¿Qué ocurrió en Chernobyl?

¿Qué ocurrió en Chernobyl?
(Vox Populi de la Ciencia, Radio Bemba)

4 de mayo de 2011

El 26 de abril de este año se cumplieron 25 años de la explosión en la central nuclear de Chernobyl, por esa razón presentaremos ahora una explicación acerca de cuáles fueron los hechos ocurridos entonces. Tomamos como fuente el artículo que se encuentra en la dirección que aparecerá en el blog de Vox Populi de la Ciencia.
http://www.docstoc.com/docs/6244133/Chernobyl_disaster

Las razones para seleccionar esta fuente son tres:
1. Contiene muchos detalles de lo ocurrido en Chernobyl durante la madrugada del 26 de abril de 1986.
2. Está basado en numerosas citas que un lector podrá consultar si así lo desea.
3. La mayoría de los datos importantes coinciden con los contemplados en el artículo de Bernard Cohen, cuyo título es “El accidente del reactor nuclear en Chernobyl, Unión Soviética”, publicado en la revista American Journal of Physics en diciembre de 1987, diecinueve meses después de iniciada la tragedia.

Esta aclaración es importante porque hay otros artículos que difieren en las horas en que ocurrieron algunos hechos, y también, porque se afirma que el reactor no empezó a ser apagado el día 25 de abril, sino el día 23, cuarenta y ocho horas antes. Este es el caso del artículo de Nicholas Daniloff, cuyo título es: Chernobyl and its political fallout: a reassessment, que traducimos como “Chernobyl y su caída política. Un reanálisis”. http://www.docstoc.com/docs/6244133/Chernobyl_disaster

Ubicación geográfica:
Las ruinas de la estación nuclear de Chernobyl están localizadas en los 51.38722 grados de latitud norte y 30.11139 grados de longitud este, a dos kilómetros de la ciudad de Pripyat, ahora abandonada y convertida en pueblo fantasma. La planta debía su nombre a la ciudad de Chernobyl, localizada a 16 kilómetros al sureste, fundada a la orilla del Río Pripyat, un afluente del Río Dnieper, que atraviesa toda Ucrania, pasa por un lado de su capital, Kiev, y desemboca en el Mar Negro. Para mayor precisión, se encuentra a 10 kilómetros de la frontera con Bielorrusia y a 110 kilómetros al norte de Kiev, una distancia similar a la que separa a Hermosillo de Bahía Kino.




La estación de Chernobyl estaba formada por cuatro reactores nucleares, cada uno de los cuales producía 1 gigawatt de energía, cantidad suficiente para mantener prendidos 10 millones de focos caseros de 100 watts. Cada uno de estos reactores era 40% más poderoso que toda la planta termoeléctrica de Puerto Libertad, en Sonora, y entre los cuatro reactores proporcionaban el 10% de toda la electricidad que necesitaba Ucrania en abril de 1986.

Técnicamente, un gigawatt son mil millones de watts, que son unidades de energía por cada segundo. A esto se le llama también unidades de potencia porque se necesita hacer una diferencia. Por ejemplo, un albatros volando durante un año puede gastar tanta energía como un automóvil de fórmula 1, pero éste lo hace en unos cuantos minutos. Para eso se recurre a las medidas de potencia y la capacidad de los generadores de energía eléctrica se mide en watts.

Los reactores nucleares se construyeron con base en un diseño conocido como RBMK-1000, funcionaba usando grafito como moderador |y habían sido pensados para generar plutonio para las bombas nucleares soviéticas, aunque en abril de 1986 no estaba siendo usado con esos propósitos. En cada uno de esos reactores había mil 700 toneladas de grafito. Este dato será importante en esta explicación más adelante.




Los moderadores de uso industrial han sido, hasta ahora, el grafito, el agua pesada y el agua ligera. Su papel es impedir que los neutrones se escapen del reactor y se dispersen en todas direcciones. Con los moderadores los neutrones se mantienen rebotando sin salir de una región en la que forman un gas de partículas que bota una y otra vez, hasta que en algún momento golpean a un núcleo de uranio 235. Como hemos explicado en otros programas de Vox Populi de la Ciencia, un porcentaje de esos choques llevan a que el átomo se parta en dos y desprenda energía, mientras que en otros casos los neutrones golpean átomos de uranio 238, llevando a un proceso en el que se forma plutonio.

