Aspectos ambientales de la eliminación de tritio en las centrales nucleares argentinas. Quintana, E.E. y Gavini, R.M.

Transcripción

1 Aspectos ambientales de la eliminación de tritio en las centrales nucleares argentinas Quintana, E.E. y Gavini, R.M. Presentado en el 5 th Regional Congress on Radiation Protection and Safety, Recife, Brasil, 9 abril al 4 mayo 001

2 ASPECTOS AMBIENTALES DE LA ELIMINACIÓN DE TRITIO EN LAS CENTRALES NUCLEARES ARGENTINAS Quintana, E.E. y Gavini, R.M. Autoridad Regulatoria Nuclear Argentina RESUMEN Las Centrales Nucleares de Atucha (CNA) y Embalse (CNE) utilizan uranio natural como combustible y agua pesada como refrigerante y moderador. Durante la operación normal, se libera al ambiente una fracción del tritio generado por la activación neutrónica del deuterio del agua pesada, mediante descargas líquidas y gaseosas. Desde el punto de vista de la protección radiológica, el tritio es uno de los principales efluentes. Es por esta razón que a partir de la entrada en operación de la CNA (1974) y de la CNE (1984), se realizan determinaciones continuas de las descargas gaseosas y líquidas, así como también se efectúa el monitoraje ambiental en los alrededores de las instalaciones. En este trabajo, se correlacionan los valores de descarga con la concentración integrada en el tiempo, obtenida a partir del monitoraje ambiental en ambas centrales. Se comparan además los resultados con el modelo de transferencia usado en los estudios preoperacionales, teniendo en cuenta los parámetros de dispersión atmosférica correspondientes a las condiciones meteorológicas propias del lugar. ABSTRACT The argentine nuclear power facilities of Atucha (CNA) and Embalse (CNE) use natural uranium as fuel and heavy water as coolant. During the normal operation a fraction of generated tritium by neutron activation of the deuterium of heavy water, is released into the atmosphere by means of liquid and gaseous discharged. From the radiological protection point of view, it is one of the main effluents. Therefore, from the start in operation of the CNA (1974) and the CNE (1984), continuous determinations of the gaseous and liquid discharged are made, as well as the environmental monitoring in the surroundings of the facilities is realized. In this work, the values of release and the concentration integrated along the time, obtained from the environmental monitoring in both power facilities are correlated. The results obtained with the model of transference used in the preoperational studies, are compared considering the parameters of atmospheric dispersion corresponding to the meteorological conditions of the own site. Palabras claves: tritio, centrales nucleares, factores de dilución. Key words: tritium, nuclear power plant, dilution factors. I. INTRODUCCIÓN La Argentina posee dos centrales nucleares en funcionamiento, Atucha I y Embalse en operación desde junio de 1974 y enero de 1984 respectivamente. La Central Nuclear de Atucha I (CNA I), se encuentra ubicada a orillas del río Paraná de las Palmas, en la provincia de Buenos Aires, 100 km al noroeste de la Ciudad de Buenos Aires. La Central Nuclear de Embalse, se levanta en la costa sur del embalse de Río Tercero, en la provincia de Córdoba, 110 km al sudoeste de la Ciudad de Córdoba. La primera de ellas posee un reactor de presión KWU de origen alemán, de 357 megawatts eléctricos (MWe) brutos de potencia, usa uranio natural como combustible. El núcleo del reactor está formado por 53 elementos combustibles dentro de los cuales se alojan las pastillas de dióxido de uranio (UO ). El conjunto de los elementos 579

