rápido de investigación multipropósito), que ahora mismo está en construcción.

El éxito de los reactores de investigación allanó el camino para el primer proyecto de reactor reproductor comercial: BN-350 (“B” para “rápido” en ruso, “N” para “sodio” en ruso). Se construyó en Kazakstán, cerca de una mina de Uranio. Su potencia era de 350 MW, compartidos para la generación de electricidad, calor distribuido y desalinización de agua. Los primeros años del BN-350 fueron muy molestos e inoportunos. Nadie pudo predecir los problemas que aparecerían al aumentar su escala. El núcleo del BN-350 contenía 300 veces más sodio que el BR-5. Éste fugaba por sitios inesperados, se congelaba en sitios inesperados. Los mayores problemas estaban relacionados con los generadores de vapor: El sodio es más ligero que el agua, por lo tanto no fuga hacia ésta, sino que el agua fuga hacia el sodio y reacciona violentamente. Los generadores de vapor tendían a tener pequeñas fugas que eran difíciles de detectar prematuramente, contaminando el lazo entero con productos de fisión de la reacción. El problema era tan grave que el reactor se paró y todos sus intercambiadores de calor en los generadores de vapor se cambiaron por completo.

Después de tantos problemas con el BN-350, el BN-600 tenía que demostrar que los reactores refrigerados por sodio podían ser operados de manera fiable y segura. Se aceptó que las fugas eran inevitables, por lo que los esfuerzos se concentraron en la detección y mitigación. Los generadores de vapor se dividieron en pequeñas secciones que podían ser cortadas y reparadas. Los sistemas de detección de fuga temprana y sistemas de supresión de incendios se implementaron. Hubo hasta 27 fugas que sumaron hasta una tonelada de sodio fugando al aire, ninguna de ellas provocando mayores inconvenientes [1].

Sin embargo, hubo un precio a pagar: El BN-600 requería muchas más tuberías que cualquier otro reactor comercial, dañando su viabilidad económica. Aún así, 36 años después de su arranque continúa siendo el reactor de neutrones rápidos con mayor éxito en todo el mundo, y se espera que su vida operacional acabe siendo extendida.

 

El Reactor

Se suponía que los BN-800 debían ser los primeros reactores reproductores construidos en serie. Su construcción arrancó a finales de los 80, a 125 km

La construcción se detuvo, dejando agujeros gigantes en el suelo. En los 2000, con la nueva Rusia ya estaba lista para volver a la construcción, el diseño se consideró anticuado. Había nuevas, prometedoras posibilidades. Un gran número de científicos pensaron que el sodio era una pérdida de tiempo, y que el futuro era para los reactores refrigerados por plomo. Propusieron un reactor revolucionario refrigerado por plomo: El BREST-300. Aún esperan construirlo durante la siguiente década. Otros científicos se mostraron reacios a construir una mayor versión del BN-600, querían construir un BN-1200 revolucionario con un diseño totalmente distinto. Pero las mentes más frías vieron, que Rusia no había construido un reactor rápido en una generación, y vistas las pasadas experiencias, cualquier cosa revolucionaria acaba fallando de forma espectacular. Propusieron construir un diseño conservador mejorado solo para demostrar que Rusia aún tiene la habilidad y el talento de construir estas máquinas.

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Figura 2: Diagrama del BN-800.

Nadie lo vio venir, pero los Estados Unidos jugaron un rol muy positivo en el destino del BN-800. Rusia y los Estados Unidos llegaron a un acuerdo para destruir los excesos de Plutonio militar para hacer de este mundo un lugar más seguro. Los Estados Unidos eligieron usarlo en reactores térmicos convencionales, mientras Rusia ha decidido usarlo en reactores rápidos. El BN-600 no era un buen candidato para esta tarea, dado que en 2018 estaría llegando al final de su vida de diseño. El único proyecto que tenía la posibilidad de implementar esto era el BN-800. La desventaja del acuerdo con Rusia era la restricción de usarlo en el manto reproductor (zona del núcleo donde se genera material físil nuevo) y restricciones en el reprocesamiento del combustible gastado. Así pues, al BN-800 se le prohibía producir Plutonio nuevo, sino que solo podía gastarlo. Las restricciones fueron irritantes, y por ello Rusia ha decidido abandonar el acuerdo.

El proyecto del BN-800 se desempolvó, se actualizó a los estándares y materiales modernos, su potencia nominal se aumentó hasta los 880 MW y su construcción arrancó en 2006.

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Figura 3: Reactor BN-800 en construcción

Después de 25 años de parón en la industria nuclear, se aprendieron algunas cosas. Algunas de ellas se fueron para siempre, como por ejemplo el productor de sodio puro para el BN-600 y su equipamiento ya se desmantelaron debido a una falta de compradores. El sodio se compra una única vez para toda la vida del reactor. El productor accedió a reestablecer la línea de producción solo si tenía unos pedidos garantizados, y no estaba dispuesta a realizar un único pedido. Afortunadamente, los franceses (que tenían un programa propio de reactor a sodio muy respetable) mantuvieron su producción. El sodio francés se transportó 4000 kilómetros, se recalentó y se bombeó al interior del BN-800.

El BN-800 se hizo crítico en junio de 2014, se conectó a la red en diciembre de 2015, y su operación comercial empezó esta semana.

 

El combustible

Aunque el diseño del BN-800 originalmente era muy similar al BN-600, se decidió tempranamente que el diseño del combustible debía ser radicalmente distinto. El BN-600 funciona con Uranio altamente enriquecido, el BN-800 debería consumir combustible MOX (combustibles de mezcla de óxidos de Uranio y Plutonio). Hay dos tipos de Plutonio: El Plutonio militar, que es relativamente sencillo de usar, y el Plutonio civil, que es más radiactivo. Rusia se comprometió a destruir las cantidades excesivas de Plutonio militar, pero también tenía un stock de Plutonio civil del reprocesamiento del combustible usado. Si la línea de ensamblaje del combustible solo se diseñaba para manejar Plutonio militar, ésta sería inútil para un ciclo cerrado del combustible. Así pues, se decidió que la planta de ensamblaje de combustible debería construirse con todas las medidas de protección necesarias (dentro de una montaña). Pero entonces, los que lo planeaban se toparon con un pequeño problema con importantes consecuencias.

Había varias instituciones en Rusia que trabajaron con la fabricación de combustible MOX. Y durante el transcurso de las décadas dos tecnologías técnicamente competitivas se desarrollaron. Una es la clásica: Mezclar los polvos de óxido de Uranio y Plutonio, hacer los pellets de combustible y empaquetarlos en tubos. La otra es innovadora: El polvo mezclado se empaqueta vitrificado dentro del tubo, saltándose la parte de producción de los pellets. Esta metodología tenía importantes ventajas tecnológicas relacionadas con el uso de tubos defectuosos y el reprocesamiento del combustible gastado. Las ventajas eran suficientemente atractivas para que se escogiera esta tecnología para el BN-800 básico. Esto se convirtió en un tema muy polarizado, con discusiones en conferencias y mítines.

Pero al final la realidad tiene la última palabra. Con el tiempo se hizo obvio que el combustible MOX vitrificado tiene problemas a escala. Esperaban tenerlo listo en una década, pero era algo inaceptable. Peor aún, la tecnología en pellets tampoco estaría lista por el tiempo perdido. No había otra opción que cargar el BN-800 mayoritariamente con el mismo antiguo uranio de alto enriquecimiento. “Mayoritariamente” porque las líneas de producción de combustible a pequeña escala podían suministrar entorno al 20% del combustible requerido. Y de aquí que el núcleo con combustible MOX en pellet, Uranio enriquecido y combustible MOX vitrificado se acabaría llamando “núcleo híbrido”.

