Crónica y análisis del desastre de Fukushima
Resumen
El accidente nuclear de Fukushima es uno de los mayores desastres en la historia de la humanidad. Aunque el accidente tuvo gran cobertura en los medios de difusión durante la primera semana, posteriormente, cuando la situación se torno más critica, la cantidad y la calidad de la información disminuyo notablemente. Probablemente el interés y la preocupación del público también disminuyo ante la creencia de que los reactores fueron estabilizados. El accidente solo ocupa un lugar muy restringido en los principales periódicos del país, e inclusive en los canales de TV extranjeros como CNN. En Argentina los programas de TV sobre el accidente, presentaron una información muy pobre, y las personas invitadas a opinar sobre el accidente o eran defensores a ultranza de la energía nuclear, o eran opositores acérrimos. Es común escuchar a los “expertos” decir que la radiación emitida en el accidente esta por debajo de los valores tolerables para el organismo humano; que el accidente no fue tan grave como Chernobyl, etc. Me propuse entonces, modestamente, indagar y entender lo que esta ocurriendo e informar lo que investigue.
Lo que nos gustaría saber es cuál es el alcance de la contaminación radioactiva; ocurrió fusión del núcleo ?; se podrá vivir en cercanías de Fukushima luego del accidente? quedaran zonas inhabitables para siempre?; será necesario evacuar Tokio?; cual será el costo del desastre en vidas humanas y en millones de dólares?.
Antes de continuar me gustaría expresar mis respetos por el valiente pueblo japonés, que ha respondido ejemplarmente a su tremenda crisis, el terremoto, el tsunami y el accidente nuclear.
Cuando se trate de seguridad nunca diga esto nunca va a ocurrir.
Introducción
El 11 de marzo de 2011, a las 14:46 hora de Japón, se produjo el terremoto Tōhoku, de magnitud 8.9 en la escala de Richter. La aceleración máxima producida en el suelo de la planta nuclear fue de 5.48 m/s2, mayor que la aceleración que podían soportar las instalaciones 2, 3 y 5. En el momento del terremoto solo los reactores 1, 2 y 3 estaban en operación, mientras que los reactores 4, 5, y 6 estaban parados. Los reactores 1, 2 y 3 se apagaron automáticamente luego del terremoto. Como la alimentación de las plantas ceso al apagarse los tres reactores en operación, trece generadores diesel comenzaron a funcionar automáticamente para continuar enfriando los seis reactores. El terremoto fue seguido, 41 minutos después, por un tsunami, con una ola de 15 metros de altura máxima. La olá paso la barrera de contención de 5.7 metros de la planta. El tsunami inundo la planta y los generadores quedaron inhabilitados aproximadamente una hora después del terremoto. Cuando los generadores diésel fallaron se conecto un sistema de emergencia alimentado con baterías, que duraban ocho horas.
Debido a las malas condiciones del camino, se demoro seis horas en llevar generadores adicionales a la planta, sin embargo no consiguieron conectarlos a tiempo porque todos los cables quedaron sumergidos bajo el agua, sumando a esto la dificultad de encontrarlos. Entonces TEPCO se concentro en restablecer la energía de red de alto voltaje en todas las unidades. Aunque consiguieron entregar energía a las seis plantas, no fue posible poner las bombas de las plantas 1-4 inmediatamente en funcionamiento.
Como no se pudo enfriar esos reactores, comenzaron a calentarse debido a que el decaimiento radioactivo continua en el combustible nuclear aun cuando el reactor se haya apagado. Rápidamente hubo evidencia de la fusión parcial del núcleo de los reactores 1-3.
Explosiones de hidrógeno destruyeron el techo de los reactores 1, 3, y 4. Las barras de combustible usado ubicadas en las piscinas de cada reactor comenzaron a calentarse también.
El monstruo despertó.
Porque hacer este informe?, descargo de responsabilidad
El propósito es doble: por el lado humanista para reflexionar sobre el peligro del uso de la energía nuclear, y comprender el alcance del accidente; por el lado científico, Fukushima proporciona un evento único, donde es posible testar la habilidad para predecir lo que ocurrirá. Los astrofísicos estudiamos cosas que están muy lejos y de lo que se tiene y poca información. Fukushima esta “lejos” y hay muy poca información técnica de lo que ocurre.
Entender lo que ocurre con lo poco que conocemos del evento y predecir como nos afectara, es un ejercicio científico. Por otro lado, crear un foro de discusión científico mas abierto puede ayudar a encontrar mejores respuestas, con mayor rapidez, y nuevas ideas. Aquí mi propósito es echar la pelota a rodar. No es mi pretensión escribir un artículo científico. Este es solo un post para mi blog.
Los cálculos presentados son del tipo lápiz y servilleta, aunque tal vez un poco técnicos, y sujetos a imprecisiones, debido principalmente a las incertidumbres propias del problema, y a porque errar es humano. También los lectores deben saber disculparme por cualquier imprecisión que pueda cometer, por dos razones: la primera, yo no soy un experto en energía nuclear; la segunda, este es un trabajo de fuerza hecho en muy poco tiempo, cuando un trabajo científico serio, comúnmente, llevaría mas de un año de investigación intensa.
