La fusión del núcleo de un reactor nuclear se produce cuando las barras de combustible nuclear de un reactor nuclear , que contienen uranio o plutonio, así como productos de fisión altamente radiactivos , comienzan a sobrecalentarse y luego a fundirse. Ocurre en particular cuando un reactor deja de enfriarse adecuadamente. Se considera un accidente nuclear grave por la probabilidad de que el material fisionable pueda contaminar el medio ambiente con una emisión de muchos radioisótopos altamente radiactivos, después de pasar por elrecinto de contención .
Ya se han producido varios derrumbes de núcleos en reactores nucleares civiles y militares (consulte la lista de accidentes nucleares ). Se caracterizaron por daños muy graves al reactor nuclear y los casos más graves (emisiones radiactivas al medio ambiente) requirieron la evacuación de la población civil de la zona circundante. En la mayoría de los casos, luego fue necesario cerrar definitivamente el reactor y luego llevar a cabo su desmantelamiento completo.
Una barra de combustible nuclear se derrite cuando la temperatura alcanza un valor por encima de su punto de fusión . Durante el desastre de Chernobyl , este aumento de temperatura fue casi instantáneo; en otros casos, puede llevar varias horas, especialmente durante el accidente nuclear de Three Mile Island .
La fusión del núcleo puede ocurrir después de que finaliza la reacción en cadena de fisión de neutrones, ya que la inercia térmica , el calor residual (relacionado con la descomposición de productos de fisión de vida corta) o el calor de un incendio pueden continuar calentando el combustible mucho después de que el reactor se haya apagado. .
En los reactores nucleares , las barras de combustible en el núcleo pueden derretirse por las siguientes razones:
La falla de los sistemas de suministro de energía de emergencia también podría provocar la fusión del núcleo. Un informe de la Autoridad de Seguridad Nuclear de EE. UU. (NRC) revela que el 50% de los escenarios de fusión del núcleo provienen de un corte de energía en la planta.
Inmediatamente después de detener las reacciones de fisión, un reactor nuclear aún libera alrededor del 7% de su potencia térmica nominal, esta potencia residual disminuye logarítmicamente.
Por lo tanto, está cerca de:
Su calor residual se elimina normalmente -en este tipo de casos- mediante refrigeración, gracias a circuitos auxiliares en los que el agua es el refrigerante y cuyas bombas y sistemas de control deben ser alimentados con electricidad. En el caso del accidente nuclear de Fukushima , los sistemas de emergencia parecen haber sido severamente dañados por el terremoto y / o inundados por el posterior tsunami . Los generadores de emergencia se detuvieron abruptamente una hora después.
El reactor ya no se puede enfriar y el volumen de agua disminuye, lo que puede provocar la fusión del núcleo del reactor. El punto de fusión del combustible es de aproximadamente 2800 ° C , mientras que la vaina de base de circonio se deteriora alrededor de 830 ° C y, a continuación, por una reacción de oxidación con agua, se rompe alrededor de 1200 ° C . El revestimiento se funde a alrededor de 1600 ° C , temperatura que se alcanza en pocos minutos en el núcleo de un reactor apagado si está parcialmente fuera del agua.
Una explosión puede dispersar la radiactividad muy fuerte del núcleo a distancias relativamente grandes (del orden de un kilómetro) y destruir los medios de control de la planta.
Por lo tanto, se considera preferible, durante este tipo de accidentes, dejar escapar el vapor y el hidrógeno acumulados en el recinto, incluso si esto significa causar una contaminación radiactiva al exterior que generalmente es limitada si se han utilizado los tubos de combustible. . Asimismo, la refrigeración del núcleo se considera una prioridad, incluso si significa que baja radiactividad abandona el recinto (se proporcionan depósitos de dispersión para retener esta agua de refrigeración potencialmente contaminada). Este enfoque establece un " modo degradado " en el que la mayor parte de la radiactividad permanece dentro de las barreras de contención.
Una vez extraídos del núcleo de un reactor, los elementos combustibles gastados, que continúan emitiendo calor, se almacenan en una piscina de desactivación , cuyo agua sirve tanto para enfriarlos como para constituir una barrera ("blindaje líquido") A la radiación que emiten. El nivel de una piscina debe ser monitoreado constantemente y su temperatura no debe exceder los 25 ° C , lo que requiere un enfriamiento constante. Cada piscina de 12 metros de profundidad puede albergar materiales radiactivos a una altura de 4 m . En el sitio de Fukushima Daiichi, según TEPCO, había más material radiactivo en las piscinas que en los reactores. En el momento del accidente, contenían 11125 conjuntos de combustible gastado (casi cuatro veces la cantidad de productos radiactivos contenidos en los núcleos de los seis reactores). La piscina del reactor n. ° 4 (que se cerró por mantenimiento) en 1331 contenía conjuntos de piezas cuando se expone al aire.
