Home Energía ¿Qué pasa en Fukushima (Parte 2)? Extracción de Calor del Núcleo.

¿Qué pasa en Fukushima (Parte 2)? Extracción de Calor del Núcleo.

escrito por Manuel Fernández Ordoñez 24 marzo, 2011

En la primera parte de esta serie de artículos explicamos cómo se genera electricidad en una central nuclear del tipo BWR y cuál es su modo de operación en condiciones normales. Nos centraremos hoy en describir qué mecanismos entran en funcionamiento cuando se detiene la reacción en cadena en el núcleo del reactor y queremos llevarlo a parada fría (dejar el núcleo con una temperatura cercana a la ambiental).

Cuando el reactor nuclear está en operación normal, en su interior tiene lugar una reacción en cadena estable y autosostenida. ¿Qué quiere decir esto? Cada vez que un núcleo de Uranio-235 se fisiona se rompe en dos núcleos más pequeños, emitiendo además unos pocos neutrones y generando una cantidad elevada de energía. La clave está en esos neutrones que se emiten. Uno, sólo uno, exclusivamente uno de esos neutrones genera una nueva fisión en otro núcleo de Uranio-235. El resto de neutrones deambulan por el reactor hasta que se pierden o son capturados por otros núcleos sin inducir una fisión. Es decir, cada núcleo de Uranio-235 que se fisiona va a provocar, a su vez, una nueva fisión en otro núcleo de Uranio-235. Pero solo una, exclusivamente una, ahí está la clave de una reacción en cadena autosostenida.

Un reactor nuclear es una máquina increíble donde, cada segundo, se crean 100 trillones de neutrones y desaparecen EXACTAMENTE 1oo trillones de neutrones. Ni uno más, ni uno menos.

Ahora que sabemos que la clave de una reacción en cadena está en los neutrones que se emiten en cada fisión nos resultará muy sencillo entender cómo se “para” un reactor nuclear, cómo se detiene la reacción en cadena. Simplemente hay que evitar que los neutrones emitidos por el Uranio-235 cuando éste se fisiona alcancen otros núcleos de uranio y los fisionen. Para ello se introducen en el reactor unos materiales que se “comen” los neutrones, haciéndolos desaparecer del reactor. Las barras de control del reactor están construidas, precisamente, con este tipo de materiales. Cuando las barras de control se introducen en el reactor, la reacción en cadena se detiene automáticamente.

Las barras de control pueden entrar en el reactor de manera automática por diversos motivos. Uno de ellos es que tenga lugar un terremoto de una intensidad determinada. En caso de que esto suceda, los reactores están diseñados para que las barras de control detengan la reacción en cadena y el reactor se pare. Esto fue exactamente lo que sucedió el 11 de Marzo de 2011 a las 14:46 en Japón, que todos los reactores afectados por el terremoto de grado 9.0 en la escala de Richter detuvieron sus reacciones en cadena porque las barras de control hicieron exactamente lo que se esperaba que hicieran, entrar automáticamente en el interior del reactor. Las centrales respondieron como debían, hicieron lo que debían hacer, no fallaron.

Ahora bien, imaginen un barco que navega por el océano con los motores a plena potencia. Imaginen que paramos los motores del barco, éste no detiene su movimiento de manera inmediata ¿verdad?. O imagine que va usted por la autovía a 120 km/h (perdón, 110) y levanta el pie del acelerador, el coche no se detiene inmediatamente, se iría frenando poco a poco, pero recorrería muchos metros antes de detenerse. Algo similar sucede con un reactor nuclear, cuando las barras de control detienen la reacción en cadena el núcleo no se enfría inmediatamente. El reactor número 1 de Fukushima estaba generando 1380 Megawatios de potencia en el momento del terremoto pero, al meter las barras de control, la potencia no se desvanece sin más. Descendió en un instante hasta 100 MW, aproximadamente, y a partir de ahí esa potencia decae lentamente a medida que pasa el tiempo.

