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Ingeniería: enfoques para contener y tratar a los aerosoles radiactivos en Fukushima
El accidente de marzo de 2011 en la planta nuclear de Fukushima Daiichi lanzó una compleja mezcla de materiales radiactivos en la atmósfera, el suelo y el océano. Entre estos contaminantes, aerosoles radiactivos, partículas aéreas microscópicas que llevan cesio-137, cesio-134, estroncio-90 y otros productos de fisión, plantearon una amenaza inmediata y a largo plazo para la salud humana y la seguridad ambiental.
La naturaleza de los aerosoles radiactivos en Fukushima
Los aerosoles radiactivos son partículas sólidas o líquidas suspendidas en un gas que contiene radionúclidos. Durante las derrecciones de Fukushima, explosiones de hidrógeno en unidades 1, 3 y 4 edificios de reactores rotos, fragmentos de combustible de inyección, productos de fisión vaporizada y materiales estructurales activados en el aire abierto.
El problema de Fukushima es especialmente difícil, ya que la naturaleza heterogénea de la liberación. En las primeras semanas, los desechos directos de ventilación y explosión generan partículas gruesas que se establecieron relativamente cerca del sitio, contribuyendo al “lugar subterráneo” fuertemente contaminado en el área de fontanería del noroeste.
Distribución del tamaño de las partículas y efectos en la salud
El diámetro aerodinámico de los aerosoles radiactivos dicta tanto su transporte atmosférico como su deposición en el sistema respiratorio humano. Las partículas inferiores a 1 μm, a menudo llamadas el modo de acumulación, pueden permanecer suspendidas durante días y alcanzar la región alveolar de los pulmones, donde se mantienen con media vida biológica superada los meses.
Diseño de barreras de retención física
La primera línea de defensa era detener la propagación de aerosol en la fuente. En los edificios de reactores más contaminados, se erigieron recintos a gran escala para atrapar partículas aéreas y evitar que fueran dispersados por vientos o distracciones térmicas. Estas estructuras variaron de simple impermeabilización a sofisticadas conchas de contención negativas de presión.
Cubiertas de construcción de reactores y zonas de trabajo selladas
La unidad 1, que había perdido todo su techo y las paredes superiores en una explosión de hidrógeno, era una de las prioridades más urgentes. En 2011, la compañía eléctrica de Tokio (TEPCO) instaló una cubierta enorme de poliéster-fabric sobre el edificio del reactor, apoyada por un marco de acero. La cubierta no era totalmente hermética pero redujo drásticamente la fuga de la contaminación suelta y proporcionó blindaje contra la precipitación que podría crear más.
Suppressants and Dust Control
Los nuevos biopresupuestos que se despliegan en forma de agua, son una fuente importante de reaerosolización, especialmente durante el movimiento de vehículos, el manejo de materiales y el desguace de temporadas lluviosas.Los ingenieros desarrollaron una gama de supresores químicos, polímeros líquidos y agentes de unión, que se rociaron en carreteras, zonas de estadificación y superficies expuestas.
Estrategias avanzadas de filtración
La retención por sí sola no puede eliminar el peligro de aerosol, especialmente cuando el trabajo dentro de los recintos genera nuevas partículas o cuando los filtros antiguos se cargan. Los sistemas de filtración de aire forman el núcleo del control activo de aerosol, y en Fukushima, se han desplegado en escalas que van desde unidades portátiles hasta plantas de ventilación centralizadas masivas que sirven edificios enteros.
Filtración HEPA y más allá
Los filtros de alta eficiencia de aire de partículas (HEPA) de alta eficiencia, valorados para eliminar al menos el 99.97% de partículas de diámetro, fueron la primera opción para unidades de extracción móviles y fijas. Miles de bancos de filtros HEPA se han instalado dentro de los recintos del edificio del reactor, en instalaciones de almacenamiento de desechos temporales y en carros móviles que pueden ser colocados donde se esté produciendo el corte o el rectificado de vapor.
Las limitaciones de la HEPA estándar llevaron a la adopción de filtros de aire ultra-bajo de segunda generación (ULPA) en algunas vías críticas, y más importante, para el desarrollo de filtros de fibra metálica y cerámica que pueden soportar temperaturas más altas y campos de radiación. Para áreas con carga de aerosol extremadamente fino, se probaron precipitadores electrostáticos, que ionizan partículas y las recogen en placas cargadas sin la gota de presión de los medios de fibras cuidadosas.
