1 Three Mile Island, Chernobyl, Fukushima y el Futuro de la Energía Nuclear Juan Carlos Sanabria Departamento de Física UNIVERSIDAD DE LOS ANDES Bogotá, Colombia Seminario de Altas Energías. Bogotá, Colombia, Abril 2011

2 Masa Nuclear

3 Energía de Ligadura Nuclear

4 El máximo de B se encuentra en A = 56, que corresponde a 56 Fe Para núcleos más ligeros que el Hierro, B tiene pendiente positiva y para núcleos más pesados que el Hierro, B tiene pendiente negativa. Si dos núcleos ligeros se funden, el proceso genera un déficit de masa que se convierte en energía. FUSIÓN NUCLEAR. Si un núcleo pesado se rompe en dos, también genera un déficit de masa que se convierte en energía. FISIÓN NUCLEAR.

5 Fisión Nuclear

6 ¿Por qué sucede la fisión nuclear?

7 Fisión inducida por neutrones para isotopos del Uranio

8 Reacción de Núcleo Compuesto

9 Energía de Activación

10 Fisilidad de los Isotopos del Uranio con Neutrones Térmicos

11 Energía de Excitación y Apareamiento de Nucleones

12 Isotopos con Alta Fisilidad Inducida por Neutrones Térmicos

13 Abundancia de Isotopos

14 Numero de Neutrones Liberados por Fisión

15 Energía de los Neutrones Producidos

16 Fisión Asimétrica

17 Fragmentos de Fisión del 235 U 1 Krypton 83-86 2 Rubidium 85,87 3 Strontium 88-90 4 Yttrium 89 5 Zirconium 90-96 6 Molybdenum 95, 97, 98, 100 7 Technetium 99 8 Ruthenium 101-106 9 Rhodium 103 10 Palladium 105-110 11 Silver 109 12 Cadmium 111-116 13 Indium 14 Tin 117-126 15 Antimony 121,123 16 Tellurium 125, 128, 130 17 Iodine 129, 131, 135 18 Xenon 131-136 19 Caesium 133, 134, 135, 137 20 Barium 138, 139 21 Lanthanides (lanthanum 139, cerium 140-144, neodymium 142- 146, 148, 150, promethium-147, and samarium 149, 151, 152, 154)

18 Fracción de la radioactividad de los diversos isotopos como función del tiempo

19 Energía Emitida en Fisión de 235 U Inducida por Neutrones Térmicos

20 Central Nuclear Reactor Nuclear – Combustible – Moderador de neutrones – Control de neutrones – Venenos Combustible nuclear usado Sistema de enfriamiento Intercambiador de calor Turbina de vapor Generador eléctrico

21 Reactor Nuclear Combustible Uranio, típicamente enriquecido, es decir que la fracción de 235 U se ha incrementado por medio de algún proceso físico. -SEU: 0.8 – 2 % -LEU: 2 – 20 % -WU : > 20 % -HEU : 20 – 85 % (“weapon grade”) Moderador de Neutrones Materiales con núcleos ligero, tales que los neutrones rápidos pierdan su energía cinética en colisiones elásticas y se termalizen rápidamente. - Grafito -Agua Pesada (D 2 O). Baja absorción de neutrones, pero puede producir tritio. - Agua Ligera (H 2 O). El hidrogeno absorbe neut rones. Control de Neutrones Isotopos con una alta sección transversal de absorción de neutrones: -Cadmio -Boro Venenos del Reactor Productos de fisión con alta sección transversal de absorción de neutrones: - 135 Xe, 149 Sm

22 Enfriamiento del Reactor La refrigeración de un reactor es un elemento esencial. Si no se evacua el calor generado, el material del reactor se derrite (“reactor meltdown”). El medio refrigerante debe circularse para extraer el calor. Este calor es llevado a un intercambiador donde se deposita en agua, que se convierte en vapor. El vapor a alta presión mueve una turbina que a su vez pone en movimiento un generador eléctrico. Refrigerantes: – Agua – CO2 – Helio – Metales liquidos : Sodio, Mercurio, Plomo y aleaciones de estos.