Obviamente el Plutonio y Uranio son elementos distintos y se espera que se comporten de forma distinta. Puestos en el mismo núcleo, producen distintas cantidades de calor, mientras los flujos de refrigerante se mantienen fijos. Para evitar irregularidades térmicas, pequeños tapones se pusieron en la base de los elementos combustibles para reducir el flujo de refrigerante a través de éstos. Había poco tiempo, la modificación parecía simple, no se realizó ningún test. Cuando el combustible se cargó en el BN-800, y sus grandes bombas de refrigeración arrancaron y empezaron a bombear sodio líquido a través del núcleo, los tapones empezaron a vibrar y se empezaron a desenroscar. Para hacerlo aún peor, cuando un elemento combustible se extrae del reactor, se debe limpiar de restos de sodio con cierto líquido que hace imposible que se pueda introducir de nuevo en el núcleo. La única forma de poder trabajar de forma segura con un elemento combustible sin limpiar, era trabajar con éste dentro de una atmósfera inerte, y el taller con dicha atmósfera la tenían en el BN-600. Años de experiencia operacional vinieron de nuevo al rescate [4].

El percance costó un año en retrasos. Los elementos combustibles se modificaron, recargaron y el reactor volvió a arrancar en diciembre de 2015 con su núcleo híbrido. Al mismo tiempo la planta de fabricación de combustible MOX también se puso en marcha. Se espera que el núcleo del BN-800 se cargue puramente con combustible MOX en 2019. Tampoco es que el combustible MOX sin pellets se haya abandonado, pero solo se usará en reactores de investigación.

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Figura 4: Carga de combustible del BN-800. 1 – Bajo contenido de Plutonio, 2 – Contenido medio de Plutonio, 3 – Alto contenido de Plutonio, 4 – Manto reproductor, 5 – Escudo perimetral de acero, 6 – Escudo perimetral de boro, 11 – Combustible gastado [5].

¿Ha quedado todo el mundo contento? No. Los diseñadores de los reactores BN no querían combustibles MOX de ningún tipo, ni de pellets ni sin ellos. Las características clave de un reactor reproductor dependen puramente de la densidad del combustible. Cuanto más denso, más neutrones absorben y por lo tanto más alto es el ratio de reproducción del reactor. La investigación de un combustible denso es uno de los grandes programas de la industria nuclear rusa. El llamado SNUP (Nitrados mixtos de Uranio y Plutonio) está en transición de experimentos en laboratorios a cargas limitadas en el BN-600. Su eficacia y seguridad se están evaluando a fondo, y se espera que el BN-1200 propuesto se cargue eventualmente con combustible SNUP.

 

El futuro

Aunque los reactores BN tienen varias ventajas, son más caros que los reactores VVER (PWR). Necesitan mucho más metal para su construcción, una vasija del reactor más grande (pero no necesita estar presurizada) con bombas intermedias e intercambiadores de calor, y un complicado sistema de generadores de vapor. El objetivo principal del proyecto BN-1200 es bajar el coste de la unidad para que pueda ser competitivo con los reactores convencionales. Para conseguir este objetivo, todos los sistemas necesitan estar revisados y optimizados. Pero el sistema de especial interés son los generadores de vapor: El BN-600 tiene generadores de vapor que consisten en 72 secciones, el BN-600 60 secciones, y el BN-1200 propuesto volvería a los generadores de vapor integrados con solo 8 secciones. Es un riesgo, pero las cosas han cambiado mucho desde los tiempos del BN-350. Materiales modernos, capacidad de la realización de varios test y algoritmos de simulación podrían permitir construir generadores de vapor más compactos y más fiables.

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Figura 5: Generadores de vapor del BN-800 y BN-1200 (un solo lazo representado). El BN-800 tiene 3 lazos, mientras el BN-1200 tiene 4 lazos. [6]

Otra propuesta es cambiar el diseño del edificio del reactor, reduciendo la longitud de las tuberías 1,8 veces. Si las tuberías de sodio del BN-800 ya hacen que parezca un monstruo, el BN-1200 propone un enforque más radialmente simétrico.

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Figura 6: Tuberías de sodio del BN-800 y BN-1200.

La construcción del BN-1200 se espera que empiece después de 2019. El camino hacia la energía nuclear sostenible es largo, pero sin duda vale la pena el esfuerzo. Uno solo tiene que ver las cosas en perspectiva.

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Figura 7: BN-800.

Referencias (todas en ruso):

[1] http://www.atominfo.ru/newsa/j0881.htm
[2] http://mntk.rosenergoatom.ru/mediafiles/u/files/2016/Materials_2016/Plenar_rus/Golovnoj_blok_novogo_pokoleniya._Osobennosti_VE.pdf
[3] http://www.atominfo.ru/news/air2994.htm
[4] http://www.belnpp.rosenergoatom.ru/resources/cfd24f0046f1be5b853ec589fc1f236c/2015_01_16_bn_01.pdf
[5] http://rosenergoatom.info/rubriki/main-kalibr/633-osvoenie-moks-topliva-v-bn-800
[6] http://www.innov-rosatom.ru/files/articles/7d7557f23f5654b9270f8bf2c8f90220.pdf

 

La corta vida de un neutrón

Ya sabemos que la reacción de fisión consiste en hacer colisionar un neutrón sobre un núcleo pesado (Uranio 235 habitualmente) para dividirlo en 2 o 3 núcleos más pequeños (productos de fisión). Esta reacción libera mucha energía y 2 o 3 neutrones más, que servirán para provocar otra fisión y mantener así la reacción en cadena.

Proceso de la fisión nuclear y reacción en cadena

@Operadornuclear lo explica muy bien aquí:

La vida del neutrón es corta (en el tiempo) pero muy intensa. Multitud de procesos ocurren a su alrededor.

Los neutrones nacidos en la misma generación tomarán caminos distintos y sólo algunos de ellos conseguirán alcanzar su meta: romper otro núcleo. Esa vida se resume en esta ecuación:

Ecuación de la difusión de neutrones

Trataré explicarlo de forma más entendible.

Controlar la potencia de un reactor se basa en controlar cuántos neutrones de los que se generan en una fisión “sobreviven” para conseguir provocar otra fisión, modificando los parámetros que definen el devenir de la vida del neutrón (N).

¿Qué hitos debe superar N durante su corta vida? Vamos a enumerarlos y asignarles un código.

N nace con una energía (velocidad) muy elevada y empieza a recorrer el núcleo en busca de un núcleo de Uranio (U). Le llamamos “neutrón rápido” porque tiene una energía del orden del MeV (un millón de electronvolts).

Tipos de neutrón clasificados por energía

La probabilidad de que N interaccione con U se llama “sección eficaz”. La interacción de N con U puede ser de varios tipos:

  • Dispersión: N impacta sobre U, pierde energía y se desvía. U absorbe esa energía, alcanzando un estado excitado y la emite en forma de radiación electromagnética.
Proceso de dispersión de N con U
  • Absorción: N impacta sobre U y es absorbido. U queda en un estado excitado y emite el exceso de energía. La forma de emitir ese exceso de energía puede ser mediante la emisión de radiación electromagnética (captura) o dividiéndose en varios fragmentos (fisión).

Así, la sección eficaz (probabilidad de que N interaccione con U) es la suma de la probabilidad de ser dispersado y absorbido.

 La probabilidad de provocar una fisión depende de la energía de N.

Sección eficaz (probabilidad) de absorción de neutrones en Uranio

Como vemos, para que la probabilidad de fisionar U sea elevada, N necesita perder energía, porque nace con ~1 MeV. Un neutrón con baja energía le llamamos “neutrón térmico” y la fisión que provoca “fisión térmica”.

Hay una pequeña probabilidad de que N, con alta energía, logre fisionar a U (fisión rápida). Le llamaremos “ε”. La mayoría de N con alta energía no conseguirán fisionar U y seguirán desplazándose por el núcleo.

Factor de fisión rápida

Durante ese desplazamiento es posible que N desaparezca del núcleo (saliendo físicamente fuera del reactor o siendo absorbido por las barras de control). A la probabilidad de permanecer en el núcleo siendo un N rápido la llamaremos “Pf”.

¿Cómo conseguirá N reducir su energía? A ese proceso le llamamos “moderación” y se consigue haciendo que N choque con núcleos ligeros (hidrógeno, deuterio, carbono…) perdiendo energía en cada uno de estos choques (como bolas de billar).

