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La vulnerabilidad única de los grupos de combustible gastado
Los depósitos de combustible gastados no son cuencas de almacenamiento pasivo; son sistemas hidroeléctricos activos. Después de que el combustible se retire de un reactor, emana suficiente calor residual que debe sumergirse bajo aproximadamente siete metros de agua aburrida para el enfriamiento continuo y el blindaje de radiación. En Fukushima Daiichi, las piscinas se ubicaron en los pisos superiores de los edificios del reactor:
La base de diseño para las piscinas de combustible gastadas en los años 70 asumió un largo período de gracia antes de hervir: con la profundidad de agua total y sin circulación activa, la piscina requeriría docenas de horas para alcanzar la temperatura de saturación y muchos más para hervir hasta la parte superior del rack. Estos márgenes se derrumbó cuando el daño causado por el terremoto arrasó las líneas de agua, y se aguló el agua corriente.
Actividades de estabilización y de daños estructurales
Explosiones de hidrógeno que desenredaron las piscinas
Entre el 12 y el 15 de marzo de 2011, las explosiones de hidrógeno demolieron las porciones superiores de la Unidad 1, Unidad 3 y Unidad 4 de los reactores. La explosión de la Unidad 4 fue particularmente confundida porque el reactor en sí mismo había sido desactivado; el hidrógeno había migrado de la Unidad 3 a los conductos de ventilación compartidos. La explosión se desplazó todo el techo y el muro sur del edificio Unidad 4, exponiendo la piscina de combustible gastada directamente a la atmósfera.
Las encuestas visuales posteriores a la explosión con helicópteros y cámaras elevadas dieron indicaciones contradictorias. No había un riego obvio desde el edificio, pero la superficie de la piscina no era visible. Los instrumentos sistémicos habían registrado una sacudida violenta que probablemente superaría la base de diseño original. Un fracaso de las columnas de apoyo debajo de la piscina — pilares con hormigón armado dentro del edificio ya dañado— podría conducir a una línea catastrófica
Evaluación rápida de riesgos y el ajuste temporal
La compañía eléctrica de Tokio (TEPCO), con el apoyo del Organismo de Energía Atómica de Japón y contratistas internacionales, realizó una evaluación estructural atada utilizando fotografías, escaneado láser y LIDAR montado posteriormente por drones. El análisis mostró que mientras la placa de hormigón armado bajo la piscina estaba intacta, varias columnas de soporte habían perdido significativamente el área transversal de la explosión y de los posteriores al suelo.
Innovaciones de escáner de láser y de Drone
La evaluación estructural también rompió el nuevo terreno en la inspección remota. Los ingenieros adaptaron los cuadricoperos comerciales con electrónica endurecida por radiación para volar en los edificios sin techo y capturar imágenes de alta resolución de grietas y espacias. Unidades LIDAR basadas en tierra montadas en plataformas móviles produjeron nubes de puntos tridimensionales del interior, que luego fueron fusionadas con planes de construcción pre-accidentes para calcular las mismas cantidades de de de destrucciones.
Fallos de enfriamiento y inyección de emergencia
Pérdida de bombas de maquillaje y de circulación
Bajo el funcionamiento normal, el enfriamiento de la piscina gastada se proporciona por los lazos redundantes: una bomba de refrigeración primaria circula agua de la piscina a través de un intercambiador de calor refrigerado por el sistema de agua de servicio de la planta. Sin electricidad, tanto los lados primarios como secundarios se detuvieron. El agua de la piscina comenzó a calentarse a una velocidad de aproximadamente 0,5-1 °C por hora, una cifra que suena suave hasta que se da cuenta de que es inexorable.
El problema era la falta de nivel confiable y de instrumentación de temperatura. Los sensores instalados originalmente en las piscinas fueron destruidos por la explosión o no funcionan porque sus cables de señal corrían a través de cajas de unión dañadas. Los ingenieros recurrieron a perforaciones a través del suelo de reabastecimiento cubierto de escombros y colgantes de termopares en una cinta de medición de acero.