23 Envenenamiento de un Reactor Durante su Apagado

24 Tipos de Reactores Boiling-Water Reactor, BWR (Fukushima) Pressurized-Water Reactor, PWR (Three-Mile Island) Pressurized-Heavy-Water Reactor, PHWR Canadian Deuterium-Uranium Reactor, CANDU Gas-Cooled Reactor, GCR High-Power Channel-Type Reactor, RBMK (Chernobyl) Breeder Reactors etc.

25 Boiling-Water Reactor

26 Pressurized-Water Reactor

27 CANDU Reactor

28 Gas-Cooled Reactor

29 El Incidente de Three-Mile Island Lugar: Central Nuclear Three-Mile Island en Harrisburg, Pennsylvania, EEUU. Fecha: 28 de marzo de 1979 Naturaleza del evento: Derretimiento parcial del reactor de la unidad 2, con fuga de vapor contaminado. Radioactividad emitida: Gases radioactivos: 481 PBq 131 I : 740 GBq International Nuclear Event Scale: 5 Accidente con consecuencias amplias.

30 Los Eventos El evento comenzó a las 4 a.m. Operarios hacían mantenimiento a filtros en el loop secundario de agua. Por razones desconocidas fallaron las válvulas que alimentaban las turbinas. Los generadores eléctricos se detuvieron, disparando el proceso de apagado de emergencia del reactor. Con el loop secundario de agua fuera de servicio, el sistema de bombas de respaldo entró en acción para remover el calor remanente. Las válvulas de este sistema estaban cerradas debido al procedimiento de mantenimiento (violación de normas de seguridad). La presión en el loop primario de agua comenzó a incrementarse, disparando válvulas para liberar presión en el contenedor del reactor (como en una olla exprés). Después de liberado el exceso de presión la válvula no se cerró, causando perdida excesiva de refrigerante. Información ambigua en el panel de control no permitió a los operarios percatarse de este problema La perdida del refrigerante causo el derretimiento parcial del reactor.

31 Consecuencias El sobrecalentamiento del reactor generó la producción de hidrogeno, causando una pequeña explosión al interior del contenedor del reactor. La explosión causó una fuga de agua contaminada desde el loop primario. Con la válvula de liberación de presión abierta y trabada, vapor de agua contaminado escapo al medio ambiente. 28 horas después del comienzo del incidente, 140,000 personas fueron evacuadas de los alrededores de la central nuclear.

32 Consecuencias para la Industria Nuclear Desde 1963 el uso de la energía nuclear había venido creciendo cada año en todo el mundo. La crisis energética debida al embargo de petróleo por parte de la OPEP en 1973, había convencido a muchos países a optar por la energía nuclear. A partir del accidente de Three-Mile Island en 1979, este ímpetu disminuyó. Varios proyectos fueron cancelados durante su construcción o planeamiento.

33 El Incidente de Chernobyl Lugar: Cernobyl, Ucrania (antigua Unión Soviética) Fecha: 26 de Abril de 1986 Naturaleza del evento: Una serie de explosiones en el reactor numero 4, que terminaron en la expulsión de toneladas de material radioactivo a la atmosfera. Radioactividad emitida: Gases y polvo radioactivos: 2000PBq 131 I : 1760 PBq Internationa Nuclear Event Scale: 7 Emisión masiva de radioactividad con consecuencias serias para la salud y el ambiente.

34 Los Eventos (1) Los reactores soviéticos, del tipo de los de Chernobyl, poseían un problema de seguridad asociado a las bombas de agua de respaldo. Estas bombas, actuadas por motores Diesel, solo podían entrar en funcionamiento, en caso de emergencia, después de un minuto. Para tratar de disminuir este gap, se propuso usar la inercia rotacional remanente en las turbinas de vapor (después del apagado de emergencia) para ayudar al arranque de los motores Diesel. La prueba de esta idea debería realizarse durante el apagado normal de un reactor, para cambiar combustible, simulando un apagado de emergencia. Esta prueba ya había fracasado en reiteradas ocasiones y había generado impaciencia por poner el nuevo sistema en servicio. Una nueva prueba se planeo para el 25 de Abril de 1986 en el Reactor 4 de la planta de Chernobyl, en el cual se iba a simular un apagado de emergencia. La prueba debería comenzar en las primeras horas del día, llevado a cabo por un grupo de operarios entrenados para este tipo de procedimientos.

