Los problemas causados por el terremoto en los reactores nucleares del Japón y sus posibles consecuencias. Dr. Roberto Suárez Ántola

Transcripción

1 Los problemas causados por el terremoto en los reactores nucleares del Japón y sus posibles consecuencias. Dr. Roberto Suárez Ántola Profesor Titular de Ingeniería y Matemática Aplicada, FIT, UCU 28 de marzo de 2011

2 Propuesta de temas a considerar: -Reactores nucleares y conversión núcleo-eléctrica. Los reactores nucleares no pueden explotar como bombas atómicas. -Principales subsistemas componentes de una central nuclear. -Centrales nucleares con reactores de agua en ebullición. -Seguridad de reactores, incidentes y accidentes. Barreras y criterios de diseño relacionados directamente con la seguridad de los reactores. Aspectos de ingeniería geotécnica, terremotos y tsunamis. -Clasificación de incidentes y accidentes. -Los sucesos en el complejo Fukushima a partir del inicio del terremoto y sus réplicas. Las explosiones químicas en los reactores nucleares y sus consecuencias. Los accidentes de criticidad fuera del núcleo del reactor. -Posibles consecuencias del accidente: (a) sobre el ambiente y la población (b) sobre el futuro de la conversión núcleo-eléctrica. Comentarios y discusión entre los participantes.

3 Fisión de núcleos atómicos Reacciones en cadena y producción de calor

4 Reactores nucleares: máquinas capaces de mantener una reacción en cadena controlada en un combustible nuclear adecuado al propósito del reactor. Tipos de reactores nucleares: -Para investigación de la física de los neutrones, la química de los núcleos y las propiedades de los materiales -Para producción de radioisótopos de uso médico, industrial, agronómico, geotécnico, etc. -Para producción de armas atómicas (reactores de cría o plutonígeros) -Para producir calor destinado a la conversión núcleo-eléctrica en centrales de potencia. -De empleo múltiple (investigación y producción, y otras combinaciones, en principio pudiendo incluir usos militares).

5 Centrales nucleares de potencia El reactor nuclear de potencia sustituye a la caldera de las centrales térmicas El reactor nuclear de potencia produce calor a partir de una cadena de reacciones nucleares de fisión, que ocurren en el denominado combustible nuclear en presencia de una población de neutrones libres (no ligados a núcleos atómicos) La potencia térmica (calor producido por unidad de tiempo) es tanto mayor cuanto mayor sea la población de neutrones libres presentes El calor de fisión es cedido a un fluido refrigerante El calor cedido por el reactor se utiliza para producir vapor El vapor se emplea para hacer funcionar un grupo turbinagenerador El generador produce energía eléctrica en condiciones de ser entregada a la red

6 Componentes del núcleo de un reactor de potencia Elementos combustibles Canales de circulación del refrigerante (agua liviana o pesada, gas, metal líquido o sales fundidas). Recipiente o tubos de presión Moderador en el caso de reactores térmicos (agua liviana o pesada, grafito). Reflectores y mantos fértiles Elementos estructurales de soporte Barras de control Elementos de medición de las variables neutrónicas y termo-hidráulicas del núcleo del reactor

7 Tipo de reactor involucrado en los accidentes Reactor de agua en ebullición: boiling water reactor (BWR)

8 Dinámica del reactor térmico en operación normal d dt P e P Reactividad y tiempo efectivo entre generaciones de neutrones en el núcleo del reactor La reactividad depende del estado del núcleo del reactor: las propiedades de absorción y dispersión de neutrones de los materiales del núcleo, combustibles, estructurales y de control, y del grado de enriquecimiento del combustible en elementos físiles. La reactividad disminuye durante el quemado del combustible por desaparición de materiales físiles, y varía en función de la concentración de venenos absorbentes de neutrones, de la posición de las barras de control, del campo de temperaturas y del campo de densidades en el núcleo del reactor.