Inyección de agua salada y sus consecuencias a largo plazo
Con los suministros de agua dulce agotados, TEPCO tomó la decisión sin precedentes de inyectar agua marina en las piscinas de combustible gastadas utilizando camiones de fuego y bombas de diafragma. El agua marina estaba disponible fácilmente desde la costa inundada por el tsunami, pero trajo un cóctel corrosivo de cloruros, sulfatos superficiales y microorganismos marinos.
El papel del hierro en la inyección de agua de mar
El agua marina contiene alrededor de 4.5 mg/L de borón, principalmente como ácido borico. Cuando se mezcla con el agua de piscina ya bordada, la concentración de borón se mantuvo por encima del umbral de seguridad de la crítica incluso cuando el agua se evapora. Este contenido de borón natural era un factor de seguridad fortuito. TEPCO posteriormente llevó a cabo experimentos de subcritica en los racks de mock-up que mostraban la combinación de agua de agua de agua de agua bromo era en realidad más neutrones
Sistemas portátiles de refrigeración y manejo de agua
En la primera semana caótica, el método principal de inyectar agua en las piscinas era rociarla a través de los agujeros de distancia en los techos del edificio del reactor. Camiones de bomba de hormigón modificados -normalmente utilizados para colocar el hormigón líquido en los sitios de construcción de alta altura - se reubicaron con sus booms articulantes extendidos sobre los campos de desechos.
TEPCO también adaptó bombas de diafragma autoaprendizaje normalmente para el desguace de la construcción. Estos fueron colocados en la planta baja y conectados a mangueras largas que corren escaleras y a través de paredes rotas al suelo refugiante. Los operadores controlaron la velocidad de la bomba de un puesto de mando móvil, ajustando el flujo basado en las lecturas de temperatura de los termopares del jurado.
Sistemas de refrigeración de cuello cerrado con motor de Skid‐Mounted
Al mantener el caos inicial, los ingenieros diseñaron un sistema de refrigeración dedicado de la piscina de combustible que se podría configurar fuera del edificio y conectarse a través de mangueras flexibles a la piscina. El sistema consistía en una serie de intercambiadores de calor montados por esquí, filtros de partículas y columnas de resina de intercambio ion. El agua fue dibujada desde la piscina por una bomba sumergible, refrigerada por intercambiadores de calor constantes (más tarde)
El sistema temporal se convirtió en el “sistema de refrigeración y limpieza de piscinas de combustible” (FPCCS), una instalación más permanente con bombas redundantes, generadores diesel de respaldo y monitoreo remoto. Una lección importante de diseño fue la inclusión de boquillas de conexión de gran diámetro que podrían ser acoplados sin la entrada humana en el área de alta radiación. Los contactos rápidos hidráulicos se colocaron cerca del suelo de reabastecimiento y se desplazaron fuera del edificio de pie.
Selección de intercambiador de calor y limitaciones de aire-blast
Los intercambiadores de calor de aire-negro iniciales fueron dimensionados para un deber de aproximadamente 1,5 MW, pero las temperaturas ambiente durante el verano de 2011 superaron 35 °C, reduciendo la capacidad de refrigeración en casi un 20%. Los ingenieros agregaron boquillas de malla para pre-enfriar el aire entrante, pero este consumido agua desmineralizada que ya era escasa.
Robotic Inspection and Debris Removal
Mapping the Underwater Environment
Antes de que se pudiera planear cualquier eliminación de los metros de combustible, los ingenieros necesitaban determinar la condición exacta de las asambleas de combustible gastadas y la infraestructura de la piscina. El agua de la piscina estaba turbida debido a los productos de corrosión suspendidos, fragmentos de hormigón y material de aislamiento soplado. Las cámaras convencionales de bajo agua tenían una visibilidad limitada.