Proceso de moderación de neutrones

Tras varios “choques” (unos 15), N es finalmente un neutrón térmico (lento).

El moderador es el material que consigue “frenar” a los neutrones. El moderador puede ser agua ligera (reactores LWR), agua pesada (HWR) o grafito (RBMK, Magnox…).

Bloque de grafito de un reactor RBMK

N empieza su proceso de moderación moviéndose por el núcleo en busca de núcleos de H para chocar y perder energía. Durante ese proceso, cuando N tiene una energía media (neutrón epitérmico), podría ser absorbido por U sin llegar a fisionarlo (captura). A la probabilidad de que N consiga superar la zona epitérmica sin ser absorbido le llamaremos “p”.

Sección eficaz de absorción del Uranio donde se observan los picos de resonancia

Cuando N ya es lento (térmico), es más probable que fisione a U. Pero antes tiene que encontrar un núcleo de U. En esa búsqueda, N puede volver a escapar del núcleo, ser absorbido por una barra de control, por los materiales metálicos del núcleo, por el agua o por un núcleo de Boro.

Barra de control de un reactor PWR

¿Qué hace un núcleo de Boro en el núcleo? Es uno de los métodos de control de potencia que usan ciertos reactores. A más Boro, más neutrones son absorbidos y menos neutrones conseguirán fisionar Uranio.

Absorción de neutrones por núcleos de Boro

A la probabilidad de que N logre permanecer en el núcleo siendo lento (térmico) le lamaremos “Pt” (probabilidad de permanencia como térmico).

Ahora N ya tiene más probabilidades de fisionar U. Pero también tiene probabilidades de ser absorbido (capturado) por U sin fisionarlo. Al ratio entre N que logran fisionar U y N que son capturados por U le llamamos “f” (factor de utilización térmica).

Factor de utilización térmica

Todos los neutrones de una generación que no han sucumbido al proceso, lograrán fisionar un núcleo de U. De esas fisiones nacerá otra generación de N. Llamaremos factor de reproducción “η” al ratio de N nacidos entre N térmicos que logran interaccionar con U.

Factor de reproducción

Finalmente podemos calcular cuántos neutrones nacerán en la siguiente generación (ng) en función de los neutrones nacidos en la generación anterior “N”. Y todo esto sucede en 0,1 segundos aproximadamente.

El proceso explicado se resume gráficamente en este diagrama de bloques.

Difusión del neutrón

Al cociente entre ng y N le llamamos “k”, factor de multiplicación. Y esta es la famosa “fórmula de los 6 factores”.

Fórmula de los 6 factores

Si K>1, la potencia del reactor aumentará (reactor supercrítico, A).

Si K=1, la potencia se mantendrá estable (reactor crítico, B).

Si K<1, la potencia del reactor disminuirá (reactor subcrítico, C).

Respuesta temporal de la población neutrónica

Cada tipo de reactor tendrá distintos valores de esos 6 factores de forma que sea posible hacer K>1. Podemos utilizar distintos combustibles (Uranio, Plutonio, Torio…), distintos moderadores (agua ligera, agua pesada, Berilio, Grafito…), distinta cantidad de combustible (Uranio natural, Uranio enriquecido al 4%, Uranio enriquecido al 40%…) o distintas formas geométricas (cilíndrica, esférica…) para conseguir una combinación de los 6 factores adecuada.

Propiedades de distintos moderadores
Propiedades de distintos combustibles

Cuando el operador extrae las barras de control o reduce la concentración de Boro está modificando el valor de varios parámetros de esa fórmula (Pf y Pt aumentan), haciendo que K aumente.

Cuando el combustible se va agotando, la probabilidad de que el neutrón sea absorbido y no logre fisionar un núcleo de Uranio 235 aumenta (f disminuye), haciendo que K disminuya.

Cuando el moderador (agua) aumenta su temperatura, se dilata, haciendo que los núcleos de Hidrógeno estén más separados. Esto dificulta que los neutrones colisionen con el Hidrógeno y se moderen. Al estar más tiempo moderándose, la probabilidad de ser absorbidos por el Uranio aumenta (p disminuye), haciendo que K disminuya. Por este motivo (entre otros) decimos que los reactores comerciales refrigerados y moderados por agua son intrínsecamente seguros. Un aumento de potencia provocará un aumento de temperatura y este una disminución de K, haciendo que la potencia disminuya.

En un reactor comercial, el valor de K durante el aumento de potencia suele ser K=1.001 y es físicamente imposible conseguir que K>1.01. Sin embargo, una bomba se diseña para conseguir que K llegue a ser muy superior a la unidad (K>1,5 por ejemplo).

Chenorbyl HBO II: el rayo de luz azul

Una de las imágenes más espectaculares de la serie de HBO es la especie de foco de luz azul que se eleva hacia lo alto del cielo como si del Tribute in Light del World Trade Center se tratase.

La idea de este foco azul de luz se basa en la descripción que hizo el ingeniero mecánico Alexander Yuvchenko en una entrevista a New Scientist en 2004 —Yuvchenko vivió hasta 2008 a pesar de haber estado asomado hacia el espacio abierto al exterior que dejó la explosión del reactor.

Para tener una idea más clara de lo que había sucedido, salimos. Lo que vimos fue aterrador. Todo lo que podía ser destruido lo había sido. Todo el sistema de agua refrigerante se había ido. El lado derecho de la sala del reactor había sido destruido por completo, y a la izquierda los tubos simplemente colgaban. Fue entonces cuando me di cuenta de que Khodemchuk estaba definitivamente muerto. El lugar donde me dijeron que había quedado estaba en ruinas. Las enormes turbinas seguían en pie, pero todo a su alrededor eran escombros. Debió quedar enterrado allí. Desde donde estaba, pude ver un enorme rayo de luz proyectada abarcando hasta el infinito desde el reactor. Era como una luz láser, causada por la ionización del aire. Era azulado claro, y era muy hermoso. Lo observé durante varios segundos. Si me hubiera parado allí solo unos minutos, probablemente habría muerto en el lugar debido a los rayos gamma y los neutrones y todo lo demás que estaba escupiendo. Pero Tregub me dio un tirón en la esquina para sacarme del camino. Era mayor y más experimentado.

Como podemos leer, Yuvchenko atribuyó la posible causa de la luz azul a la ionización del aire. En la serie, durante la dramatización de la primera reunión con las autoridades conducida por el gerente de la planta nuclear, Viktor Bryukhanov, podemos escuchar al ingeniero Anatoly Dyatlov, máxima autoridad en la sala de control en el momento del accidente, decir que el haz azul se debía al efecto Cherenkov, habitual incluso con radiación no muy elevada, según sus propias palabras.

cherenkov

El brillo azul característico que vemos en el encendido de un reactor se produce efectivamente por radiación de Cherenkov, una especie de análogo luminoso del boom sónico, que se produce cuando una partícula supera la velocidad de la luz en el medio en el que se mueve.

La radiación de Cherenkov se observa incluso en las piscinas de combustible debido a que el agua es un medio denso donde la velocidad de la luz se reduce a 2/3 de su valor en el vacío. Los rayos gamma emitidos por el núcleo del reactor lanzan, mediante efecto Compton, electrones (radiación beta) a velocidad superior a la de la luz en el medio. Se necesitan electrones de tan solo 175 keV de energía para provocar este efecto. El recorrido medio de los electrones en agua es de unos pocos milímetros. Un electrón de 500 keV emitiría, durante su recorrido, unos 200 000 fotones en longitud de onda correspondiente al azul.

Cerenkov_Piscine

La energía de la radiación de un reactor no podría provocar este efecto en el aire  debido a que la velocidad de la luz en este medio es muy similar a la velocidad en el vacío. Se necesitan electrones de al menos unos 21 MeV para provocan el efecto Cherenkov en el aire y sólo los rayos cósmicos muy energéticos son capaces de tal hazaña.

