13 marzo, 2011

¿Qué peligro representa el accidente nuclear de Japón? (Parte II)

(Leer la primera parte…)

Ya vimos en la entrada anterior, de qué está hecho y cómo funciona un reactor nuclear, cuanta energía produce el Uranio que sirve como combustible y por qué están sumergidos en tanques de agua, ahora veremos que pasa cuando empiezan a fallar (…)


(…) Una vez que el vapor hizo su trabajo, debe ser enfriado, condensado (para que vuelva a su estado líquido), y regrese nuevamente al tanque del reactor para reiniciar el ciclo. Para poder enfriar el vapor se requiere de un sistema de refrigeración. Las centrales nucleares siempre están ubicados cerca a un río, lago o mar, para poder usar el agua como refrigerante. Para ello, requieren del funcionamiento de unas potentes bombas que extraigan el agua de estos reservorios naturales; las pasen a través de tuberías dispuestas como un radiador, capturando todo el calor del vapor generado en el tanque, para luego eliminar ese calor a través de enormes torres de refrigeración.

cooling-towers

Estas torres que ven en la imagen sirven para eliminar el calor capturado por el agua del sistema de refrigeración. Las bombas llevan el agua caliente hasta la cumbre de estas torres y las dejan caer como si fuera una gran ducha. Durante la caída, el agua se va enfriando gracias a la presencia de gigantescos ventiladores en la parte inferior de la torre. Los ventiladores soplan hacia arriba, y el calor es eliminado por el vapor a través de las chimeneas. Aunque pareciera que el humo emanado por estas gigantescas torres contamina el ambiente, no lo hace, porque lo único que eliminan es vapor de agua. Es por esta razón que la producción de energía eléctrica en centrales nucleares no contamina el ambiente.

Pero, ¿qué pasaría si las bombas dejan de funcionar?… Bueno, aquí si viene un gran problema.

Una central nuclear es autosuficiente. La energía eléctrica producida por el reactor, es usada para mantener en funcionamiento toda la central. Pero, debido al terremoto del viernes, la energía eléctrica central fue interrumpida y, como era de esperarse, las bombas dejaron de funcionar, lo mismo que el sistema de refrigeración.

Cuando hay un corte de energía eléctrica repentino, las barras de uranio del reactor caen a un ambiente con compuestos que absorben neutrones. A este proceso se le conoce como SCRAM, y se encarga de apagar el reactor de manera casi inmediata. Pero, ¿cómo se apaga un reactor?. Como explicamos en la primera parte, la reacción nuclear es una reacción en cadena producida por la liberación de neutrones de la fisión del uranio. Entonces, para detener esta reacción en cadena, debemos capturar esos neutrones para que ya no choquen con otros núcleos de Uranio y sigan produciendo energía. El Cadmio es un buen capturador de electrones y es usado principalmente en reactores nucleares de investigación como el del IPEN, pero para reactores nucleares de potencia se usan compuestos a base de Boro como el ácido bórico.

Los neutrones son capturados a diferentes tasas dependiendo del átomo. Cada átomo tiene una sección eficaz diferente, que le permite capturar neutrones con mayor facilidad que otros. El Boro y el Cadmio poseen secciones eficaces mayores al del uranio, por eso capturan la mayor cantidad de electrones, controlando la reacción en cadena.

Pero, a pesar que el reactor está apagado, se siguen dando reacciones nucleares controladas, por lo tanto, la temperatura del tanque aumentará gradualmente si el sistema de refrigeración está apagado. Ese es el miedo que tienen las autoridades japonesas. El núcleo del reactor sigue calentándose poco a poco, y llegará un momento en que la temperatura sea tan alta, que las barras de uranio se fundirán y se liberará todo el material reactivo,. En el peor de los casos, podría ocurrir una explosión que liberaría todos los productos de la fisión del Uranio, los cuales están formados por una gran variedad de radionúclidos emisores de rayos alfa, beta y gamma; todos ellos perjudiciales para la salud.

