Să înțelegem criza radioactivă din Japonia

Știrea privitoare la avaria celor trei reactoare nucleare din Fukushima Daiichi, ca urmare a seismului de 8,9 grade pe scara Richter care a cutremurat Japonia în urmă cu doar câteva săptămâni, a făcut înconjurul lumii în foarte scurt timp.

Totuși, nici chiar aflați la fața locului, reporterii trimiși din toate colțurile lumii nu au reușit să afle informații deplin lămuritoare despre nivelul real al dezastrului, iar speculații alarmiste privitoare la posibile efecte și pericole și-au facut rapid loc în mass-media internațională. Se cer, prin urmare, câteva lămuriri științifice avizate privitoare la radioactivitate în general și la incidentul din insula niponă în special.

Aproape sigur, în urma accidentului câteva bare de combustibil nuclear din reactoare s-au topit, dar nimeni nu se poate considera martor al unui accident nuclear. De asemenea, materiale radioactive au fost eliberate din reactoare, însă combustibilul radioactiv a rămas totuși închis. Așadar, care sunt proporțiile episodului cu potențial catastrofal?

Într-un reactor nuclear

Reactoarele nucleare sunt alimentate prin fisiunea unui element radioactiv, în general uraniu. Această reacție de rupere a nucleului generează un număr de produși, cum ar fi neutronii și radiațiile. Totuși, cu adevărat importantă și, până la urmă, scopul fundamental al acestei tehnologii rămâne căldura abudentă generată de procesul fisiunii, căldură din care derivă ulterior puterea. Există mai multe metode de extragere a electricității din căldură, dar cea mai întrebuințată imită întrucâtva primele motoare cu aburi: acestea fierbeau apa și foloseau presiunea rezultată pentru a alimenta un generator.

În cazul reactoarelor nucleare radioactivitatea face lucrurile mai simple, dar totodată mai complexe. Partea bună este că fisiunea se manifestă optim și rapid în mediul acvatic, ca urmare transferul căldurii în apă se realizează ușor, prin simpla scufundare a combustibilului nuclear direct în aceasta. Dar radioactivitatea și complică lucrurile. Deși combustibilul este sigilat în bare nucleare, este inevitabil ca apa care intră în contact cu acestea să contracteze niște izotopi radioactivi. Ca rezultat, lichidul care a fost expus la barele de combustibil nuclear nu poate fi lăsat “liber”, să “zburde” în voie, ci trebuie veșnic constrâns și recirculat.

Din acest motiv, barele și apa rămân sigilate în containere aflate sub presiune, respectiv în conducte interconectate, iar apa fierbinte este ciruclată în exterior numai cât pentru a alimenta generatoarele aferente. După ce se răcește, apa este reinjectată în miezul reactorului, fiind astfel menținută într-o ciclicitate închisă. Este foarte important ca miezul reactorului să fie păstrat rece. În situația în care căldura nu este îndepărtată de miez, temperatura acestuia va spori rapid, iar elementul radioactiv și structura care îl ține închis se vor topi.

Reacția de fisiune

Pe cont propriu, izotopul de uraniu folosit în reactoarele nucleare se dezintegrează lent, eliberând o cantitate minimă de căldură. Unul dintre produșii acestei deprecieri este neutronul, care poate fi determinat să lovească un alt atom radioactiv, cauzând astfel desprinderea lui în alți neutroni care pot declanșa la rândul lor fisiuni. La densități suficient de ridicate ale materialului radioactiv, această reacție în lanț de fisiuni induse de neutroni poate produce o explozie nucleară. Totuși, într-un reactor nuclear, densitatea combustibilului radioactiv este suficient de scăzută încât acest lucru să nu fie periculos; proporțiile fisiunii pot fi controlate prin introducerea sau înlăturarea barelor de combustibili nucleari, confecționate dintr-un material ce absoarbe neutroni, în general bor.

Chiar și în acest caz, introducerea completă a barelor de control pentru a limita fisiunea uraniului nu afectează produșii rezultați în urma reacțiilor precedente, ci doar stăvilește procesul de dezintegrare artificială (a uraniului). Multe dintre elementele produse în urma dezbinării uraniului sunt ele înseși radioactive și vor fisiona natural, fără aportul unui cauze externe (bombardare neutronică). De asemenea, unii neutroni dintr-un reactor vor fi absorbiți de atomi ai echipamentelor și ai apei folosită pentru răcirea miezului nuclear, transformându-i pe aceștia în izotopi radioactivi.

