1. Introducción 2. Isótopos 3. Centrales Nucleares 4. Seguridad Nuclear 5. Tipos De Reactores Nucleares 6. Usos De La Energía Atómica 7. Pacíficos 8. Medicina
La energía es la capacidad que tiene un cuerpo para producir trabajo. La cantidad de energía que contienen los cuerpos se mide por al cantidad de trabajo que puede llegar a realizar.
La energía nuclear es aquella que se libera como resultado de cualquier reacción nuclear. Puede obtenerse bien por fisión (división de núcleo pesados) o por fusión (unión de núcleos atómicos livianos)
En las reacciones nucleares se libera una gran cantidad de energía debido a que parte de la masa de las partículas involucradas en el proceso, se transforma directamente en energía. Lo anterior se puede explicar basándose en la relación masa-energía producto de la genialidad del físico Albert Einstein.
En términos de producción de electricidad, la única diferencia entre las centrales de energía nuclear y las convencionales es la manera de generar el vapor para activar las turbinas: sencillamente, el horno de carbón o derivados del petróleo se sustituye por un reactor nuclear. Sin embargo, esto supone la creación de todo una industria específica.
Un Poco De Historia
La radiación está presente desde el origen del Universo, hace aproximadamente 20000 millones de años, ya que intervino en la gran explosión: Big Bang. Es así, que la radiactividad existía en nuestro planeta mucho antes que la aparición de la vida sobre el mismo, todo organismo vivo contiene vestigios de sustancias radioactivas. Pero hace menos de un siglo que la humanidad descubrió éste fenómeno gracias a científicos como Henri Becquerel, Wilhelm Röentgen y Marie y Pierre Curie entre otros.
En 1945 se puede decir que comenzó trágicamente la "Era nuclear" con la caída de las primeras bombas atómicas en las ciudades de Hiroshima y Nagasaki. A partir de allí la certeza de que las bombas nucleares podrían acabar con nuestra civilización afecta a las decisiones políticas y la actitud hacia la guerra. Pero afortunadamente el hombre ha logrado el uso pacífico de esta energía como, por ejemplo, en la medicina.
En la década de los 70, hubo una gran crisis energética originada por la escasez del petróleo. Esto promovió la construcción de las primeras centrales nucleares del mundo, teniendo por combustible el Uranio, evitando así, tener que depender del petróleo, y de los países exportadores, dado que con las reservas de Uranio, se puede seguir produciendo energía mediante este, durante cientos de años. Actualmente, existen aproximadamente 450 reactores nucleares en el mundo, que generan aproximadamente el 16% del total de la energía mundial generada. España construyó su primera central nuclear en 1968 (C.N. José Cabrera) con una potencia de 160 MegaWatios. También cuenta con nueve reactores nucleares, distribuidos en siete centrales nucleares españolas.
¿Qué es la radiactividad?
Defínase la radiactividad como la propiedad que poseen algunos actividad como la propiedad que poseen algunos minerales de emitir espontáneamente partículas alfa o beta, o rayos gamma, al desintegrarse lo núcleos inestables (o radiactivos) de sus átomos.
¿Por qué ocurre la radiactividad?
En este sentido se repasa la simbología que se acostumbra para referirse a los diferentes átomos de cada elemento químico, muy útil en química nuclear. (Ver tabla periódica de los elementos).
Por ejemplo, 23892U representa un isótopo de uranio con número atómico 92 y número de masa 238. A este se le llama U-238
El isótopo es una de las variedades de un átomo, que tiene el mismo número atómico, constituyendo el mismo elemento, pero que difieren en su número de masa.
El número atómico es equivalente al número de protones en el núcleo, y el número de masa es la suma de protones y neutrones del núcleo.
Los isótopos del un mismo elemento, sólo difieren entre ellos en el número de neutrones que contienen.
Isótopos de hidrógeno y carbono
En la naturaleza se encuentran dos isótopos de hidrógeno, el hidrógeno normal o ligero y el hidrógeno pesado (deuterio). El tercer isótopo, el tritio, es radiactivo, con una vida media de 12,26 años. Aunque el tritio se conoce sobre todo por su papel en la fusión nuclear, también se usa como trazador para estudiar reacciones biológicas. El carbono tiene tres isótopos naturales: el carbono 12 constituye el 98,89% del carbono natural y sirve de patrón para la escala de masas atómicas; el carbono 13 es el único isótopo magnético del carbono, y se usa en estudios estructurales de compuestos que contienen este elemento; el carbono 14, producido por el bombardeo de nitrógeno con rayos cósmicos, es radiactivo (con una vida media de 5.760 años) y se emplea para datar objetos arqueológicos.
Radioisótopos
Los radioisótopos son isótopos inestables, o radiactivos, y emiten radiación espontáneamente. Muchos radioisótopos son producidos bombardeando blancos apropiados con neutrones, hoy fácilmente obtenibles dentro de reactores atómicos.
La radiactividad es un proceso prácticamente inafectado por cualquiera de los factores, tales como temperaturas o presión, empleados para regular la velocidad de las reacciones químicas.
Cesio 137 (Cs137): Es un elemento metálico químicamente reactivo, blanco y blando. Es un metal alcalino.
Fue descubierto en 180 por el químico alemán Robert Wilhelm Bunsen y el físico alemán Gustav Robert Kirchhoff.