La explicación del efecto Cherenkov que menciona Dyatlov en la serie es incorrecta. ¿Podría serlo la ionización del aire? La ionización del aire consiste en la pérdida de electrones de los átomos de nitrógeno y oxígeno. Esto crea estados excitados, tanto de las moléculas neutras como ionizadas, que terminan por emitir fotones en una cadena de desexitaciones (fenómeno conocido como fluorescencia), estando una de las bandas de emisión principales en el rango azul del espectro. Es el mismo proceso que se produce en las descargas eléctricas o las Auroras.

Los únicos ejemplos de una visualización del brillo azul procedente de ionización del aire provocada por radiación podemos verlo en las explosiones nucleares y en el funcionamiento de un sincrotrón.

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El de la imagen es el sincrotrón de Ernest Lawrence de 1939. Se puede observar la ionización del aire provocada por partículas cargadas (probablemente protones o deuterones) a energías del orden de 100 MeV, típicamente dos órdenes de magnitud mayores que las energías características de los rayos gamma procedentes de la fisión nuclear (en torno a 1 MeV)

Si imaginamos el reactor de Chernóbil descubierto justo después de la explosión, el haz azul tipo láser en la imagen del sincrotrón se torna muy sugerente a la hora de explicar el testimonio de Alexander Yuvchenko. Pero la densidad de radiación (muy elevada en el sincrotrón y órdenes de magnitud menor en un reactor nuclear) apunta a que la ionización del aire es una explicación muy cogida por los pelos, aunque para asegurarlo habría que realizar los cálculos detallados.

A esto último deberíamos añadir que el número de ionizaciones disminuye rápidamente con la distancia a la fuente, hecho que nos asegura que el haz azul, en el improbable caso de haber existido, estuvo muy localizado en las inmediaciones del núcleo del reactor y duró muy pocos segundos después de la explosión.

Otro indicador de que esta explicación no se sostenga son las imágenes de la “Pata de Elefante“, como se conoce “cariñosamente” a parte del corium, es decir, la lava que quedó como residuo del núcleo fundido. En esta captura en vídeo de 1989 todavía podemos verlo cuando las dosis medidas eran de varias decenas de Sievert por hora. ¡Pero no hay ningún brillo azul por ionización del aire circundante!

¿Qué fenómeno entonces podría explicar el testimonio de Alexander Yuvchenko? Una pista podría ser el efecto producido en los accidentes de criticidad. Un accidente de criticidad se produce cuando aumenta sin control la tasa de fisiones en una reacción sin confinamiento. El incidente más conocido sucedió en el conocido como Núcleo del Demonio en Los Álamos en 1946, cuando el científico Louis Slotin dejó caer accidentalmente un destornillador con el que estaba separando dos esferas  de Berilio con plutonio en su interior. La acción provocó la criticidad de la reacción que consiguió detener separando de nuevo las esferas con sus manos, recibiendo en el intento una dosis instantánea de unos 21 Sv, aunque con ello salvó la vida de las otras siete personas que se encontraban en la estancia.

Varios de los presentes afirmaron haber visto un flash de luz azul durante el incidente. La explicación es la misma que produce destellos en la visión de los astronautas aunque tengan sus párpados cerrados: ¡radiación de Cherenkov en los glóbulos oculares!

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Radiación de Cherenkov en el glóbulo ocular como explicación del destello azul observado por testigos en un accidente de criticidad. Fuente.

Desde mi punto de vista, ésta sería la explicación más plausible al testimonio de Yuvchenko.

Contamos además con un testimonio fiable de la ausencia exterior del haz de luz azul. En el libro de Svetlana Alexievich, Chernobyl Prayer, Lyudmila Ignatenko, la esposa del bombero Vasily Ignatenko que combatió el incendio en Chernobyl y que moriría con síndrome agudo por radiación, describió el resplandor alrededor de la central nuclear en llamas de la siguiente manera:

Nunca vi la explosión. Sólo las llamas. Todo estaba un poco resplandeciente. Todo el cielo…. Había unas llamas altas. Mucho hollín, mucho calor. Lo estaba esperando y esperando. El hollín provenía de la quema del asfalto. El techo de la central eléctrica estaba cubierto de él. Después me dijo que era como caminar sobre alquitrán caliente.

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Lyudmila Ignatenko y Vasily Ignatenko caracterizados en la serie de HBO mientras contemplan el incendio poco después de la explosión del reactor.

Sin embargo, sí que contamos con una testimonio de la visión de un flash azul justo antes de la explosión del reactor. Se trata de Vladimir Starovoitov, un trabajador de la construcción de la tercera fase de la planta que se encontraba pescando durante sus vacaciones.

Estaba cerca del bloque 4, a unos 500 metros de distancia, cuando de repente oí como una fuerte palmada. Luego vino algo así como el sonido de una explosión. Pensé que era la válvula de vapor que solíamos oír de vez en cuando. Luego, en un par de de segundos, un destello azul y brillante fue seguido de una enorme explosión, cuando miré el bloque y vi que sólo quedaban dos paredes. El techo y otros dos muros habían sido destruidos. La estructura estaba en ruinas, el agua salía a chorros y el asfalto ardía en el techo del bloque 3.

Extraído de Vladimir M. Chernousenko, Chernobyl, Insight from the Inside

Este testimonio es uno de las posibles sustentos que utilizó recientemente Lars-Erik De Geer, un físico nuclear retirado de la Agencia de Investigación de Defensa de Suecia, para proponer la existencia de un chorro de plasma que arrastraría restos del reactor hasta 3 km de altitud originado por sucesivas explosiones nucleares rápidas en algunas de las barras de combustible. Esta primera explosión nuclear sería previa a una segunda explosión de vapor, que tiraría el edificio del bloque 4, contrariamente a la explicación aceptada: una primera explosión de vapor y una segunda probablemente de hidrógeno (aunque no haya un total acuerdo en esto último).

La explosión nuclear provocaría una fuerte ionización del aire que explicaría el flash azul de corta duración observado por nuestros dos testigos. La hipótesis de la explosión nuclear no es nueva y ya había sido sugerida en 2009 por Yuri V. Dubasov. La idea consiste —a diferencia de la explicación estándar donde el núcleo del reactor aumenta descontroladamente la tasa de fisiones hasta su destrucción térmica— en varias explosiones nucleares rápidas en partes separadas del combustible provocada por los neutrones directos de la fisión, tal y como se consigue en un arma nuclear pero con la diferencia de que las explosiones desmantelan rápidamente el combustible e impiden una explosión muy potente; algo así como una explosión nuclear fallida.

Ni siquiera la explosión de 4 megatones que destruiría media Europa (idea originada por Vassili Nesterenko) de la que hablaba en la serie Ulana Khomyuk (interpretada por Emily Watson) hubiese sido posible como explosión nuclear. Aún menos como una explosión térmica, otra de las licencias con intenciones dramáticas que se permitió la serie.

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En conclusión, el haz de luz tal y como fue mostrado en la serie no es realista y existen serias dudas que incluso se haya generado suficiente ionización en el aire para producir un flash azul como el presuntamente observado por Vladimir Starovoitov. La visión de Alexander Yuvchenko en cambio podría explicarse por el efecto de la radiación de Cherenkov en el líquido del glóbulo ocular, tal y como se ha explicado para la visión de los testigos de un accidente de criticidad. El chorro de plasma de una presusnta explosión nuclear podría explicar el testimonio de Starovoitov, pero parece una hipótesis demasiado descabellada para dar cuenta de la declaración de un testigo, aunque Dubasov y De Geer afirmen que explica algunas otras cuestiones fundamentalmente relacionadas con las abundancias de isótopos de Xenón detectadas fuera del recorrido principal de la radiación de Chernóbil.

El haz de luz añade sin duda otro elemento visual para el imaginario popular que se ha ido creando en torno al mito de Chernóbil y que reflejan muy bien las palabras del fotógrafo Viktor Latun en la entrevista que le hizo Svetlana Alexievich para su libro, Chernobyl Prayer

We know how a house can be set alight by a match or an exploding shell, but this was like nothing we knew. We heard rumours that the fire was unearthly, not even fire but light. A glimmering. A radiance. Not blue, but a translucent azure. And without smoke. If scientists had been sitting on the throne of the gods, now they were fallen angels, demons!

