Fusión de núcleo

Planta de energía nuclear Three Mile Island consiste de dos reactores de agua a presión fabricados por Babcock & Wilcox, cada uno dentro de su propio edificio de contención conectado a una torre de refrigeración. El reactor 2, que sufrió una fusión parcial causando un serio daño del combustible, esta en segundo plano.

La fusión de núcleo es el término por el que se designa a un tipo de accidente grave en un reactor nuclear, en el que el combustible cambia de estado sólido a líquido por efecto del calentamiento del combustible, éste puede ser debido a un aumento de potencia o la imposibilidad de ser refrigerado. No debe confundirse con el término fusión nuclear, cuyo significado hace referencia a la unión de átomos.

La fusión de núcleo ocurre cuando los sistemas de seguridad de una central nuclear fallan y provocan que la reacción nuclear deje de ser controlada, conllevando que la temperatura dentro del núcleo de la central aumente vertiginosamente y pueda provocar la fusión de los materiales radiactivos, usualmente uranio o plutonio. La fusión de núcleo es el accidente más temido, debido a que puede provocar el colapso de la estructura del núcleo, y con ello expulsar gran cantidad de materiales radiactivos al medio ambiente si hay algún tipo de explosión o si se filtran al subsuelo. Evidentemente, una fusión de núcleo implica, casi con total seguridad, la destrucción del reactor y la imposibilidad de su reparación.

Causas

Para que se produzca la fusión de núcleo ha de producirse una cadena de fallos. Éstos pueden ser una pérdida de control de la presión, una pérdida de refrigerante, un aumento inadvertido de la potencia de generación, un incendio, o bien la combinación de algunos de estos fallos.

• En los accidentes debidos a pérdida de control de la presión del líquido refrigerante cae por debajo de los niveles operacionales, a veces sin que los operadores tengan indicios de ello. Si se usa un gas inerte como refrigerante, se reduce la eficiencia en la transferencia del calor, mientras que si se utiliza agua a presión se genera una burbuja de vapor que rodea el combustible. En este último caso, debido al calentamiento del vapor la presión necesaria para enfriar dicha burbuja puede exceder los valores especificados para el diseño, con lo que el enfriamiento tardaría mucho más en producirse.
• Si se produce una pérdida de refrigerante es muy probable que se experimenten pérdidas de control de presión, o síntomas similares. La pérdida del refrigerante ocasionará un desequilibrio en la transferencia de calor del núcleo al refrigerante, o bien la formación de una burbuja que acumule dicho calor.
• Cuando se produce un aumento de la potencia por encima de los niveles tolerables se aumenta, de forma consecuente, la reactividad, pudiendo llegar a sobrepasar los parámetros de diseño del reactor. La reacción en cadena aumenta exponencialmente, provocando, con ello, un aumento súbito del calor generado.
• En ocasiones el problema se debe a incendios, bien dentro del núcleo, bien en instalaciones relacionadas. Un incendio dentro del núcleo contribuye a aumentar el calor del material radiactivo y, con ello, a favorecer su fundición. Esto es posible en algunos reactores que son refrigerados por hidrógeno o grafito: si se manipula sin cuidado el refrigerante puede sobrepasarse su tolerancia a la temperatura y originarse un incendio. Si el incendio se produce en otras instalaciones (por ejemplo, en los sistemas de cableado), es posible que se pierda el control de la reacción, debido a la inutilización de los dispositivos electrónicos.

Para que se produzca la fusión de núcleo no es estrictamente necesario que el reactor esté funcionando y en su estado óptimo de criticidad. En caso de un accidente, la presencia de fuego y el calor residual pueden prolongar la citada fusión.

Consecuencias

Cuando el núcleo se ha derretido, el combustible fundido es capaz de destruir la estructura de la vasija del reactor. Incluso, dependiendo de las características de la construcción del edificio de contención, si es que la central dispone de uno, podría ocurrir que el material radiactivo llegase a penetrar en el subsuelo. Si el material en estado fundido entra en contacto con el agua se produce una explosión de vapor, agravando enormemente la situación. Además, todo material que entre en contacto con el núcleo en estado fluido se derretirá o incendiará.

En los peores casos puede producirse una explosión con motivo de la acumulación de gases o del contacto con agua. La violencia de la explosión podría expulsar materiales radiactivos al medio ambiente, sobre todo si no existe un edificio de contención que aisle al reactor de la atmósfera. Dos ejemplos totalmente antagonistas son los de la central nuclear de Three Mile Island (Estados Unidos) y la central nuclear de Chernobyl (Ucrania, entonces URSS). La primera sufrió una fusión parcial de núcleo, que derivó en una explosión. En el segundo caso la fusión fue completa, y también provocó una explosión. La diferencia radica en que la central estadounidense dispone de edificio de contención y la ucraniana no. La primera no registró daños personales, mientras que en la segunda hubo que evacuar a 600.000 personas de sus hogares, siendo la cifra oficial de 31 muertos y la extraoficial de varias decenas de miles.

A pesar de las investigaciones realizadas y de la experiencia a raíz de algunos accidentes, aún no se sabe con exactitud el poder de penetración en los materiales del combustible derretido. Un ejemplo de ello es que, en virtud del diseño de las centrales de Three Mile Island y Chernobyl, ninguna de las dos debía haber concluído con su vasija intacta. Es más, la central estadounidense estuvo mucho más tiempo en estado de fusión que la ucraniana, y sin embargo los daños fueron menores.

