Explicación de la mecánica de una fusión nuclear

Jenny Marder

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Después de una poderosa explosión el martes, los trabajadores japoneses todavía están luchando por recuperar el control de una planta de energía nuclear dañada por un terremoto y un tsunami, en medio de temores cada vez mayores de una fusión total.

Lo que plantea las preguntas: ¿Qué es exactamente una fusión nuclear? ¿Y qué es una fusión parcial?

"Se está hablando mucho del término 'fusión', y creo que la gente piensa que cuando se calienta el combustible, las cosas empiezan a derretirse y volverse líquidas", dijo Charles Ferguson, físico y presidente de la Federación de Científicos Estadounidenses. "Pero hay diferentes pasos en el camino".

Dentro del núcleo de los reactores de agua hirviendo en las instalaciones japonesas de Fukushima Dai-ichi hay miles de barras de combustible de metal de circonio, cada una apilada con bolitas de cerámica del tamaño de borradores de lápiz. Estos pellets contienen dióxido de uranio.

En circunstancias normales, la energía se genera aprovechando el calor producido mediante un proceso de división de átomos llamado fisión nuclear. Cuando los átomos de uranio se dividen, producen calor y al mismo tiempo crean lo que se conoce como productos de fisión. Se trata de fragmentos radiactivos, como el bario, el yodo y el cesio-137. En un reactor nuclear en funcionamiento, el agua se bombea al núcleo calentado del reactor, hierve, se convierte en vapor y acciona una turbina, generando electricidad.

"Básicamente, cada átomo de uranio se divide en dos partes, y se obtiene una sopa completa de elementos en el medio de la tabla periódica", dijo Arjun Makhijani, ingeniero nuclear y presidente del Instituto de Investigación Energética y Ambiental.

Un reactor es como una olla a presión. Contiene agua hirviendo y vapor, y a medida que aumenta la temperatura, también aumenta la presión, ya que el vapor no puede escapar. En caso de una falla en el enfriamiento, se inyecta agua para enfriar las barras de combustible y aumenta la presión.

Este núcleo sobrecalentado debe enfriarse con agua para evitar el sobrecalentamiento y una acumulación excesiva de vapor, que puede provocar una explosión. En Japón, han estado aliviando la presión liberando vapor a través de válvulas de presión. Pero es una compensación, ya que no hay manera de hacer esto sin liberar también algo de material radiactivo.

Una fusión nuclear es un accidente resultante de un calentamiento severo y una falta de enfriamiento suficiente en el núcleo del reactor, y ocurre en diferentes etapas.

A medida que el núcleo se calienta, el metal circonio reacciona con el vapor para convertirse en óxido de circonio. Este proceso de oxidación libera calor adicional, aumentando aún más la temperatura dentro del núcleo. Las altas temperaturas hacen que el revestimiento de circonio que cubre la superficie de las barras de combustible se ampolle y se infle. Con el tiempo, ese metal de circonio ultracaliente comienza a derretirse. Las partes expuestas de las barras de combustible eventualmente se vuelven líquidas, se hunden en el refrigerante y se solidifican. Y ese es sólo el comienzo de un evento potencialmente catastrófico.

"Esto puede obstruir e impedir el flujo de más refrigerante", dijo Ferguson. “Y eso puede convertirse en un círculo vicioso. La fusión parcial puede solidificar y bloquear los canales de enfriamiento, lo que lleva a una mayor fusión y temperaturas más altas si no hay un enfriamiento adecuado”.

Una fusión total implicaría que todo el combustible en ese núcleo se derrita y una masa de material fundido caiga y se asiente en el fondo de la vasija del reactor. Si el recipiente se rompe, el material podría fluir hacia el edificio de contención más grande que lo rodea. Esa contención está protegida por capas protectoras de acero y hormigón.

"Pero si se rompe esa contención, entonces potencialmente una gran cantidad de material podría ir al medio ambiente", dijo Ferguson.

La fusión también puede ocurrir en las piscinas que contienen barras de combustible gastadas. Las barras de combustible usadas se retiran del reactor y se sumergen en lo que se llama una piscina de combustible gastado, que enfría y protege el material radiactivo.

El sobrecalentamiento de las piscinas de combustible gastado podría provocar la evaporación del agua que contiene y enfría las barras. Sin refrigerante, las barras de combustible se vuelven muy vulnerables a incendiarse y arder espontáneamente, liberando niveles peligrosos de radiación a la atmósfera.

"El agua no sólo proporciona refrigeración, sino que también proporciona protección", dijo Robert Álvarez, experto nuclear y académico del Instituto de Estudios Políticos. "Las tasas de dosis [de radiación] provenientes del combustible gastado a distancias de 50 a 100 yardas podrían poner en peligro la vida".

Dado que el combustible gastado es menos radiactivo que el combustible en el núcleo del reactor, estos charcos son más fáciles de controlar, dijo Peter Caracappa, profesor y oficial de seguridad radiológica del Instituto Politécnico Rensselaer. Pero también están menos contenidos. "Si se libera material, tiene un mayor potencial de propagación porque no existe una contención primaria", dijo.

La mayoría de los problemas con los generadores de respaldo fueron causados ​​por el tsunami que los inundó. Pero Makhijani sospecha que los daños invisibles causados ​​por el terremoto pueden estar añadiendo otro desafío.

"Creo que debido a que el terremoto fue tan severo, probablemente ahora se están haciendo evidentes muchos daños", dijo. “Es posible que las válvulas se hayan desplazado y que haya tuberías rotas. No podemos saberlo, porque no hay forma de sospechar. Ayer tuvieron problemas para abrir una válvula. Y han tenido problemas para mantener el refrigerante en el interior, lo que significa fugas”.

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Jenny Marder

Jenny Marder es escritora científica senior de la NASA y periodista independiente. Sus historias han aparecido en el New York Times, el Washington Post y National Geographic. Anteriormente fue editora en jefe digital de PBS NewsHour.