3 combustibles se hallan sumergidos en 500 toneladas de agua pesada, que actúa como moderador y refrigerante. La segunda posee un reactor de tubos de presión CANDU de origen canadiense, de 648 MWe brutos, que utiliza también uranio natural como combustible y agua pesada como moderador y refrigerante. La calandria se halla penetrada, horizontalmente, por 380 canales de elementos combustibles. En la operación normal de este tipo de reactores, la tasa de producción de tritio es de 7, Bq/MWe, debido principalmente a la activación neutrónica del deuterio del agua pesada por la reacción [1]: H (n,γ) 3 H Una fracción de ese tritio es liberado al ambiente mediante descargas gaseosas, a través de la chimenea de la Planta, debido al desgasado del circuito primario. También se producen descargas líquidas, emitidas al río Paraná de las Palmas en la CNA I y al Embalse de Río Tercero en la CNE. En este tipo de reactores el tritio es un radionucleido eliminado al ambiente que reviste gran importancia desde el punto de vista de la protección radiológica. Es importante tener en cuenta su aporte a la dosis colectiva del público, ya que se incorpora al cuerpo humano por tres mecanismos diferentes: ingestión, inhalación y por absorción a través de la piel; y se distribuye rápidamente en el agua libre y en los compartimientos extra e intracelulares [1]. Para el cálculo de la dosis al grupo crítico y la dosis colectiva producida por las instalaciones nucleares se utilizan factores de dilución atmosféricos anuales. Dicho factor representa la concentración del contaminante, integrada en el tiempo, en un punto del área afectada, normalizada respecto de la emisión total en ese período []. Es decir: c( x) FD( x) = (1) Q donde: x = distancia desde el punto de emisión. FD(x) = factor de dilución en el punto x [s/m 3 ]. c(x) = concentración en el punto x [Bq.s/m 3 ]. Q = emisión del contaminante [Bq]. De esta manera, la dosis resultará de multiplicar el factor de dilución por la cantidad de actividad liberada a la atmósfera en ese período, y por el correspondiente factor dosimétrico. Es decir: Dosis( x) = Q FD( x) Factordosimétrico () En este trabajo, se busca validar los factores de dilución teóricos con los resultados experimentales, a partir de las mediciones de la emisión de tritio por la chimenea de la planta y la concentración de tritio medida en condensados de humedad atmosférica, recogidos de las cuatro estaciones de muestreo que se hallan instaladas en los alrededores de las centrales nucleares (4 estaciones de muestreo correspondientes a cada una de ellas). II. MÉTODO TEÓRICO El factor de dilución es la parte geométrica de la ecuación de dispersión, por lo que se obtiene de cualquier fórmula de concentración, por ejemplo, a partir de la fórmula gaussiana con el método Pasquill-Gifford, normalizándola respecto de la actividad emitida [,3]. Para calcular el factor de dilución anual se divide el año en intervalos de horas, período en el cual el modelo de dispersión de la pluma gaussiana estacionaria tiene validez si aceptamos que la dirección e intensidad del viento y las condiciones dispersivas de la atmósfera se mantienen constantes. 580

4 Es necesario, contar con observaciones horarias en el lugar de la emisión; en este caso se cuenta con datos registrados por la torre micrometeorológica ubicada en los alrededores de cada una de las centrales. El factor de dilución promedio en una dirección, se obtiene integrando, a una distancia x en el sentido normal, la siguiente ecuación: = 1 y h x exp + π σ y σ z u σ y σ z (3) donde: ū = velocidad media del viento [m/s]. h = altura de emisión [m]. σ z = dispersión vertical de la pluma. σ y = dispersión horizontal de la pluma. Dividiendo por el ancho de ese sector a la distancia dada, se llega a: x 1 πx π σ z u N h exp σ z = 1 (4) donde: N = número de sectores considerados. Finalmente, para sumar en cada dirección las contribuciones de todas las horas del año, se pesa la ecuación con la frecuencia tridimensional conjunta Pijk, que representa la cantidad de veces que sopló el viento en la dirección i con una intensidad dentro del intervalo j y una clase de estabilidad k. Se puede obtener así, para cada distancia x y cada sector N el factor de dilución normal. Se multiplica este factor por la emisión total en un año y el factor de dosis de interés, para obtener la dosis anual promedio. Los cálculos para el modelo teórico se realizaron utilizando programas desarrollados por la Autoridad Regulatoria Nuclear. Para los cálculos no se tuvieron en cuenta los efectos de inversiones, calmas o vientos variables. III. MÉTODO EXPERIMENTAL En cada una de las centrales se realiza el monitoraje del ambiente circundante con varios objetivos, entre ellos, obtención de información sobre la correlación entre descargas y niveles ambientales (que permite implementar predicciones) y sobre el comportamiento de los radionucleidos en el ambiente. La concentración de tritio es medida en diferentes puntos en los alrededores de las centrales. El muestreo se realiza haciendo pasar aire a través de un sistema de condensación por sobreenfriamiento que permite recoger semanalmente la muestra como vapor de agua atmosférico, en recipientes plásticos. Las muestras fueron procesadas en los laboratorios de la División Estudios Ambientales que la ARN posee en el Centro Atómico Ezeiza. El tratamiento de estos condensados consta de varias etapas que comprenden distintas destilaciones y cuando es necesario, una electrolisis alcalina para obtener finalmente un concentrado neutro medido por centelleo líquido. Las estaciones de muestreo se encuentran ubicadas a distintas distancias y en diferentes direcciones en los alrededores de las Plantas Nucleares. Considerando a la CNA I como punto 581