Cuando se produce una fusión de núcleo es necesario esperar un tiempo prudencial hasta que se haya estabilizado el entorno de trabajo. Generalmente, los niveles de radiactividad serán altos durante miles de años, pero es de esperar que los elementos más potentes, como el yodo, reduzcan su presencia tras una semana.

Hay tres factores que determinan el grado de probabilidad y peligrosidad de una fusión de núcleo. Conocer y controlar estos parámetros puede ser vital para que un equipo de operadores y técnicos de una central nuclear sean capaces o no de detener a tiempo una fusión:

1. El tiempo necesario para que el refrigerante pierda su eficacia o resulte dañado.
2. El tiempo necesario para que el combustible empiece a derretirse.
3. El tiempo necesario para que el material fundido atraviese las protecciones.

Estos tiempos son fundamentales para evitar un accidente de proporciones catastróficas. Cuanto mayor sea el tiempo, más posibilidades hay de que sea detenible una reacción conducente a una fusión de núcleo y, por tanto, la probabilidad de que ésta se produzca será menor.

Efectos

Los efectos que provoquen una fusión de núcleo estarán muy relacionados con los parámetros de seguridad introducidos en el diseño del reactor. Los reactores modernos incorporan elementos de seguridad activa ante posibles fusiones de núcleo, es decir, están diseñados para que la posibilidad de una fusión sea lo más reducida posible.

La estructura del reactor suele estar contenida dentro del edificio de contención. Este diseño, de hecho, es obligatorio en la actualidad. En el caso de una fusión de núcleo, todo el material debería quedarse dentro de dicho edificio, con lo que los daños provocados serían estrictamente económicos. Sin embargo, dada la escasa cantidad de fusiones de núcleo que ha registrado la industria nuclear es difícil establecer unos datos estadísticos claros a este respecto, lo que dificulta la toma de decisiones, más allá de lo puramente teórico y lo poco que se ha podido experimentar.

Otros efectos, aún no comprobados por no haberse experimentado en accidentes, es la fusión del combustible y del material de la vasija, hasta llegar a un material no fusionable o hasta que se alcanzan las aguas subterráneas. Este fenómeno se conoce como el Síndrome de China. Algo que se descarta absolutamente es que una fusión de núcleo pueda generar una explosión nuclear como las provocadas por el armamento atómico; no obstante, como ya indicamos antes, un eventual contacto del material fluido con una reserva de agua provocaría una explosión de vapor que diseminaría el material radiactivo por una amplia extensión de terreno. Hay que recordar que el agua se mantiene como tal hasta los 1500 grados centígrados, después de eso se separa en sus componentes oxígeno e hidrógeno, este último altamente combustible.

Seguridad Activa

Los mecanismos de seguridad activa estarán encaminados a minimizar la posibilidad de que se provoque una fusión de núcleo. Entre estas medidas se pueden destacar las siguientes:

• Uso de sistemas de refrigeración efectivos, seguros y redundantes. La redundancia es vital, puesto que implica que si un sistema de refrigeración falla, los demás sigan funcionando y eviten el sobrecalentamiento del núcleo.
• Sistemas de control redundantes. La redundancia en el control es necesaria para los casos en que un incendio u otra contingencia inutiliza los sistemas tradicionales de control.

Seguridad Pasiva

Cuando la fusión de núcleo es inevitable, los sistemas de seguridad activa no tienen más posibilidad de ayudar a los operadores. En estos casos han de actuar los sistemas de seguridad pasiva, que tratan de minimizar las consecuencias de la fusión:

• Presencia de un edificio de contención que evite la liberación de material radiactivo a la atmósfera.
• Diseño de la vasija de modo que resista el calor de la fusión de núcleo. En cualquier caso, si se produce la fusión del combustible y la vasija, ésta debe ser controlada, es decir, debe producirse de un modo que sea conocido por los ingenieros, técnicos y operadores, a fin de minimizar los imprevistos.

Sucesos

La fusión de núcleo más conocida y de más graves consecuencias ocurrió en la central nuclear de Chernóbil, el 26 de abril de 1986, en Ucrania (que, cuatro años antes, ya había padecido una fusión parcial de núcleo en su reactor número 1). En 1979, se produjo otra de similares características pero con muchos menos daños, en Three Mile Island, Pensilvania, Estados Unidos. Otras centrales en las que se han registrado fusiones parciales de núcleo son:

• NRX, Ontanio, Canadá, en 1952.
• EBR-I, Idaho, Estados Unidos, en 1955.
• Windscale (ahora Sellafield), Inglaterra, en 1957.
• Laboratorio de Santa Susana, Simi Hills, California, Estados Unidos, en 1959.
• SL-1, Idaho, Estados Unidos, en 1961.
• Estación Nuclear Enrico Fermi, Escocia, en 1967.
• Chapelcross, Dumfries and Galloway, Escocia, en 1967.
• Planta A1, Jaslovské Bohunice, Checoslovaquia, en 1977.
• Planta de Okuma, Fukushima, Japón, en 2011.

Además, algunos submarinos nucleares han experimentado la fusión del núcleo de su reactor.^{[cita requerida]}

Véase también

• Three Mile Island
• Accidente de Chernóbil
• Síndrome de China
• Central nuclear
• Energía nuclear
• Accidente nuclear
• Contaminación radiactiva