Cómo funciona una central nuclear y por qué tiene que importarme.

El símolo de radiación tiene una historia interesante (click en la imagen).

Pablo y Bruno explicaron muy bien muchas dudas sobre el terremoto de Japón. Pablo trató de educar un poco a los periodistas que hablan de «la escala de Richter» y los efectos globales de un sismo y Bruno dio un poco de contexto a los niveles de radiación que vemos en  en las noticias. Por mi parte, creo que es importante saber un poco de la base de cómo funciona una central nuclear para entender mejor lo que está pasando en Fukushima Daiichi. No en vano hay más búsquedas de “nuclear” desde que Google empezó a tomar nota.

Es increíble que en el siglo XXI sigamos utilizando agua hirviendo para generar nuestra energía, pero así es. Una central nuclear no es más que una gran caldera de alta tecnología que, en vez de usar gas natural, se calienta con Uranio enriquecido. El principio básico es simple: el agua se calienta hasta el punto de ebullición y el vapor se hace pasar por una turbina conectada a un dínamo que genera electricidad.

El calor se obtiene rompiendo átomos de Uranio 235.  El núcleo del U-235 tiene 92 protones y 143 neutrones y es el único isótopo natural que es fisionable. Durante la fisión, un neutrón libre choca contra el átomo de U-235 que se fisiona en dos núcleos atómicos, energía y 3 neutrones rápidos. Para que estos neutrones puedan chocar contra otros átomos de Uranio repitiendo el proceso y creando una reacción nuclear autosostenida se debe llegar a una «masa crítica» de material fisionable. La masa crítica no sólo depende de la masa sino también de la densidad, la temperatura, la forma y el ambiente.

El mismo principio se utiliza en las bombas atómicas. Se toma una masa subcrítica de material fisionable y se la comprime rápidamente para tornarla súpercritica; las reacciones nucleares aumentan exponencialmente a una gran velocidad y ¡PUM!. Sin embargo, es imposible que un reactor nuclear explote de esa manera debido a que el Uranio no está suficientemente enriquecido y a que el proceso de derretimiento del núcleo es lento y no está contenido. En cuanto la masa y densidad del Uranio líquido llega a ser crítico, el calor producido disminuye la densidad del material, llevándolo a un estado subcritico; es un proceso de retroalimentación negativo que nos mantiene a salvo de las explosiones nucleares. (En La Pizarra de Yuri hay una explicación excelente de cómo funciona un arma nuclear)

Para controlar la reacción en cadena, en una central nuclear se utilizan «barras de control«. Estas son varas de un material que absorbe neutrones, eliminándolos del ambiente e impidiendo que fisionen otros núcleos. El «combustible» en este tipo de núcleo se distribuye en finas varas del grosor de un lápiz y de casi 4 metros de alto; las varas de control, entonces, se introducen entre ellas efectivamente aislándolas de las demás.

Esquema de un Reactor de Agua a Ebullición. Click para agrandar.

También hay que utilizar un moderador nuclear, que es una substancia que le quita energía a los neutrones producidos por la fisión haciendo que puedan ser absorbidos por el Uranio con más facilidad (los neutrones rápidos no son eficientes para generar fisión). Los reactores en Fukushima son BWR (Reactor de Agua en Ebullición), tiene las barras hechas de Boro y el moderador nuclear es la misma agua que se utiliza como refrigerante y como vapor para producir energía. Esta es una de las ventajas de este diseño de gran simplicidad. También tiene la ventaja de ser muy estable ya que un aumento en el calor hace que aumente la cantidad de vapor, disminuyendo la cantidad de moderador nuclear, lo que finalmente disminuye la reacción en cadena. Viceversa, una disminución en la temperatura, aumenta la cantidad de moderador, que hace que genera más neutrones lentos que aumentan la reacción en cadena. ¿No les encantan estos sistemas con retroalimentación negativa que nos hacen la vida tanto más fácil?

Como el agua está en contacto con los neutrones libres, es ligeramente radiactiva (la vida media de los neutrones libres es de unos 15 minutos). Otros diseños como el PWR (Reactor de Agua a Presión) tienen dos circuitos de agua separados, por lo que el agua que llega a la turbina no está contaminada. Esto destaca una de las desventajas de este diseño: las tuberías y turbinas tienen que estar especialmente protegidas y el mantenimiento es más complicado que en un PWR.

A medida que pasa el tiempo, la cantidad de material fisionable va disminuyendo y hay que renovarlo. Cada 12 – 18 meses se retira entre 1/4 y 1/3 de las barras de Uranio. El combustible usado a pesar de no producir fusión auto-sostenida, es radiactivo y sigue calentándose por ese proceso. Por esto se lo translada a una pileta de combustible usado donde se mantienen entre 10 y 20 años. Se trata de una pileta de unos 12 metros de profundidad en donde se acumulan las barras de combustible. Como las barras miden cerca de 4 metros, quedan más de 8 metros entre éstas y la superficie. Esto es más que suficiente para proteger contra la radiación (sólo hacen falta menos de 3 metros) y el agua además mantiene las barras frescas. Por la misma razón que hay que enfriar el combustible usado hay que hacerlo con el núcleo de reactor, aún cuando se hayan insertado las barras de control y se haya detenido la reacción en cadena. Actualmente se está desarrollando la cuarta generación de reactores nucleares que, entre otras ventajas, promete utilizar estos desechos como combustible.

Si ya repetí varias veces que no los reactores no explotan, ¿qué hay de las explosiones que se vieron por televisión y que algunos periodistas (en su mantra habitual de decir lo primero que se le viene a la mente) llamaron «explosión nuclear»? Eran explosiones de Hidrógeno. ¿De dónde salió el Hidrógeno? se preguntarán. El núcleo del reactor está muy bien protegido por varias capas de materiales. Al propio edificio hay que agregarle el concreto del reactor y, finalmente, un recubrimiento de Zirconio. Al estar tan caliente, el zirconio reacciona con el agua y se oxida formando óxido de zirconio e Hidrógeno libre. El Hidrógeno es liviano y muy combustible (el desastre del Hindenburg es testigo de ambas propiedades) y cuando los ingenieros liberaron el vapor que se estaba formando dentro del núcleo para disminuir la presión, éste reaccionó con el Oxígeno de la atmósfera formando agua, calor y explosiones.

Pero las explosiones de Hidrógeno no son el único problema. Existe la posibilidad de que las barras de Uranio se dañen y se derritan. Si cambian su forma, éstas pueden llegar a fusionarse entre sí. De esta manera dejan de estar ‘aisladas’ por las varas de control y pueden llegar a la masa crítica y reiniciar la reacción en cadena. Esto generaría más calor, derritiendo todo el reactor, el piso y eventualmente el suelo. Al llegar a las napas subterráneas crearía explosiones de vapor radioactivo que no son recomendables para la salud.

Finalmente, un consejo. Los medios generalistas son completamente incompetentes a la hora de cubrir noticias que requieren una mínima noción de ciencia. La mejor información, en mi opinión, está en lugares selectos de Internet. Para los que saben inglés, Wikipedia tiene un artículo muy completo que se actualiza todo el tiempo y el blog Cosmic Variance tiene una entrada muy buena. Y para los que sólo hablan la lengua de Cervantes, Amazings.es tiene una excelente lista de posts.
Cómo funciona una central nuclear y por qué tiene que importarme.