¿Qué pasa en Fukushima (Parte 7)? Explosiones de Hidrógeno

Son varios los lectores que me han pedido que explique con más detalle lo referente a las explosiones de hidrógeno que tuvieron lugar en la central nuclear de Fukushima Dai-ichi. Estas explosiones pueden suceder cuando el hidrógeno alcanza una concentración determinada en presencia de oxígeno. Estas condiciones se dieron en los edificios del reactor de las unidades 1 y 3 los días 12 y 14 de Marzo, respectivamente.

Para entender el proceso de formación de hidrógeno en el interior de un reactor nuclear hay que empezar por describir cómo es el combustible nuclear y cómo se dispone en el interior del reactor. Como ya sabemos, el combustible nuclear está constituido por uranio en forma de óxido (UO2) enriquecido en el isótopo uranio-235. Este óxido de uranio se fabrica en forma de pastillas que tienen un volumen similar a un dado de parchís. Estas pastillas, a pesar de ser tan pequeñas, tienen un poder energético enorme y cada una de ellas equivale a 700 kilos de carbón, produciendo energía durante más de 4 años (esto se lo demuestro otro día en otro artículo). En la siguiente figura pueden ver cómo son las pastillas de UO2 del combustible nuclear.

Pastillas de combustible nuclear y vaina de combustible

En un reactor nuclear como el número 1 de Fukushima hay, aproximadamente, 14 millones de pastillas de UO2 como las que pueden ver en la imagen. Estas pastillas se disponen en el interior de la vasija del reactor de una forma determinada, puesto que la geometría es un factor determinante en el funcionamiento de un reactor nuclear. Para ello, se meten en unos tubos de un material llamado Zircaloy, que jugará un papel fundamental en la formación de hidrógeno. Luego volveremos a ello. En la figura anterior pueden ustedes ver también cómo son estos tubos de Zircaloy que albergan en su interior las pastillas de combustible.

Las varillas/vainas de Zircaloy (en inglés Fuel Rods) tienen una longitud aproximada de 4 metros y se agrupan en lo que conocemos como Elemento Combustible (en inglés Fuel Assembly). En la imagen siguiente pueden ustedes ver la pinta que tiene un elemento combustible de un reactor del tipo BWR. En el reactor número 1 de Fukushima hay 400 elementos combustibles similares a los que se muestran en la imagen. Los reactores 2 y 3, al tener más potencia que el 1, tienen más elementos combustibles. En concreto 548.

Elemento combustible de un reactor BWR. Fuente Nuclear Fuel Industries.

Una vez definida -muy superficialmente- la tecnología correspondiente al combustible nuclear les propongo entrar de lleno en harina. Como ya he mencionado, las varillas que alojan las pastillas de óxido de uranio se fabrican con un material denominado Zircaloy. Este nombre viene de unir (en inglés) las palabras Zirconium y Alloy, es decir, Aleación de Circonio. Este material se eligió porque el circonio tiene una propiedad que le hace ser muy interesante desde el punto de vista de la tecnología nuclear: que no les hace ningún caso a los neutrones. Sabemos que la energía nuclear se basa en una reacción en cadena que se sustenta gracias a los neutrones emitidos en las reacciones de fisión. Para que la reacción en cadena tenga lugar, los neutrones deben viajar libremente por el núcleo del reactor y no ser absorbidos por nada. Los aceros tradicionales tienen en su composición metales que poseen la habilidad de comerse los neutrones, siendo por tanto ineficientes desde un punto de vista nuclear. No nos interesan los aceros tradicionales, son perjudiciales para nuestros intereses. Por esta razón se eligieron las aleaciones de circonio para construir las vainas de combustible nuclear.

Pero como todas las cosas en la vida, la elección del Zircaloy también tiene una desventaja. Y ésta es que el circonio reacciona con el agua a muy alta temperatura, oxidándose y produciendo hidrógeno. Veamos esto con más detalle. Desempolven sus recuerdos de química elemental y presten atención a la siguiente reacción química:

Zr + 2 H2O —-> ZrO2 + 2 H2

Si recuerdan, esto denota que el circonio reacciona con el agua y produce óxido de circonio (ZrO2) e hidrógeno.  Esta reacción tiene lugar a muy alta temperatura, aproximadamente a unos 1.200 ºC. Teniendo en cuenta que, en operación normal, un reactor como el número 1 de Fukushima trabaja a menos de 300 ºC, la oxidación masiva del Zircaloy no tiene nunca lugar en el interior de un reactor. Pero pueden darse determinadas condiciones que hagan que se alcancen las temperaturas necesarias para que la oxidación del Zircaloy y, por tanto, la generación de hidrógeno tengan lugar. ¿Cuáles son esas condiciones? Que las vainas de combustible se queden sin refrigeración.