La construcción de la planta de Chernobyl inició hacia finales de los años setenta del siglo XX. Para 1983 se habían terminado los cuatro reactores y estaban siendo construidos otros dos en abril de 1986.

En la madrugada del 26 de abril de 1986 ocurrió en esa planta nuclear un accidente catastrófico. Siendo la 1:23 de la mañana de Chernobyl, ocurrió una explosión debido a la gran cantidad de vapor de agua acumulado en el recinto que alojaba al reactor número 4, minutos después ocurrió una segunda explosión química que voló el techo dejando al descubierto el núcleo del reactor. Dicha reacción se debió a una combinación de hidrógeno liberado dentro del reactor, mezclado con el aire de la atmósfera. Debido a que hay una diferencia de 10 horas entre Chernobyl y Hermosillo, podemos afirmar que en nuestra ciudad eran las tres de la tarde con 23 minutos del 25 de abril de 1986 cuando ocurrió ese desastre.

Cuando el techo del reactor quedó al descubierto se liberaron muchas partículas de cesio 137 y de estroncio 90, elementos atómicos radiactivos cuya peligrosidad ya hemos descrito en programas anteriores. Una cantidad importante de las mil 700 toneladas de grafito pasaron de su estado sólido al gaseoso, generando un gas que ayudó a esparcir las partículas radiactivas a mayores alturas, complicando más la magnitud del accidente. Así, la contaminación pudo llegar más lejos.

¿Cómo ocurrió este accidente?
El reactor número 4 tenía mil 600 canales individuales de combustible, cada uno de los cuales requería de un flujo de 28 toneladas de agua por hora para ser enfriado. Esto significa que se necesitaba el equivalente al agua contenida en 28 tinacos grandes fluyendo cada hora sobre cada uno de estos canales. Es decir, tan solo el reactor accidentado necesitaba el agua de 44 mil 800 tinacos cada hora para mantenerse a una temperatura controlada. Si tomamos como ciertos los datos de Agua de Hermosillo, el reactor nuclear número 4 necesitaba por hora la misma cantidad de agua que usan en un día casi 90 mil casas de nuestra ciudad, es decir, 450 mil habitantes de Hermosillo.

La cercanía del Río Pripyat permitía que nunca faltaran las reservas de agua. El proceso de contaminación a que es sometida el agua al pasar por en medio del reactor, obligaba a mantenerla dentro de un circuito cerrado de enfriamiento para poder usarla de nuevo. Se seguía un sistema similar al que se usa para enfriar los motores de los automóviles, que tienen una bomba que mueve el agua, o el líquido refrigerante, del motor a un radiador y regresarla de nuevo al motor.

La vida útil de las barras de combustible es inferior a tres años, pues con las fisiones que van ocurriendo el uranio 235 se va terminando. Esto da lugar a que se presenten menos fisiones cada segundo, haciendo que se produzca menos desprendimientos de energía. Así, no se logra mantener el nivel esperado de calor y de generación de electricidad. Por lo tanto, necesitaban cambiar las barras de combustible por otras nuevas. Como ya hemos informado antes, había en esas barras decenas de toneladas de plutonio producido por el golpeteo de los neutrones sobre el uranio 238, que daba lugar a uranio 239, enseguida neptunio y días después plutonio. Este es otro dato que será de interés más adelante.

Para retirar las barras de combustible se inició el proceso para apagar el reactor, y a la vez, se puso en práctica un experimento que ya había sido propuesto varias veces en otras centrales nucleares, siendo rechazado en todas ellas por considerarlo extremadamente peligroso.

Los diseñadores tenían desconfianza de que en el momento de apagar el reactor nuclear hubiera una falla de la energía eléctrica externa necesaria para operar las bombas con agua. Se disponía de tres generadores eléctricos a base de diesel, pero requerían 15 segundos para empezar, más 60 a 75 segundos para alcanzar su velocidad máxima y generar 5.5 megawatts de energía, que era la necesaria para bombear el agua y enfriar el reactor.