El Cs ocupa el lugar 64 en abundancia natural entre los elementos de la corteza terrestre. Se puede encontrar mayormente en un mineral poco frecuente llamado pólux. Las menas de pólux de Elba, en Italia, contienen 34% de óxido de cesio, mientras que las del Condado de Maine y Dakota del Sur en USA contienen 13% de óxido. El cesio también se puede encontrar en la lepidolita, carnalita y algunos feldepastos. Se extrae separando el compuesto de cesio mineral, transformando el compuesto obtenido en cianuro y realizando electrólisis de cianuro.
Como el potasio, el cesio se oxida fácilmente cuando se le expone al aire, y se usa para extraer oxígeno residual de los tubos de vacío.
El Cs emite más energía que el radio y se usa en investigaciones medicinales e industriales, por ejemplo como isótopo trazador.
Tiene una vida media de 30 años, se incorpora a la cadena alimentaria y penetra en el organismo humano. Se dispersa por todo el cuerpo, irradiándolo. Sin embargo, sólo permanece en el organismo unos pocos meses.
Uranio 235 (U235): Después del descubrimiento de la fusión nuclear, el uranio se convirtió en un metal estratégico. Al principio, su uso estaba restringido ala producción de armas nucleares. En 1954, se lo empezó a utilizar enriquecido con el isótopo 235 para el desarrollo de plantas nucleares. Sus aplicaciones fueron discutidas en las Conferencias de la Utilización Pacífica de la Energía Atómica de 1955, 1958 y 1964, celebradas en Ginebra, Suiza.
Cobalto 60 (Co60): Es uno de los isótopos que se utiliza en la medicina. Fue un complemento muy importante de los Rayos X empleados en la clínica y también de las fuentes naturales de radiaciones, radio y radiomensorio. Presenta sobre estos últimos un cierto número de ventajas: el cobalto radiactivo pede ser obtenido en la cantidad necesaria para los fines terapéuticos y es barato y fácil de manejar, porque no produce sustancias gaseosas de desintegración.
Yodo 131 (I131): El yodo es un elemento trazador muy versátil y se utiliza para determinar volumen sanguíneo, rendimiento cardíaco, volumen de plasma, actividad hepática, metabolismo de lípidos, metástasis cancerosa tiroidea, tumores cerebrales y el tamaño, configuración y actividad de la tiroides.
Tiene una vida muy corta (vida media, ocho días), es una de las fuentes potencialmente importantes de exposición interna a las radiaciones, debido a que se concentra en la glándula tiroides. Poco tiempo después de un accidente o explosión nuclear, la hierba contaminada con I131 es consumida por las vacas; el isótopo aparece rápidamente en la leche. Debido a que la leche suele consumirse pocos días después de su producción, la gente puede consumir cantidades significativas de I131 sin darse cuenta. Otros alimentos suelen consumirse transcurrido un intervalo más largo, por lo que la radiactividad ha disminuido apreciablemente. Cuando se acumulan cantidades significativas de yodo radiactivo en el tiroides, se produce un aumento en la incidencia del cáncer de tiroides; hasta la fecha, los niveles acumulados debido a la lluvia radiactiva son demasiado bajos, o la exposición a ellos demasiado reciente, como para que se detecte tal efecto.
Carbono 14 (C14): El carbono -14 se produce de manera continua en la atmósfera, cuando neutrones de alta energía del espacio, chocan contra el nitrógeno –14, como se ilustra en la siguiente reacción.
También se produce por la activación de los átomos de nitrógeno del aire durante las detonaciones nucleares.
El carbono -14 artificial, que está actualmente en circulación por la Tierra, alcanza aproximadamente una tonelada y representa aproximadamente el 1% de la abundancia total natural. Durante los últimos siete años, el hombre lo ha producido a un ritmo considerablemente mayor que el resultante del proceso natural, mediante el cual se forma por la acción de los neutrones de los rayos cósmicos. La mayoría está todavía en la atmósfera combinado en dióxido de carbono. En los organismos vivientes se ha elevado el contenido de carbono 14, hasta el 10% por encima de lo normal, esta situación puede confundir a los futuros arqueólogos.
Tiene una vida media de 5.760 años.
Fusión
La fusión nuclear está actualmente en líneas de investigación, debido a que todavía no es un proceso viable, ya que se invierte mas energía para que se produzca la fusión que la energía obtenida mediante éste método.
La fusión ocurre cuando dos núcleos muy livianos se unen, formando un núcleo atómico más pesado con mayor estabilidad.
La energía necesaria para lograr la unión de los núcleos se puede obtener utilizando energía térmica o bien utilizando aceleradores de partículas. Ambos métodos buscan que la velocidad de las partículas aumente para así vencer las fuerzas de repulsión electrostáticas generadas al momento de la colisión necesaria para la fusión.
Para la fusión nuclear se necesitan deuterio y tritio (isótopos del hidrógeno) que tienen un neutrón cada uno, además de uno y dos protones respectivamente.
Si la energía de fusión llega a ser practicable, ofrecería las siguientes ventajas:
- Una fuente ilimitada de combustible, el deuterio procedente de los océanos.
- Imposibilidad de un accidente en el reactor, ya que la cantidad de combustible en el sistema es muy pequeña.
- Residuos mucho menos radiactivos y más sencillos de manejar que los procedentes de sistemas de fisión.
