Las centrales nucleares ucranianas están en el punto de mira. El asedio al que el ejército ruso está sometiendo algunas de estas instalaciones refleja que su estrategia requiere hacerse con su control para incrementar la presión sobre el Gobierno liderado por Volodímir Zelenski.
No cabe duda de que es saludable intentar no caer en alarmismos injustificados, pero es evidente que combatir en las proximidades de una central nuclear conlleva riesgos.
Ucrania mantiene en operación actualmente quince reactores nucleares distribuidos en cuatro plantas diferentes. La mayor de todas ellas es la de Zaporiyia, ubicada en el sureste del país, debido a que aglutina nada menos que seis reactores.
Según buena parte de los medios de comunicación internacionales esta central nuclear está bajo control del ejército ruso desde hace unas horas, aunque durante la refriega se ha producido un incendio que, afortunadamente, no parece haber amenazado su integridad.
El accidente que se produjo en la planta nuclear de Chernóbil en 1986 provocó que las medidas de seguridad de las centrales que estaban en operación en ese momento en todo el planeta se revisasen de arriba abajo. Y, además, todo lo que se aprendió durante aquel gravísimo incidente se utilizó para hacer más seguras las instalaciones que se construyeron a partir de ese momento.
El accidente de Fukushima, afortunadamente, no tuvo un impacto humano y medioambiental tan grave como el de Chernóbil, pero también provocó que los técnicos revisasen la seguridad de todas las centrales nucleares del planeta.
Las medidas con las que cuentan tanto las instalaciones de Ucrania como todas las demás en operación no son infalibles, pero son muy robustas. Y conocerlas nos viene muy bien para mantenernos a la expectativa, aunque sin dejarnos llevar por un alarmismo innecesario.
Una central nuclear no puede comportarse como una bomba atómica
Esta ilustración elaborada por Alfredo García, más conocido en Twitter por su alter ego @OperadorNuclear, resume muy bien las diferencias fundamentales que existen entre el combustible utilizado en las plantas nucleares y el empleado en las bombas atómicas:
Ante el ataque ruso a la central nuclear #Zaporizhzhya, recordad que una central nuclear NO puede explotar como una bomba atómica por razones puramente físicas. #ApuntesOperador pic.twitter.com/aoKDz2qHz5
— Operador Nuclear (@OperadorNuclear) March 4, 2022
La fisión nuclear, que es el proceso utilizado actualmente en las centrales nucleares, consiste en romper el núcleo de un átomo en dos o más núcleos para liberar una parte de la energía que contiene. Sin embargo, no podemos fragmentar el núcleo de un átomo cualquiera. En teoría sí puede hacerse, pero en la práctica lo interesante es utilizar un átomo que sea relativamente «fácil y económico» romper. Y el del uranio-235 lo es.
El uranio se encuentra presente en la naturaleza en concentraciones muy bajas, normalmente en rocas, tierras y agua. De ahí que su obtención sea cara y su tratamiento complejo, pues exige realizar procesos químicos capaces de separarlo de los demás elementos y las impurezas con las que suele convivir. Tiene 92 protones, y otros tantos electrones orbitando en torno al núcleo, y este último incorpora, además de los protones, entre 142 y 146 neutrones.
Es importante que recordemos que el núcleo de un átomo está habitualmente constituido por un cierto número de protones y neutrones (aunque no siempre: el protio, el isótopo del hidrógeno más abundante, tiene en su núcleo un solo protón y ningún neutrón), así como por unos electrones que orbitan a su alrededor.
El hecho de que el número de neutrones del núcleo del uranio pueda variar, como acabamos de ver, nos indica que existen varios isótopos de este elemento químico, que no son otra cosa que átomos con el mismo número de protones y electrones, pero distinto número de neutrones.
La razón por la que en los reactores de fisión nuclear se utiliza un átomo de uranio-235, y no otro isótopo de este elemento o cualquier otro elemento químico, consiste en que al bombardear su núcleo con un neutrón (un proceso que se conoce como fisión inducida) el uranio-235 se transforma en uranio-236, que es un elemento más inestable.
Esto significa, sencillamente, que el uranio-236 no puede permanecer mucho tiempo en su estado actual, por lo que se divide en dos núcleos, uno de bario-144 y otro de criptón-89, y emite, además, dos o tres neutrones.
Y aquí viene lo realmente interesante: la suma de las masas de los núcleos de bario-144 y criptón-89 es levemente inferior a la del núcleo de uranio-236 del que proceden («desaparece» alrededor del 0,1% de la masa original). ¿Adónde ha ido la masa que nos falta? Solo cabe una respuesta: se ha transformado en energía.