Los escaneos sonoros revelaron que, aunque la mayoría de los racks de combustible permanecían verticales, algunos habían pasado hasta 5 cm. Los brazos robóticos equipados con agarre desbloqueados cuidadosamente, piezas de pastoreo, barandillas y conductos, y los colocaron en cestas blindadas. La recuperación de un rayo de acero de 12 metros de longitud que había perforado el revestimiento del noreste de la piscina requería un año completo
Evaluación de la integridad del combustible
De los 1.535 conjuntos de combustible en la piscina Unidad 4, se sabe que un pequeño número se ha dañado durante un desembolso anterior, pero la pregunta es si el terremoto, la explosión o la caída de escombros habían causado nuevas brechas de aplausos. Para investigar, los ROV recolectaron muestras de agua directamente por encima de cada canal de combustible.
Gamma‐Ray Spectroscopy for Non-Destructive Analysis
Más allá del muestreo de agua, los ROVs llevaban espectros compactos de rayos gamma que podían identificar productos específicos de fisión desde una distancia de un metro. Los espectros se compararon con los registros pre-accidentes de encendido para determinar si la liberación de cada montaje coincidía con el inventario esperado. Esta técnica reveló que sólo alrededor de 30 asambleas tenían importantes errores de cierre, y ninguno parecía tener fragmentación de la pellets potencialmente.
La campaña de eliminación del combustible de la unidad 4
La Doma Protectiva y la Grulla de Manejo
La eliminación de combustible gastado de una piscina situada en un edificio abierto, estructuralmente comprometido requiere un enfoque de ingeniería radical: construir un recinto gigante sobre todo el edificio sin añadir un peso excesivo al marco debilitado. TEPCO erigió un gran cañón de acero de medición de 70 metros de largo, 30 metros de ancho y 30 metros de alto, cubierto con paneles resistentes al clima y equipado con una plataforma de puentes de lluvia.
La grúa usó un manipulador de larga distancia que podría extraer verticalmente un montaje de combustible de su rack, lo clava en una cacerola de transferencia de carga pesada, y bajar la barrica a través de una escotilla dedicada a nivel de tierra donde podría ser transportada por un remolque a la piscina de combustible gastado común del sitio. Cada movimiento fue monitoreado por docenas de cámaras y sistemas de posicionamiento guiados por láser.
Finalidad y lecciones aprendidas
La eliminación de combustible comenzó en noviembre de 2013 y concluyó en diciembre de 2014, un hito que removió uno de los mayores peligros de radiación que aún quedan del sitio Fukushima Daiichi. La operación transfirió 1.331 unidades gastadas y 204 nuevas asambleas de combustible (unirradicadas) sin ningún incidente significativo.El éxito de la campaña demostró que incluso después de un accidente severo, el combustible gastado puede recuperarse de forma segura si se garantiza que la química de agua y la estabilidad estructural.
Pre-Operational Training and Mock-Up Facilities
Antes de cualquier manipulación de combustible en el mundo real, cada operador de grúas y técnico de alarmas remotos fueron sometidos a tres meses de entrenamiento en una instalación de simulación diseñada a propósito en la ciudad de Ōkuma, a 10 km de la planta. La simulación consistía en una réplica a gran escala de la unidad 4 con conjuntos de combustible sustitutos hechos de tubos de acero inoxidable llenos de plomo para que coincidieran con el peso y el centro de emergencia.
Tratamiento a largo plazo del agua y gestión del tritio
El Legado de Agua Contaminada
Cada litro de agua rociada en las piscinas de combustible gastadas tuvo que ser recuperada, tratada y almacenada. La fase de inyección improvisada tempranamente generó decenas de miles de metros cúbicos de agua contaminados con cesio, estroncio, tritio y otros nuclidos. Aunque las piscinas de combustible gastadas contribuyeron a una menor fracción del inventario total de agua contaminada que los bucles de refrigeración del reactor, aña, a pesar de la trituración , se añadió un flujo persistente,
La conexión entre el manejo de la piscina gastada y el desafío de almacenamiento de agua suele ser subestimada. Manteniendo temperaturas estables de la piscina y utilizando filtración de alta eficiencia, los ingenieros redujeron la demanda de agua de la reserva en más del 90% en comparación con la campaña inicial de inyección.El monitoreo continuo del nivel de agua de la piscina y los sensores de detección de fugas en los sumideros de los edificios circundantes asegura que no se produzcan liberaciones de agua de agua de agua de agua de agua de agua sola.