Para hacernos una idea, un reactor nuclear como el de Fukushima 1 recién parado tiene la potencia que demandan 10.000 familias medias españolas. ¡Cuando está parado¡ Esa potencia, en forma de calor, hay que extraerla del interior del reactor, enfriando el mismo y consiguiendo llevarlo a parada fría. Si no se consigue extraer ese calor residual del interior del núcleo, los elementos combustibles (que son la fuente de calor) comenzarían a incrementar su temperatura, pudiendo llegar a sufrir daños estructurales (hablaremos de esto largo y tendido).

¿Cómo se consigue extraer ese calor? ¿Cómo se enfría el núcleo del reactor? La idea es realmente sencilla, haciendo circular agua “fresquita” por su interior de manera que se vaya enfriando paulatinamente. En una parada normal, sin situaciones excepcionales, en una primera fase la extracción del calor se efectúa mediante el bypass de la turbina, que podemos observar en la siguiente figura:

Esquema del Bypass de turbina en caso de parada del reactor. Fuente: Elaboración propia a partir de una figura de la NRC. Click para agrandar.

El vapor generado en el interior de la vasija del reactor se conduce por la línea de vapor principal que lleva hacia la turbina. Sin embargo, se cierra la válvula situada justo antes de la entrada a turbina y se abre un camino adicional que esquiva la turbina, la “bypasea” llegando directamente al condensador principal. De este modo, el vapor que sale del reactor se conduce de forma directa al condensador, donde se enfría y se convierte de nuevo en líquido (se condensa). Una vez hecho líquido, con la ayuda de una bomba se vuelve a inyectar en la vasija del reactor y el proceso comienza de nuevo. El condensador está formado por muchos “tubitos” por los que circula agua fría. Al contacto con esos tubos el vapor se convierte en agua, pero ambos circuitos son independientes y no se mezclan. El condensador se alimenta con agua que, en última instancia, proviene del foco frío de la central que puede ser el mar (en el caso de Fukushima) o un pantano o un río en el caso de otras centrales nucleares.

Un matiz importante (muy importante, clave de hecho) es que para que este sistema funcione, las bombas que hacen circular el agua tienen que estar operativas. Es decir, tienen que tener electricidad, si no la tienen no funcionarán y el sistema estará inoperativo, resultando inútil…seguro que ya intuyen dónde quiero llegar.

Este sistema es capaz de realizar su trabajo y enfriar el núcleo del reactor hasta que la presión baja de un determinado nivel. Por debajo de esa presión, este sistema deja de ser efectivo y debe dar paso a otro sistema diferente. Pero eso lo dejamos para el siguiente artículo.

  • Estimado Arbeloa,
    Como autor del artículo intentaré aclarar sus dudas, si me lo permite.
    El reactor numero 1 de Fukushima está parado desde el viernes día 11, a la hora del terremoto. La mera mención de potencia eléctrica carece de sentido con el reactor parado. El reactor produce CERO MW, pero en su interior guarda un montón de MW térmicos. Yo no he hablado en ningún momento de MW eléctricos, con el reactor parado se da por supuesto que son térmicos.

    En cuanto a la comparación con las familias, confunde usted potencia (MW) con energía (MWh). Usted ha aportado una dato de energía anual media consumida por las familias españolas (dato correcto, por otra parte). Este dato, sin embargo, es irrelevante en esta discusión. Yo no he hablado de energía consumida por 10.000 familias, he hablado de potencia. Me explico.

    ¿Qué potencia tiene usted instalada en su casa? La mayoría de las casas de España 3,5 kW. Si consideramos 10.000 familias, serían 35.000 kW ó 35 MW (de potencia que puedes consumir, lo cual no quiere decir que la vayas a consumir). Ahora bien, como yo he dicho en el artículo que el reactor parado tiene unos 100 MW térmicos, para pasasrlos a eléctricos habría que tener en cuenta el 33% del ciclo termodinámico, con lo cual nos quedarían mas o menos 33 MW. La potencia demandada por las 10.000 familias es de 35 MW, la potencia (eléctrica virtual que generaría el reactor aún parado) sería de 33 MW. De ahí las 10.000 familias, por redondear.