La fórmula E = m c², probablemente la más popular de la historia de la física, relaciona la masa y la energía, y lo que dice es, sencillamente, que una cierta cantidad de masa equivale a una cantidad concreta de energía, incluso aunque la masa se encuentre en reposo.
El núcleo de un átomo aunque esté en reposo contiene una cantidad grande de energía
De hecho, la equivalencia entre la masa y la energía, propuesta por Albert Einstein en 1905, nos dice algo más muy importante. La c de la fórmula representa la velocidad de la luz en el vacío, que, como todos intuimos, es un número muy grande (3 x 10⁸ m/s aproximadamente).
Además, está elevado al cuadrado, lo que significa que incluso una masa muy pequeña, como puede ser la porción del núcleo de un átomo, aunque esté en reposo contiene una cantidad grande de energía. Esto es lo que conocemos como energía en reposo.
Si la masa está en movimiento su energía total es mayor que su energía en reposo. Y, si observamos la equivalencia entre la masa y la energía, es sencillo darse cuenta de que la masa de un cuerpo en movimiento también es mayor que su masa en reposo, un fenómeno que nos introduce de lleno en la física relativista.
En cualquier caso, la energía que obtenemos al fusionar o fisionar núcleos atómicos procede de la fuerza que los mantiene unidos: la interacción nuclear fuerte.
Este es el aspecto metálico que adquieren las pastillas de óxido de uranio después de pasar por el horno. En esta etapa sus propiedades mecánicas permiten manipularlas con más sencillez porque no existe riesgo de contaminación, aunque sí de irradiación, por lo que es posible sostenerlas en la mano siempre y cuando nos protejamos con guantes.
Entender con cierta precisión la relación que existe entre la masa y la energía es importante porque nos ayuda a comprender cómo es posible que una masa tan pequeña como la de un átomo nos permita obtener una cantidad de energía tan grande.
En cualquier caso, el proceso de fisión nuclear no termina aquí. Y es que cada uno de los neutrones que hemos obtenido como resultado de la desintegración del núcleo de uranio-236 en los núcleos de bario-144 y criptón-89 puede interaccionar con otros núcleos fisionables, provocando una reacción en cadena.
No obstante, no todos los neutrones emitidos durante la desintegración del núcleo de uranio-236 van a interaccionar con un núcleo fisionable. Pero no hace falta que lo hagan todos ellos. Basta que uno solo de esos neutrones lo consiga para que obtengamos un número de fisiones estable, y, por tanto, una reacción controlada, que es el objetivo de los reactores de las centrales nucleares.
En las bombas atómicas, sin embargo, prevalece el sostenimiento de una reacción en cadena fruto de la presencia de un porcentaje mucho mayor de uranio-235 con el propósito de liberar una enorme cantidad de energía con una terrible capacidad destructiva.
Este es el rol del recinto de contención y los circuitos de refrigeración
Estos son dos de los recursos más importantes, pero no los únicos, con los que cuentan las centrales nucleares para preservar su seguridad y sostener su operatividad a lo largo del tiempo. El recinto de contención es una estructura de hormigón estanca y diseñada para mantener completamente aislado el circuito primario del entorno (enseguida veremos en qué consiste este circuito).
De hecho, este armazón está diseñado para no verse degradado por la dilatación, para soportar la energía de un terremoto, e, incluso, para resistir colisiones muy importantes, como, por ejemplo, el impacto de un avión. No obstante, además de proteger el reactor nuclear de agresiones externas se responsabiliza de evitar que el material radiactivo alojado en el circuito primario quede expuesto y entre en contacto con la atmósfera.
Estas declaraciones de Ignacio Araluce, el presidente de Foro Nuclear, las hemos tomado de la conversación que mantuvimos con él a finales de 2019, y describen con claridad la robustez del recinto de contención:
«No solo es absolutamente estanco debido a que por dentro está recubierto por una envoltura de acero inoxidable, sino que es capaz de resistir la mayor presión que pudiera tener por generación de gases en el caso de que se produjese el mayor accidente nuclear posible. Este edificio tiene unas paredes de hormigón tremendas.
Todas las centrales nucleares están obligadas a comprobar con mucha frecuencia la estanqueidad del edificio de contención, y para hacerlo se le inyecta aire comprimido, como si fuera un globo. De esta forma se hincha hasta alcanzar la presión de diseño del mayor accidente posible durante varios días y se comprueba que estructuralmente no ha sufrido la más mínima alteración. Y que no fuga absolutamente nada.»