Mare parte din materia radioactivă inerent creată se depreciază în decursul câtorva zile, ceea ce o face să nu fie o problemă pe termen lung. Cu toate acestea, chiar și după ce un reactor este stins prin introducerea barelor de control în miezul său, rămân pe o oarecare rază împrejur suficiente deșeuri radioactive încâ să fie nevoie de monitorizare și precauție sporite pentru o vreme. Din acest motiv, activitatea sistemului de răcire al unei centrale atomice este o caracteristică esențială a exploatării radioactivității. Din nefericire, câteva erori ale acestor sisteme au transformat reactoarele afectate de tsunami de la Fukushima Daiichi într-un real pericol.

Efectele cutremurului

Cum răcirea este esențială bunei funcționări (necatastrofală) a unei instalații nucleare, există câteva proceduri de siguranță pentru a menține active pompele responsabile de acest „confort termic”, în cazul unor probleme interne. În mod normal, chiar dacă reactoarele se opresc, pompele de răcire aferente pot fi alimentate cu electricitate din surse externe. Totuși, în cazul Japoniei această opțiune a fost eliminată din start de cutremur, care pare să fi întrerupt legătura Fukushimei cu orice formă de alimentare energetică din afară. Tot cutremurul a cauzat întrerupera activității reactoarelor din prefectura japoneză, eliminând practic sursa locală evidentă de putere a pompelor de răcire. În asemenea circumstanțe, următorul sistem de uregență și-a intrat în rol: un set de generatoare aflate la fața locului care ard combustibili fosili pentru a menține echipamentul funcțional.

Dar aportul acestor generatoare a durat foarte puțin înainte ca valurile tsunami-ului care a urmat să le măture, inundând părți din sistemul electric al centralei nucleare. Cât despre folosirea unor generatoare adiționale, câteva au fost cu mare dificultate și târziu aduse la fața locului, din pricina dezastrelor generale. Oricum, chiar și puse la treabă nu au reușit să repornească pompele de răcire ale reactoarelor.

Ca rezultat, centrala a operat inerțial ceva timp după cutremur, fără un sistem de răcire. Chiar daca reacția principală de fisiune a uraniului a fost imediat întreruptă, miezurile reactoarelor au continuat să se încingă din pricina produselor secundare cu dezintegrare rapidă.

Posibilități sumbre

În absența răcirii reactoarelor de la Fukushima Daiichi există câteva posibile degenerări nefericite. În primul rând, cum apa circulată de centrală continuă să se încălzească, tot mai mult abur se va acumula în vasele reactoarelor, vas care ar putea ceda sub incidența presiunii astfel create. O posibilă explozie s-ar limita între pereții containerelor mai mari, care ar stăvili răspândirea imediată a materialelor radioactive. Chiar și așa, avaria vaselor ar elimina cu desăvârșire posibilitatea restabilirii sistemului de răcire și chiar ar putea, în cele din urmă, să expună sub aer liber miezurile reactaoarelor.

Scenariul este nefavorabil, în special pentru că aerul este mult mai ineficient decât apa atunci când vine vorba despre transfer termic și astfel temperaturile locale ar crește suficient încât să topească barele pentru combustibil nuclear din reactoare.  Mai mult, expunerea la aer a stratului de zirconiu care acoperă aceste bare ar determina o reacție a materialului cu aburii, ceea ce ar reduce integritatea barelor și ar produce hidrogen.

Prima reacție a operatorilor centralei la această amenințare a fost decizia de a pompa apă rece de mare direct în reactoare, pentru a înlocui apa destinată inițial răcirii, deja fierbândă. O decizie disperată, având în vedere proprietățile puternic corozive ale apei marine, de natură să deprecieze componentele metalice ale reactoarelor și să îngreuneze curățarea ulterioară. Apa injectată a fost îmbăgățită cu bor, pentru a exercita o mai bună absorbție a neutronilor, însă acest lucru anulează complet orice posibilitate a niponilor de a reporni vreodată centrala fără înlocuirea completă a echipamentelor.

Mai departe, s-a procedat la evacuarea controlată și parțială a aburului acumulat în vasul unui reactor, pentru a diminua riscurile unei catastrofe. Încă o decizie cam păguboasă, deoarece aburul conținut de reactoare este radioactiv. Responsabilii au decis că acesta este un compromis preferabil unei explozii nucleare. Totuși, momentul a marcat atât conturarea primelor indicații ale unor scurgeri radioactive din miezul reactorului, cât și explozia acoperișului clădirii care îl găzduiește.

Vinovat de această reacție se face hidrogenul, rezultat în urma învăluirii barelor de combustibil nuclear cu abur. Inițial, exploziile s-a manifestat fără distrugerea vasului-recipient, însemnând că materialele radioactive semnificative au rămas închise. Creșteri ulterioare ale nivelului radioactivității s-au înregistrat totuși în urma uneia dintre explozii, indicând posibile avarii ale vasului, deși valoarea radiațiilor a mai fluctuat de atunci.