    Si tuviéramos el consumo media anual que usted aporta (4.000 kWh para redondear) la cosa sería aún más favorable para la energía nuclear. Es sencillo, si usted tiene en su casa una potencia “instalada” de 3,5 kW podría consumir, a lo largo de todo un año, 30,6 MWh (ya sabe, 3,5 kW x 8760 horas que tiene un año). Sin embargo, una familia media consume 4 MWh, lo cual quiere decir que usted demanda la potencia total de 3,5 kW que tiene instalada únicamente 1142 horas al año. La nuclear, sin embargo, funciona una media de 8000 horas.
    Se lo explico de otro modo. Si la central nuclear parada tiene una potencia térmica de 100 MW, la eléctrica sería de 33 MW. Pues fíjese, 33 MW operando durante 8.000 horas al año producirían 264.000 MWh. Como cada familia consume 4 MWh, nuestro reactor nuclear parado sería capaz de abastecer la demanda energética (ahora sí) de la friolera de 66.000 familias. Ahí es nada.
    Un saludo señor Arbeloa.

  • Yo lo que creo, es que mi observación ha aclarado bastante el tema, entre lo que es potencia térmica y potencia generadora (que es como hasta el Foro Nuclear define la potencia de un reactor); porque el artículo continua y dice:

    “Para hacernos una idea, un reactor nuclear como el de Fukushima 1 recién parado tiene la potencia que demandan 10.000 familias medias españolas. ¡Cuando está parado¡ Esa potencia, en forma de calor, hay que extraerla del interior del reactor.

    ¡¡Cuidado!! por que aqui la potencia que demandan 10.000 familias es la potencia bruta de generación, no es la misma que la potencia termica que hay que extraer del interior del reactor. Aunque no se corresponde con los datos de  España  el consumo por familia o hogar correspondiente a 2007 es de 3.992 Kwh (fuente I.N.E),  multiplicado por 10.000, correspondería a 39.920 MWh, no me cuadra esta cifra.
     Y es que es usted un listo. mezclando churras con merinas. A ver si lee bien.

  • Pepon

    Estimado Arbeloa,
    ¿El núcleo del reactor genera 1380 MW de potencia? La respuesta es sí. La potencia es potencia, se mide en MW y punto. Todos los lectores del artículo lo han entendido a la primera, menos usted. Y dice que el autor debería haber aclarado que se trataba de MWt y no de MWe. En fin, yo creo que el autor aclara lo que quiere y que es usted el que, en un primer momento no lo entendió. Para no admitir su error sigue con el erre que erre.
    Yo creo que es usted, pero únicamente usted, el que necesita que se lo expliquen. El resto lo entendimos a la primera.

  • Completamente de acuerdo con usted, en su comentario.

  • Será que  el Balance diario de Red Electrico lo mide así. ¿Cuanto cree usted que genera el reactor de Garoña cuando funciona en una hora, y que es gemelo al nº1 de Fukushima? ¿439 MWh neto? o ¿460 MWh brutos?

    Yo sin embargo estoy empezando a creerme que lo suyo no es ignorancia, si no otra cosa peor.  Si yo le contase, yo me he saltado algún que otro protocolo y no precisamente de seguridad, para ganar tiempo, porque cuando hay una emergencia el instinto básico por lo menos a mí me hace pensar antes en las personas que en los bienes, nadie me lo reprocho, lo que si puedo decir que los daños materiales fueron cuantiosos, pero de la población expuesta alrededor de 10.000 personas que estaban en la zona, no hubo ni muertos, ni heridos, ni tan siquiera heridos leves. Los Medios hablaron de milagro, yo creo que fue máxima atención con los medios que se disponian y muchisimo valor (fueron condecorados) de las fuerzas que intervinieron. Así que no me hable de valor, que el mío, ya ha sido puesto a prueba.

