Sistema de escudo y contención
Durante su funcionamiento, un reactor nuclear produce neutrones y otras radiaciones. Incluso cuando se apaga, los productos de descomposición son radiactivos. Además, un reactor en funcionamiento está térmicamente muy caliente, y las altas presiones resultan de la circulación de agua u otro refrigerante a través de él. Por lo tanto, un reactor debe soportar altas temperaturas y presiones, y debe proteger al personal operativo de la radiación. Los reactores están equipados con un sistema de contención (o escudo) que consta de tres partes:
- El recipiente del reactor, una carcasa de acero que tiene un grosor de 3 a 20 centímetros y, con el moderador, absorbe gran parte de la radiación producida por el reactor
- Un escudo principal de 1–3 metros de concreto de alta densidad
- Un escudo personal de materiales más ligeros que protege a los operadores de los rayos γ y rayos X
Además, los reactores a menudo están cubiertos con una cúpula de acero u hormigón que está diseñada para contener cualquier material radiactivo que pueda ser liberado por un accidente del reactor.
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Las plantas de energía nuclear están diseñadas de tal manera que no pueden formar una masa supercrítica de material fisionable y, por lo tanto, no pueden crear una explosión nuclear. Pero como lo ha demostrado la historia, las fallas de los sistemas y las salvaguardas pueden causar accidentes catastróficos, incluidas explosiones químicas y fusiones nucleares (daños en el núcleo del reactor por sobrecalentamiento). La siguiente característica de Química en la vida cotidiana explora tres incidentes de fusión infames.
Accidentes nucleares
La importancia del enfriamiento y la contención se ilustran ampliamente en tres accidentes importantes que ocurrieron con los reactores nucleares en las estaciones de generación de energía nuclear en los Estados Unidos (Three Mile Island), la antigua Unión Soviética (Chernobyl) y Japón (Fukushima) .
En marzo de 1979, el sistema de enfriamiento del reactor de la Unidad 2 en la estación de generación nuclear Three Mile Island en Pensilvania falló, y el agua de enfriamiento se derramó desde el reactor al piso del edificio de contención. Después de que las bombas se detuvieron, los reactores se sobrecalentaron debido al alto calor de desintegración radiactiva producido en los primeros días después de que el reactor nuclear se apagara. La temperatura del núcleo subió al menos a 2200 ° C, y la parte superior del núcleo comenzó a derretirse. Además, el revestimiento de aleación de circonio de las barras de combustible comenzó a reaccionar con vapor y produjo hidrógeno:
[ ce {Zr} (s) + ce {2H2O} (g) ⟶ ce {ZrO2} (s) + ce {2H2} (g) ]
El hidrógeno se acumuló en el edificio de confinamiento, y se temía que hubiera peligro de una explosión de la mezcla de hidrógeno y aire en el edificio. En consecuencia, el gas hidrógeno y los gases radiactivos (principalmente el criptón y el xenón) fueron ventilados del edificio. En una semana, se restableció la circulación del agua de enfriamiento y el núcleo comenzó a enfriarse. La planta estuvo cerrada durante casi 10 años durante el proceso de limpieza.
Aunque es deseable la descarga cero de material radiactivo, la descarga de criptón y xenón radiactivo, como ocurrió en la planta de Three Mile Island, es una de las más tolerables. Estos gases se dispersan fácilmente en la atmósfera y, por lo tanto, no producen áreas altamente radiactivas. Además, son gases nobles y no se incorporan a la materia vegetal y animal en la cadena alimentaria. Efectivamente, ninguno de los elementos pesados del núcleo del reactor se liberaron al medio ambiente, y no fue necesaria la limpieza del área fuera del edificio de contención (Figura ( PageIndex {8} )).
Otro gran accidente nuclear que involucró un reactor ocurrió en abril de 1986, en la planta de energía nuclear de Chernobyl en Ucrania, que todavía era parte de la antigua Unión Soviética. Mientras operaba a baja potencia durante un experimento no autorizado con algunos de sus dispositivos de seguridad apagados, uno de los reactores de la planta se volvió inestable. Su reacción en cadena se volvió incontrolable y aumentó a un nivel mucho más allá de lo que fue diseñado para el reactor. La presión de vapor en el reactor aumentó a entre 100 y 500 veces la presión de potencia total y rompió el reactor. Debido a que el reactor no estaba encerrado en un edificio de contención, se arrojó una gran cantidad de material radiactivo y se liberaron productos de fisión adicionales, ya que el moderador de grafito (carbono) del núcleo se encendió y se quemó. El incendio fue controlado, pero más de 200 trabajadores de planta y bomberos desarrollaron enfermedades agudas por radiación y al menos 32 pronto murieron a causa de los efectos de la radiación. Se pronostica que ocurrirán alrededor de 4000 muertes más entre los trabajadores de emergencia y los ex residentes de Chernobyl por cáncer y leucemia inducidos por la radiación. Desde entonces, el reactor ha sido encapsulado en acero y hormigón, una estructura en descomposición conocida como sarcófago. Casi 30 años después, persisten importantes problemas de radiación en el área, y Chernobyl sigue siendo en gran medida un páramo.
En 2011, la central nuclear de Fukushima Daiichi en Japón fue gravemente dañada por un terremoto de magnitud 9.0 y el tsunami resultante. Tres reactores en funcionamiento en ese momento se apagaron automáticamente, y los generadores de emergencia se conectaron para alimentar los sistemas electrónicos y de refrigeración. Sin embargo, el tsunami inundó rápidamente los generadores de emergencia y cortó la energía a las bombas que circulaban agua refrigerante a través de los reactores. El vapor a alta temperatura en los reactores reaccionó con aleación de circonio para producir hidrógeno gaseoso. El gas escapó al edificio de contención, y la mezcla de hidrógeno y aire explotó. El material radiactivo se liberó de los recipientes de contención como resultado de una ventilación deliberada para reducir la presión de hidrógeno, la descarga deliberada de agua refrigerante al mar y eventos accidentales o no controlados.
Una zona de evacuación alrededor de la planta dañada se extendió a más de 12.4 millas de distancia, y se estima que 200,000 personas fueron evacuadas del área. Las 48 plantas de energía nuclear de Japón se cerraron posteriormente, permaneciendo cerradas a partir de diciembre de 2014. Desde el desastre, la opinión pública ha pasado de favorecer en gran medida a oponerse en gran medida al aumento del uso de plantas de energía nuclear, y se reinicia el programa de energía atómica de Japón. todavía estancado (Figura ( PageIndex {1} ) 0).
La energía producida por un reactor alimentado con uranio enriquecido resulta de la fisión del uranio, así como de la fisión del plutonio producido mientras el reactor funciona. Como se discutió anteriormente, el plutonio se forma a partir de la combinación de neutrones y el uranio en el combustible. En cualquier reactor nuclear, solo alrededor del 0.1% de la masa del combustible se convierte en energía. El otro 99.9% permanece en las barras de combustible como productos de fisión y combustible no utilizado. Todos los productos de fisión absorben neutrones, y después de un período de varios meses a algunos años, dependiendo del reactor, los productos de fisión deben eliminarse cambiando las barras de combustible. De lo contrario, la concentración de estos productos de fisión aumentaría y absorbería más neutrones hasta que el reactor ya no pudiera funcionar.
Las barras de combustible gastadas contienen una variedad de productos, que consisten en núcleos inestables que varían en número atómico de 25 a 60, algunos elementos de transuranio, incluidos plutonio y americio, e isótopos de uranio sin reaccionar. Los núcleos inestables y los isótopos de transuranio le dan al combustible gastado un nivel peligrosamente alto de radiactividad. Los isótopos de larga vida requieren miles de años para decaer a un nivel seguro. El destino final del reactor nuclear como fuente importante de energía en los Estados Unidos probablemente se basa en si se puede desarrollar una técnica satisfactoria política y científicamente para procesar y almacenar los componentes de las barras de combustible gastado.