Sabemos cómo se puede incendiar una casa con una cerilla o con un explosivo, pero esto no era como algo que supiésemos. Oímos rumores de que el fuego era sobrenatural, ni siquiera fuego, sino luz. Un destello. Un resplandor. No azul, sino un azul translúcido. Y sin humo. ¡Si los científicos hubieran estado sentados en el trono de los dioses, ahora serían ángeles caídos, demonios!

Centrales nucleares: ¿Objetivos terroristas?

Lo que dice la evidencia…

Nivel level1Básico level2Intermedio level3Avanzado
No hay indicios de que algún grupo terrorista haya intentado atacar directamente una central nuclear en funcionamiento.

Mito antinuclear

“Las centrales nucleares son claros objetivos terroristas y vulneran la seguridad del país”

 

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Fuente: ElMundo

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Fuente: ElPais

 

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Greenpeace entra en la central nuclear de Santa María de Garoña, Burgos. Fuente: Archivo de Greenpeace España

 

Todos hemos visto a nuestros valientes héroes de Greenpeace jugarse sus vidas colgándose de un puente para colgar una pancarta, o situándose muy cerca de la línea que separa lo legal de la propia actuación de los servicios de seguridad del pais. Son personas que se sacrifican por todos nosotros para recordarnos que el modelo que seguimos en el mundo no es ni sostenible ni ecológico. No falta el sol pintado en la Diagonal de Barcelona para pedir el derogamiento del mal llamado “impuesto al sol” como tampoco faltan pancartas recordándonos el objetivo del 100% renovables.

Tampoco faltan las acciones desde fuera de las centrales nucleares para denunciar el riesgo inadmisible que suponen para el entorno y población, pidiendo un mundo 100% renovable.

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Fuente: Archivo de Greenpeace España

 

Y no solo desde fuera de ellas, sino que también han denunciado la supuesta falta de seguridad física contra intrusos o terroristas. Lo han hecho entrando ellos mismos en las centrales nucleares para colgar pancartas, pintando torres de refrigeración o bien invadiendo su espacio aéreo, tratando de mostrar lo vulnerables y desprotegidas que están a cualquier intento de ataque terrorista.

Bajo la ética, cabe decir que los servicios de seguridad física no actuarán de forma violenta contra intrusiones sin intenciones maliciosas, como colgar pancartas, entrar en el espacio aéreo en globo o drones, o pintando torres. Así pues se limitan a proteger las instalaciones de cualquier daño físico. En estos casos, será la justicia quien dictamine los cargos o consecuencias de la intrusión.

En caso de presentar actitudes o evidencias terroristas, los servicios de protección física operarán de distinto modo, yendo armados. Adicionalmente, las centrales nucleares tienen activos de la Guardia Civil armados en todo momento, costeados por ellas mismas.

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Fuente: Archivo de Greenpeace España

 

¿Son realmente un objetivo terrorista las centrales nucleares? ¿Podrían unos terroristas dañar suficientemente los sistemas de seguridad de una central nuclear hasta llevarla al borde de un accidente? Todas estas preguntas nos las hacemos cuando vemos la relativa facilidad con la que entran grupos ecologistas a manifestarse en el perímetro o directamente en el interior de una central nuclear.

Una central nuclear puede detener sus reactores en menos de 3 segundos en caso de un ataque terrorista, por lo que lo único que habría que hacer entonces es mantener el núcleo refrigerado. Los sistemas de refrigeración del reactor en una central nuclear están duplicados y hay de distintos tipos, lo cual hace muy improbable que consiguieran anularlos todos, algunos de ellos pasivos (no requieren de actuación eléctrica o intervención del personal de planta).

Inmediatamente se llamaría a la UME -Unidad Militar de Emergencias- para que acudieran a la central asaltada y redujera o mitigara las consecuencias (de haberlas) del ataque, mientras se activan los planes antiterroristas que tienen las centrales nucleares, al igual que otras industrias.

A lo anterior cabe sumar las mejoras Post-Fukushima, que incorporan medidas de mitigación en caso de ataque terrorista en cualquier equipo de importancia para la seguridad de las centrales.

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Estrategia FLEX (Flexible Mitigation Capability). Fuente: Nuclear Energy Institute

Lo anterior, hace que las centrales nucleares sean un objetivo demasiado difícil para unas personas que lo único que quieren es provocar el terror. Es mucho más fácil y efectivo un objetivo cotidiano, accesible. Más importante aún es la presencia de personas en su objetivo para causar el mayor impacto mediático posible (personas grabando los sucesos), alimentando al terror. Una central nuclear no cumple con las anteriores premisas, lo cual disuade aún más un intento de ataque.

A los hechos me remito:

 

Sencillamente, una central nuclear es un objetivo demasiado difícil para los grupos terroristas. Existen alternativas mucho más viables y efectivas para sembrar el miedo y el terror en la población.  Sin embargo, los ataques terroristas no se centran solo en ataques directos, sino también en derribar aviones en puntos estratégicos. ¿Qué pasaría si un avión chocara contra el edificio de contención de una central nuclear? Un avión, pese a su gran volumen y envergadura, está hecho de Aluminio, y en su interior no hay materiales lo suficientemente densos como para atravesar el hormigón armado de un edificio de contención. Sus motores, sin embargo, sí podrían causar más daño debido a su carga de combustible, causando un incendio de gran envergadura.

En Estados Unidos hicieron una prueba: Lanzaron un Phantom F4 contra un muro de hormigón equivalente al de los edificios de contención de los reactores nucleares. El resultado fue cuanto menos espectacular: El jet se desintegró en millones de piezas, causando un harañazo de solo 60 mm de profundidad, después de sufrir una fuerza de 700 g. (VIDEO)

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F4 Phantom impactando contra el muro de hormigón armado

¿Qué pasa con el caso del grupo terrorista que vigilaba un hombre que trabajaba en la industria nuclear Belga? Lo cierto es que esa persona trabaja en un laboratorio de investigación que hace isótopos de uso médico, y no en una central nuclear.

¿Y si el objetivo no fuera la central nuclear en sí, sino robar combustible nuclear irradiado (altamente radiactivo) de la central para fabricar un arma nuclear o una bomba sucia?

Un contenedor de combustible nuclear, en vacío, pesa entorno a 125 toneladas, por lo que no es algo que pueda robarse fácilmente ni puedes cargarlo en un furgón. Los intrusos deberían primero cargar uno de los contenedores de combustible usado en un vehículo adaptado a ello. Este combustible se mueve por la central hasta el ATI -Almacén Temporal Individualizado- usando un vehículo adaptado para esta labor.

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Grúa de transporte de residuos en la central nuclear de José Cabrera (Zorita)

No solo deberían saber manejar este vehículo, sino que además deberían de tener a su disposición un tráiler de 20 ejes cuya velocidad máxima es de 40 kilómetros por hora, en llano. Cualquier persona con un mínimo de sentido común debería ser capaz en este punto, de entender que robar combustible es una tarea practicamente irrealizable para un grupo terrorista. Dejo de lado el hecho de conseguir huir de las autoridades.

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Camiones de transporte de residuos de alta actividad (combustible usado)

De lo que sí hay, son casos de grupos antinucleares entrando de forma ilegal en centrales nucleares para detener su construcción, llegando incluso a causar daños:

  • En 1975, un grupo terrorista antinuclear dañó la turbina de la central nuclear aún en construcción de Brennilis.
  • En 1977, el grupo terrorirsta de ETA mató un guardia de seguridad en Lemóniz.
  • En 1978, el mismo grupo colocó explosivos que mataron a dos personas en la misma central en construcción.
  • En 1979, ETA volvió a atentar contra Lemóniz, matando a otro trabajador.
  • En 1979, el grupo terrorirsta antinuclear que dañó la central de Brennilis, destruyó el parque transformador de la central eléctrica, desconectándola de la red y deteniendo el reactor. Es el único caso que existe de un grupo terrorista deteniendo de forma exitosa la operación de un reactor nuclear, sin accidentes.
  • En 1981, ETA secuestró y amenazó con matar al ingeniero jefe de la central de Lémoniz si no se detenía la construcción del complejo. Cumplieron su amenaza.
  • En 1982, el mismo grupo terrorista mató de un disparo a la cabeza al sustituto, pese a llevar escolta. En 1985 se suspendió la construcción de la central nuclear de Lemóniz.
  • El mismo año, un activista antinuclear suizo disparó con un mortero contra el edificio de contención del reactor Superphénix en construcción en Francia. Posteriormente esa persona se convirtió en un político del partido verde de Suiza, continuando su guerra contra la energía nuclear mediante otros métodos.