Pero para alcanzar la fusión nuclear útil se presentan algunos problemas como:
- Calentar el gas a temperaturas tan altas.
- Confinar una cantidad suficiente de núcleos durante un tiempo lo bastante largo para permitir la liberación de una energía mayor que la necesaria para calentar y confinar el gas.
Fisión
La materia está compuesta por átomos, cada uno de los cuales está formado por un núcleo central y una serie de electrones que giran alrededor del mismo. El núcleo está compuesto por protones y neutrones, siendo el número de protones igual al de electrones.
El núcleo de un tipo apropiado de átomo tiene la habilidad de capturar y absorber neutrones. El núcleo resultante es a veces sumamente inestable y sufre un cambio espontáneo (la fisión) dividiéndose en otros núcleos más livianos, con desprendimiento de neutrones, que se separan a velocidades elevadas, abriéndose paso a través de las partículas que los rodean hasta que pierden su velocidad, convirtiendo su energía cinética en energía térmica.
Los neutrones que escapan de la fisión, al bajar su energía cinética, se encuentran en condiciones de fisionar otros núcleos pesados produciendo una Reacción Nuclear en Cadena.
El proceso de la fisión permite el funcionamiento de los Reactores Nucleares que actualmente operan en el mundo.
En las centrales nucleares, el proceso que se controla es el final, ya que en ellas se genera energía en forma lenta, pues de lo contrario, el reactor se convertiría en una bomba atómica, debido a que la mayor parte de energía se libera al final.
El proceso es el siguiente:
Las barras de Uranio enriquecido al 4% con Uranio-235 se introducen en el reactor y comienza un proceso de fisión. En el proceso se desprende energía en forma de calor. Este calor calienta unas tuberías de agua, y ésta se convierte en vapor que pasa por unas turbinas haciéndolas girar. Estas, a su vez, giran un generador eléctrico de una determinada potencia, generando así electricidad, al igual que con una dinamo de bicicleta, solo que éstas turbinas y el generador son más grandes. De ésta manera no se aprovecha toda la energía obtenida en la fisión, y se pierde parte de ella en calor, resistencia de los conductores, vaporización del agua, etc. Los neutrones son controlados para que no explote el reactor mediante unas barras de control, que al introducirse absorben neutrones y se disminuye el número de fisiones, con lo cual, dependiendo de cuantas barras de control se introduzcan, se generara mas o menos energía. Normalmente se introducen las barras de tal forma que solo se produzca un neutrón por reacción de fisión, controlando, de ésta forma, el proceso de fisión. Si todas las barras de control son introducidas, se absorben todos los neutrones, con lo cual se pararía el reactor. El reactor se refrigera para que no se caliente demasiado y funda las protecciones, convirtiéndose en una bomba atómica, incluso cuando este esté parado, ya que la radiación hace que el reactor permanezca caliente.
Las centrales nucleares utilizan la energía liberada en los procesos de fisión nuclear para producir electricidad.
Hay 443 centrales nucleares en el mundo.
En España hay 7 centrales: Almaraz, Ascó, Cofrentes, José Cabrera, Santa María de Garoña, Trillo y Vandellòs II, que produce cada año, más de 7.000 millones de kilovatios hora.
Hay 443 centrales nucleares en el mundo.
En la Argentina hay 3. Atucha I, Embalse y Atucha II (en construcción).
Cuando nuestro país inició su plan de energía nuclear, debió elegir entre dos tecnologías: la de uranio enriquecido y la de uranio natural. Para ello se compararon los siguientes puntos de vista:
El reactor de agua a presión con uranio enriquecido implica:
- Menor inversión específica de capital
- Costos de producción más bajos
- Mayor sencillez constructiva, al utilizar agua liviana como refrigerante y moderador.
En cambio, el reactor de agua pesada a presión con uranio natural implica:
- Autonomía en el abastecimiento de combustible, al usar directamente el uranio natural, existente en grandes cantidades en el país y elaborado localmente.
- Ahorro de divisas durante todo el período de servicio, al no requerirse la importación del combustible.
- Mayor índice de disponibilidad, al realizarse el recambio de los elementos combustibles en servicio.
Existen otras consideraciones, que hacen más complejo el análisis de las ventajas de uno y otro sistema, pero evidentemente en el casa de la Argentina, ha privado el aspecto de la no obtención del combustible y la posibilidad de desarrollar la tecnología necesaria para la producción del agua pesada y, al mismo tiempo, desarrollar la ingeniería de proyecto y construcción, para incrementar la participación nacional hasta el 85%, que es aceptado aún por países como Francia y Alemania.
Central Nuclear Atucha I
La central nuclear Atucha I, primera en su género en Latinoamérica, se encuentra sobre la rivera derecha del río Paraná de las Palmas, cerca de la localidad de Lima (Partido el Zárate) y a poco más de 100 Km. de Capital Federal.
Su potencia eléctrica es de 360 Megavatios, que se entrega con una tensión de 220 Kilovatios al sistema argentino de interconexión.