35 Los Eventos (2) A los pocos minutos de comenzada la reducción de la energía en el reactor, otra central eléctrica salió de funcionamiento y se solicitó a Cernobyl retardar el apagado del reactor 4. El procedimiento se reinicio a las 11:00 pm. Debido al retraso, los operarios del turno de la mañana ya se habían ido a casa y los operarios del turno de la noche no eran los más idóneos. Al haber operado el reactor durante todo el día con una potencia reducida se había acumulado 135 Xe, que es un veneno (absorbe neutrones). Para iniciar la prueba hubo necesidad de aumentar la potencia del reactor, pero debido a la acumulación de 135 Xe, las barras de control tuvieron que ser extraídas más de la cuenta. Una vez alcanzado el nivel de potencia adecuado,el operario introdujo barras de control demasiado reduciendo drásticamente la potencia. Para restablecer el nivel de potencia adecuado hubo de extraerse las barras de control aún más, debido al envenenamiento extra del reactor. El reactor había llegado a un estado muy inestable y varias alarmas así lo indicaban, pero los operarios insistieron en continuar con la prueba.

36 Los Eventos (3) El flujo de agua al reactor fue aumentado como parte de la prueba. Este alto flujo redujo la concentración de neutrones (por absorción) disminuyendo la potencia del reactor. Los operarios extrajeron aun más barras de control. Prácticamente todas las barras de control estaban por fuera y a partir de ese punto cualquier excursión del reactor sería incontrolable. A la 1:23 am del 26 de abril se inició la prueba con las turbinas y los motores Diesel, apagando las bombas principales. Esta operación redujo la capacidad de enfriamiento y de absorción de neutrones. Esto era todo lo que necesitaba el reactor para desbocarse. El sobrecalentamiento súbito del reactor evaporó el agua presente, haciendo la situación aún más grave. Los operarios intentaron introducir las barras de control rápidamente, pero estas tenían puntas metálicas, que desplazaron la poca agua que quedaba en los canales, disminuyendo la absorción neutrones. A partir de ese momento el reactor quedó completamente fuera de control. La potencia pasó de 200 MW a 30 GW en unos pocos instantes.

37 Las Consecuencias (1) La excursión del reactor produjo una serie de explosiones, que terminaron por vaporizar una fracción del mismo. Unas 3.5 toneladas de material altamente radioactivo fueron emitidas a la atmosfera. La gran mayoría de los operarios presentes murieron en un lapso de tres semanas debido a la altísima exposición a la radioactividad. Los bomberos que acudieron a apagar los incendios también recibieron dosis mortales. Los que subieron a la terraza nunca regresaron. A las dos de la tarde del día siguiente se iniciaron las evacuaciones de las zonas afectadas. Unas 336,000 personas fueron evacuadas de regiones cercanas en Ucrania, Bielorrusia y Rusia. La nube radioactiva alcanzó los países de Europa Occidental al cabo de un día En Suecia alarmas en instalaciones nucleares se dispararon, alertando a Occidente de que un desastre nuclear había ocurrido en la Unión Soviética

38 Las Consecuencias (2) El material radioactivo emitido a la atmosfera fue más de doscientas veces el emitido en Hiroshima y Nagasaki El material emitido a la atmosfera fue menos de una centésima del material emitido durante las pruebas nucleares de los años 1950´s. 31 personas murieron durante los primeros tres meses. 237 personas sufrieron de contaminación radioactiva aguda. El embalse del Rio Dnipro se contamino con material radioactivo. Los bosques de los alrededores de Chernobyl murieron, adquiriendo un aspecto que los llevó a ser llamados “Bosques Rojos”

