Bom, esse post pouco (ou nada) tem a ver com o objetivo inicial deste blog, mas dada a relevância dos fatos, senti que tinha alguma responsabilidade em informar melhor as pessoas que de alguma forma acompanham esse blog.
Estou reproduzindo um post de um blog americano que acabou depois transferido para um site do MIT. eu fiz uma "tradução livre" para o nosso português, com alguma ajuda do google translate para agilizar o processo, portanto podem existir trechos com construções gramaticais meio "curiosas". O original em inglês se encontra aqui.
Vamos ter de cobrir alguns princípios básicos, antes de chegarmos ao que está acontecendo.
Construção das usinas nucleares de Fukushima
As usinas de Fukushima são do tipo Reatores de água em ebulição (BWR, na sigla em inglês). A BWR produz eletricidade ao ferver água, e fazer girar a turbina com o vapor d'água. O combustível nuclear aquece a água, a água ferve e cria vapor, o vapor move turbinas que geram a eletricidade e o vapor é então resfriado e condensado de volta à água, e a água retorna para ser aquecida pelo combustível nuclear. O reator opera em torno de 285 ° C.
O combustível nuclear é o óxido de urânio. O óxido de urânio é uma cerâmica com ponto de fusão muito elevado de cerca de 2800 ° C. O combustível é fabricado em pellets (pelotas)(cilindros que são cerca de 1 cm de altura e com um de diâmetro). Estas pelotas são então colocados em um tubo longo e feito de zircaloy (uma liga de zircônio) com uma temperatura de fracasso de 1200 ° C (causada pelo auto-oxidação catalítica de água) e seladas. Este tubo é chamado de uma barra de combustível. Essas barras de combustível são então colocados juntos para formar conjuntos, dos quais várias centenas compõem o núcleo do reator.
A pelota de combustível sólido (um óxido de matriz cerâmica) é a primeira barreira a deter muitos dos produtos de fissão radioativo produzido pelo processo de fissão. O invólucro zircaloy é a segunda barreira que evita liberar o combustível radioativo do resto do reator.
O núcleo é então colocada no vaso de pressão. O vaso de pressão é um recipiente de aço espesso, que opera a uma pressão de cerca de 7 MPa (~ 1000 psi), e é projetado para suportar as altas pressões que podem ocorrer durante um acidente. O vaso de pressão é a terceira barreira à liberação de material radioativo.
O ciclo primário inteiro do reator nuclear - o vaso de pressão, tubulações e bombas que contêm o líquido de arrefecimento (água) - estão alojados na estrutura de contenção. Essa estrutura é a quarta barreira para liberar material radioativo. A estrutura de contenção é uma hermeticamente selada estrutura, muito espessa feita de aço e concreto. Esta estrutura é projetada, construída e testada para uma única finalidade: conter, indefinidamente, uma fusão completa do núcleo. Para auxiliar neste propósito, uma estrutura de grande espessura de concreto é "derramada" em torno da estrutura de contenção, e é referido como a contenção secundária.
Tanto a estrutura de contenção principal e estrutura de contenção secundária estão alojados no prédio do reator. O edifício do reator é uma camada externa que é feita para manter o tempo fora, mas nada dentro (essa é a parte que foi danificada na explosão, mas mais sobre isso depois).
Fundamentos das reações nucleares
O combustível de urânio gera calor pela fissão nuclear induzida por nêutrons. Núcleos dos átomos de urânio são divididos em núcleos mais leves (denominados produtos de fissão). Este processo gera calor e mais nêutrons (uma das partículas que formam um núcleo). Quando um desses nêutrons atinge outro núcleo de urânio, este núcleo pode quebrar, gerando mais nêutrons e assim por diante. Isso é chamado de reação nuclear em cadeia. Durante a operação normal à energia total, a população de nêutrons em um reator é estável (é o mesmo) e o reator está em estado crítico.
Vale ressaltar neste ponto que o combustível nuclear em um reator nunca pode causar uma explosão nuclear como uma bomba nuclear. Em Chernobyl, a explosão foi causada por acúmulo de pressão excessiva, explosão de hidrogênio e de ruptura de todas as estruturas, levando o material do núcleo derretido no meio ambiente. Note que Chernobyl não tinha uma estrutura de contenção como uma barreira para o ambiente. Por que isso não aconteceu e não vai acontecer no Japão, é discutido mais adiante.
A fim de controlar a reação nuclear em cadeia, os operadores do reator usam hastes (barras) de controle. As hastes de controle são feitas de boro, que absorve nêutrons. Durante a operação normal de um BWR, as hastes de controle são usados para manter a reação em cadeia em um estado crítico. As hastes de controle são usados também para desligar o reator de 100% de para cerca de 7% da potência total (o calor residual ou de decaimento).
O calor residual é causado a partir do decaimento radioativo de produtos de fissão. O decaimento radioativo é o processo pelo qual os produtos da fissão estabilizam-se, emitindo energia na forma de pequenas partículas (alfa, beta, gama, nêutrons, etc). Há uma infinidade de produtos de fissão, que são produzidos em um reator, incluindo o césio e iodo. Este calor residual diminui com o tempo após o desligamento do reator, e deve ser removido por sistemas de refrigeração para evitar que as barras de combustível sofram superaquecimento e acabem falhando na função de obstáculo à libertação de substâncias radioactivas. Manter o suficiente resfriamento para remover o calor de decaimento no reator é o principal desafio nos reatores afetados no Japão agora.