La explosión se da porque, a medida que aumenta la temperatura y alcanza los 1,500°C, el revestimiento de zirconio de las barras de uranio empiezan a fundirse y a reaccionar con el vapor de agua generando hidrógeno gaseoso. A medida que los vapores y gases van aumentando dentro de la cúpula del reactor, se va acumulando una gran presión que finalmente terminará en una explosión. Por otro lado, el hidrógeno gaseoso es sumamente inflamable y es capaz de generar incendios dentro del reactor, dificultando la forma de controlar una explosión inminente. Por suerte, los reactores nucleares cuentan con sistemas de ventilación y filtros que permiten liberar el gas contenido sin dejar salir ninguna partícula radiactiva. Pero, sin corriente eléctrica, tal vez no estén funcionando.

fig13-1Como pueden ver en la figura, los productos de fisión son varios, prácticamente todos los elementos de la tabla con número de masa superior a 70. Por ejemplo, de la fisión del Uranio podemos obtener el Molibdeno-99, el cual sirve para producir los generadores de Tecnecio-99m, que es el radionúclido más usado en la medicina nuclear. Sin embargo, hay otros radionúclidos que no son nada buenos para nosotros, de los cuales dos son los más peligrosos: el Cesio-137 y el Iodo-131.

Además, el agua que está en el tanque del reactor, el cual es ultra pura, desmineralizada y muchas veces formada por deuterio en vez de hidrógeno (agua pesada), también se vuelve radiactivo. Los neutrones generados en la fisión del uranio activan los átomos de hidrógeno y oxígeno presente en el agua, transformándolos en Tritio (Hidrógeno-3) y en Nitrógeno-16. Estos radionúclidos emiten rayos beta cuando decaen a Helio-3 e Oxígeno-16, respectivamente.

El Cesio-137 es uno de los más peligrosos. Primero, porque se disemina fácilmente por el aire. Segundo, porque tiene propiedades químicas similares al Potasio, y si entra al cuerpo, se distribuye principalmente en el tejido muscular. Tercero, porque es altamente soluble en el agua, contaminando ríos, lagos, mares y hasta las lluvias en regiones aledañas a donde se ha producido. Cuarto, porque tiene un tiempo de vida media de ~30 años, así que se necesitaría de al menos unos 300 años —10 vidas medias— para que sus niveles sean despreciables. 

Si bien el Cesio-137 emite rayos beta, los cuales tienen un bajo poder de penetración —el mismo aire los puede contener— no es este el que causa el daño. El Cesio-137 decae a Bario-137m (metaestable), el cual tiene un tiempo de vida media de tan sólo 2.55 minutos, decayendo a Bario-137 emitiendo en el proceso rayos gamma que si son muy perjudiciales para la salud, ya que causan daño en el ADN.

Por otro lado tenemos al Iodo-131. Este radionúclido es muy usado en la medicina nuclear, tanto para el diagnóstico como para el tratamiento del cáncer de tiroides. Pero, esto se da sólo cuando se usa de manera controlada y con actividades adecuadas. El problema del Iodo-131 es que es un gas, por lo tanto es volátil y fácil de contaminar a la gente a través de la respiración. El Iodo-131 tiene un tiempo de vida media de ~8 días para decaer a Xenón-131 emitiendo partículas beta.

Una de las principales propiedades del Iodo es su gran afinidad por la tiroides. Todos los isótopos de un átomo tienen las mismas propiedades químicas, sean o no reactivos, así que tanto el Iodo normal estable (Iodo-127) como el Iodo radiactivo, se alojarán en la tiroides. Si el Iodo-131 se aloja en la tiroides, los rayos beta la dañarán, provocando cáncer tiroideo. Es por esta razón que se les da pastillas de ioduro de potasio como profiláctico a todas aquellas personas que están cerca de las zonas donde hubo un accidente nuclear, para que el Iodo estable sature toda la tiroides, y el iodo radiactivo ya no pueda alojarse ahí y sea eliminado del cuerpo.

A parte de ellos, hay otros radionúclidos importantes que son liberados en menores cantidades durante un accidente nuclear como el Cesio-134 y el Estroncio-90. Los dos son emisores puros de partículas beta.

Pero el problema no termina ahí, debido a que el Cesio-137 en su forma de sal es un polvo fino, puede diseminarse fácilmente por el aire, y ni hablar por el agua, donde es extremadamente soluble. Lo mismo ocurre con el Iodo-131 gracias a su volatilidad. Los vientos que soplan desde el Japón podrían llevar la radiación a zonas tan alejadas como la costa oeste de los Estados Unidos.

