Simulador de reactor nuclear
En el año 2001 el ingeniero nuclear sanjuanero Elías Michelén analizó los pro y los contra de la posible instalación de una planta nuclear en el país
ELIAS MICHELEN
A continuación, un enfoque técnico.
La radioactividad es la propiedad que tienen los núcleos de algunos átomos de desintegrarse emitiendo diversas partículas y radiaciones (ondas electromagnéticas). Si este proceso se produce espontáneamente, se llama radioactividad natural, la cual fue descubierta por A.H. Becquerel en 1896 (p.e. el radio).
Si esta desintegración es producida por el hombre, la llamamos artificial, descubierta por el matrimonio Joliot-Curie en 1934. La radioactividad natural se produce en átomos de una masa atómica muy grande, en los cuales, la gran cantidad de protones en sus núcleos les hacen altamente inestables.
Así, el uranio natural con una masa atómica de 238 y un núcleo con 92 protones, es un emisor natural de partículas alfa. Sin embargo, el caso más interesante es el del uranio 235, un isótopo del anterior (igual número de protones, pero diferente masa atómica), el cual, al absorber un neutrón de baja velocidad, en lugar de emitir partículas, se fisiona en dos elementos de masas atómicas casi iguales, liberando una gran cantidad de energía en forma de radiación y calor, y al mismo tiempo, emite uno o dos neutrones adicionales, los cuales al encontrar uno o dos nuevos átomos de U-235, producirán nuevas fisiones, energía y la emisión (cada uno) de uno o dos nuevos neutrones, y éstos a su vez al colisionar con dos o cuatro átomos de U-235, producirán cuatro u ocho neutrones, los cuales a su vez provocarán la fisión nuclear de cuatro a ocho nuevos átomos de U-235 y la emisión de ocho a dieciseis neutrones... hasta producir una reacción en cadena de fisiones nucleares donde se liberan enormes cantidades de energía y productos de fisión altamente radiactivos.
Si esta reacción en cadena es incontrolada, se produce una bomba atómica, si es controlada, tendremos un reactor nuclear.
Tipos de plantas nucleares
Existe una gran variedad de reactores nucleares. Partiendo del combustible utilizado (Uranio natural, U-235, Plutonio, Torio); del medio utilizado para enfriar y/o transmitir la energía calórica (agua ligera, agua pesada, gas, sodio, grafito); de la velocidad de los neutrones que coliden con el combustible (neutrones rápidos, neutrones lentos); del uso al cual va destinado el reactor (planta desalinizadora de agua de mar, propulsión de naves marítimas o aéreas, generación de electricidad, reactores de investigación).
Entre ellos, una combinación de usos y tecnologías crean una gran diversidad de reactores que hacen prolijo su enumeración.
Las plantas electronucleares se sustentan bajo el mismo principio de las plantas termoeléctricas convencionales: la producción de energía térmica por medio de la combustión de un material de alto contenido calórico; energía que será transmitida directa o indirectamente al agua para producir vapor, el cual a su paso por un turbogenerador, producirá energía eléctrica.
El lugar donde tiene lugar la combustión se denomina en las termoeléctricas convencionales, caldera; en las nucleares, núcleo del reactor. En las primeras, el combustible puede ser carbón, fuel oil, gasoil; en las segundas uranio-235 enriquecido al 3%.
A nivel comercial, existen principalmente dos tecnologías diferentes en la fabricación de reactores nucleares para la producción de energía eléctrica: El Reactor de Agua Presurizada (RAP), desarrollado por Westinghouse Electric Corporation, y el Reactor de Agua Hirviente (RAH) desarrollado por General Electric Corporation.
En el primer caso (RAP), el vapor se genera indirectamente a través de un intercambiador de calor, en el segundo (RAH), el vapor se genera directamente en el refrigerante, a su paso a través del núcleo del reactor. Dado que el reactor de agua presurizada es el de mayor uso actualmente en el mundo, y además es la tecnología que Argentina ha seguido, limitaremos nuestro estudio a este tipo de reactor.