Dar prezența hidrogenului înseamnă că barele de combustibil au fost expuse la aer, adică nivelul lichidului de răcire a scăzut semnificativ. Ceea ce înseamnă că însăși integritarea structurală a barelor este îndoielnică, acestea fiind, probabil, parțial topite. În cel mai rău caz, barele de combustibil se vor topi integral pe podeaua reactoarelor, departe de efectele de ameliorare ale oricăror bare de control. Materialul ar putea deveni atât de fierbinte încât sa treacă prin podea, sau să ajungă la o sursă de apă și să producă o eliberare explozivă de abur combinat cu combustibil radioactiv. Momentan, nu sunt semne că așa ceva s-ar întampla în Japonia. Totuși, topirea parțială a barelor de combustibil nuclear sporește șansele ca materiale puternic radioactiv să fie eliberate, o situație destul de neagră.

Pericole suplimentare vin și de la explozia înregistrată în cazul unui reactor inactiv, care a luat foc în regiunea unde își stochează combustibilul. Din nou, hidrogenul este suspectat că ar fi cauzat explozia, fapt care sugerează încă o dată expunerea la aer a barelor de combustibil. S-a decis introducerea apei de mare și în această zonă, atât din elicopter cât și prin metode clasice, pompieristice.

Cum stăm

Până acum, se pare că materialele radioactive longevive prezente la situl din Fukushima Daiichi rămân închise în clădirile reactoarelor. Radioizotopi au scăpat și continuă să evadeze din centrală, dar momentan nu există semne că aceștia ar fi altceva decât produse secundare cu perioade de înjumătățire scurte. Totuși, în vecinătatea epicentrului nuclear compania Tokyo Electric Power (TEPCO), cea care exploatează centrala Fukushima, a înregistrat niveluri mari de radiație, drept pentru care regiunile populate aflate pe o rază relativ mică față de acest loc au fost evacuate. În același timp vânturile au trimis o bună parte de material radioactiv în largul Pacificului și nu numai.  Nu este foarte clar pentru moment cât de întinse sunt regiunile de contaminare semnificativă, acest lucru fiind, oricum, schimbător.

Toate aceste lucruri complică sever eforturile de a ține sub control temperaturile și radioactivitatea. Personalul pur și simplu nu poate să petreacă mult timp la centrală fără să se expună la cantități periculoase de radioactivitate. Ca rezultat, toate eforturile de a introduce răcitor pe lângă reactoare sunt limitate și supuse eșectului de fiecare dată când nivelurile radiaților ating cote ridicate. Tehnicienii care continuă să lucreze la fața locului își compromit, practic, sănătatea și chiar își riscă viețile.

Dar există, pesemne, și vești bune, deoarece fiecare zi care trece fără un dezastru critic permite ca mai mult din materialele radioactive secundare (cu o perioadă de înjumătățire mai mică) să se deprecieze, diminuând riscul unui eveniment catastrofal. Între timp, însă, nu prea e mare lucu de făcut pentru a preveni o evadare masivă de material radioactiv din reactoarele japonezilor. Toate metodele folosite sunt incerte și cu un grad scăzut de probabilitate a succesului. Tot ce pot face niponii este să încerce să injecteze cât mai multă apă. În acest sens, factorii de decizie au adoptat decizia schimbării apei de mare cu apă dulce pentru răcirea reactoarelor, înțelegând riscurile implicate de cea dintâi, a cărei folosire inițială pare să fi accelerat, într-adevăr, procesul de coroziune.

Centralele nucleare joacă un rol important în limitarea întrebuințării combustibililor fosili, ale căror neajunsuri sunt bine știute de toată lumea. Prin urmare, un incident ca cel din Fukushima Daiichi nu e de natură să îi pună pe oameni pe gânduri privitor la viitorul acestui mijloc de generare a puterii. Până azi, deși sunt vechi, centralele japoneze au performat admirabil și au rezistat, practic, la un al cincilea cel mai mare cutremur înregistrat vreodată, iar sistemele de siguranță, inclusiv închiderea automată și rezervele energetice au intrat în funcțiunea fără probleme. Sistemele de constrângere a materialului radioactive au supraviețuit, în mare parte, la câteva explozii cu hidrogen și, până acum, singurele materiale radioactive care au fost scurse sunt izotopi cu viață scurtă, concentrați mai ales în vecinătatea reactoarelor. Dacă lucrurile rămân pe loc, centrala se va fi descurcat bine, date fiind circumstanțele.

Sursa text & foto: WIRED