Para terminar, vamos a ver las medidas. Según los reportes de os principales diarios internacionales, la radiactividad cerca a la zona del accidente aumentó 1000 veces con respecto a las condiciones normales. ¿Esto que quiere decir?…

Normalmente, recibimos radiación de todos lados. La misma Tierra, las paredes de nuestras casas, el agua que tomamos, los alimentos que comemos, todos emiten unos niveles de radiación casi imperceptibles conocidos como radiación de fondo. También recibimos radiación desde el espacio exterior a través de los rayos cósmicos, estos rayos también chocan con los átomos de la atmósfera volviéndolos radiactivos, y el concreto y el cemento, al tener impurezas de Uranio generan Radón, el cual es radiactivo. En países donde los inviernos son muy fríos y se mantienen calientes usando equipos de aire acondicionado, el Radón se acumula dentro de las casas, provocando graves daños a la salud de las personas, sobre todo, cáncer de pulmón.

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La radiación de fondo varía de un lugar a otro. Obviamente, dentro de una central nuclear la radiación de fondo será más alta, que fuera de ella; y a su vez, esta será mayor que en una ciudad a kilómetros de distancia. En Puno, cerca a la región de Macusani, la cual tiene grandes yacimientos de uranio, la radiación de fondo es relativamente alta comparada con otras regiones del país.

Entonces, si en promedio la radiación gamma generada por el planeta es de 0.5mSv al año, cada día una persona recibe una dosis de 1.3uSv. Si dicha exposición ha aumentado 1000 veces, entonces, una persona recibiría una dosis de 1.3mSv cada día, siempre y cuando esté muy cerca a la central nuclear, ya que la radiación disminuye con la distancia. Dicha dosis es superior a la dosis anual que debe recibir una persona cualquiera (1mSv), según las normas internacionales.

Pero, según un reporte de Tepco (Tokio Electric Power), la tasa de dosis registrada el día de hoy dentro de la planta nuclear fue de 882uSv/hr, lo cual es sumamente alto, ya que en una hora alcanzaría casi el límite anual para una persona cualquiera (1mSv). Sin embargo, para un trabajador laboralmente expuesto a las radiaciones ionizantes, el límite es mucho mayor, con un máximo de 50mSv/año, y sin superar los 100mSv en 5 años. Esto quiere decir que para manejar la planta nuclear, los trabajadores deben turnarse constantemente para reducir la exposición a la radiación.

Por otro lado, hay una medida llamada la dosis límite 50/60 (LD50) la cual es de 3.5Sv. Esto quiere decir que el 50% de las personas que han recibido una dosis de 3.5Sv (3500mSv), morirán antes de los 60 días. Con 5Sv, la tasa de mortalidad llega al 100%.

Por ahora no hay una fuga significativa de material radiactivo, lo cual reduce las probabilidades de que una nube radiactiva este viajando hacia el este. Por otro lado, si bien la tasa de dosis dentro de la central nuclear es muy alta, la gente que trabaja ahí tiene amplios conocimientos en protección radiológica, así que están reduciendo al mínimo su exposición usando los tres principios básicos: tiempo (el menor posible), distancia (la mayor posible) y blindaje (lo suficiente como para trabajar con facilidad).

4 comentarios:

  1. Muchísimas gracias por este informe tan detallado. Para quienes no somos ingenieros ni técnicos en estos temas es un lujo contar con personas como tú.
    Ahora me gustaría hacerte una pregunta que creo muy importante, sé que en el mundo existen 442 centrales nucleares, y también sabemos que la NASA ha dado un alerta respecto a las tormentas electromagnéticas que están llegando a la tierra como consecuencia de la gran actividad solar y afectando nuestra magnetosfera. Durante los próximos dos años que es el máximo de actividad solar esperada, se podría dar una mega tormenta solar y dañar todo equipo electrónico en la tierra. ¿Qué ocurriría si esto daña simultáneamente gran parte (o todos) de esos reactores que están por todos los continentes? ¿Cuál sería el peor escenario?
    Gracias de nuevo. Saludos. Rudy

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  2. Hola Rudy.

    Bueno, lo que me acabas de decir con respecto al sol ocurre cíclicamente —cada 11 años si no me equivoco— donde el sol entra en un periodo de actividad máxima. Sin embargo, no ha ocurrido nada en extraño en los años anteriores, a pesar que los equipos electrónicos nos vienen acompañando casi por 100 años (unos 9 ciclos solares).

    Tal vez los medios de comunicación y de divulgación de la ciencia que antes eran serios como Discovery Channel o NatGeo, se han vuelto más alarmistas con el fin de conseguir sintonía. Prueba de ellos son esos "documentales" como "2012", "el secreto de los Maya", "las revelaciones" y tontería y media que salen.