Este minuto y medio sin refrigerante era considerado inaceptable. Pero debido a que todo objeto que se pone a girar se conserva así durante algunos segundos, se estudió cuánto tiempo durarían girando las turbinas de los reactores después de ocurrir una falla eléctrica. Encontraron que duraban 45 segundos antes de detenerse, lo cual les daría electricidad para la mitad del tiempo que se podrían quedar sin refrigerante en el reactor.

El fenómeno que esperaban aprovechar es similar al que vemos cuando hacemos girar una moneda sobre una mesa. La soltamos girando y se mantiene así durante algunos segundos. En el caso de las turbinas del reactor, eso ocurriría durante 45 segundos, con los cuales esperaban generar la electricidad suficiente para bombear el refrigerante en el reactor.

Como todo lo anterior eran solamente consideraciones teóricas, los diseñadores habían pedido la realización de una prueba antes de que el reactor nuclear entrara en funcionamiento para abastecer al país. La prueba se había intentado sin éxito a principios de 1984, pero el 31 de diciembre de 1983, Viktor Bryukhanov, director del proyecto, había firmado un documento para hacer constar que todos los trabajos programados para ese año habían sido cubiertos.

De no haberlo hecho, miles de trabajadores e ingenieros, así como sus jefes superiores, se habrían quedado sin bonos, recompensas y pagos de horas extras. El documento incluía que la prueba sugerida sí se había hecho.

Sabiendo que tenían una asignatura pendiente, los especialistas aceptaron realizar la prueba – o experimento – cuyo resultado favorable ya había sido reportado al finalizar 1983. Por esa razón se programó la realización del mismo para fines de abril de 1986, en el proceso de apagar el reactor. Como se ve, la actitud era dejar para después lo que se debía hacer hoy.

El 25 de abril por la mañana se presentaron los técnicos, un grupo especial de ingenieros eléctricos, para iniciar el proceso de apagado del reactor e iniciaron con la reducción gradual de la generación de energía hasta dejarla en el 50% de su capacidad total.

El reactor trabajaba con tres turnos, uno de las ocho de la mañana a las cuatro de la tarde, otro de esa hora hasta las doce de la noche, para ser relevados por un tercer grupo que laboraría desde esa hora hasta las ocho de la mañana del 26 de abril.

La mañana del 25 de abril, un controlador de la red eléctrica habló desde Kiev para pedir que no siguieran reduciendo la potencia del reactor 4 debido a que otra subestación había sufrido averías y se necesitaba cubrir la demanda de la ciudad durante un pico de máximo consumo de energía por la tarde. El reactor nuclear 4 fue regresado a su actividad original en 100%.

La autorización para continuar con el procedimiento de apagado, y de realización del experimento, llegó hasta las 11:04 de la noche del 25 de abril de 1986, cuando el grupo especial de ingenieros eléctricos tenía más de doce horas esperando, el turno vespertino se preparaba para salir y el turno de la medianoche hasta la mañana apenas iba a llegar.




De acuerdo al plan original, para esa hora el proceso de apagado ya habría terminado y el turno que iniciaba a la media noche solamente tendría que realizar actividades normales de enfriamiento de un reactor que ya había sido apagado. Este turno de trabajadores no estaba preparado para realizar el experimento.

Una de las pruebas de que el turno de la medianoche no sabía qué hacer, está en una conversación por teléfono que fue grabada en el momento del accidente. Una voz pregunta qué debe hacer porque en la serie de instrucciones hay muchos renglones tachados con una cruz. Su interlocutor lo pensó unos momentos y le contestó: sigue las instrucciones que fueron tachadas.

Los operadores de la planta y el grupo especial de ingenieros eléctricos tenían mucha confianza en el reactor, pues les habían informado que un accidente era imposible, de modo que removieron los sistemas de precaución de los manuales de procedimiento, afrontando así riesgos innecesarios para llevar a cabo el experimento.