5 central de referencia, tres de las estaciones de muestreo, identificadas como A, B y C, se encuentran ubicadas a una distancia promedio de 1 km en la dirección oeste, sudoeste y sur. La cuarta, identificada como E, se encuentra a una distancia de 7,5 km, en dirección sur; próxima a la Ciudad de Lima [4]. En el caso de la CNE, las estaciones se encuentran identificadas como: La Aguada ubicada a 1km en dirección SE/ESE; Meteorológica a una distancia de 600 m en dirección norte; Club Náutico a 1,5 km al NNE/NE y Sur a 300 m en dirección sur [5]. El cociente entre la concentración de 3 H en aire y la emisión en el período de interés, proporciona el factor de dilución experimental en períodos cortos. IV. RESULTADOS Uno de los objetivos del presente trabajo es, con los datos semanales de concentración de tritio y de las descargas de las centrales, validar el modelo teórico de cálculo de factores de dilución normalizados. En el caso de la CNA I, los resultados experimentales se obtuvieron a partir de 17, 433, 45 y 404 observaciones experimentales, para los puntos de muestreo identificados como A, B, C y E respectivamente, comprendidos en el período Calculando la media aritmética experimental en cada uno de los puntos de muestreo, en el período considerado se obtuvieron los resultados presentados en la Tabla 1. Tabla 1. Factores de dilución CNA I [s/m 3 ] Punto Media Experimental Teórico A (4,1±0,6) , B (,1±0,3) , C (,0±0,) , E (5,8±0,9) , Tabla. Factores de dilución (F.D.) experimentales mensuales CNA I [10-7 s/m 3 ] Período Punto A B C E F.D. desv. están. F.D. desv. están. F.D. desv. están. F.D. desv. están. Enero 3,9,66 1,51 1,59 1,4 1,16 0,5 0,45 Febrero 6,44,78,09 1,65 1,83 1,57 0,48 0,37 Marzo 6,56 3,03 3,66,77 3,6 3,30 0,78 0,83 Abril 4,90 4,36,90 3,1 1,90 1,93 0,63 0,58 Mayo,43 1,66 0,93 0,7,19 1,99 0,33 0,6 Junio 1,08 0,85 0,79 0,6 0,87 0,87 0,5 0,1 Julio,54 1,80 0,93 0,98 1,71 1,78 0, 0,19 Agosto,3 1,0 1,39 1,70 1,33 1,37 0,40 0,3 Septiembre,75,09,71,76 1,41 1,4 0,47 0,47 Octubre 4,84 3,81,14,39 1,49 1,36 0,3 0.5 Noviembre,36 1,44 1,46 1,0 1,84,40 0,73 1,13 Diciembre 5,96,08,67 1,98,08,38 0,98 0,79 58

6 Como se ve en la Figura 1, en el comportamiento mensual de los factores de dilución promedio, dichos factores presentan un aumento respecto de la media experimental en los meses de verano y primavera y una caída en los meses de invierno. Este comportamiento se presenta con distinta intensidad en los 4 puntos de muestreo (con mayor amplitud en los puntos A y B), pero una misma forma general. Factor de dilución mensual CNA I Factor de dilución [s/m3] 9E-07 8E-07 7E-07 6E-07 5E-07 4E-07 3E-07 E-07 1E-07 0E Meses Estación A Estación B Estación C Estación E Prom. Estación A Prom. Estación C F.dil.teórico 1 km F.dil.teórico 7,5 km Figura 1. Factores de dilución CNA I período En el caso de CNE, los resultados experimentales se obtuvieron a partir de 8, 5 y 13 observaciones experimentales, para los puntos de muestreo identificados como Club Náutico, Torre Meteorológica y La Aguada respectivamente, en el período ; y 100 observaciones experimentales para el punto identificado como Estación Sur en el período Calculando la media aritmética experimental en cada uno de los puntos de muestreo, en el período considerado, se obtuvieron los resultados presentados en la Tabla 3. Tabla 3. Factores de dilución CNE [s/m 3 ] Punto Media Experimental Teórico Club Náutico (,1±0,9) 10-7, /3, Torre Meteorológica (1,±0,9) , La Aguada (1,4±0,8) , /1, Sur (,3±0,) , Al comparar las medias experimentales con las medias teóricas se observan desviaciones positivas en las estaciones Torre Meteorológica y Sur, mientras que las restantes se ajustan mejor. Se calcularon factores de dilución promedios mensuales con los datos semanales de los años mencionados, que se presentan en la Tabla

7 Tabla 4. Factores de dilución experimentales mensuales CNE I [10-7 s/m 3 ] en los períodos considerados Punto La Aguada T. Meteorológica C. Náutico Sur Enero 1,10 1,0,64 3,7 Febrero,56 11,4 1,59 4,40 Marzo 0,75 6,40 0,80,06 Abril ,59 Mayo ,89 Junio -- 11,1,10 1,31 Julio -- 11,7 1,76 0,45 Agosto -- 9,69 1,63 0,66 Septiembre -- 4,96 1,50 1,84 Octubre -- --,99,55 Noviembre -- 36,4 3,84 3,13 Diciembre 1,10 7,8 1,75 4,33 Factor de dilución mensual CNE Factor de dilución [s/m3] 5E-07 5E-07 4E-07 4E-07 3E-07 3E-07 E-07 E-07 1E-07 5E-08 0E Est. Sur F.dil.teórico F.dil.exper. promedio Meses Figura. Factores de dilución CNE, Estación Sur, período Se grafica solamente el comportamiento mensual de los factores de dilución de la Estación Sur, dado que no se posee suficiente información de los otros puntos de muestreo considerados. Como se ve en la Figura, en el comportamiento mensual del factor de dilución promedio, dicho factor presenta un comportamiento similar al observado en la CNA I (aumento respecto de la media experimental en los meses de verano y primavera, y una caída por debajo de la misma en los meses de invierno). El período analizado en la CNA I (1 años) y la cantidad de observaciones experimentales realizadas permite evaluar mejor el modelo teórico, mientras en la CNE se debería seguir recabando información para poder obtener un resultado más concluyente. 584

8 V. CONCLUSIONES Los factores de dilución teóricos calculados en los puntos A, B y C, de la CNA I, estadísticamente sobreestiman los factores de dilución experimentales, mientras en el punto E lo subestiman (ensayo t, p<0,05). En la CNE, los factores de dilución teóricos calculados en las estaciones Sur y Torre Meteorológica subestiman los factores de dilución experimentales, mientras que en las estaciones La Aguada y Club Náutico se ajustan satisfactoriamente (ensayo t, p<0,05). En ambos casos, se observan apartamientos estacionales de los factores de dilución respecto de la media; apartamientos positivos en primavera y verano y negativos en invierno. Los apartamientos estacionales pueden deberse a un comportamiento distinto de la atmósfera en términos de la dispersión de contaminantes en las distintas épocas del año, lo que debería ser ratificado, calculando factores de dilución teóricos en períodos más cortos que el anual, que es como se estuvieron haciendo hasta el presente. Las desviaciones podrían deberse a una diferente eficiencia en el sistema de colección de 3 H de acuerdo a la época del año (en términos de diferencia de temperatura placa-ambiente y/o diferente humedad relativa del aire de acuerdo a la estación, por ejemplo, veranos con menor humedad relativa que el invierno), nieblas, heladas, etc. Este supuesto debería estudiarse experimentalmente. Estas desviaciones estacionales respecto de las medias podrían afectar los resultados de cálculo de dosis usando factores de dilución promedio para liberaciones que ocurran en períodos menores que el anual, siendo más importante en el caso que subestima. De confirmarse estos resultados se recomienda analizar la posibilidad del uso de factores de dilución en períodos más cortos (ya sea estacionales o mensuales) y no medias anuales. Esto último reviste importancia en caso de liberaciones accidentales donde es necesario realizar evaluaciones que permitan estimar las dosis con mayor precisión. REFERENCIAS [1] National Council on Radiation Protection and Measurements. Tritium in the Environment. NCRP, NCRP Report No. 6; [] Atmospheric Dispersion in Nuclear Power Plant Sitting. Safety Series No. 50-SG-S3; 198. [3] Slade, D. Meteorology and Atomic Energy AEC / DTI, USA; [4] Estudio ambiental en la zona de emplazamiento de la Central Nuclear de Embalse Córdoba. Comisión Nacional de Energía Atómica. Buenos Aires, Argentina, [5] Bruno, H.A.; Gomez, J.C.; Nollman, C.E.; Jordan, O.D. Aspectos Ambientales de la Eliminación de Tritio por Centrales Nucleares de Agua Pesada. En: Anales 1er. Congreso Mundial de Ingeniería y Ambiente, Buenos Aires, Argentina, Nov