  • ¡Qué sabrá Manuel Fernández Ordóñez de centrales nucleares! Si no es más que un Doctor en Física Nuclear y especialista en el ramo.
    Es que la gente tiene un valor…

  • Ijon Tichy

    Lo que dice exactamente el autor es:

    “El reactor número 1 de Fukushima estaba generando 1380 Megawatios de potencia…”

    Y eso es absolutamente correcto. Podría haber añadido “térmicos” para más claridad entre quienes desconocen el ciclo termodinámico de cualquier central termoeléctrica, pero en absoluto es necesario ni presenta ambigüedad por un motivo sencillo:

    Hablamos del Reactor, y el reactor de una central nuclear, como el hogar de la caldera de una térmica de carbón (o de biomasa) lo que genera es potencia térmica. La potencia eléctrica se genera en el alternador de la Turbina y ronda la tercera parte en cualquier ciclo de este tipo. 

    La potencia eléctrica, en efecto, puede ser la característica más identificativa de la Central, como conjunto, pero nunca del reactor. Hablando de potencia del reactor siempre se habla de potencia térmica.  

  • Domiloch

    Arbeloa, desde el respecto, como diría Ali G:
    Me imagino que el hablar de MWh, energía, es de tu cosecha, creo que ni siquiera Wikipedia confunde unidades.
    Viendo el nivel de la gente que publica en este blog creo que eres un poco osado, creo que más por ignorancia que por valentía.
    Paz y viento.

  • Señor Arbeloa:

    “como ya he dicho, el problema es del articulo no especifica potencia de calor, nos habla de potencia, y hay que distinguir entre potencia de calor y de generación, esta última es la que suele definir la caracteristicas del reactor”

    Da igual que el artículo se refiera a “cómo enfriar un reactor nuclear”. A juzgar por su argumento, tampoco sería su acierto. Pero vale. Para usted el duro.

    “despues de la que esta cayendo en Fukushima, insistir en esta energía es de ignorantes o desaprensivos[…]”

    Plantear debates justo después de un accidente, sin haber estudiado debidamente las causas y cómo se pueden arreglar los errores, es de ignorantes, desaprensivos y, en líneas generales, de gente que no sabe cómo se toman las decisiones importantes (básicamente, en frío, con tiempo y con el máximo posible de datos).

    “y yo no me siento en ninguno de los dos grupos, porque tengo mejores alternativas: más baratas y más seguras que usted.”

    No lo dudo. Para ello, usted puede elegir cualquiera de estos artículos: uno, dos, tres y cuatro. Y si sigue buscando, encontrará muchos más. O esperar un poco, que seguro que sacamos algo interesante.
    Pero, por favor, centrémonos en los contenidos de los artículos. Hablo por mí: desde que en una ocasión hice un artículo sobre la igualdad salarial entre hombres y mujeres y me acabaron preguntando sobre el patrón oro, no se imagina lo que agradezco las discusiones centradas.

  • Ignorancía ninguna, como ya he dicho, el problema es del articulo no especifica potencia de calor, nos habla de potencia, y hay que distinguir entre potencia de calor y de generación, esta última es la que suele definir la caracteristicas del reactor o me puede decir usted,  si la central filandesa Olkiluoto-3 que potencia de calor tiene, por lo que sabemos y nos anuncian tiene 1.600 MWh de potencia de generación bruta.

    De pasear mi ignorancia ninguna, despues de la que esta cayendo en Fukushima, insistir en esta energía es de ignorantes o desaprensivos; y yo no me siento en ninguno de los dos grupos, porque tengo mejores alternativas: más baratas y más seguras que usted. ¿O por que los franceses pretendian cobrar el MG de energia nuclear a 82 euros? Porque aquí los 36 no incluyen bien los costes ¿o no?

  • Vamos a ver, amigo Arbeloa. Mi especialidad no es la energía. De hecho, no soy ingeniero ni nada por el estilo. Digamos que lo mío es, entre otras cosas, descubrir errores argumentales. Y hay cierto nivel al que si llego. Afirma usted que:

    Primero vamos a empezar corriguiendo las erratas de su articulo el reactor nº 1 de Fukushima no tiene una potencia de 1380 MWh, de hecho no hay en esa central ningun reactor con esa potencia, el más potente el nº 6 solo llega a 1.100 MWh, el nº 1 es justamente el gemelo de Garoña con una potencia de 460MWh:

    Me temo que se ha equivocado a la hora de elegir los datos. El enlace que ha pasado Luis te lo explica claramente.