É importante notar que muitos destes produtos de fissão decaem de forma extremamente rápida (produção de calor), e tornam-se inócuos pelo tempo que você escreve "radionuclídeos." Outros decaem mais lentamente, como césio, iodo, estrôncio, e argônio.
O que aconteceu em Fukushima (a partir de 12 março de 2011)
A seguir, um resumo dos principais fatos. O terremoto que atingiu o Japão foi várias vezes mais poderoso que o pior terremoto previsto na construção da usina (a escala Richter funciona logaritmicamente, como por exemplo a diferença entre um 8,2 e 8,9 - que aconteceu - é 5 vezes, e não 0,7).
Quando há terremoto, os reatores nucleares todos desligam automaticamente. Em poucos segundos após o terremoto começado, as hastes de controle tinha sido inseridas no núcleo e a reação nuclear em cadeia parado. Neste ponto, o sistema de arrefecimento tem de eliminar o calor residual, cerca de 7% da carga total de energia térmica em condições normais de funcionamento.
O terremoto destruiu a fonte de alimentação externa do reator nuclear. Este é um acidente "desafiador" para uma usina de energia nuclear, e é referido como uma "perda de poder externo." O reator e seus sistemas de backup são projetados para lidar com este tipo de acidente, incluindo sistemas de energia de backup para manter as bombas de refrigeração funcionando. Além disso, uma vez que a usina havia sido desligada, ela não pode produzir eletricidade por si mesma.
Durante a primeira hora, o primeiro conjunto de múltiplos geradores diesel de emergência começou e forneceu a electricidade necessária. No entanto, quando o tsunami chegou (muito raro e maior que a tsunami anunciada) inundou os geradores a diesel, fazendo com que eles falhassem.
Um dos princípios fundamentais do projeto de usinas nucleares é "defesa em profundidade." Esta abordagem leva os engenheiros a projetar uma planta que pode resistir a catástrofes graves, mesmo quando vários sistemas falham. Um tsunami de grandes dimensões que desabilita todos os geradores diesel de uma vez é um tal cenário, mas o tsunami de 11 de Março foi além das expectativas.Para atenuar tal evento, engenheiros conceberam uma linha extra de defesa, colocando tudo na estrutura de contenção (veja acima), que é projetado para conter tudo dentro da estrutura.
Quando os geradores a diesel falharam após o tsunami, os operadores do reator ligaram a bateria de emergência. As baterias foram projetadas como um dos sistemas de backup para fornecer energia para resfriamento do núcleo por 8 horas. E elas o fizeram.
Após 8 horas, as baterias se esgotaram, e o calor residual não poderia ser mais retirado. Neste ponto os operadores da usina começaram a seguir os procedimentos de emergência que estão disponíveis para um "evento de perda de arrefecimento". Estas são as etapas seguintes nos procedimentos da abordagem "Defesa em profundidade". Tudo isso, porém, parece chocante para nós, mas é parte do treinamento do dia-a-dia para se tornar um operador.
Nessa época as pessoas começaram a falar sobre a possibilidade de fusão do núcleo, porque se o resfriamento não pode ser restaurado, o núcleo irá eventualmente derreter (depois de vários dias), e provavelmente será contido no confinamento. Observe que o "derretimento" tem uma definição vaga. "Falha de combustível" é um termo melhor para descrever a falha da barreira de barras de combustível (zircaloy). Isso irá ocorrer antes que o combustível se funda, e é resultado da mecânica, química, térmica ou falhas (muita pressão, muito oxidação, ou muito quente).
No entanto, a fusão esteve e está muito longe de acontecer e, neste momento, o principal objetivo era gerenciar o núcleo enquanto ele estava a aquecer, assegurando que o revestimento do combustível permaneça intacto e operacional pelo maior tempo possível.
Porque resfriar o núcleo é uma prioridade, o reator tem uma série de independentes e diversos sistemas de arrefecimento (sistema de limpeza do reator de água, a remoção de calor de decaimento, o resfriamento do núcleo do reactor de isolamento, o sistema de refrigeração líquida de espera, e outros que compõem a situação de emergência núcleo do sistema de arrefecimento). Quais falharam e quando ou quais não falharam ainda não está claro no momento.
Uma vez que os operadores perderam a maioria de suas capacidades de refrigeração devido à perda de energia, eles tiveram que usar qualquer sistema de refrigeração que tinham disponível para se livrar de tanto calor quanto possível. Mas, enquanto a produção de calor excede a capacidade de remoção de calor, a pressão começa a aumentar, como ferve mais água em vapor. A prioridade agora é manter a integridade das barras de combustível, mantendo a temperatura abaixo de 1200 ° C, bem como manter a pressão em um nível administrável. A fim de manter a pressão do sistema em um nível administrável, o vapor (e outros gases presentes no reator) têm que ser liberados de tempos em tempos. Este processo é importante durante um acidente assim para que a pressão não exceda o que os componentes podem lidar, por isso a o recipiente de pressão do reactor e a estrutura de contenção são projetados com várias válvulas de escape. Então, para proteger a integridade do recipiente e da contenção, os operadores começaram a ventilar vapor de tempos em tempos para controlar a pressão.