En este siglo el hombre ha descubierto una nueva fuente de energía: La energía nuclear, más accesible por su bajo costo. Todos los países se han esforzado porque su uso sea pacífico, y como consecuencia de este trabajo conjunto, se han desarrollado centrales nucleares para la producción de energía eléctrica. Gracias a este esfuerzo que se inició a principio de los años cincuenta, la humanidad consiguió una nueva fuente de energía prácticamente ilimitada, que le permite hacerle frente a los problemas que están planteando los combustibles convencionales, reduciendo su utilización a los fines para los que resultan insustituibles y evitando su consumo en la producción de energía eléctrica.
En 1952, arrancó el primer reactor comercias de fisión, sucediéndose de cientas de construcciones acumulándose una experiencia de cientos de años de funcionamiento de un reactor. Estas centrales producen energía de una forma confiable, segura y económica.
Las investigaciones para lograr energía de fusión se vienen realizando en los países más desarrollados, pero aún no se la considera una solución inmediata para el problema energética.
Atucha I
Precauciones En El Manejo De Material Radiactivo
La vasta experiencia que ha adquirido la industria nuclear en el uso de sustancias radioactivas, ha permitido a ésta conocer plenamente los peligros que entraña. Un blindaje y una contención apropiados evitarán la fuga de radiaciones. La clara comprensión de los principios de protección radiológica y el conocimiento exhaustivo de las propiedades de la radiación que posee la industria nuclear le permiten diseñar, construir y explotar sus plantas manteniendo en un mínimo la exposición a las radiaciones que afecta a los trabajadores y el público, de conformidad con las directrices internacionales. La vigilancia periódica de los trabajadores de la industria nuclear y de su ambiente de trabajo garantiza, que no se rebasen estos niveles.
Medio Ambiente
La población cercana a la central. Recibe como máximo 1 dosis de radiación que corresponda sólo a una pequeña fracción del límite máximo que se admite en general.
Desde el punto de vista de la protección del medioambiente, las centrales nucleares siempre han estado regidas por un estricto control reglamentario contempla todas y cada una de las fases que componen el ciclo del combustible, así como la protección de los trabajadores de la central, el público en general y el desmantelamiento de la central, al final de su vida útil.
El origen del riesgo en las centrales nucleares se encuentra en la presencia y posible escape de las radiaciones y productos radiactivos producidos en el núcleo del reactor.
Por este motivo, la seguridad nuclear consiste en diseñar, construir y operar las centrales nucleares para obtener de forma segura la producción de energía eléctrica, sin que ello suponga un riesgo superior al tolerable para la población y para los trabajadores de la central. Dados los reglamento bajos (salvo desastres nucleares como Chernobyl o TMI, en los que las víctimas fatales no fueron demasiadas)
En la República Argentina la responsabilidad recae en el ente nacional regulador nuclear (ENREN). Este organismo es totalmente independiente de las instalaciones nucleares nacionales, ya que depende del poder ejecutivo nacional.
En caso de no cumplirse la reglamentación la central será cerrada. Hay inspectores que mantienen informado al ENREN. Además la WANO (Asociación mundial de operadores nucleares) realiza periódicamente revisiones técnicas.
La central Atucha I, con sus 22 años de operación se dirige como modelo de lo que se puede hacer.
Lluvia Radiactiva
La lluvia radiactiva, consiste en la exposición de partículas radiactivas, liberadas en la atmósfera por explosiones nucleares o escapes de instalaciones y centrales nucleares, sobre la superficie de la Tierra. El interés de la opinión pública se ha centrado sobre todo en los efectos de la lluvia radiactiva desde el periodo de las pruebas nucleares atmosféricas a gran escala realizadas en las décadas de 1950 y comienzos de la de 1960. Se hicieron alegatos sobre sus efectos dañinos durante muchos años, pero hasta 1984 no se adoptó una decisión trascendental, cuando un juez federal de Utah dictaminó que 10 personas habían enfermado de cáncer debido a la negligencia del gobierno en lo referente a la exposición de los ciudadanos a la lluvia radiactiva en aquel estado. En 1985 el Tribunal de apelación de pensiones de Inglaterra y Gales llegó a una conclusión similar en el caso de un veterano de las pruebas nucleares británicas en las islas Christmas durante la década de 1950.
Desde la firma del tratado de limitación de pruebas nucleares en 1963, los niveles de lluvia radiactiva han disminuido en todo el mundo. El accidente nuclear de Chernobyl produjo cierta cantidad de lluvia radiactiva.
El material del que se compone la lluvia radiactiva se produce por fisión nuclear y por la activación del suelo, el aire, el agua y otros materiales del lugar de la detonación.
Si la potencia de la explosión es suficiente como para introducir residuos de la bomba en la estratosfera, muchas de las partículas pequeñas permanecen en ella, y quedan sometidas a la acción de los vientos estratosféricos. La lluvia producida en este caso recibe el nombre de lluvia atómica estratosférica o global. Dado que en la estratosfera no existen precipitaciones, estas partículas permanecen en suspensión durante considerables períodos. Se dispersan horizontalmente, por lo que algunas partículas, tras haber dado varias vueltas al planeta, acaban distribuidas por toda la estratosfera. La mezcla vertical, sobre todo en las regiones polares en invierno y a comienzos de la primavera, devuelve el material a la troposfera, donde se comporta como la lluvia radiactiva troposférica.