Funcionamiento del RAP
Uno de los componentes básicos de un reactor nuclear son el núcleo, el refrigerante y el moderador. El núcleo es un arreglo rectangular (o circular) subdividido en múltiples rejillas donde son introducidas las láminas, las cuales contienen como un emparedado, en su parte interna el Uranio-235 y en su exterior, capas de acero inoxidable y/o aleaciones de zirconio.
A fin de hacer controlable la reacción en cadena, se introducen barras de control que dividen y aíslan el núcleo. Estas barras generalmente hechas de cadmio o boro, absorben los neutrones sin emitir ninguna partícula o radiación, llamadas neutrón poison (veneno de neutrones).
Al introducir las barras de control hasta el fondo del núcleo, impide que los neutrones interactúen con los átomos de U-235 y se produzcan fisiones nucleares. Al subir lentamente las barras, empiezan a tener lugar las reacciones, el reactor se encuentra sub-crítico, al llegar al nivel de potencia deseado, se estabilizan las barras y se mantiene un número constante de fisiones nucleares por unidad de tiempo. Es cuando se dice que el reactor está crítico. En caso de emergencia, en el cual el reactor se convierte en super-crítico (un aumento incontrolado de fisiones), dichas barras caen a gran velocidad sobre el núcleo y ‘‘apagan’’ el reactor.
Para reducir la velocidad de los neutrones a fin de que interactúen con los átomos de uranio, se utiliza un moderador que en este caso, hace las veces también de refrigerante: agua ligera desmineralizada. El núcleo y el refrigerante (y moderador) están encerrados en un contenedor que al mantener su interior a una alta presión (sobre 2,000 psia), mantiene el agua líquida a pesar de la alta temperatura (325 C) que el agua adquiere al pasar, impulsado por bombas, a través del núcleo del reactor.
El agua, al salir fuera del contenedor reduce su presión y al pasar por un intercambiador de calor, transmite a un circuito de agua secundario el calor que contiene. Este circuito secundario que no mantiene contacto directo con el primario a fin de mantenerse libre de toda radioactividad (teóricamente), pasa convertido en vapor (por la diferencia en presión) a una turbina convencional y de ahí al generador, donde producirá la electricidad, como cualquier termoeléctrica convencional.
Tecnología necesaria
La tecnología para operar y dar mantenimiento a las plantas nucleares no es de una gran sofisticación. Durante más de cuarenta años, los países avanzados han desarrollado la técnica necesaria para evitar en lo posible, ocurrencia de hechos lamentables. Sin embargo, la pericia, la habilidad y el conocimiento necesarios de los operadores y el personal de mantenimiento están a niveles muy superiores de los que poseen los técnicos de países subdesarrollados.
Las técnicas de purificación de agua, soldaduras y mecánica en general, implican cuidadosa planificación. Más que un esmerado aprendizaje, se requiere una rutina de prevención que sólo se adquiere con años de tradición técnica. Cualquier pequeño error puede ocasionar consecuencias terribles.
Un pequeño descuido en el sistema de refrigeración y el cambio del interruptor de caída automática de las barras de control a control manual, durante la operación de uno de los reactores ruso en la instalación electronuclear de Chernobyl, llevó a estado supercrítico el núcleo de su reactor provocando la expulsión al ambiente de grandes cantidades de productos de fisión que además de provocar muertes inmediatas, mantendrán durante años su secuela de contaminación y enfermedades.
La operación normal de un reactor nuclear es sencilla. Sin embargo, dado la facilidad con la cual puede el núcleo del reactor pasar del estado crítico al super crítico, la gran cantidad de parámetros a tomar en cuenta durante uno o dos años de operación continua, la cantidad tan grande de radiación y productos de fisión envueltas dentro del reactor, le hace una operación altamente riesgosa si el personal no mantiene una alta calificación técnica.
Esto sin contar que dado su operación continua, el mantenimiento de muchas áreas dentro del reactor deben realizarse mientras está operando. De igual manera, el proceso de extraer los elementos de combustible parcialmente agotados para reponerlos con una nueva carga, exige equipos altamente automatizados y materiales de blindaje seguros para proteger al personal y evitar cualquier posible escape de radiactividad.