El movimiento ecologista ha terminado haciéndonos creer que las centrales nucleares son objetivos terroristas, creando así el mito, cuando en realidad existen otras industrias y sectores mucho más vulnerables.

 

Más información: Web.Archive.org

Mito 2: El accidente de Chernóbil puede volver a ocurrir.

Lo que dice la evidencia…

Nivel level1Básico level2Intermedio level3Avanzado
El accidente de Chernóbil solo se podía producir en un reactor RBMK soviético. El resto de reactores RBMK en operación tienen un conjunto de mejoras que evitan que se pueda repetir.

Mito antinuclear

“El accidente de Chernóbil puede volver a ocurrir”

 

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Reactor 4 de Chernóbil en 1983.

El accidente de Chernóbil fue causado por una prueba de seguridad de origen político, sin seguir los estándares de seguridad pertinentes y desactivando sistemas de seguridad (algo imposible en nuestras centrales). Además, el diseño del reactor era muy deficiente en los aspectos de seguridad, en contrapartida con los diseños occidentales.

La prueba consistía en dejar que la turbina de la central alimentara el generador principal por inercia mientras los motores Diésel iniciaban su secuencia de arranque. Lo que no estaba previsto, es que la inercia de la turbina no sería la suficiente para alimentar las bombas principales del reactor, lo que provocaría un aumento de temperatura por falta de caudal de agua, que a su vez provocaría un aumento en la potencia, que volvería a incrementar la temperatura cerrando así el bucle. Esto es lo que se conoce como “coeficiente de reactividad positiva”, característica que hace inestable al reactor y lo convierte en uno inherentemente inseguro.

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Corte de sección del reactor número 4 de la central de Chernóbil. Fuente: Andrew Leatherbarrow

Cuando los operarios se dieron cuenta de que perdían el control del reactor, intentaron detenerlo insertando las barras de control. Sin embargo debido a las condiciones del reactor y el diseño de las barras de control, éstas provocaron el efecto contrario y provocaron un aumento local de potencia en la parte inferior que produjo una explosión en su fondo, levantando la tapa del reactor y destruyendo su edificio.

Las barras de control de los reactores RBMK pueden producir un incremento de potencia cuando hay pocas barras totalmente insertadas y con la mayor parte de la potencia situada en la parte inferior del reactor. Esto es debido a que las puntas de las barras de control están hechas de grafito, un material moderador, no absorbedor, de neutrones. Esto es así para evitar absorciones neutrónicas por parte del refrigerante cuando la barra de control está totalmente extraída, por lo cual el grafito sigue moderando y mantiene la reacción nuclear.

Cuando los operarios intentaron detener el reactor, solo 6 de las 211 barras de control estaban totalmente introducidas en el núcleo, por lo que la entrada de las 205 barras restantes provocó un incremento de potencia en el fondo al desplazar el agua (moderador y absorbedor) en la parte inferior, y sustituirse con grafito (únicamente moderador). Este incremento de potencia provocó la explosión de la parte inferior del reactor, siendo así el único diseño de reactor que realmente puede “explotar” como tal, aunque nunca se trataría de una explosión nuclear.

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Diagramas de flujo neutrónico según la posición de la barra de control. Fuente: Accidont.ru

Este accidente es irreproducible en reactores de agua ligera (todos los instalados en España) no por procedimientos, sino por diseño: Cualquier incremento de temperatura provoca una bajada en la potencia, haciendo estos reactores muy estables y seguros. Además, la inserción de las barras de control bajo ningún concepto provocan un aumento de potencia, sino una disminución inmediata de ésta, con una parada completa desde plena potencia a cero MW en 2.7 segundos (lo que tardan las barras de control en caer por gravedad), mientras que en los RBMK la parada completa duraba 18 segundos, solo empezando a ser efectiva 8 segundos después de iniciarse.

Los RBMK que quedan en operación, Leningrad-2, 3 y 4, Smolesnk-1, 2 y 3, y Kursk-1, 2, 3 y 4 operan con grandes mejoras de diseño para evitar un nuevo accidente por causas similares. Algunas de las mejoras son:

  • Reducción del coeficiente de vacío positivo y del tiempo de inserción de barras de control a 12 segundos.
  • Instalación de un grupo nuevo de barras de control rápidas: 24 barras de control entran en 2.5 segundos en el reactor, es lo que llaman Sistema Rápido de Apagado.
  • Introducción de 80 barras absorbedoras fijas en el fondo del reactor para inhibir la operación a bajas potencias, cuando el reactor es más inestable.
  • Sistema de refrigeración de emergencia del núcleo mejorado.
  • Refuerzo de escudos biológicos y estructuras del reactor, para aguantar fusiones (accidentes) parciales en su interior.
  • Modificación del diseño de las barras de control, para evitar que una parada de emergencia produjera el efecto contrario y añadiera potencia al núcleo (causante del accidente de Chernóbil).
  • Enriquecimiento del combustible aumentado del 2% al 2.4%.
  • Cambio de todos los canales de combustible.
  • Programa de cálculo de reactividad en el núcleo mejorado, con actualizaciones cada 5 minutos en lugar de cada 15 minutos.

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Central Nuclear de Kursk. De derecha a izquierda: Reactores 1, 2, 3 (tras los árboles) y 4. Fuente: Rosenergoatom

Referencias

HBO Chernobyl I: Errores técnicos

Esta semana ha terminado la mini serie de 5 episodios “Chernobyl”, y mientras el trabajo hecho por HBO y el director de la serie Johan Renck han sido excelentes, cabe destacar algunos fallos técnicos mencionados en la serie.

 

Barras de control

Durante el episodio uno, hay un fallo de traducción del inglés al español, y se afirma que las barras de control deben extraerse para detener el reactor. Todo lo contraro: Las barras de control están hechas de una aleación de acero y boro, que absorben neutrones y detienen así la reacción en cadena en el interior del reactor. Cuando éstas se extraen, el reactor puede continuar la reacción en cadena. Durante los primeros minutos del episodio, se afirma que las barras de control solo están extraídas en un tercio. Más bien, están insertadas un tercio.

 

El Uranio-235 es como una bala y lo atraviesa absolutamente todo

Todos los isótopos (los primos hermanos de un único elemento de la tabla periódica) del Uranio se desintegran emitiendo una partícula Alfa: Un núcleo de Helio, pero sin electrones. Esto son, 2 neutrones y 2 protones. Debido a que lleva una carga positiva (+2) se considera un tipo de radiación ionizante. Este tipo de partículas se pueden detener con un trozo de papel o un par de centímetros de aire. No pasan a través de tejidos biológicos, metal, plomo, agua o aire.

Cada elemento radiactivo decae emitiendo un tipo de partícula dependiendo de lo inestable que sea. Por norma general, los núcleos más pesados tienen desintegraciones Alfa, mientras los más ligeros tienen desintegraciones Beta, con mayor poder de penetración pero con menor potencial dañino. La imagen adjunta explica el tipo de blindaje necesario para cada tipo de partícula o rayo.D2Z9PojX0AA3Alq.jpg

Fuente: Infografía de @OperadorNuclear, en Twitter

 

Las balas no se detendrán en miles de años

Como hemos visto en el apartado anterior, las balas se detendrán según el tipo de blindaje con el que se encuentren y solo no se detendrían nunca si estuvieran en el vacío, por lo tanto no depende del tiempo.