Las partículas producidas por la fisión de átomos de uranio o plutonio y los materiales activados por los neutrones constituyen unos 300 isótopos radiactivos diferentes. Cada radioisótopo se caracteriza por su vida media, o sea, el tiempo necesario para que la mitad de la materia radiactiva se desintegre espontáneamente. En el plazo de una hora tras la explosión, la mayor parte de las sustancias de vida muy corta, es decir aquellas cuya vida media se mide en segundos y minutos, se desintegran, y la radiactividad total producida por la bomba disminuye en un factor superior a cien.
Transcurrida la primera hora, la radiactividad remanente se disipa a un ritmo cada vez menor. Los productos de vida más larga de la fisión son los que producen la mayor parte de la radiactividad residual. Unos pocos productos de la fisión tienen una vida muy larga; el radioisótopo estroncio 90 (símbolo 90Sr), también llamado radio estroncio, tiene una vida media de 28 años. Estas partículas de vida larga son la causa del riesgo radiactivo a largo plazo.
Los radioisótopos de vida larga, como el 90Sr, no se desintegran apreciablemente durante el tiempo que permanecen en la estratosfera, y por tanto, pueden seguir siendo un riesgo potencial durante muchos años, sobre todo a través de los alimentos contaminados y destinados al consumo humano.
Los efectos a largo plazo de la lluvia radiactiva puede producir mutaciones, es decir, cambios en las células reproductoras que transmiten las características heredadas de una generación a la otra. Casi todas las mutaciones inducidas por las radiaciones son dañinas, y sus efectos nocivos persisten en sucesivas generaciones.
El riesgo que representaría la lluvia radiactiva en una guerra nuclear sería mucho más serio que en una prueba nuclear. Habría que considerar los efectos letales inmediatos, así como los efectos a largo plazo. Los estudios de este tipo han llevado a la construcción de refugios nucleares como parte de los planes de defensa civil. Se están desarrollando sistemas para descontaminar el agua, la tierra y los alimentos con el fin de combatir los posibles efectos de la lluvia radiactiva durante y después de un ataque nuclear. Muchas investigaciones independientes, no obstante, sugieren que incluso aunque algunos seres humanos sobrevivieran a una guerra nuclear a gran escala y al probable invierno nuclear, probablemente serían estériles.
El creciente empleo de la energía nuclear como fuente de energía plantea ciertos problemas relacionados con el control de los riesgos radiactivos. Los productos de la fisión controlada empleada en los reactores son peligrosos para el medio ambiente si se liberan en grandes cantidades, como ocurrió en Chernobyl en 1986. En caso de producirse un accidente en una central con liberación de residuos radiactivos, la tierra podría quedar contaminada en muchos kilómetros a la redonda. Para impedir esto, los ingenieros nucleares diseñan los sistemas intentando minimizar el riesgo de fugas accidentales.
4. Seguridad Nuclear
Funcionamiento
Circuito primario: En las centrales térmicas convencionales, el combustible (gas, petróleo, carbón) se quema para calentar el agua y convertirla en vapor. El vapor a presión es consecuencia de la fisión nuclear. El agua se mueve impulsada por una bomba fuera de la vasija hacia los tubos del generador de vapor donde parte del calor pasa a otro circuito secundario y retorna a la vasija para volver a calentarse.
Circuito moderador: El agua pesada se utiliza para reducir la velocidad de los neutrones (fisión nuclear) a través de choques capaces de extraerles energía sin absorberlos. Además extrae parte del calor generado por la fisión. El agua del moderador se mueve impulsada por una bomba hacia un intercambiador de calor donde cede su calor al circuito secundario para retornar a la vasija nuevamente.
Circuito secundario: Este circuito de agua común desmineralizada recoge el calor cedido por el agua de los circuitos anteriores, vaporizándose en el generador de vapor. Este vapor cede su energía a los alabes de la turbina, que a su vez hace girar el generador eléctrico produciendo energía, enfriándose y perdiendo presión para entrar en el condensador. Aquí se convierte en agua que es recogida por bombas e impulsada al generador de vapor. El agua del circuito secundario no se mezcla con el agua pesada de los circuitos primario y moderador.
Circuito de refrigeración: Para la condensación del vapor de la turbina se emplea agua del río Paraná de las Palmas. Esta agua es impulsada por tres bombas a los tubos del condensador, desde donde retorna al río, pasando por la turbina hidráulica.
Reactores De Energía Nuclear
Tipo de reactores
La combinación de las diferentes posibilidades que ofrecen los distintos materiales que componen el reactor, daría lugar a una variedad muy grande de tipos de reactores. Sin embargo, en la práctica existe un número limitado y entre los cuales vamos a mencionar los más difundidos.
Antes, es conveniente hacer algunas consideraciones acerca del combustible utilizado en los reactores.
Combustible Nuclear
El uranio natural está compuesto por 0,7% de U235 y 99,3% de U238. O sea, que el elemento radiactivo (uranio natural) constituye un ínfima parte. Como consecuencia, para poder mantener la reacción en cadena debe usarse como moderador un material poco absorbente de neutrones, condición que solamente cumple el agua pesada. A fin de usar otros moderadores (agua liviana, grafito) es necesario incrementar la proporción de U235, lo que se logra mediante el "enriquecimiento" del uranio natural. Éste es un procedimiento muy complejo y costoso que solamente dominan muy poco países, incluyendo el nuestro.
Para que su utilización sea más fácil, el uranio es convertido a bióxido (U02) para su utilización en la fabricación del combustible nuclear.
Los elementos de combustible se conforman en haces de varillas, cada una se compone de un tubo de Zircaloy (aleación de zirconio), de aproximadamente 1 cm de diámetro, en cuyo interior se alojan pastillas de óxido de uranio, dejando en un extremo un espacio vacío, para la expansión de los componentes gaseoso de los residuos de la reacción.
El agujero situado en el extremo más alejado de la cavidad azul es el núcleo de un reactor atómico. El tubo largo del centro del núcleo es el conjunto de combustible, que consiste en un haz de tubos metálicos llenos de uranio. Esta fotografía se tomó mientras se retiraba el conjunto.
5. Tipos De Reactores Nucleares
De acuerdo a las diferentes combinaciones de combustible, refrigerante, moderador, etc, se podría diseñar una gran variedad de tipos de reactores. Pero por distintas razones tecnológicas, el grupo se reduce notablemente. A continuación describiremos los más comunes:
Reactor de agua en ebullición: Ha sido desarrollado principalmente en Estados Unidos, Suecia y Alemania. Utiliza agua natural purificada como moderador y refrigerante. Como combustible dispone de Uranio-238 enriquecido con Uranio-235, el cual como se sabe, facilita la generación de fisiones nucleares.
El calor generado por la reacciones en cadena se utiliza para hacer hervir el agua. El vapor producido se introduce en una turbina que acciona un generador eléctrico. El vapor que sale de la turbina pasa por un condensador, donde es transformado nuevamente en agua líquida. Posteriormente vuelve al reactor al ser impulsada por un bomba adecuada.
Reactor de agua presurizada: Es ampliamente utilizado en Estados Unidos, Alemania, Francia y Japón. El refrigerante es agua a gran presión. El moderador puede ser agua o bien grafito. Su combustible también es Uranio-238 enriquecido con Uranio-235. El reactor se basa en el principio de que el agua sometida a grandes presiones puede evaporarse sin llegar al punto de ebullición, es decir a temperaturas mayores de 100 °C. El vapor se produce a unos 600 °C, el cual pasa a un intercambiador de calor donde es enfriado y condensado para volver en forma líquida al reactor. En el intercambio hay traspaso de calor a un circuito secundario de agua. El agua del circuito secundario, producto del calor, produce vapor, que se introduce en una turbina que acciona un generador eléctrico.
Reactor refrigerado por gas: El uso del gas como refrigerante, permite alcanzar temperaturas superiores a las alcanzadas en los reactores refrigerados por agua, lo que permite lograr un mejor rendimiento.
De modo similar al caso del agua presurizada, el gas impulsado por un ventilador, circula por un intercambiador de calor, donde evapora el agua. Dado que los gases empleados no absorben excesiva radioactividad, el generador de vapor puede ser excluido de la protección biológica.
Como moderador se utiliza grafito y como refrigerante anhídrido carbónico o helio. Este tipo de reactor fue ampliamente empleado en los primeros reactores europeos, especialmente en Inglaterra y Francia.
Reactor refrigerado por aire: Funciona de manera similar al anterior, con la diferencia que el aire trabaja en circuito abierto, debiendo ser filtrado a la salida a la atmósfera, para evitar la contaminación ambiental. Puedo utilizar uranio natural como combustible.
Reactor de agua pesada presurizada: Es el tipo de reactor adoptado por nuestro país y desarrollado principalmente por Canadá. También fue adoptado por India y Corea del Sur. Se bada en el uso del agua pesado como moderador y como refrigerador.
Este tipo de reactor permite el uso de uranio natural como combustible. En lo demás funciona como el reactor de agua presurizada. Dada la baja reserva de radiactividad, es necesario realizar el cambio de elementos de combustibles con el reactor en servicio, lo cual por otra parte los hace más seguros desde el punto de vista de una eventual pérdida de control.
Atucha I y Embalse tienen este reactor.
Reactor sodio-grafito: A fin de lograr mejores rendimientos en base a la elevación de la temperatura del refrigerante, se ha ensayado el uso del sodio líquido como refrigerante, que como es muy radioactivo obliga a utilizar un intercambiador de calor adicional, PATRA transferir el calor a un fluido intermedio, que luego evapora el agua en un segundo intercambiador.
Seguridad En Los Reactores Nucleares
Sistemas de Control
Básicamente está constituido por las barras de control y por diversa instrumentación de monitoreo. Las barras de control son accionadas por una serie de sistemas mecánicos, eléctricos u electrónicos, de tal manera de asegurar con rapidez la extinción de las reacciones nucleares.
La instrumentación de monitoreo se ubica en el interior o en el exterior del núcleo del reactor y su finalidad es mantener constante vigilancia de aquellos parámetros necesarios para la seguridad: presión, temperatura, nivel de radiación, etc
Sistema de Contención
Constituido por una serie de barreras múltiples que impiden el escape de la radiación y de los productos radiactivos. La primera barrera, en cierto tipo de reactores, es un material cerámico que recubre el Uranio utilizado como elemento combustible. La segunda barrera es la estructura que contiene al Uranio, es decir, se trata de las barras de combustible.
La tercera barrera es la vasija que contiene el núcleo del reactor. En los reactores de potencia se denomina vasija de presión y se construye de un acero especial con un revestimiento interior de acero inoxidable.
La cuarta barrera la constituye el edificio que alberga al reactor en su conjunto. Se conoce con el nombre de "Edificio de Contención" y se construye de hormigón armado de, a lo menos, 90 cm de espesor. Se utiliza para prevenir posibles escapes de productos radiactivos al exterior, resistir fuertes impactos internos o externos, soportar grandes variaciones de presión y mantener una ligera depresión en su interior que asegure una entrada constante de aire desde el exterior, de tal forma de evitar cualquier escape de material activado.
¿Podría repetirse en Atucha la historia de Chernobyl?
En Chernobyl, cuando advirtió el peligro, el operador no pudo detener la excursión de potencia en marcha. El reactor RBMK siniestrado tenían 28 barras de seguridad, de las 222 de control; tardaban 20 segundos en ser insertadas y 10 segundos en hacer sentir su efecto. En las centrales argentinas ese número es similar, 28 para el CANDU 600 (Cadmio) y 29 para Atucha I (Hafnio); pero, tardan en insertarse 2 segundos y su efecto se hace sentir al segundo.
Por otro lado, tanto en Embalse como en Atucha existe el sistema de inyección de venenos solubles para la parada de emergencia (Gadolinio en el CANDU y Boro en Atucha).
En aquel RBMK el sistema de seguridad era el mismo sistema de regulación, con 5 niveles de seguridad.
En Atucha I se tiene el sistema de regulación, el sistema de parada de barras y el sistema de inyección de Boro. Los tres son independientes, con su lógica y sus detectores asociados.
En Embalse se opera con un sistemas de regulación, otro asociado para bajar la potencia al 20 % (4 barras), el de parada 1 (28 barras) y el de parada 2 (inyección de Gadolinio). Los cuatro son también independientes entre sí, pudiendo cada uno detener al reactor en caso de funcionamiento anormal.
Tanto en Atucha como para Embalse, la probabilidad de falla simultánea de todos los sistemas es de uno en millones.
Por otro lado, el moderador de los RBMK es Grafito, mientras que nuestras centrales utilizan Agua Pesada. Aquí no puede ocurrir la reacción explosiva que se dio en Chernobyl, del grafito con el aire y el agua. Sí, en cambio, se podría dar una liberación de hidrógeno en el improbable caso de que los sistemas de seguridad fallaran. Pero, sería improbable la formación de hidrógeno en cantidad suficiente como para estallar, debido, principalmente, al gran volumen que poseen nuestras centrales para su expansión (Embalse 50000 m3, contra 100 m3 del Chernobyl), lo que baja automáticamente su presión. Aparte, la atmósfera tiene condiciones reductoras, para prever un caso de esta naturaleza.
Finalmente, el RBMK 1000 de Chernobyl poseía una contención parcial, en la parte inferior, que incluía una pileta para condensación en el caso de eventual pérdida de vapor. En Atucha todas las instalaciones críticas están dentro de dos edificios concéntricos, poderoso sistema de contención, una esfera de acero y una de hormigón.
El RBMK 1000 hubiese requerido un edificio de contención mas robusto que los de Atucha I y Embalse.
La seguridad nuclear se basa en evitar que se produzcan escapes incontrolados de sustancias radiactivas, lo cual es necesario para proteger a los operadores de la central y al público en general. Por esta razón las pastillas de uranio (primera barrera), de una cerámica especial altamente resistente, que es donde se produce la fisión nuclear, se introducen en vainas herméticas (segunda barrera). Estas vainas, conformando un Elemento Combustible, se introducen dentro de una vasija, que junto al circuito primario-moderador forman la tercera barrera; la vasija va dentro de un gran muro de hormigón armado, que constituye el blindaje biológico y permite que trabajen los operadores sin peligro alguno (cuarta barrera).
La vasija y el blindaje biológico van dentro de una esfera de acero que los envuelve (quinta barrera). Esta a su vez, es rodeada de un edificio de hormigón armado con paredes de más de medio metro de espesor, que constituye un nuevo blindaje biológico (sexta barrera, y es una defensa física capaz de soportar los mayores impactos del exterior).
Tan importante como tener una buena selección del sitio, un diseño óptimo y una construcción perfecta, es que, la operación de la instalación sea segura, lo cual se logra con personal altamente calificado.
Uno de los rasgos distintivos de las plantas nucleares en cuanto a la seguridad, está dado por la "redundancia de equipos". Lo que indica que para cumplir una determinada función de seguridad, si son necesarios 2 equipos, las centrales cuentan con 3 ó 4 de ellos dependiendo de la función que deban cumplir.
Además están diseñadas con "criterios de diversidad". Esto se refiere a tener distintos tipos de medición de una misma señal o distintos fabricantes, para evitar fallas de modo común, es decir que involucren a más de un componente a la vez. Por último también tratando de evitar este tipo de fallas (Ej.: incendios), que impliquen la pérdida de equipos que cumplen una misma función, se encuentren físicamente separados unos de otros.
¿Qué sucedió exactamente en Chernobyl, por qué ocurrió y qué impacto ecológico causó?
El accidente ocurrido en la madrugada del 26 de abril de 1986 consistió, básicamente, en una conjunción de fallas humanas y de diseño de la planta. Se originó en una serie de pruebas que, con el fin de mejorar la seguridad, se iniciaron en el reactor. La idea era verificar que la inercia de una turbina era suficiente, si se producía una interrupción abrupta de la alimentación eléctrica, para que los generadores mantuvieran en funcionamiento al sistema de refrigeración hasta que arrancasen los generadores diesel de emergencia.