9 Un reactor nuclear no puede explotar como una bomba: tanto en Chernóbil como en Fukushima las explosiones fueron de naturaleza química k 1 k k Coeficiente de multiplicación: En reactores: sin compensación de reactividad k inferior a 1.010, con compensación k generalmente inferior a1.003) En bombas : k entre 1.4 y 1.6 k

10 Esquema más detallado de los subsistemas de una central nuclear con un BWR

11 Pastillas de Óxido de Uranio De la pastilla de combustible al núcleo de un reactor Canal de combustible conteniendo un elemento de combustible y detalle de la parte superior de una barra de combustible de un BWR

12 Barra de control de la reactividad de un BWR Parte de una sección horizontal del núcleo de un BWR en la que se ven cuatro canales con barras de combustible rodeando una barra de control

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14 Una vez detenida la cadena de reacciones de fisión (una vez apagado el reactor) la desintegración radioactiva de los productos de fisión continúa produciendo calor: Este fenómeno combinado con una falla en la refrigeración creó el escenario para los accidentes de origen nuclear en los reactores 1,2 y 3 de Fukushima I.

15 Los combustibles nucleares y la química de los núcleos: - La reacción de fisión y sus productos radioactivos, tales como los núcleos fragmentos de fisión y los núcleos resultantes de sus transmutaciones, así como las transmutaciones de los núcleos pesados que absorben neutrones sin fisionar, modifican progresivamente la composición del combustible durante el quemado y exigen: (a) un proceso de gestión especial que abarca el denominado problema de los desechos de las centrales nucleares (b) un sistema de barreras de protección de las radiaciones ionizantes generadas por los productos de fisión y (en escala mucho menor) por la activación (transformación en radioactivos) de los materiales estructurales y el refrigerante Reactores quemadores, convertidores y reproductores -Los reactores que pueden producir más combustible que el que consumen, se denominan reproductores. Los demás reactores son, en alguna medida, convertidores

16 Evolución del combustible durante el quemado en un reactor fundamentalmente quemador (caso de los BWR de Fukushima I y II). Variación en el porcentaje de uso del combustible según el tipo de reactor de potencia

17 Producción anual de desechos industriales en la Unión Europea Evolución de la radiotoxicidad del combustible quemado una vez retirado del reactor

18 Posibilidad de transmutación de los elementos radio-tóxicos de vida media larga recientemente demostrada en el reactor reproductor Fénix

19 Barreras de contención de las radiaciones dentro de la isla de un BWR -Partículas de combustible-vaina del combustible- Recipiente del reactor -Estructuras de contención que rodean al reactor: contención primaria (pozo seco), contención secundaria incluyendo el toro Isla del reactor Isla de la turbina

20 Accidentes e incidentes posibles durante: (1) La operación de una central nuclear de potencia (2) Posteriores al apagado exitoso del reactor (este es el caso de los BWR de la central de Fukushima I donde el calor de desintegración de los productos de fisión se combinó con las fallas en los sistemas de refrigeración debidas a la catástrofe natural) Posibles incidentes o accidentes de criticidad del combustible fuera del núcleo del reactor: (1) En piletas de almacenamiento de combustible en centrales nucleares (un incidente podría haber ocurrido debido al terremoto en un confinamiento tipo Mark I) (2) En plantas de reprocesamiento de combustible (Ejemplo: accidente de criticidad en planta de Japón, por error humano). (3) En el proceso de re-configurar el núcleo de un reactor de investigación debido a errores humanos (Ejemplo: accidente de criticidad en el RA-1, CAC, CNEA, Argentina)

21 Clasificación del OIEA

22 Terremotos desde el punto de vista geotécnico I Intensidad (máxima aceleración horizontal del suelo). Contenido en frecuencias ( período dominante ). Duración (aceleración máxima mayor que 0.05 g). T p M w M log M 0 A f 10.7

23 Terremotos desde el punto de vista geotécnico II V Z I C W R w C C T S c 2 3

24 4 3 c c c h C T s s s V d T 4 s j N j s s j s V d d V, 1. N j s d s d j 1, s T T s T s p c Terremotos desde el punto de vista geotécnico III

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31 Aceleración del crecimiento de defectos a partir de gérmenes no detectados por END o aceptados por aplicación de criterios de mecánica de la fractura da/dn = velocidad de crecimiento de la fisura C, m = constantes del material ΔK = Kmax Kmin = intervalo del factor de intensidad de esfuerzos Kmax a.σmax Kmin a.σmin