El orígen de las balas, sí depende de él. Los productos de fisión del Uranio-235 (que conforman el residuo nuclear) tienen distintos periodos de desintegración según el elemento e isótopo con el que nos encontremos. En total hay aproximadamente 40 productos de fisión distintos, cuya gráfica de pares de fisión y lista de productos adjunto a continuación. La mayoría de los productos de fisión decaen en unos pocos días. Una minoría lo hace en miles de años, y los que son un problema tienen un periodo de semidesintegración de aproximadamente 30 años.

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Posibles productos de fisión del Uranio-235. Fuente: Agencia de Energía Atómica Japonesa 

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Lista de posibles productos de fisión del Uranio-235. Fuente: Nuclear Engineering: Theory and Technology of Commercial Nuclear Power. Ronald Allan Knief, American Nuclear Society.

 

El reactor seguía encendido después de la explosión

Un reactor nuclear es capaz de sostener una reacción de fisión gracias a dos mecanismos principales: La moderación (ralentización) de los neutrones para que la reacción en cadena pueda sostenerse, y la estructura geométrica del combustible. Cuando el reactor explotó, el moderador de grafito salió disparado hacia la atmósfera aterrizando en el suelo en forma de escombros, mientras el agua se evaporó, perdiendo también su capacidad de moderación. Sin moderador, el Uranio-235 no puede continuar dividiéndose y la reacción se detiene.

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Sección de un bloque de grafito en el suelo, después de que explotara el reactor 4 de Chernóbil.

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Cinta número 1 de las grabaciones que dejó Valery Legasov antes de suicidarse. Fuente: Grabaciones de Valery Alekséyevich Legasov

 

Explosión de 3 a 4 Megatones (millones de toneladas de TNT equivalentes) que dejaría toda Europa contaminada. Ucrania y Bielorrusia serían inhabitables durante al menos 100 años

Si el combustible fundido del reactor hubiera llegado a la piscina de burbujas antes de que ésta se vaciara, se habría producido una explosión de vapor que habría puesto en riesgo la integridad del bloque número 4, pero en ningún caso se podría haber producido una explosión de ese calibre.

Aún forzando la disociación del agua en Hidrógeno y Oxígeno aplicando la máxima del “calla y calcula”, obtenemos que la explosión química más grande posible asumiendo una eficiencia del 100% y el poder calorífico superior del Hidrógeno de 140 MJ / kg, es de como máximo 13 kilotoneladas de TNT equivalentes. 3 ordenes de magnitud alejado del enunciado que escuchamos en la serie. La única manera de obtener una explosión de tal magnitud es con una bomba nuclear, cuyo material está enriquecido al 98% y no al 2% que usaba el reactor de Chernóbil.

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Fuente: Elaboración propia

 

Empieza a fundirse el núcleo a los 4 días, descubierto gracias a un pico de Zr-95.

El núcleo del reactor se fundió en el mismo momento que incrementó la potencia de éste durante el accidente de reactividad, y como el Zr-95 es un producto de fisión del U-235, una vez detenido el reactor, cesa la producción de éste. Tampoco tiene ningún isótopo padre que provoque una acumulación con un pico a los 4 días como se menciona en la serie. Lo que sí es posible, es que debido al incremento de temperatura del combustible fundido debido a la capa de arena y boro que formaron un aislante térmico, las emisiones de este isótopo ascendieran. En cuyo caso esto ocurriría el séptimo día, y no el cuarto.release of radionuclides.PNG

Emisiones radiactivas producto del accidente de Chernóbil. Fuente: INSAG-7

Chernóbil inhabitable durante 24 000 años.

 

MITO 1: Chernóbil será inhabitable durante 24 000 años.

 

Descubrimiento del fallo de diseño del RBMK con las barras de control en Leningrado, 1975.

En 1975 hubo un accidente con fusión parcial del núcleo en el reactor RBMK número uno de Leningrado, donde el coeficiente de vacío positivo tuvo un papel importante. Este accidente se repitió en la unidad uno de Chernóbil en 1982, denotando la falta de cultura de seguridad, la falta de aprendizaje doméstico y el secretismo incluso entre las propias centrales nucleares.

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Fuente. INSAG-7

 

Sin embargo, el fallo de diseño de las barras de control no se descubriría hasta 1983 en el reactor uno de Ignalina. Durante una parada de emergencia, los operarios vieron que la potencia subió unos breves instantes antes de descender y detener el reactor por completo. Se informó al instituto Kurchatev, donde se diseñó el RBMK y concluyeron que era muy difícil reunir las condiciones necesarias para provocar tal incremento de potencia, y se alegó que si se seguían los procedimientos no podían reunirse tales condiciones.

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Fuente. INSAG-7

El RBMK es inestable porque tiende a bajar la potencia

El RBMK es inestable porque como norma general tiende a incrementar la potencia: Cuando hierve demasiado agua en el interior del núcleo, ésta deja de absorber neutrones, mientras que el grafito sigue moderándolos (ralentizándolos para que puedan continuar la reacción) provocando un aumento en la reactividad, que aumenta la potencia, que aumenta la temperatura, cerrando así el bucle. Es lo que en la industria se llama un coeficiente de reactividad de huecos (o de vacío) positivo.

Además, debido a las grandes dimensiones del reactor, es muy difícil controlar los flujos axiales y radiales de potencia, haciendo que incluso se pueda operar como la suma de distintos pequeños reactores en su interior.

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Fuente: Grabaciones de Valery Alekséyevich Legasov

 

El RBMK se convirtió en una bomba nuclear

Bajo ciertas condiciones un reactor RBMK sin las modificaciones de diseño post-accidente, puede explotar: Cuando se insertan suficientes barras de control de golpe desde su posición más elevada provoca un enorme incremento de potencia debido a la sustitución del agua (moderador y absorbedor de neutrones) por el grafito (solo moderador) en las puntas de las barras de control.

Momentos previos al accidente, el reactor operaba con solo 6 barras de control de un total de 211. Sumado al agotamiento del Xenon-135 que aún mantenía la reacción a raya, y a la excesiva evaporación del refrigerante, aumentó la potencia. Cuando los operadores intentaron detener el reactor insertando las 205 barras de control restantes, sin conocer el efecto que tendrían al principio, lo que hicieron fue aumentar tanto la potencia que provocó la evaporación de todo el agua restante en el reactor, produciendo una explosión térmica (no nuclear) que levantó la tapa del reactor de 2500 toneladas hasta tocar el techo y caer en una posición casi vertical, para lo que hace falta bastante fuerza bruta.

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Tapa del reactor en una posición casi vertical

 

La segunda explosión fue producida por la combinación de Grafito, Oxígeno e Hidrógeno

El consenso científico sobre el accidente de Chernóbil apunta a que se produjeron dos explosiones: Una de vapor, y la otra térmica, no de Hidrógeno o nuclear.

La primera explosión la conforman la rotura de los tubos de presión del reactor rompiéndose uno a uno por la evaporación del refrigerante, levantando las tapas individuales de éstos, de 350 kilos de peso cada uno.

La segunda explosión, la provocó la inserción de las barras de control del reactor en un intento de detenerlo. El grafito de las puntas aumentó la reactividad, haciendo que la potencia del reactor se disparara a 320.000 MW, 100 veces su potencia nominal. La explosión resultante de 1 tonelada de TNT equivalente, destruyó el edificio del reactor, los edificios de bombas y dañó el edificio de turbinas dejando también el reactor expuesto al aire libre.

Cuando el combustible nuclear se sobrecalienta en presencia de vapor de agua, la aleación de Zirconio del que están envueltos los elementos combustibles se oxida, produciendo Hidrógeno. Sin embargo, en Chernóbil no hubo tiempo de generar suficiente Hidrógeno (unos 30 kilos) para provocar tal explosión después de la explosión de vapor. De ser así, la explosión habría impulsado el reactor y su tapa hacia abajo, ya que su origen sería el propio edificio del reactor y no el interior de éste.

 

El New Safe Confinment terminado en 2017 durará 100 años, y luego se tendrá que construir otro.