El otro elemento de la instalación en el que merece la pena que indaguemos es el circuito de refrigeración. Aunque, en realidad, un reactor nuclear trabaja codo con codo con tres circuitos diferentes.
El circuito primario está constituido por la vasija, el intercambiador de calor y la bomba de circulación
El circuito primario está constituido por la vasija, que es el depósito que contiene las barras de combustible y el agua que debe permanecer en contacto con ellas para absorber su energía térmica; por el intercambiador de calor, que es un segundo depósito al que va a parar el agua caliente procedente de la vasija; y por una bomba que facilita la circulación del agua entre la vasija y el intercambiador de calor.
El circuito primario debe ser cerrado porque el agua que contiene al estar en contacto directo con las barras de combustible está contaminada. Y, por tanto, es radiactiva. En la siguiente imagen podéis ver con claridad los elementos que lo constituyen, con la vasija a la izquierda y el intercambiador de calor a la derecha:
El intercambiador de calor actúa como un generador de vapor, por lo que un segundo circuito se responsabiliza de introducir en su interior el agua fría que al entrar en contacto con el agua caliente del circuito primario entra en ebullición. De ahí procede el vapor necesario para transferir a la turbina la energía cinética que hará posible la obtención de electricidad gracias a la acción del alternador.
Una vez que el fluido atraviesa la turbina el vapor de agua se enfría y se condensa en el interior de un depósito adicional para propiciar la aparición de agua en estado líquido que volverá a ser introducida en el intercambiador de calor, dando lugar así a un segundo circuito cerrado conocido como circuito secundario.
De nuevo una bomba se responsabiliza de que el agua circule entre el depósito de condensación y el intercambiador de calor. En la siguiente imagen podéis identificar todos los elementos del circuito secundario, con el intercambiador de calor en el centro y el binomio turbina-alternador en el extremo derecho:
Hasta ahora hemos descrito dos circuitos cerrados diferentes, el primario y el secundario, pero nos hemos dejado un cabo suelto. Para que el vapor de agua del circuito secundario se condense en el interior del depósito de condensación es necesario introducir en este último agua fría.
Y para hacerlo es preciso recurrir a un tercer circuito conocido como circuito de refrigeración. El agua de esta última instalación procede del mar o de un río próximo a la central nuclear, de ahí que sea necesario alojar este tipo de centrales cerca de uno de estos dos recursos naturales.
El intercambio de energía térmica que se produce entre estos circuitos nos permite obtener la energía eléctrica que necesitamos, que es el fin último de las centrales nucleares, pero también persigue mantener las barras de combustible alojadas en el núcleo del reactor dentro de su rango óptimo de temperatura de trabajo.
La fusión del núcleo puede provocar que una parte del material radiactivo acabe saliendo fuera de la vasija
Si la energía térmica generada por el material fisionable de las barras de combustible como resultado de la fisión sostenida en el tiempo excede, por la razón que sea, la capacidad de los sistemas de refrigeración de transportar esa energía y mantener el núcleo del reactor dentro del rango óptimo de temperatura de trabajo, el combustible podría degradarse. Y si sucede esto podría pasar del estado sólido en el que se encuentra inicialmente a estado semisólido, o, incluso, a estado líquido.
Este fenómeno se conoce como fusión del núcleo, y puede provocar que una parte del material radiactivo acabe saliendo fuera de la vasija. Esto fue, a grandes rasgos y sin entrar en las causas del accidente, lo que sucedió en el reactor 4 de Chernóbil en 1986, pero hay diferencias muy importantes entre la central nuclear que sufrió aquel terrible accidente y las plantas en operación actualmente. Y una de esas diferencias fundamentales es que los reactores de la central de Chernóbil carecían de recintos de contención.
Como hemos visto, uno de los cometidos primordiales del recinto de contención es evitar que el material radiactivo quede expuesto al medio ambiente si se produce un accidente grave en el núcleo del reactor y se funde parcial o totalmente.
El reactor número 2 de la planta estadounidense Three Mile Island, alojada en Pensilvania, se fundió parcialmente en 1979, y gracias al edificio de contención sus consecuencias fueron infinitamente menos graves que las que desencadenó el accidente de Chernóbil.