En ausencia de un suministro de agua destinado a enfriar una piscina de almacenamiento de combustible usado, el contenido de la piscina se evapora ( 0,4 litros por segundo y por megavatio) y la ebullición provoca el calentamiento y luego el enfriamiento. Explosión (vinculada a la oxidación) de las barras de combustible . Además, las piscinas de almacenamiento están ubicadas fuera de la contención resistente de los reactores (están en una situación normal confinados dinámicamente) y, por lo tanto, están más fácilmente expuestos a la atmósfera.
Esta situación es potencialmente muy grave: si el agua de la piscina se evapora (lo que puede ocurrir después de unos días de funcionamiento anormal), los elementos combustibles irradiados que contiene pueden fundirse o incendiarse, esparciendo sus productos de fisión directamente en la piscina.
En tal caso, las emisiones radiactivas correspondientes serían mucho más altas que las emisiones hasta ahora.
Los reactores en las plantas de energía nuclear están diseñados para apagarse automáticamente al inicio de temblores importantes, luego se detiene la reacción en cadena que tiene lugar durante el funcionamiento normal del reactor, pero los reactores deben enfriarse para eliminar el calor debido a la actividad del reactor. productos de fisión que contiene, que por lo tanto continúan desintegrando al calentar durante un tiempo que puede llegar a varios meses.
La pérdida total de refrigeración es el mayor accidente que dimensiona los dispositivos de seguridad de una central nuclear . De hecho, calculando las posibles consecuencias de tal accidente en el exterior se determina si un reactor es suficientemente seguro. Por tanto, las consecuencias de un accidente de este tipo se estudian con antelación y las respuestas a las distintas situaciones forman parte del expediente de seguridad de la central. Para que una planta de energía esté legalmente autorizada para operar, el operador debe demostrar que los efectos de cualquier accidente de fusión del núcleo permanecen confinados a la planta y no requieren la evacuación de los residentes locales.
En general, las consecuencias de una pérdida de enfriamiento en un reactor pueden ser:
Daños mecanicos La primera consecuencia es que el agua de refrigeración se evapora, lo que provoca una sobrepresión de vapor de agua. Entonces, la presión de vapor puede ser suficiente para dañar la instalación. Polución radiactiva A medida que la temperatura sigue aumentando, el revestimiento de combustible (tubos largos) se puede dividir, liberando productos de fisión en el núcleo. El riesgo es entonces que estos productos de fisión se propaguen a la atmósfera con los vapores producidos, lo que lleva a una contaminación radiactiva en el exterior. El fenómeno puede agravarse gravemente, como en el accidente de Chernobyl , si un incendio transporta los materiales radiactivos a la atmósfera. Producción de hidrógeno y explosión química Los tubos de combustible, cuando ya no están sumergidos en agua, se calientan a temperaturas mucho más altas (unos pocos cientos de grados). A estas altas temperaturas, el circonio que forma la capa de combustible reacciona con el agua en la fase gaseosa para formar óxido de circonio e hidrógeno, que se mezcla con el agua en la fase gaseosa y se acumula en las partes superiores del circuito primario. La reacción de Zr + H 2 Oes tanto más rápido cuanto la temperatura es alta y a partir de 1200 ° C (temperatura alcanzada solo si el agua contenida en el tanque ha pasado completamente a la fase gaseosa) acelera bruscamente. Al combinarse con el oxígeno del aire, el hidrógeno puede formar una mezcla explosiva. Si se produce en una cantidad demasiado grande, el hidrógeno debe ser descargado al exterior, de lo contrario se formará una rotura o grieta por efecto de explosiones en la parte más débil: cualquiera de la contención del recinto (tras la liberación de fluido de la circuito), o desde la vasija del reactor. Fusión del corazón Finalmente, los elementos combustibles pueden fundirse y el corium formado se acumula por gravedad, generalmente en las partes inferiores de la vasija del reactor. En la medida en que la geometría del núcleo ya no se controle, existe el riesgo de un accidente de criticidad si las barras de control (fundidas con el resto) ya no pueden realizar su función. Es por esta razón que se agrega boro (en forma de ácido bórico ) al agua de enfriamiento, para absorber tantos neutrones como sea posible y así reducir la reactividad del núcleo. Reacción nuclear sostenida Un posible accidente de criticidad siempre permanece en el límite de criticidad, pero no puede ir más allá, aunque podría provocar una pequeña explosión mecánica. Una explosión nuclear adecuada (del mismo tipo que la de una bomba atómica ) no es físicamente posible en una planta de energía nuclear, porque el corium, que se mueve solo lentamente, se dispersaría inmediatamente por la energía de una reacción en cadena que comienza , antes de haber podido liberar una fracción significativa de su potencial energético.El escenario del accidente de Chernobyl había superpuesto dos problemas: por un lado una explosión de vapor y por otro lado el fuego del moderador de grafito provocando una columna de productos de fisión y detritos radiactivos provenientes del núcleo del reactor y formando la nube de radiactividad que se había extendido toda Europa y más allá (el fuego de grafito no es posible para los PWR y BWR , cuyos neutrones son moderados por el agua).