El New Safe Confinment – NSC – está diseñado para proporcionar un entorno seguro para el desmantelamiento de los reactores 1, 2 y 3 de la central nuclear. Al mismo tiempo, el NSC equipa las grúas necesarias para desmantelar el antiguo sarcófago y así empezar con el desmantelamiento del reactor número 4. Está previsto que las tareas de desmantelamiento de la central nuclear durarán aproximadamente 100 años.

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Cronograma del desmantelamiento de la central nuclear de Chernóbil. Fuente: Decommissioning Strategy for the Chernobyl Nuclear Power Plant

 

Referencias

Mito 1: “Chernóbil será inhabitable durante 24.000 años”

Lo que dice la evidencia…

Nivel level1Básico level2Intermedio level3Avanzado
La mayor parte de los radioisótopos vertidos al medioambiente durante el accidente ya han decaído en otros elementos estables, quedando únicamente el Cesio-137 y Estroncio-90 como los mayores contribuyentes a las dosis recibidas, con un periodo de desintegración de aproximadamente 30 años cada uno.

Mito antinuclear

“Chernóbil será inhabitable durante 24.000 años”

 

La radiactividad decrece con el tiempo de forma inversamente exponencial. Esto significa, que decrece muy rápido al principio y a lo largo del tiempo tarda más en situarse en niveles inferiores. Por ejemplo, el Yodo-131 tiene un periodo de desintegración de 8 días. Si tenemos una muestra de un gramo de Yodo de este isótopo, al cabo de 8 días tendremos 0.5 gramos, mientras que los 0.5 gramos restantes se habrán convertido en Xenon-131. Al cabo de 16 dias, 0.25 gramos, y así sucesivamente. Es lo que se llama la Ley de la Desintegración radiactiva:

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Fuente: Foro Nuclear

En el caso de Chernóbil, se liberó el inventario completo de gases nobles, y parte de elementos volátiles como Yodos, Cesios, Estroncios, Telurios, Plutonios y Uranios [INSAG-7]. Todos estos isótopos excepto el Plutonio y el Uranio, decaen en pocos años. De éstos, los que más tardan en hacerlo son el Cesio-137 y el Estroncio-90, ambos con un periodo de desintegración de aproximadamente 30 años.

Después del accidente, se contaminaron ámplias áreas con isótopos radiactivos que fueron decayendo al paso de los años. Hoy día, los únicos contribuyentes significativos a la dosis de radiación son el Cesio-137 y Estroncio-90, lo que significa que los niveles caerán aproximadamente igual al ritmo de desintegración de estos dos isótopos.

La contaminación por Plutonio o Uranio no contribuye a la dosis debido a su tipo de desintegración (partículas Alfa, núcleos de Helio cargados positivamente) y su largo periodo de desintegración: 24.000 años para el Plutonio-239 y 4,5 mil millones de años para el Uranio-238: El mismo Uranio que encontramos en el subsuelo y usamos para producir energía nuclear. Sin embargo, se debe considerar su presencia al desarrollar actividades económicas del sector primario, como la agricultura y la ganadería.

33 años después del accidente, los niveles de radiación iniciales han disminuido en más de un orden de magnitud, llegando incluso a niveles equiparables al fondo natural anual mundial, lo que demuestra que es posible habitar gran parte de la actual zona de exclusión sin mayor riesgo para la salud, aún estando expuesto en zonas concretas a niveles de radiación mayores pero que siguen sin ser perjudiciales para la salud.

Las zonas donde hoy día supone un incremento en el riesgo de padecer consecuencias en la salud, es parte de la ciudad de Prípyat y los primeros kilómetros al norte de la central nuclear.

 

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Niveles de radiación en las cercanías de la central nuclear, en mSv/año. Más de 100 mSv/año son capaces de aumentar la probabilidad de desarrollar un cáncer. Por encima de los 250 mSv/año, un aumento estadístico epidemiológico puede empezar a apreciarse en una población expuesta.
Fuente: Institute for Radiation Measurement and Development (IRMD): Assessment of the Distribution of Radionuclides and Impact of Industrial Facilities in the Chornobyl Exclusion Zones Final Report 31th March 2018

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Niveles de radiación en la actual zona de exclusión. Dosis en uSv/h. Fuente: University of Georgia and University of Portsmouth with data from Ukrainian institute of Agricultural Radiology and ARPA Russia-Belarus

Si ahora tomamos el mapa de puntos calientes con 40 Ci de actividad radiactiva por kilómetro cuadrado de 1996 (10 años después del accidente),  y aplicamos la máxima del “calla y calcula”, esto corresponde a una dosis de 21,6 uSv/h. Teniendo en cuenta que 10 años después del desastre los únicos contribuyentes significativos son el Cesio-137 y Estroncio-90, ambos con un periodo de semidesintegración de aproximadamente 30 años, la dosis actual es de unos 12,7 uSv / h que corresponde a una dosis de 111 mSv anuales. Esta dosis es incluso menor que la que hay de forma natural en la playa de Guarapari, en Brasil[1]. 

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Distribución de la contaminación radiactiva en Ucrania, Bielorrusia y la Federación Rusa. Fuente: Librería de la Universidad de Texas, concretamente Handbook of International Economic Statistics. 1996

La dosis mínima anual necesaria para radioinducir un cáncer es de 100 mSv / año (UNSCEAR [2]), por lo que el tiempo de inhabitabilidad relativa es de décadas, y no miles de años.

Relativa, porque en nuestro día a día estamos expuestos a contaminantes mucho peores, sin que ello signifique la inhabitabilidad de una ciudad. Tener una mala dieta, ser fumador (activo o pasivo) o padecer de obsesidad, suponen riesgos mayores para la salud que vivir en el mencionado terreno contaminado de Chernóbil (Prípyat, a 3 km de la central nuclear).

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Fuente: BMC Public Health, Fukushima Prefecture website.

 

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Fuente: Chernobyl: Catastrophe and Consequences. J.Smith, N.A.Beresford

¿Cuánto tiempo debe transcurrir hasta que pueda montar una tienda de campaña al lado de los restos del núcleo fundido de Chernóbil?

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Combustible fundido con forma de pata de elefante, bajo el reactor número 4 en Chernóbil. Fuente: US Energy Department.

El combustible nuclear usado tiene una gran cantidad de isótopos radiactivos. La mayoría de ellos actínidos como el Uranio-238, Uranio-239 y Plutonio-239, que debido a su largo periodo de semidesintegración y su fácil bloqueo con una hoja de papel (partículas Alfa, núcleos de Helio) contribuyen poco a la dosis. La pequeña parte restante del combustible la conforman los productos de fisión, la mayoría de ellos de vida muy corta (de segundos a días) y por tanto contribuyen enormemente a la dosis recibida. 33 años después del accidente solo quedan el Cesio-137 y el Estroncio-90 como productos de fisión, ambos con un periodo de desintegración de aproximadamente 30 años. Por tanto, la dosis emitida por el combustible ha decredido enormemente con el paso de unos pocos años, empezando a seguir la curva de desintegración del Cesio y Estroncio mencionados.

Para saber cuándo podremos sentarnos al lado del combustible fundido sin temer por nuestra salud, nos basta con un par de datos iniciales y un cálculo aproximado. Los valores los podemos encontrar aquí [3].

El accidente ocurrió en abril de 1986, y 300 segundos de exposición eran suficientes para matar a una persona. 10 años después son necesarios aproximadamente 3000 segundos (casi 1 hora). Aplicando la ley de desintegración exponencial para que la irradiación necesaria para matarte suba a 100 años (una vida entera siendo optimistas) es de 70 años según Wolfran Alpha o cualquier otra calculadora de internet[4].

Por tanto, dentro de 100 años te garantizo que podrás pasar toda tu vida al lado de la pata de elefante de Chernóbil sin que esto afecte tu salud. Esto también hace que el mito de que Chernóbil será inhabitable durante 24.000 años caiga por su propio peso.

Dosis en tiempo real de la zona de exclusión de Chernóbil: http://www.srp.ecocentre.kiev.ua/MEDO-PS/index.php?lang=ENG&online=1

Hilo:

Referencias: