Apontamentos de Fukushima

Levo desde ontem comentando e seguindo em twitter o acidente nuclear nas planta de Fukushima, após o tremor de terra em Japom. Também estou tentando responder, na medida que a minha formaçom de físico permite, as perguntas doutros twitteiros sobre o tema. Cuido que podo formalizar as dúvidas e a informaçom num artigo no blogue, como segue.

Que é a central de Fukushima e TEPCO?

Bem, a usina afeitada realmente é um complexo de produçom formado por várias instalaçons. A mais afeitada polo tremor e a que vemos nas notícias é Fukushima-INPP ou Fukushima Da-ichi. Está sita na cidade Okuma, no distrito de Futaba, na prefeitura de Fukushima, uns 200 km ao norte de Toquio. É umha das dez usinas nuclares mais grandes do mundo, formada por 6 reactores que geram um total de 4.7 GW de potência. Fukushima Da-ichi é um dos grandes orgulhos da engenharia japonesa, pois foi a primeira usina construida integramente pola Tōkyō Denryoku Kabushiki-kaisha ou TEPCO, a mais grande companhia eléctrica do Japom e a quarta do mundo.

TEPCO produz aproximadamente a terceira parte da electricidade que Japom consome, ou o que é o mesmo, a que precisam num ano estados como Itália ou Espanha. Para que fagam umha ideia do tamanho descomunal da empresa. A história de TEPCO nom está livre de grandes escándalos a nível japonês, sendo o mais grande o e 2002 no que se demostrou que durante décadas a empresa ocultara e obstaculizara os informes sobre as suas centrais nucleares. O presidente da empresa daquela, Nobuya Minami, foi obrigado a demitir e todas as suas usinas nucleares forom fechadas para mantemento e revisom. Cinco anos depois a nova direiçom de TEPCO informou de centos de dados falsos que os responsáveis da fraude passaram às autoridades, mas nunca se indentificarom os culpáveis.

Volvendo ao desenho de Fukushima: Três reactores forom construidos com General Electric, outros dous por Toshiba e um Hitachi. Os reactores mais afeitados, o 1 e 2 som de General Electric e nom som os mais potentes da central, mas sim os mais velhos, construidos em 1970 pola construtora Kajima. O resto datam de finais dos 70. Existe um plano para engadir dous novos reactores avançados para 2013.

Como funciona a central de Fukushima Dai-Chi?

Todos os reactores em funcionamento na central som do modelo BWR, siglas em inglês para: Reactor de Auga Fervendo. É um tipo de reactor desenhado originalmente por General Electric e o Laboratório de Energia Nuclear de Idaho na década dos 50 e que tem o seu irmao no RBMK soviético, tristemente conhecido por Chernobyl.

O núcleo do reactor está formada por barras de combustível radiactivo, como a da esquerda. O material nelas desintegra-se de forma natural, mas cada barra por separado nom produz neutrons abondo para começar uma reacçom em cadea, que fai que os neutrons emitidos batam contra os átomos do combustivel, produzindo novas fisions nucleares e mais neutrons, e calor, no processo. No núcleo do reactor, umha enorme estrutura de cemento, introducem-se estas barras.

Para moderar a quantidade de neutrons que intercambiam estas barras de combustível entre elas insertamos os chamados hastes de controle (control roods) mui parecidos às de combustível. Estam formados por diversos materiais que tenhem a capacidade de absorver neutrons da reacçom, impedindo que novos átomos de combustível sejam alcançados. Retirando parcialmente ou variando a distância entre os hastes e o combustível os técnicos podem controlar a velocidade da reacçom, e a quantidade de energia que libera. Nos BWR os hastes som introduzidos desde abaixo por máquinas hidráulicas de enorme precissom. Veremos mais adiante o porquê dessa disposiçom.

Bem, dizemos que os BWR chamam-se assim porque trabalham com vapor de auga. O núcleo, a enorme estrutura que contem o combustível e os hastes de controle está afundido numha piscina de auga ligeira -isto é, destilada, sem a menor traça de minerais, para evitar a corrossom- e que s asemelha a algo assim:

Essa auga tem duas missons, umha secundária de absorçom dos neutrons que poidam escapar aos hastes de controle, e outra primária que é retirar o calor gerado pola reacçom nuclear.  A auga é excelente nesse trabalho polas suas propriedades térmicas, e com esse aporte de energia transforma-se em vapor. A vasilha do núcleo -o espaço da piscina- está a mui alta pressom, umhas 75 atm -75 vezes a pressom que nós experimentamos a nível do mar-  e só evapora a uns 300º graus centígrados. O vapor está mui quente e leva muita pressom, isto é muita energia, esse vapor é retirado da vasilha por umhas conducçons e levado a outro compartimento onde move umhas turbinas de alta pressom, gerando electricidade -como nas centrais térmicas, hidroeléctricas ou eólicas-. O vapor vai depois a um dissipador onde se enfria por um refrigerante externo -normalmente auga- volta a ser líquido e entra de novo na vasilha do reactor.

Cada umha das secçons está ilhada, de forma que a agua que entra e sai do reactor nunca entra em contacto com o refrigerante do dissipador.

Um reactor BWR tem vários sistemas de controle, entre os que estam a quantidade e forma dos hastes de controle -podem ser introduzidos uns poucos, muitos, até certa altura, etc- a velocidade à que se fai fluir a auga da vasilha e o vapor,  a temperatura do refrigerante exterior e a velocidade com que este passa polo dissipador.

Que passa normalmente em caso de acidente?

Pois o normal, o desejável, é que se apaguem os reactores. Isto fai-se introducindo totalmente os hastes de controle no núcleo, de maneira que a meirande parte dos neutrons deixam de circular entre as barras de combustível e a reacçom nuclear vai-se apagando. Isto leva um tempo, e a temperatura do núcleo segue a ser elevada, porque a auga ainda tem que se evaporar e aquecer o núcleo. Tampouco é possível deter de todo a reacçom, porque os materiais seguem o seu decaimento natural, ainda que nom existam neutrons engadidos das outras barras. Os sistemas de refrigeraçom ponhem-se a trabalhar e a temperatura e pressom do sistema fica estável.

Os engenheiros e físicos nucleares decidem em cada caso a quantidade de hastes e a velocidade de refrigeraçom mais adequadas para levar o núcleo a umha situaçom de seguridade. Se todo vai bem o núcleo sai da zona de perigo numhas horas. O principal problema neste caso é econômico porque se todos os hastes som introducidos e o reactor parado -o que se chama “assassinar o núcleo”- quando o perigo passe é necessário reiniciar a reacçom nuclear desde o começo, o que chamamos “fazer crítico o núcleo”, um processo que consome muito combustível nuclear e que leva bastante tempo -no qual nom se produz energia-. Por isso normalmente rebaixa-se a actividade no núcleo até níveis mínimos, que podam ser contidos com os sistemas de refrigeraçom, mas sem desligar de todo a reacçom nuclear. Depois podem-se ir retirando os hastes e a reacçom continuará com um menor custo. Como vemos esta é umha decissom económica e nom técnica… por desgraça.

Que causou a situaçom de perigo em Fukushima?

O tremor de terra, um dos mais grandes da história e de magnitude 8,9 -outro dia escreverei um artigo sobre o que significa isso- afectou a muitas estruturas industriais. O núcleo, a vasilha e o edifício do reactor e da turbina nom se virom afectados. Essa parte das centrais som as estruturas melhor desenhadas do planeta terra, capaces de resistir quase todo. Metros e metros de cimento desenhado com vistas a tremores até 5 vezes mais potentes… isso nos paises “normais”, em Japom as condiçons som ainda mais seguras. O problema é que o sistema depende doutras estaçons exteriores para alimentar os sistemas de controle, e sobretodo, duns motores diesel que mantenhem o fluxo de refrigerante externo cara o dissipador.

Segundo a NEI (Nuclear Engineering International) o 11 de Março  os três primeiros reactores forom apagados automáticamente durante o tremor, isto é: Os seus hastes de controle começaram a se meter no nucleo até o fundo. E os outros reactores entraram em “fasse de controle”, com a reacçom nuclear mantida no mínimo, confiando nos sistemas de refrigeraçom para baixar a temperatura e a pressom a níveis seguros.

Mas segundo dados da Agência Internacional de Energia Nuclear o tsunami danou os geradores diesel. No começo pareciam funcionar bem, mas depois dumha hora desligarom. O refrigerante nom está a entrar no disipador todo o rápido que este precisa para voltar líquido a auga branda do reactor, e esta entra nele com altas temperaturas e pressom. Ativarom-se as baterias de emergência e declarou-se o estado de idem. Estas baterias tenhem umha capacidade de 8 horas e permitem manter os controis e as valvulas em funcionamento.

A media noite TEPCO informou que a pressom dentro do reactor era demasiado alta. Podedes ver porquê: A auga volta para o núcleo mui quente e cada vez há mais vapor e mais quente na vasilha. A pressom aumenta, e isso pode fazer que as paredes rachem. Segundo dados de TEPCO a pressom na vasilha do reactor 1 era 2,1 vezes a máxima aceitável por seguridade. TEPCO comunicou que ia deixar escapar umha pequena quantidade de vapor de auga num segundo espaço redundante para aliviar a pressom e deixar que se escape à atmosfera, onde os ventos levaram cara o mar e onde os subprodutos residuais que absorve a auga da piscina do núcleo se dissipariam. O gas liberou-se umhas horas depois, mas há dados contraditórios sobre a quantidade e a radioactividade do mesmo.

Por desgraça a temperatura no reactor 1 segue subindo pola falta de refrigeraçom -ou se calhar porque o apagado no foi completo- e o reactor 2 também emite dados de problemas de refrigeraçom.

Que passa com a explosom?

Segundo informam agências de notícias e gente na zona, e um vídeo, umha grande explosom sucedeu nestas horas. Parece que algum dos geradores auxiliares estourou, prendendo o hidrógeno que se emprega nos sistemas de refrigeraçom secundários. Segundo gente da Associaçom Nuclear Internaciona parte da estrutura contedora exterior ficou derrubada.

As informaçons nos arredores da planta falam de que a radiaçom chega aos 1,015 mSv por hora. Para fazer umha ideia, num ano umha pessoa que viva num ambiente normal urbano receve uns 2 mSv. A configuraçom granítica da Galiza e o radon fai que nós levemos de média uns 2,3 mSv anuais. As daninas mortais para a saude começam com um 1Sv (1000 mSv) -que causa nausea-, com mais de 2 Sv numha hora aparece a perda de cabelo e as hemorragias internas. Mais de 5 Sv som mortais num 50% dos casos em menos dum mês. 6 Sv ou mais matam num praço de horas.

Qual é o pior cenário?

Sendo mui pessimistas, e se a refrigeraçom nom consegue arrefecer o núcleo a pressom subirá e rematará por estourar as paredes exteriores. Isto liverará umha grande massa de vapor de auga radiactivo que poderia contaminar grandes zonas. O nível de radiaçom neste caso nom seria nem de longe tam alto como Chernobyl, mais seguramente danará a saúde de muitas pessoas em Japom. Porém nom será pior que os efeitos de Hiroshima e Nagasaki durante estes 70 anos. Depois disto o núcleo seguirá arrefriando com o ar e o chao, e emitindo radiaçom, os níveis dependeram do desenho e do que fagam as autoridades. Se acreditamos na palavra de TEPCO e do governo japonês os hastes estám já dentro do nucleo, assim que nom é possível umha “fusom do núcleo”. O pior cenário está contido.
Se isto chega a passar imagino que o protocolo a seguir será botar grandes quantidades de auga de mar sobre o edifício com helicópteros e avions cisterna -o sódio da auga é um bom “assassino de neutrons”- e engadir também ácido bórico, outro bom elemento para estes casos. A evaporaçom destes elementos aumentará a contaminaçom radiactiva da atmosfera mas evitará que o núcleo emita a prazer durante muito tempo até o seu apagado “natural”.

Se resulta que os hastes nom estám bem dentro, que houvo danos no sistema hidráulico e que a reacçom segue retroalimentándo-se… pois entom teremos mais problemas: A temperatura do núcleo subirá sem controle a falta de refrigeraçom eficaz, chegando ao ponto em que o combustível, os hastes de controle e até o formigom do núcleo se fundam como se fossem lava. Umha lava radiactiva que produz o seu próprio calor e funde o material co que topa, engadindo mais massa e complicando a contençom da radiaçom.

Isto só poderá ser contido polo chamado “bioescudo”, capas e capas de formigom sob o núcleo que tentaram reter e evitar o progresso da lava.  No pior dos casos o cório ultrapassará estas barreiras e tocará o chao da terra, onde se afundirá umha dezenas de metros -nom, umha Sindrome de China nom é possível-. Todo este processo ceivará muitíssima mais radiactividade que todo o anterior, em forma de gases de combustom, e particulas puras. A massa de cório já nom será controlável porque a sua amorfa e a sua enorme temperatura faram impossível umha refrigeraçom eficaz, ou que se engadam assassinos de neutrons para deter a reacçom. Na última instância a opçom será soterra todo isto baixo mais formigom, construir um sartego como o de Chernobyl que contenha a radiaçom, selar umha área duns 50 km à redonda onde a vida humana estará banida, e aguardar uns quantos milheiros de anos a que o combustível se consoma.

Os efeitos a nível mundial seriam, sempre, menores que os de Chernobyl. Principalmente porque o reactor de Fukushima nom tém um núcleo de grafita que poida arder em caso de fusom, ceivando gases de combustom fortemente radiactivos. Essa é umha das principais vantagens do desenho.

  • By Mario, Marzo 12, 2011 @ 7:00 p.m.

    Obrigado polo traballo e a información, precisábase no medio de tanto caos informativo.

  • By odemo, Marzo 12, 2011 @ 7:09 p.m.

    Para isso estamos. Aguardo que o nível sejá comprensível para um leitor lego.
    Se tedes qualquer dúvida ou pergunta, respostarei e engadirei.

  • By ghanito, Marzo 12, 2011 @ 7:19 p.m.

    Grazas pola explicación detallada agora e pola crónica científica que avanzaras onte no twitter.
    Agora os teus àis xa poden dicir aquilo de:
    “Que ben fixemos en pagarte a carreira meu fillo!”

    ;-)

  • By Mario, Marzo 12, 2011 @ 7:19 p.m.

    Está bastante bem, e falo como leitor leigo nestes temas. :-)

  • By folerpa, Marzo 12, 2011 @ 7:45 p.m.

    Co medo no corpo, mais quedou todo ben clariño tras escoitar nestas horas a expertos que non tiñan nin idea ou sabían de máis e resultaban incomprensibeis. Muito obrigado. :-)

  • By Tamara, Marzo 12, 2011 @ 9:15 p.m.

    Q envexa (sana!) de saber taaanto de Física!!!

  • By Pintafontes, Marzo 15, 2011 @ 9:34 p.m.

    Unha cuestión actual: de onde sae o iodo radiactivo nos accidentes nucleares? Aparece en todos?

  • By odemo, Marzo 16, 2011 @ 12:17 a.m.

    O Iodo-131 é um produto da cadeia de descomposiçom do Urânio-235. Aproximadamente o 3% da massa atómica do Urânio das pilhas de combustível decai (por umha via que cuido inclui o Telúrio) quando fisiona ao ser impactado por um neutrom doutro átomo que “rompeu antes”.

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  1. Apontamentos de Fukushima — Marzo 12, 2011 @ 6:45 p.m.