    Desastres naturales ocurrieron y ocurrirán, todo se basa en probabilidades. El campo magnético de la Tierra se ha invertido cientos de veces durante toda nuestra historia, grandes terremotos y erupciones volcánicas también han ocurrido provocando extinciones masivas; no podemos saber si ocurrirán mañana, dentro de 1 año, 100 años, 1000 años, 1000000 de años. Las escalas de tiempo con que se maneja el universo son tan grandes que sale a veces de nuestro entendimiento.

    Que haya una "megatormenta" solar es tan probable como que el súper volcán del Parque Nacional de Yellowstone haga una "megaerupción", así que nuestra menor preocupación será que las centrales nucleares fallen porque muchos no estaremos vivos para observarlo, ya que ante tales acontecimientos seguro ya habremos muerto antes que la radiación de las centrales nucleares nos afecte.

    Para darte un poco de tranquilidad. Con el desastre de Japón muchos países están revisando sus centrales nucleares, muchos están cerrando las que ya son muy viejas y han cumplido su vida util. Las centrales de Japón eran de los 60's y 70's. Si hubieran sido más modernas no hubiera ocurrido aquel desastre, cada vez los niveles de seguridad son mayores.

    Ante la falta de electricidad, las centrales nucleares hacen lo que se llama el "SCRAM", que es el apagado de emergencia donde las varillas de control caen y detienen la reacción nuclear. Lo que falla es el sistema de refrigeración porque, a pesar de que está apagado, el sistema sigue generando calor y se acumula la presión. Para ello existen otros mecanismos de refrigeración de emergencia los cuales fallaron en Japón a causa del terremoto y la posterior inundación por el tsunami.

    Así que para que ocurra el peor de los casos hay que multiplicar la probabilidad de que se de una megatormenta solar, un terremoto y un tsunami en una región cercana a una central nuclear. Creo que no son muy altas tales probabilidades, así que duerme tranquilo.

    Ah, por cierto, el peor de los casos sería tal como lo dicen en la tele. El peor de los casos REAL simplemente es difícil de precisar, los modelos nunca son exactos, a veces subestiman, a veces sobrestiman.

    Saludos.

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  3. Muchas gracias por tu respuesta. En cuanto a tu postura respecto del 'alarmismo' que hay por parte de algunos medios y grupos de personas, estoy de acuerdo contigo, mucho se habla por hablar y se mezcla lo cierto con lo imaginario. Por eso cité las expresiones de científicos de la NASA, ya que todo el mundo considera esa fuente como seria. Pero además, te cuento que estoy al tanto de los ciclos solares y se que tienen sus variantes en cuanto a intensidad; lo interesante es un estudio realizado por la Universidad Tecnológica de Dinamarca, en el Centro para la Investigación del Clima Solar, donde además de establecer una relación directa entre la actividad solar y el cambio climático ellos aseguran que la actividad solar es la más alta en los últimos 8000 años. Supongo que NASA sabe esto y es por eso el alerta.
    Me resulta muy interesante tu explicación de cómo funciona la desactivación de un reactor y en cierta forma es al menos importante que el incidente de Fukushima haya logrado que los gobiernos comiencen a desmantelar al menos lo que ya está viejito. Un abrazo.

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  4. Así es, siempre hay una relación ya que los sistemas aislados no existen más que en los principios teóricos, todo esta interconectado. Aunque el cambio climático se debe a una gran cantidad de causas, algunas influyen más que otras, aunque yo soy de los que piensan que siempre se han dado los cambios climáticas, también son procesos cíclicos pero creemos que son por causas netamente antropogénicas. Como tu mencionas, la actividad solar tiene también un efecto sobre éste.

    Si bien puede que sea la mayor actividad en 8000 años, aún no tenemos idea de la capacidad de contención de nuestro campo magnético, solo nos basamos a los modelos matemáticos que tratan de predecir su funcionamiento, y como te mencioné anteriormente, son imprecisos o bien subestiman o bien sobrestiman, y son gracias a estos eventos que ocurren en raras ocasiones que tenemos la oportunidad de ajustar nuestros modelos.
    Seguro después del accidente de Fukushima, se tomarán nuevas medidas de seguridad para que no repita algo similar, lo mismo que pasó con Chernóbil o Mile Island, después de aquellos desastres, nunca se volvieron a repetir.

    Gracias por los datos.

    Saludos.

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