El plan consistía en bajar la actividad del reactor de 3 mil 200 megawatts térmicos a un mínimo de 700 o un máximo de mil megawatts térmicos. Debido a que la eficiencia de los reactores nucleares es de 30%, como ya explicamos en un programa previo de Vox Populi de la Ciencia, la generación efectiva de electricidad, es la tercera parte de estas cantidades.

Sin embargo, por alguna razón desconocida, el operador introdujo las barras de absorción de neutrones demasiado rápido, haciendo que la actividad del reactor bajara hasta 30 megawatts, con una generación de electricidad de apenas 10 megawatts. Así el experimento no podía llevarse a cabo.

En este nivel de actividad del reactor se presenta una situación que le llaman envenenamiento con xenón 135, consiste en que la presencia de este elemento en las barras del combustible absorbe una cantidad muy grande de neutrones, haciendo que la reacción en cadena autosostenida se vuelva difícil, o imposible de mantener.

Los especialistas en física e ingeniería nuclear conocen este fenómeno, pero en Chernobyl no había uno solo, de modo que los ingenieros eléctricos y los operadores de la planta desconocían este hecho y pensaron que alguno de los reguladores automáticos de potencia estaba defectuoso.

Para recuperar la potencia del reactor, y realizar el experimento programado, retiraron las barras de absorción de neutrones más allá de lo recomendado. Así, se metieron en un régimen de control manual del reactor, retirando los sistemas automáticos con que había sido diseñado. Lentamente el reactor recuperó parte de su potencia hasta alcanzar más de 200 megawatts térmicos. Lo cual equivale a cerca de 70 megawatts de generación de electricidad.

Entre los sistemas de seguridad que fueron desconectados, debido a que los ingenieros eléctricos tenían mucha confianza en el reactor, y querían realizar el experimento con el mínimo de controles automáticos, están los siguientes:
1. El sistema de enfriamiento de emergencia del reactor fue desconectado.
2. El sistema de control automático local fue desconectado.
3. El sistema de reducción de potencia para situaciones de emergencia también fue desconectado.
• La preparación del reactor para iniciar el experimento empezó a la 1 de la mañana con 22 minutos, cuando se redujo el flujo de agua para enfriar el reactor.
• 30 segundos después, una computadora imprimió una advertencia en la cual señalaba que, dadas las condiciones del reactor, debía ser apagado inmediatamente. El aviso fue ignorado por razones desconocidas.
• El experimento inició a la 1 de la mañana con 23 minutos y 4 segundos del 26 de abril de 1986, cuando los operadores del reactor desconocían la inestabilidad en que se encontraba.
• Cuando fue desconectada la energía eléctrica de las turbinas, éstas se quedaron girando durante varios segundos, como sucede con una moneda que ponemos a girar en una mesa. Sin embargo, aunque sí se inició el funcionamiento de las bombas, justo como se esperaba, el flujo de agua se redujo todavía más, la temperatura aumentó y se formaron burbujas de vapor de agua, disminuyendo la capacidad de enfriamiento.
• Las barras de absorción de neutrones no habían sido removidas por completo y se encontraban colocadas en sitios que impedían el flujo de calor hacia el agua, de modo que la capacidad de enfriamiento tampoco era la esperada con la cantidad de agua disponible.
• Al crecer la potencia del reactor, el envenenamiento por xenón 135 desapareció, de modo que la potencia creció más rápido de lo que esperaban los ingenieros en electricidad, generando más burbujas de vapor y disminuyendo todavía más la capacidad de enfriamiento.
• Así, el reactor entró en un círculo vicioso: más potencia, más burbujas de vapor, menos enfriamiento, por consiguiente, más potencia y así sucesivamente.
• 36 segundos después de iniciado el experimento, cuando era la 1 de la mañana con 23 minutos y 40 segundos, los operadores introdujeron un sistema llamado “Defensa Rápida de Emergencia 5”, que buscaba apagar el reactor insertando rápidamente las barras de absorción de neutrones que antes habían sido retiradas.
• La velocidad de ingreso de las barras era de 40 centímetros por segundo y para recorrer los 7 metros necesarios para su introducción necesitaban casi 18 segundos.
• Además, había un error de diseño en el que el ingreso de las barras desplazaba el agua primero, antes de que su capacidad de absorción de neutrones se manifestara. Así, el efecto del llamado “Defensa Rápida de Emergencia 5”, fue el de disminuir la capacidad de enfriamiento todavía disponible.
• El incremento rápido de vapor aumentó la presión, se rompieron las barras de combustible y también los tubos conductores del agua para refrigerar. En los 3 segundos siguientes el reactor aumentó su potencia a 530 megawatts.
• 7 segundos después de la aplicación del sistema de “Defensa Rápida de Emergencia 5”, el reactor ya trabajaba a 30 mil megawatts. Diez veces por arriba de la potencia para la que había sido diseñado.
• A la 1 de la mañana con 24 minutos, 56 segundos después de iniciado el experimento, cuando habían transcurrido 20 segundos de la introducción del sistema “Defensa Rápida de Emergencia 5”, la presión del vapor de agua terminó en una explosión que rompió todas las conexiones del sistema del reactor. El techo voló y el núcleo quedó al descubierto.
• La temperatura era lo suficientemente alta para que el hidrógeno del agua reaccionara con el circonio que se usa en ciertas partes del reactor. Por esa razón, 3 segundos después, el hidrógeno que se había separado del oxígeno se mezcló con el aire de la atmósfera, generando una segunda explosión que terminó de destrozar el techo del reactor.
• Aproximadamente el 25% de los bloques de grafito salieron despedidos al exterior del núcleo destruido del reactor, cayeron sobre el techo de las demás instalaciones, que habían sido cubiertas con un material inflamable. Así, aparecieron varias decenas de incendios de la planta de Chernobyl.
• Los bomberos de Pripyat llegaron al reactor 4 seis minutos después. Era la 1 de la mañana con 30 minutos y había al menos treinta incendios sobre los techos de las instalaciones, con el consecuente peligro para los otros tres reactores.

El trabajo de los bomberos se desarrolló en un ambiente radiactivo de enorme riesgo. La exposición típica de un ser humano a la radiación natural que proviene del espacio, o que sale del suelo, es de 23 millonésimas de roentgens por hora, lo que da 200 milésimas de roentgens al año. Los bomberos de Chernobyl recibieron una dosis de radiación 8.7 millones de veces superior a la normal, pues en el momento en que hacían su trabajo, la radiactividad en el aire llegó a los 5.6 röngents por segundo, de modo que cada trabajador presente en el área acumuló una dosis letal en tan solo 100 segundos. Aún así, los bomberos lograron controlar los fuegos más peligrosos a las 3 de la mañana con 54 minutos.

En la planta había un medidor de radiactividad (dosímetro) que medía hasta 1 röngent por segundo pero quedó fuera del acceso del personal debido a la explosión. Otro dosímetro falló cuando trataron de prenderlo. El resto de ellos marcaban hasta una milésima de röngent, de modo que no sirvieron para detectar los niveles reales de radiactividad.

Los técnicos creyeron durante varias horas que el reactor estaba intacto porque no detectaban radiactividad. Los bomberos apagaron el fuego a las 5 de la mañana, pero no sabían cuál era la dosis de radiación que habían recibido. Los que subieron primero al techo del reactor ya no regresaron y los reportes afirman que murieron 31 de ellos.

Se intentó bombear agua sobre el reactor nuclear número 4 pero fue inútil y a partir del 28 de abril hasta el 2 de mayo se lanzaron 5 mil toneladas de boro sobre éste. El boro es un excelente absorbedor de neutrones. También fue vertido un mineral llamado dolomita, que es carbonato de calcio y magnesio. Lanzaron arena y también plomo desde helicópteros.

Los pilotos de los helicópteros tuvieron que volar en medio de la nube de materiales radiactivos que subían desde las ruinas del reactor, pero para el 6 de mayo las descargas de radiactividad habían sido controladas. El resto ha sido relatado en otro programa de Vox Populi de la Ciencia.