El informe esta basado principalmente en el libro “Nuclear energy: An introduction to the concepts, systems and applications of nuclear processes”, de Raymond L. Murray, Ed. Butterworth & Heinemann, 2000. Gran parte de este documento son resúmenes de este libro, mechados con algunos cálculos míos y opiniones propias. También e usado diversas fuentes de Internet, como los sitios de TEPCO y la IAEA, y muchos otros.
Como la información que poseo del estado del reactor es tan pobre, algunas de las cifras que obtuve pueden estar lejos de la realidad. No me responsabilizo por el uso que le puedan dar los lectores a lo que aquí expongo, dejando claro que para un uso profesional de estas cuestiones es preferible basarse en textos acreditados, como el arriba citado.
Conceptos teóricos y definiciones
Varios isótopos hechos por el hombre tienen la propiedad de la radiactividad, que es la desintegración espontánea del núcleo, o decaimiento radiactivo, con la consecuente emisión de partículas que son los fragmentos del núcleo original.
El decaimiento radiactivo se produce en varios minerales del suelo, en las fibras de las plantas, en el tejido de los animales, en el aire y en el agua. Todos contienen pequeñas trazas de radiactividad.
Varios elementos pesados son radioactivos. Por ejemplo, el principal isótopo de uranio decae en la siguiente reacción:
23892U™23490Th+42He,
Que significa que el uranio-238, decae en thorio-234, emitiendo una partícula alfa a (42He). El nuevo isótopo thorio también es radioactivo y decae así:
23490Th™23491Pa + 0-1e+n,
donde el primer elemento es proactinium, el segundo es un electrón (también llamado en este caso partícula beta b-), y el último elemento es un neutrino.
Estas dos reacciones son el inicio de una larga cadena de reacciones que conducen al isótopo estable de plomo 20682Pb.
Otras cadenas similares ocurren para el uranio-235 y el thorio-232.
La vida media de un núcleo radiactivo tH (half-life) describe el tiempo en el cual la mitad de los núcleos del material han decaído, dejando la otra mitad intacta. El decaimiento es probabilístico y la ley de decaimiento es una exponencial negativa con el tiempo:
N=N0 e-t/tm ,
Donde tm es la vida promedio (mean-lifetime).
Algunas vidas medias relevantes a la radiación emitida en el accidente son:
elemento | vida media |
cesio-137 | 30.3 años |
radon-222 | 3.82 días |
yodo-129 | 1.7 ´ 107 años |
yodo-131 | 8.04 dias |
strontium-90 | 29.1 años |
uranio-235 | 7.04 ´ 108 años |
uranio-238 | 4.46 ´ 109 años |
plutonio-239 | 2.41 ´ 104 años |
La actividad de un radioisótopo es el número de decaimientos por unidad de tiempo:
A=N/tm.
Obviamente cuando más material radioactivo halla en el reactor mayor será la actividad, y cuando menor sea su vida media también. La unidad de actividad es el becquerel (Bq), en honor del científico que descubrió la radiactividad. Un Bq es igual a una desintegración por segundo. Otra unidad es el curie (Ci), que es igual a 3.7 ´ 1010 dis/sec, igual a la actividad de un gramo de radio.
La fisión de uranio-235 en el reactor ocurre por absorción de neutrones lentos, los productos mas probables de la fisión son el kripton y el bario:
23592U+10 n™9036Kr+14456Ba+2 10n+Energia
Cada fisión de uranio da una energia útil de 190 Mev, mas 10 Mev que se llevan los neutrinos.
Em Joules son 3.04 ´10-11 J, el numero de decaimientos para producir um Watt-segundo es:
1/ 3.04 10-11 J=3.3 1010 decaimientos.
Para producir um Megawatt de energía termal em um día se requieren (a menos de un factor de eficiencia):
106 (3.3 1010 decaimientos/Watt-seg) 86400 seg/dia=3.3 1021 absorciones/dia.
Por otro lado 235 gramos de uranio-235 (un mol) tiene 6 1023 núcleos (numero de Avogadro).
El consumo de uranio por megawatt es:
(3.3 1021 absorciones/dia) 235 gramos/6 1023=1.3 gramos/dia.
O sea el reactor consume 1.3 gramos de uranio por día para producir 1 MW de energia. Para producir 1000 MW (aproximadamente Atucha I) se requieren entonces 1.3 kg/dia de uranio-235.
Porque el combustible fósil es menos viable y mas perjudicial para el medio ambiente?
Se puede calcular que para producir la misma energía que un reactor nuclear usando carbón se requiere la combustión fósil de millones de veces la masa de uranio. Por ejemplo, para producir 1000 MW de energía con carbón, que produce 32 kilo-Joules/gr, se requieren:
(1000 106 Joules/segundo*86400 seg/dia)/32000 Joules/gr=2,7 millones de toneladas de carbón por día.
Es mucho carbón para quemar!, nuestra atmósfera se convertiría en una nube de humo negro. Pero es la energía nuclear menos contaminante?
continua...(ver posts anteriores)
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