39 Las Consecuencias para la Industria Nuclear El impacto sicológico en los afectados produjo un enorme rechazo en la opinión publica hacia el uso de la energía nuclear Varios países decidieron reducir e incluso cancelar sus proyectos de construcción de centrales nucleares. La expansión de la capacidad instalada de energía nuclear se detuvo. Tomo unos veinte años para que la industria nuclear se recuperara. Quedo claro que los riesgos asociados a la energía nuclear sobrepasan las fronteras de los países. Surgió la necesidad de una cooperación estrecha a nivel internacional en asuntos de seguridad nuclear.

40 El Incidente de Fukushima Lugar: Fukushima, Japón Fecha: 11 de Marzo de 2011 Naturaleza del evento: Fallas múltiples en los reactores 1, 2, 3,4 de la Planta Nuclear Fukushima I, debido a un terremoto y posterior tsunami. Radioactividad emitida: 131 I : ~ 100 PBq Internationa Nuclear Event Scale: 6 Emisión significativa de material radioactivo con la necesidad de implementar medidas para minimizar los efectos.

41 Los Eventos A las 2:46 pm se produjo un terremoto y un subsecuente tsunami. Debido al terremoto fallaron las bombas principales del sistema de enfriamiento de los reactores 1, 2, 3, 4. Debido al tsunami fallaron los sistemas de enfriamiento de respaldo. Se declaró la emergencia nuclear debido a la falla total de los sistemas de enfriamiento. Derretimiento parcial del reactor 1 y explosión debido a acumulación de hidrogeno (al día siguiente). Subsecuentes derretimientos de los reactores 2 y 3. Explosiones en los reactores 1, 3 y 4 destruyeron el techo de los edificios. Explosión en el contenedor del reactor 2. Incendios en el edificio del reactor 4. Sobrecalentamiento de las barras de combustible usado en los reactores 1 al 4, debido a falta de agua.

42 Las Consecuencias Emisión de importantes cantidades de material radioactivo a la atmosfera debido a las explosiones e incendios. Filtraciones y vertimientos de agua contaminada al Océano Pacifico. Contaminación de los vegetales, leche y carne en las zonas cercanas a la planta nuclear Sospecha de que las emisiones de 131 I y 137 Cs se acercan a los niveles del accidente de Chernobyl. ?

43 Problemas de la Industria de la Energía Nuclear Seguridad: A pesar de que el diseño y operación de los reactores modernos es muy segura, la posibilidad de accidentes de naturaleza inesperada siempre está presente. Costo: Actualmente la energía nuclear es más costosa que la generada por combustibles fósiles. Esta situación podría cambiar en un futuro. Desechos: Después de cincuenta años de uso de la energía nuclear, el problema de los desechos no ha sido confrontado de manera eficiente. Proliferación: El peligro del tratamiento del combustible usado para enriquecer 235 U y extraer 239 U, con el fin de producir armas nucleares. Rechazo de la opinión publica: Generado por el miedo a la energía nuclear y su asociación con la radioactividad y el cáncer. Tiene un muy importante efecto en la toma de decisiones a nivel político.

44 Uso Comparativo de la Energía Nuclear

45 Crecimiento de la Demanda Energética

46 Uso de Energía Nuclear a Nivel Mundial

47

48 Reactores Nucleares en Servicio

49 Reactores en Construcción

50 Impacto del Retiro de Centrales Nucleares en la Emisión de CO 2

51 Medidas Necesarias para Confrontar el Problema Energético en el Siglo XXI Tomar todo tipo de medidas para tratar de disminuir el consumo energético. Incrementar la eficiencia en la generación y uso de la energía eléctrica Expandir el uso de fuentes de energía renovable: eólica, solar, geotérmica y de biomasas. Incrementar en forma drástica la captura de CO 2 producido en centrales termoeléctricas. Incrementar el uso de energía nuclear, con rigurosas medidas de seguridad y enfrentando los problemas de los desechos y de los riesgos de proliferación.