32 Reactores del complejo Fukushima I: Pérdida de suministro de potencia eléctrica externa al complejo, apagado automático exitoso y falla en el suministro interno asociado al tsunami Inicio de Estado cuando se Consecuencias operación produjo el terremoto asociadas con eventos nucleares Unidad MW (e), en 1971 operando accidente Unidad MW (e), en 1974 operando accidente Unidad MW (e), en 1976 operando accidente Unidad MW (e), en 1978 apagado incidente Unidad MW (e), en 1978 apagado incidente Unidad MW (e), en 1979 apagado incidente Reactores del complejo Fukushima II: Suministro de potencia eléctrica externa al complejo conservado, apagado automático exitoso Unidad MW (e), en 1982 operando incidente Unidad MW (e), en 1984 operando Unidad MW (e), en 1985 operando Unidad MW (e), en 1987 operando

33 Dibujo con detalles adecuado para el análisis de los accidentes Pileta de combustible

34 Explosiones químicas con liberación de material radioactivo desde el edificio de reactores nucleares BWR con confinamientos primario y secundario correspondientes al tipo Mark I -Terremoto (11 de marzo) inserción de barras detención del reactor comienzo de la refrigeración en parada con diesel tsunami performance de UPS insuficiente interrupción de la refrigeración en parada incremento en la presión de vapor en el recipiente del reactor recalentamiento de barras de combustible en unidad 1 descomposición del agua formando una mezcla explosiva descarga de alivio al primer confinamiento descarga al segundo confinamiento explosión por recombinación de hidrógeno y oxígeno y voladura del techo del edificio de la unidad 1 sin daño aparente en el recipiente de presión del reactor (12 de marzo) posible fusión parcial de barras de combustible del núcleo del reactor y redistribución del material (corium) en el fondo del recipiente? creación de una configuración crítica? -Un proceso parecido sufrió la unidad 3 (el techo del edificio voló el 14 de marzo) con el añadido de un recalentamiento en la pileta del combustible adyacente al polo superior del recipiente del reactor por insuficiente refrigeración. Este reactor opera con combustible MOX que contiene plutonio además de uranio. El 28 de marzo se informó una liberación de Pu al agua de mar. -El 15 de marzo la unidad 2 sufrió una explosión de hidrógeno en el toro ( efecto de ariete significativo en el toro?) con daño significativo en el confinamiento primario, posible pérdida de integridad en el recipiente de presión y posible fusión parcial del combustible en el núcleo. -Consecuencias: trabajadores expuestos y liberación de materiales radioactivos al ambiente. Faltan datos objetivos para una valoración no especulativa de los efectos sobre la salud y el ambiente. Se podría esperar una clasificación de los accidentes entre los niveles 5 y 6.

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39 Bibliografía: R. Murray, Nuclear Energy: an introduction to the concepts, systems and applications of nuclear processes, Butterwoth-Heinemann, Oxford, UK, Incluye efectos biológicos y protección radiológica. R.Suárez Ántola, La Energía Nuclear: Aspectos científicos, técnicos y sociales de la conversión núcleo-eléctrica, edición del autor, Montevideo, Uruguay, J.Lamarsh y A. Baratta, Introduction to Nuclear Engineering, Prentice-Hall, N.J., USA, Incluye material sobre terremotos y herramientas para estimar el impacto ambiental de un accidente. S. Glasstone y A. Sesonske, Nuclear reactor engineering, 4ª edición, Chapman & Hall, N.Y., USA, Incluye material sobre terremotos, deflagraciones y explosiones en reactores, y herramientas para estimar el impacto ambiental de un accidente. M. Gauthron, Introduction au génie nucléaire, edición en dos tomos del INSTN, Commissariat a l Énergie Atomique, Saclay, Francia, A.S. Thompson, Comments on nuclear power, edición del autor, segunda edición, Eugene, Oregon, USA, El punto de vista de un opositor acérrimo a la tecnología nuclear energética. -R. Suárez Ántola, Conversión núcleo-eléctrica: una aproximación desde la ingeniería física, Ingeniería, Asociación de Ingenieros del Uruguay, Nº 59, pp.6-19, Montevideo, El punto de vista del Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA), se puede hallar en -Los aspectos vinculados con ingeniería geotécnica y civil antisísmica y vibraciones mecánicas en los subsistemas de una central puede verse en CRC Handbook of Civil Engineering (2004) y CRC Handbook of Mechanical Engineering (2001). Otra información, detallada y actualizada sobre reactores y centrales nucleares puede hallarse en CRC Handbook of Nuclear Engineering (2009).