Aspectos favorables
a) El lento consumo del combustible dentro del núcleo, permite mantener operaciones contínuas de la planta durante uno o varios años (haciendo recargas parciales), lo cual produce beneficios económicos al no requerir una alimentación contínua de combustible, como las plantas convencionales.
b) La generación de grandes cantidades de energía eléctrica en un espacio reducido y con menor contaminación ambiental (bajo condiciones normales), a diferencia de las plantas convencionales, las cuales al quemar grandes cantidades de combustibles fósiles con una baja eficiencia térmica, emiten una gran variedad de contaminantes derivados del carbono y del azufre, entre otros.
c) La demanda de combustibles nucleares no es muy grande y por tanto, su precio es relativamente menor y más estable que los precios de los combustibles fósiles.
d) El tiempo de vida útil de una planta electronuclear es de mAs de treinta años.
Aspectos ambientales desfavorables
a) La posibilidad siempre latente de un accidente que provoque la salida al exterior de productos de fisión en forma líquida, gaseosa o en suspensión con el aire. Las consecuencias además de terribles, permanecen durante cientos de años.
b) Es casi imposible evitar pequeñas contaminaciones del circuito secundario del reactor, el cual está directamente en contacto con el medio ambiente y con fuentes de agua necesarias para su enfriamiento, tales como lagunas, mares o ríos.
c) El circuito requiere descargar parte de su calor en una fuente cercana de agua, ya sea el mar, una laguna o un río, con lo cual elevaría la temperatura de la fuente en varios grados, provocando la muerte de las especies que habitan en dicho medio y la degradación progresiva de todo el hábitat circundante.
d) Nuestra condición de insularidad requeriría su instalación en Montecristi, donde ante cualquier posible descarga radiactiva, los vientos impidan su penetración al interior de la isla.
e) La disposición de los desechos generados al agotarse el Uranio 235 de las láminas cada uno o dos años, es una gran responsabilidad y compromiso. El método menos riesgoso es realizar excavaciones cientos de metros bajo tierra en las minas de sal, las cuales gozan de cierta estabilidad geológica y generalmente no pasan a través de ellas fuentes subterráneas de agua.
En nuestro caso, toda la geografía nacional está recorrida por graves fallas geológicas que indefectiblemente se activarán en algún momento durante los miles de años requeridos para perder dichos desechos su alta peligrosidad.
El compromiso de parte de los vendedores de reciclar las láminas para recuperar su actividad, no impide su almacenaje provisional y mucho menos su manipulación hacia su destino final.
Aspectos técnicos desfavorables
a) El costo inicial de las plantas nucleares duplica el de las termoeléctricas convencionales. Tomando en cuenta los precios de los derivados del petróleo, dependerá el número de años para llegar al punto de equilibrio y empezar a ser más económica la opción nuclear. Nunca será menor de cuatro a ocho años.
b) La eficiencia térmica de las plantas nucleares aumenta mientras mayor sea la capacidad de generación. Es posible de acuerdo a esto multiplicar 10 veces aproximadamente la capacidad eléctrica de la planta con sólo un incremento de dos veces el costo total de construcción. Así, la mejor eficiencia y por tanto la mejor relación costo/kilovatio base, es a partir de los 600 Mwe (Megavatios eléctricos) hasta los 2,000 Mwe. Argentina es de los pocos países que fabrican plantas de menor capacidad para uso eléctrico, porque tienen una experiencia de decenas de años, a partir de su planta modelo Atocha.
c) La condición anterior es desfavorable para nuestro país puesto que la demanda de generación actual es alrededor de 2,000 Mwe. Sin embargo, una condición necesaria en un sistema eléctrico eficientemente interconectado, es no instalar una planta de generación con una capacidad mayor de 10 a 15% del total generado en el sistema. Por lo tanto, la planta debe tener una capacidad máxima de 200 a 300 Mwe.
d) Alemania suspendió la generación de electricidad con plantas nucleares y ha comenzado su desmantelamiento total en los próximos años.
e) En Estados Unidos de Norteamérica, bajo la presión ambientalista, no se ha fabricado una nueva planta eléctrica nuclear desde el 1978.
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