    Capacity Net
    439 MWe

    Capacity Gross
    460 MWe

    Capacity Thermal
    1380 MWt

    Traduzco: Esa capacidad térmica, es de 1380MWt.
    El error de MAFO bueno (el autor, Manuel Fernández Ordóñez), consistiría (si es que lo ha hecho, que no soy experto) en no especificar que se trata de potencia térmica. Que es de lo que se trata de enfriar. Un error comprensible en el contexto, en todo caso.
    La potencia eléctrica, que es lo que usted subraya, será importante para otras cuestiones, pero en un post dedicado a la extracción de calor (y me remito al título del artículo), pinta poco.
    No obstante, tenemos muchos artículos dedicados al mix energético. Seguro que ahí, nuestros ingenieros expertos sabrán atender sus consejos.

  • Luis I. Gómez

    Gracias Pepón… no estaba yo hoy por dar explicaciones de termodinámica.

  • ¡Perdon!,  ” escaquee” (esto me pasa por escribir tan rápido).

  • Pepón

    Arbeloa,
    Antes de sacar a pasear tu ignorancia deberías comprobar lo que dices. El reactor número 1 de la central nuclear de Fukushima tiene una potencia de 1380 MW que posteriormente (debido al rendimiento del ciclo termodinámico) se convierten en 460 MW eléctricos.
    Lo que hay que extraer del núcleo no es electricidad, es calor, y la potencia térmica con 1380 MW.
    Y encima vas dando lecciones.

  • Pues debería seguir leyendo, porque coguiendo los datos que usted me ha indicado, que alli proporcionan dicen:

    DETALLES

    Tipo de reactor
    Comercial del reactor

    Proceso
    BWR

    Proveedor
    General Electric (GE)

    Propietario
    Tokio Electric Power Co (TEPCO)

    Operador
    Tokio Electric Power Co (TEPCO)

    Capacidad útil
    439 MWe

    Capacidad bruta
    460 MWe

    Capacidad térmica
    1.380 MWt

    Por lo que su articulo debería especificar que los 1.380 MW son de capacidad de calor y no capacidad de generación bruta, que suele ser la identificación de estos reactores, con lo que los datos de Wikipedia estan bien, y es el gemelo de Garoña. Siga leyendo y no se me escacae.

  • Luis I. Gómez

    Arbeloa, pareces nuevo. No cites NUNCA Wikipedia, te equivocarás casi siempre. Y no argumentes NUNCA con datos de Wikipedia, te equivocarás casi siempre. Con lo fácil que es ir a a la WNA, por ejemplo, y mirar las ESPECIFICACIONES del reactor nr. 1 de la planta Fukushima Daiichi.
    Puedes hacer lo mismo desde la web oficial de la JAIF, o leyendo (LEYENDO) sus informes .pdf. En la cabecera tienes esos datos siempre.
    Ya no seguí leyendo tu comentario, claro…

  • Primero vamos a empezar corriguiendo las erratas de su articulo el reactor nº 1 de Fukushima no tiene una potencia de 1380 MWh, de hecho no hay en esa central ningun reactor con esa potencia, el más potente el nº 6 solo llega a 1.100 MWh, el nº 1 es justamente el gemelo de Garoña con una potencia de 460MWh:

    http://es.wikipedia.org/wiki/Central_nuclear_Fukushima_I

    Dicho esto, como nos temiamos, las compañias de electricidad japonesas se estan planteando recortar su potencia nuclear que hoy alcanza al 30% de generación de electricidad, se piensan gastar alrededor de 900 millones en reforzar la seguridad de sus centrales, y como hoy me temo, muy probablemente la reduzcan hasta un 20%, sustituyendo ese 10% por energía eólica, que a pesar de los lloros del lobby eólico por el detrimento de las subvenciones, empieza a ser competitiva y paulatinamente hay que abandonar las ayudas del Estado, porque esto es una consecuencia de que aparezca el falso deficit tarifario, que tanto afecta al bolsillo del consumidor, aquí hay que saber cada cual con quien esta, yo con el lobby de los consumidores y la seguridad del territorio.