Como mencionado anteriormente, vapor e outros gases são ventilados. Alguns desses gases são produtos da fissão radioativa, mas elas existem em pequenas quantidades. Portanto, quando as operadoras começaram a abertura do sistema, alguns gases radioativos foram lançados para o ambiente de uma maneira controlada (ou seja, em pequenas quantidades através de filtros e purificadores).Embora alguns desses gases sejam radioativos, eles não representam um risco significativo para a segurança pública, mesmo para os trabalhadores no local. Este procedimento é justificado como suas conseqüências são pouco graves, especialmente quando comparado com as consequências potenciais da não ventilação arriscar a integridade das estruturas de contenção.
Durante este tempo, geradores móveis foram transportados para o local e alguma energia foi restaurada. No entanto, mais água estava fervendo e sendo ventilada do que estava sendo adicionada ao reator, diminuindo assim a capacidade de resfriamento dos sistemas de refrigeração restantes. Em algum momento durante o processo de ventilação, o nível da água pode ter caído abaixo do topo do elemento combustível. Independentemente disso, a temperatura de algumas das barras de revestimento de combustível excederam os 1200 ° C, iniciando uma reação entre o zircaloy e água. Esta reação de oxidação produz gás hidrogênio, que se mistura com a mistura de vapor de gás a ser ventilada. Este é um processo conhecido e esperado, mas a quantidade de gás hidrogênio produzido era desconhecida, porque os operadores não sabiam a temperatura exata das barras de combustível ou o nível da água. Como o gás hidrogênio é extremamente inflamável, quando gás hidrogênio suficiente é misturado com o ar, reage com o oxigênio. Se houver gás hidrogênio suficiente, ele irá reagir rapidamente, produzindo uma explosão. Em algum ponto durante o processo de ventilação de gás, hidrogênio suficiente acumulou-se dentro do contenção (não há ar na contenção), então quando ele foi expelido para o ar ocorreu uma explosão. A explosão ocorreu fora do confinamento, mas por dentro e ao redor do prédio do reator (que não tem função de segurança). Note-se que uma subseqüente explosão e similares ocorreram na Unidade 3 do reator. Essa explosão destruiu a parte superior e alguns dos lados do edifício do reator, mas não danificou a estrutura de contenção ou vaso de pressão. Embora este não fosse um acontecimento esperado, aconteceu fora do confinamento o que não representa um risco para as estruturas de segurança da usina.
Como alguns dos revestimentos da haste de combustível ultrapassaram 1200 ° C, alguns danos ocorreram ao combustível. O material nuclear em si ainda estava intacta, mas o envolvente escudo zircaloy tinha começado a falhar. Neste momento, alguns dos produtos de fissão radioativo (iodo de césio, etc) começaram a se misturar com a água e vapor. Foi relatado que uma pequena quantidade de iodo e césio foi medida no vapor que foi liberado para a atmosfera.
Como a capacidade de resfriamento do reator estava limitada, e o armazenamento de água no reator foi diminuindo, os engenheiros decidiram injetar água do mar (misturada com ácido bórico - um absorvedor de nêutrons) para garantir que as hastes permaneçam cobertas com água. Embora o reator fora desligado, o ácido bórico é adicionado como uma medida conservadora para garantir que o reator permaneça desligado. O ácido bórico também é capaz de prender alguns dos remanescentes de iodo na água para que ele não escape, no entanto, este aprisionamento não é a função primária do ácido bórico.
A água utilizada no sistema de arrefecimento é água purificada desmineralizada. O motivo de usar água pura é limitar o potencial de corrosão da água de refrigeração durante a operação normal. Injetar água do mar vai exigir mais a limpeza após o evento, mas na forneceu o resfriamento requerido quando era necessário.
Este processo de diminuiu a temperatura das barras de combustível para um nível não prejudicial. Como o reator foi desligado há muito tempo, o calor de decaimento tinha diminuído a um nível significativamente mais baixo, por isso a pressão na usina se estabilizou, e a ventilação não foi mais necessária.
*** UPDATE - 14/03 8:15 pm EST ***
Unidades 1 e 3 estão atualmente em uma condição estável de acordo com os comunicados de imprensa da TEPCO, mas a extensão dos danos ao combustível é desconhecido. Dito isto, os níveis de radiação na planta de Fukushima caíram para 231 micro Sieverts (23,1 millirem) a partir das 14:30 de Março (hora local) 14.
*** UPDATE - 14/03 10:55 pm EST ***
Os detalhes sobre o que aconteceu na 2 Unidade do reator ainda estão sendo determinados. O post sobre o que está acontecendo na Unidade 2 do reator contém mais informações up-to-date. Os níveis de radiação têm aumentado, mas o nível permanece desconhecido.
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