En los reactores "occidentales" esta eventualidad está prevista en el diseño del reactor, admitiéndose una demora de hasta 30 segundos de los diesel que deben cubrir la falla. Por aquí, este tipo de pruebas está prohibido o se encuentra estrictamente reglamentado.
En la unidad 4 de la Central de Chernobyl, se intentó ese experimento después de haberlo realizado, con éxito, en la unidad número 3. Para llevarlo a cabo, era necesario llevar el reactor a un 30 % de su potencia de funcionamiento (3200 MW térmicos).
El 25 de abril, a la 01:00 se comenzó a bajar potencia y a las 13:00 hs el reactor ya estaba funcionando a un 50 % de potencia, cuando se desconectó una de las dos turbinas. En ese punto, las autoridades del sistema pidieron que se lo mantuviera por necesidades de la red eléctrica. La central quedó esperando la autorización para iniciar la experiencia, cosa que ocurrió a las 23:00.
A las 23:10 se bajó la potencia del reactor. Por un error de operación (PRIMER ERROR) la potencia se bajó a un 1 %, provocando la condensación del vapor presente en el núcleo. Como el agua absorbe más neutrones que el vapor, esto introdujo reactividad negativa.
Si la "reactividad" es cero la reacción en el núcleo se auto sostiene y la población neutrónica se mantiene constante; entonces, se dice que el reactor está crítico. Si es positiva la población neutrónica crece y, por lo tanto, la potencia del núcleo aumenta. Si es negativa la población neutrónica disminuye y el reactor tiende a apagarse. Adicionalmente – al bajar la potencia del reactor – la concentración de Xe131 subió, introduciendo un fuerte aporte negativo adicional de reactividad. Es un "producto de fisión" que actúa como gran absorbente de neutrones. Esta situación produjo preocupación en los operadores, ya que el reactor se apagaba inexorablemente. Entonces, decidieron extraer todas las barras de control del núcleo, algo que no estaba permitido por los manuales de operación (SEGUNDO ERROR). Fue posible porque el diseño no contemplaba el enclavamiento del mecanismo.
Con el reactor operando prácticamente sin barras, se alcanzó un 7 % de potencia, en un estado de alta inestabilidad. (Las barras de control absorben los neutrones excedentes, manteniendo al reactor estable o crítico. Su remoción introduce reactividad positiva).
El reactor poseía un sistema automático de control de caudal por los canales. Al trabajar a tan baja potencia, el sistema hubiese tendido a la parada. Para evitarlo, los operadores desconectaron el sistema de parada por caudal e iniciaron el control manual del mismo (TERCER ERROR). Nuevamente, la falta de enclavamientos permitió esta maniobra.
En ese momento, todo el refrigerante estaba condensado en el núcleo. A las 1:23:04 del 26 de abril de 1986, se decidió desconectar la turbina de la línea de vapor, para iniciar la prueba. Para poder hacerlo, los operadores tuvieron que hacer lo propio con otros sistemas de emergencia (CUARTO ERROR).
Al desconectar la turbina, las bombas comenzaron a alimentarse por la tensión provista por el generador durante su frenado inercial. La tensión fue menor y las bombas trabajaron a menor velocidad. Entonces, se formaron burbujas de vapor en el núcleo, insertando una altísima reactividad y, por lo tanto, un brusco incremento de potencia.
A la 1:23:40 el operador quiso introducir las barras de corte. Pero, ya era tarde! Para ese entonces, el reactor ya estaba a varias veces su potencia nominal.
La presión en los tubos subió rápidamente, provocando su ruptura. Estallaron, levantando el blindaje de la parte superior del núcleo.
Algunos fragmentos de combustible y grafito en llamas fueron lanzados hacia afuera, cayendo sobre el techo de turbinas adyacentes, causando una treintena de incendios. Para las 5:00, los bomberos habían apagado a la mayoría de ellos, con un terrible costo en vidas por la sobre exposición.
Luego de fracasar en su intento de inundar al núcleo, los soviéticos decidieron cubrirlo con materiales absorbentes de neutrones y rayos gamma (plomo, sustancias boradas, arena, arcilla, dolomita). Del 28 de abril al 2 de mayo, se dedicaron a hacerlo desde helicópteros. Cavaron un túnel por debajo de la central, para introducir un piso de hormigón y evitar la contaminación de las napas de agua subterránea. Así consiguieron que cesaran las grandes emisiones de material radiactivo.
El reactor fue finalmente recubierto con un "sarcófago" de hormigón, que provee un blindaje suficiente como para trabajar en los alrededores. Para evacuar el calor residual, se instalaron ventiladores y filtros.
La consecuencia inmediata del accidentes fue la muerte de 31 personas, 2 por la explosión y 29 a causa de la radiación. Todas formaban parte del personal de la planta.
Muchas hectáreas de campo quedaron inutilizadas por la deposición de material radiactivo. Teniendo en cuenta las dosis recibidas por los 135.000 habitantes de los alrededores, los modelos matemáticos predicen un incremento de menos del uno por ciento sobre la tasa normal de cáncer (20 %) en el área.
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