    Segunda cuestión, la refrigeración con agua de mar ha provocado que esta cristalice y dificulta el enfriamiento del combustible, de ahi que se haya autorizado a Estados Unidos a que inyecte agua a la central.

    http://www.elpais.com/articulo/internacional/Japon/revisa/politica/nuclear/electricas/suspenden/planes/atomicos/elpepuint/20110325elpepiint_11/Tes

    Se ha criticado de forma excesiva el mix eléctrico español, pero todo parece indicar que el mundo ha vuelto la cabeza hacia España como modelo a tener en cuenta: 21% de combinadas, 20% de nuclear 18% de hidráulico (en una año hidrico tan bueno como el de 2010) un 16% eólico (que todavia puede crecer más sin que para ello se mantengan las subvenciones) un 8% carbón (este año de 2011 subirá más su consumo, muy mala noticia, ya que en los primeros meses de este año, es exagerado su consumo) un 2% la solar (que todavía es muy poco competitiva, sería mejor insistir más en paneles solares en los tejados, que en los huertos).

    Mi consejo, no ser complaciente con nuestro mix electrico, pero también reconocer que el 2010 se han conseguido algunos exitos.

  • pepeblai

    “Un reactor nuclear es una máquina increíble donde, cada segundo, se crean 100 trillones de neutrones y desaparecen EXACTAMENTE 1oo trillones de neutrones. Ni uno más, ni uno menos.”

    Tampoco hay que exagerar. Algún neutrón de los 100 trillones puede ser que se escape (y no pasa nada).

  • Edy

    Bueno, aunque han pasado ya casi 15 días, es pronto para saber si el final de esto está cerca o no.
    Es cierto que las explosiones de hidrógeno han causado importantes daños en la parte superior de los edificios del reactor, siendo ésta la parte más vulnerable de los mismos, y que cualquier instalación situada por allí probablemente esté dañada.
    Sin embargo dudo que los elementos vitales para la refrigeración del reactor se encuentren en las zonas vulnerables y donde se producen acumulaciones de vapor de los venteos (que en situaciones extremas contiene hidrógeno). Existen zonas del reactor (en torno a la contención primaria) muchísimo más protegidas y comprendo que por ahí transcurrirán los circuitos de refrigeración principal.
    Por lo que he podido leer, algunas de las bombas deben ser reparadas por haber estado sumergidas en agua de mar, y obviamente su reparación no será fácil por las condiciones de la zona, pero ello no implica que no sea posible. Los operarios y bomberos no están escatimando riesgos, actuando como verdaderos héroes. Hoy mismo dos operarios han tenido que ser hospitalizados por acabar empapados en agua radiactiva cuando realizaban unas tareas de instalación eléctrica.
    Si se puede hacer funcionar las bombas de refrigeración, la parada fría se conseguiría en cuestión de horas (ya ocurrió así en los reactore 5 y 6)
    En cualquier caso, la limpieza y retirada de material radiactivo es algo a más largo plazo. En Three Mile Island tardaron 14 años, aunque obviamente mucho tiempo antes se levantó la alarma y la gente evacuada pudo regresar a sus casas.
    Una vez dejen de haber venteos y emanación de vapores desde las piscinas y se pueda garantizar la estabilidad de dicha situación, se podrá reocupar la zona deshabitada en un tiempo razonable.

  • y ahora que?

    Hola, buena descripción de como funciona en condiciones normales. Ahora bien, despues de las explosiones de hidrogeno, los edificios han quedado practicamente como chatarra, y supongo que muchos sistemas inutilizados, como por ejemplo alguna de las tuberias que conectan al condensador. Por otro lado, las piscinas pueden estar perdiendo si la explosion ha generado griestas en las mismas. Vamos que probablemente el metodo convencional de apagado a parada fria no pueda llevarse a cabo. Me temo que tendremos fukusima para muchos meses y que la unica solucion al final será un confinamiento tipo chernobil, porque sacar de esas estructura dañadisimas las barras para introducirlas en contenedores parece tarea imposible. ¿Ves algun otro metodo factible aparte del sarcofago? ¿Cuanto tiempo puede llevar finalizar todo el proceso de parada fria y posterior desmantelamiento? slds.