En cualquier caso, las centrales nucleares en operación cuentan con sistemas redundantes y auxiliares que persiguen minimizar tanto como sea posible, por un lado, que se produzca un accidente, y, por otra parte, sus efectos dañinos si finalmente llegase a producirse. Ignacio Araluce nos explica en qué consiste esta estrategia de defensa proactiva:
«Como medida adicional, todos los sistemas de la central están diseñados a partir del mismo principio de defensa en profundidad. Esto provoca que sistemas como el de refrigeración del reactor sean redundantes, por lo que si falla uno seguirá cumpliendo su función el otro, que, además, estará alimentado por una energía diferente.
Y si los sistemas fallan todo el circuito primario está diseñado para que se establezca una circulación natural, de manera que haya un movimiento del agua a través del núcleo por gravedad y diferencia de temperaturas que lo vaya refrigerando.
La central nuclear, además, tiene sus propios generadores de energía eléctrica, que son redundantes. Y desde el accidente de Fukushima las centrales tienen unos equipos móviles que se movilizan si fallasen los generadores para inyectar directamente refrigeración al combustible nuclear.»
Los operadores nucleares están instruidos para resolver situaciones límite
Ya conocemos cuáles son los principales mecanismos de seguridad implementados en las centrales nucleares en operación, pero es evidente que el escenario que plantea una agresión externa de naturaleza bélica puede ser muy diferente al desencadenado por un accidente ocasionado por un fallo técnico o un error humano.
Es absolutamente razonable que algunas personas estemos preocupadas por las consecuencias que podría tener, por ejemplo, el impacto directo de un misil en el recinto de contención de un reactor nuclear durante uno de los enfrentamientos armados que están teniendo lugar en Ucrania en estos momentos.
Para que algo así desencadene una catástrofe similar a la de Chernóbil el agente externo debe ser capaz de dañar parcial o totalmente el edificio de contención. Y, como hemos visto, no es sencillo porque está diseñado para soportar impactos extremadamente violentos.
Además, también sería necesario que los elementos del circuito primario, como la vasija o el intercambiador de calor, se viesen afectados. O bien que resultasen dañados seriamente el circuito secundario o el circuito de refrigeración.
Aun así, si se produjesen estos daños, dependiendo de su alcance todavía tenemos una última barrera de contención, y es una de las más importantes: los operadores de la sala de control de la central nuclear. Y es que tienen a su disposición sistemas auxiliares y otros recursos que pueden ayudarles a contener el impacto de los daños. Alfredo García (alias @OperadorNuclear) nos explica cuál es su cometido:
«Su responsabilidad es operar el reactor nuclear y todos los sistemas que tiene asociados, como los sistemas de seguridad o de refrigeración. Supervisa todo lo que hace que un reactor pueda funcionar de forma segura y ante cualquier circunstancia. No solo durante una operación normal, sino también cuando se produce cualquier tipo de accidente. En una sala de control hay dos operadores: el operador de reactor y el operador de turbina.
También hay un jefe de sala de control, que tiene licencia de supervisor y que dirige el trabajo de los dos operadores. Cuando es necesario llevar a cabo maniobras el jefe de sala de control lee los procedimientos, da las órdenes, pide los datos y coordina la operación de los dos operadores. El siguiente escalón está ocupado por el jefe de turno, o el ayudante del jefe de turno, que es el puesto que ocupo desde hace seis años.»
Ignacio Araluce amplía lo que nos cuenta Alfredo, extendiéndolo a todas las personas que trabajan en una central nuclear:
«Hay otro nivel que es aún más importante: la cultura de seguridad. La formación de todas las personas que trabajan en una central nuclear es individualizada y permanente durante toda su carrera profesional. Además, cada operador no solo debe demostrar unos conocimientos teóricos, sino también las habilidades que necesita para desarrollar su puesto de trabajo.
Pero aquí no acaba todo. Por encima de todo esto existe una supervisión interna en las centrales nucleares que se responsabiliza de examinar minuciosamente el trabajo de los operadores. Y más allá de esta hay una supervisión adicional, a nivel de empresa, que examina no solo el desempeño de los trabajadores, sino también el de la organización. Y por encima de esta hay otros equipos de supervisión externos constituidos por expertos internacionales que examinan si los métodos de seguridad utilizados por las empresas son los adecuados.»
El conflicto bélico que está teniendo lugar en Ucrania podría comprometer la seguridad de alguna de las centrales nucleares que se están viendo afectadas, pero, como acabamos de ver, no son tan frágiles como puede parecer si no conocemos cómo están diseñadas.
En cualquier caso, solo nos queda esperar que esta terrible guerra acabe pronto. Y, además, que lo haga sin comprometer la seguridad de unas instalaciones tan sensibles como lo son las centrales nucleares.
Imágenes | DPA Germany | MikeRun
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