Recordemos que, aún cuando se detiene el reactor nuclear y se para la reacción en cadena, el combustible nuclear (las pastillas) siguen generando una gran cantidad de calor. Si ese calor no se extrae de algún modo, puede tener lugar una situación de riesgo para la integridad de las vainas de combustible. Esto pasó precisamente en Fukushima cuando la central se quedó sin electricidad y los sistemas de refrigeración del reactor dejaron de funcionar. Vamos a intentar hacer una secuencia esquemática de lo que sucedió:

1. Los sistemas de refrigeración de emergencia dejan de funcionar. El núcleo está inundado de agua, pero como el combustible nuclear genera mucho calor el agua comienza a calentarse.
2. A medida que el agua se calienta y hierve, la cantidad de vapor en la vasija del reactor aumenta. Pero como no hemos inyectado más agua (porque no funcionan los sistemas) el nivel de agua líquida en la vasija disminuye a medida que se va convirtiendo en vapor.
3. Conforme aumenta la cantidad de vapor en la vasija, también aumenta la presión en el interior de la misma. Cuando esa presión es muy elevada, automáticamente se abren unas válvulas que expulsan el vapor hacia la piscina de supresión.
4. Con el tiempo, el nivel de agua en la vasija del reactor sigue bajando y, a su vez, la piscina de supresión también se va calentando y aumentando su presión ya que no para de recibir vapor procedente de la vasija.
5. Llega un momento en que el nivel del agua en la vasija ha llegado hasta los elementos combustibles, que comienzan a quedar al descubierto y, por tanto, sin refrigeración.
6. Llega un momento también en el que la piscina de supresión tiene una presión tan elevada que se abren unas válvulas de seguridad para expulsar vapor de agua a la contención primaria (a la bombilla).
7. Al quedar las vainas de combustible sin refrigeración, su temperatura comienza a aumentar considerablemente y es sólo cuestión de tiempo que se alcancen los 1.200 ºC y comience la oxidación del Zircaloy, produciéndose hidrógeno. Cuando esto suceda, las vainas terminarán rompiéndose y liberando material radiactivo (especialmente el gaseoso, como el Yodo-131) al interior de la vasija.
8. Como la presión sigue aumentando, la vasija sigue enviando el vapor (mezclado ahora con hidrógeno y gases radiactivos) a la piscina de supresión.
9. Pero como la piscina de supresión también tiene una presión muy alta, la alivia enviando el vapor (contaminado) y el hidrógeno hacia la contención primaria (la bombilla). En la siguiente figura pueden observar cómo el combustible dañado libera partículas radiactivas que van a parar a la piscina de supresión y de ésta, a su vez, a la contención primaria:
10. Y aquí llega la clave del asunto. Es sólo cuestión de tiempo que la presión en el interior de la bombilla sea también tan elevada que supere la presión para la que fue diseñada. Obviamente, antes de que eso suceda, habrá que aliviar la presión en el interior de la misma abriendo unas válvulas y expulsando parte de los gases interiores hacia afuera. Eso fue precisamente lo que se hizo en Fukushima. Cuando la presión alcanzó un nivel determinado, se abrieron unas válvulas y se comenzó a ventear vapor hacia el exterior de la contención primaria. En concreto hacia la parte superior del edificio del reactor. Pero con ese vapor iba también material radiactivo e hidrógeno proveniente de la oxidación del Zircaloy. La siguiente figura esquematiza la situación que estamos describiendo:

El hidrógeno no es explosivo si no está en presencia de oxígeno. Esto no sucede en el interior de la vasija, ni en la piscina de supresión ni en la contención primaria, que se mantiene en una atmósfera inerte de nitrógeno precisamente para evitar este tipo de explosiones. Pero en cuanto se procedió al venteo, el hidrógeno alcanzó la parte superior del edificio del reactor que tiene una atmósfera como la de la calle, es decir, con oxígeno. En un momento dado, la concentración de hidrógeno alcanzó el 4% y, al combinarse con el oxígeno del aire hizo saltar en mil pedazos todo el techo del edificio de la unidad número 1. En la unidad número 3 pasó exactamente lo mismo, pero dos días más tarde. En la piscina de combustible del reactor 4 no está muy claro lo que ha pasado. Ha sido una explosión de hidrógeno, pero ahora se dice que no parece probable que la piscina se quedara sin agua y que los elementos combustibles se llegaran a descubrir. Así que no está muy claro el origen de la oxidación y la procedencia del hidrógeno en este caso.

Dudas y cuestiones sin aclarar en todo este proceso hasta las explosiones:

1. ¿Por qué no estaban preparados para ventear hidrógeno en caso de accidente? Sí lo están, en el edificio del reactor debería haber unos recombinadores de hidrógeno que evitaran que se alcanzara una concentración explosiva. El por qué no hicieron su trabajo todavía es una incógnita (probablemente se hubieran quedado sin baterías, como los sistemas de seguridad).
2. Sabiendo que el Zircaloy se había comenzado a oxidar ¿Por qué no ventearon directamente a la calle en lugar de al interior del edificio del reactor? De este modo no se hubiera alcanzado una concentración explosiva de hidrógeno. Ésta es una pregunta que tampoco tengo clara. Supongo que será posible alinear el venteo con una línea directamente al exterior, pero desconozco los detalles en esa central.
3. Sabiendo que les había  explotado el edificio del reactor 1 ¿Por qué no hicieron algo para evitar que sucediera lo mismo en el reactor 3? Con haber subido el edificio y quitar parte de las chapas de la parte superior del techo habría bastado. De hecho, esto lo hicieron en los reactores 5 y 6 cuando se les empezaron a calentar las piscinas de combustible. Tampoco tengo la respuesta a esta pregunta. Tal vez era imposible entrar en el edificio del reactor, lo desconozco. Es obvio que cuando no lo hicieron sería por algo.

Como conclusión, dejar rotundamente claro que las explosiones que tuvieron lugar fueron explosiones de hidrógeno y no explosiones nucleares, como se escribió en muchísimos medios de comunicación esos días. Para cualquier duda son bienvenidos a comentar lo que consideren oportuno.