ALPS y Tritium Management
El sistema avanzado de procesamiento líquido utiliza una serie de adsorbentes incluyendo titanatos, hexacyanoferrates, y resinas que mastican para eliminar 62 diferentes radionúclidos. Para la descarga de la piscina de combustible gastado, las concentraciones de entrada de cesio y estroncio fueron dos órdenes de magnitud más bajas que el agua de refrigeración del reactor, permitiendo que los filtros ALPS se ejecutaran por períodos más largos entre los reemplazos.
Cambios Reguladores Globales y Actualizaciones de Seguridad
Actualizaciones de potencia de instrumentación y respaldo
El accidente de Fukushima provocó una reexaminación global de seguridad de la piscina de combustible gastada. El informe del Director General de la Agencia Internacional de Energía Atómica La instalación de suministro de agua de la AIE no se interrumpió en el accidente de Fukushima Daiichi, sino en la instalación de equipos de emergencia fiables y de mantenimiento de la temperatura.
Cambios Reguladores y Modificaciones de Plantas En todo el mundo
Los reguladores nacionales de Japón a los Estados Unidos a Europa promulgaron nuevos requisitos para la instrumentación de la piscina de combustible gastada. La Comisión Reguladora Nuclear de los Estados Unidos, por ejemplo, publicó Order EA‐12-051 que contenía indicadores de nivel fiables para todos los tipos de piscina, y muchos servicios suplementaron esto con un venteo endurecido para edificios de piscina y conexiones de inyección portátiles.
En Europa, el Grupo Europeo de Reguladores de Seguridad Nuclear (ENSREG) realizó pruebas de estrés que evaluaron específicamente la capacidad de las piscinas gastadas para soportar una pérdida completa de la fregadero de calor durante 72 horas. Muchos reactores instalaron válvulas de sifonía pasiva para prevenir la formación de vórtice durante el drenaje de la piscina, y agregaron tanques de agua de carga dedicados llenos de agua aburrida.
Investigación y futuras consecuencias
Combustible de alta velocidad y el Margen de Temperatura
Las investigaciones científicas continúan en el comportamiento de combustible gastado de alta calidad durante la pérdida prolongada de refrigeración. Experimentos a gran escala en laboratorios nacionales como Sandia Sandia National Laboratories gastados en investigación de combustible nuclear han simulado escenarios de reducción de la tensión para refinar los plazos de oxidación y de de detonación de la varilla de combustible.
Un descubrimiento de la investigación es que el combustible de alta temperatura, que constituye una fracción creciente de los inventarios de combustible gastado global, se oxida a una temperatura ligeramente inferior a la que se había modelado previamente. El revestimiento se vuelve más frágil debido al endurecimiento inducido por radiación, y el espesor de capa de óxido reduce la temperatura de aparición para la oxidación rápida de alrededor de 900 °C a 850 °C.
Lecciones para la seguridad nuclear y un proyecto para la ingeniería post-accidente
La gestión de los depósitos de combustible gastados en Fukushima Daiichi es una narración de la improvisación intensiva seguida de la consolidación de la ingeniería sistemática. Frente a los edificios desplomados, la falta de datos fiables y los campos de radiación que impiden el acceso humano, los equipos de respuesta desplegaron bombas portátiles, el sujetador estructural, la robótica remota y los circuitos de tratamiento acústico.
La experiencia de Fukushima también reforzó la importancia de la comunicación transparente con el público y con expertos internacionales. TEPCO publicó informes semanales sobre temperaturas de piscina, niveles de agua y datos de contaminación, todos ellos escrutificados por el OIEA y por investigadores independientes. Esta apertura permitió que el examen entre pares de las decisiones de ingeniería y, en algunos casos, dio lugar a soluciones alternativas que fueron adoptadas.