Sistemas de limpieza de aire móvil y localizados
Las nuevas unidades de control de frecuencias de aire que se mantienen en las zonas de control de aire, permiten la detección de frecuencias de aire flexibles y desplegadas. En 2013, TEPCO y las organizaciones asociadas comenzaron a implantar grandes sistemas de filtración y ventilación móviles que pueden conectarse mediante una transmisión flexible a carpas de contención, zonas de carga de combustible gastadas y puertos de acceso a reactores.
Pruebas de filtro y garantía de calidad
Los nuevos procedimientos de medición de la superficie de los medios de comunicación, sin necesidad de filtrar la mayor parte de los filtros de la superficie instalados, incorporan los nuevos procedimientos de medición de la radiación de los medios de comunicación sin necesidad de filtrar la presión de alta eficiencia, un factor de descontaminación de al menos 10.000 debe ser verificado antes de que el filtro se describa en alerta de presión diferencial a través de los sensores de radiación de alta eficiencia.
Métodos de tratamiento de Aerosol físico y químico
La filtración captura partículas, pero los enfoques de tratamiento tienen como objetivo cambiar el estado físico o químico del aerosol para facilitar la recogida o neutralización permanente de su peligro.
Escalada de Aerosol con rayos de agua y atraco
Los sistemas de pulverización de agua fueron uno de los primeros contramedidos. En las últimas etapas, los camiones de fuego y los helicópteros dejaron agua en los edificios de reactores para refrigerar el combustible fundido, apropiando inadvertidamente algunas partículas transmitidas por el aire. Hoy, los sistemas de pulverización diseñados dentro de los edificios utilizan boquillas de alta presión generando una fina neblina que maximiza el contacto de partículas.
Estabilización y fijación de productos químicos
pulir el material de la técnica de la inyección de metales sólidos es un proceso de detección de los residuos de la industria de la industria.
Robot y operaciones remotas para minimizar la generación de Aerosol
Cada entrada humana en una zona contaminada requiere trajes protectores, monitores de aire y posterior descontaminación, que puede generar aerosoles. Robotics ofrece una manera de realizar inspección, muestreo e incluso demolición ligera sin crear el mismo nivel de riesgo aéreo. Vehículos operados remotamente (ROV) equipados con cámaras, detectores de radiación y manipuladores se han desplegado en los edificios de reactores secundarios desde 2011.
El desarrollo de la electrónica resistente a la radiación y los sistemas de comunicación inalámbrica ha permitido que los robots semiautónomos funcionen en campos de dosis que serían letales para los humanos en minutos. Al permitir que la vigilancia y el mantenimiento ocurran remotamente, estas máquinas no sólo reducen la exposición de los trabajadores sino también reducen la necesidad de abrir barreras de contención, manteniendo el ambiente aerosol-lanzado sellado.
Vigilancia de la radiactividad aérea y vigilancia
El control eficaz de aerosol requiere saber exactamente lo que está en el aire y dónde. Una vasta red de monitores de aire continuos en tiempo real (CAMs) fue instalada en el sitio Fukushima. Estos dispositivos se trazan aire a través de una cinta de filtro que acumula partículas; un detector de semiconductores o de scintillator mide continuamente la radiación emitida, proporcionando datos de concentración de aire casi incipiente.
El nuevo sistema de control de frecuencias nucleares (TEPCO y el Organismo de Energía Atómica) han operado muestras de aire de alto volumen en docenas de lugares alrededor de la planta, respaldadas por la espectroscopia de laboratorio para identificar huellas digitales isotópicas. Este doble enfoque permite a los operadores distinguir entre el aerosol heredado del accidente original y el nuevo marco de auditoría generada.
Innovaciones y futuras direcciones
El desafío de aerosol en Fukushima está lejos de resolverse; mientras la descomposición se mueve en la fase de eliminación de residuos de combustible —la operación más radiológicamente peligrosa— el potencial para generar polvo nuevo y altamente radiactivo es inmenso. Por lo tanto, los ingenieros están explorando una gama de tecnologías de próxima generación.
Medios de filtración reactiva y de nanofibra
Los filtros convencionales de alto rendimiento de la HEPA imponen un intercambio entre eficiencia y resistencia al flujo de aire, que limita su uso en escenarios de alta ventilación y demanda. Investigadores en instituciones como los Institutos Nacionales de Ciencia y Tecnología Cuántica (QST) están desarrollando alfombras de nanofibra de electrospuno con diámetros de fibra inferiores a 100 nanometros, que explotan nanofluentes
Espectroscopia descomposición inducida por láser para la identificación de partículas en tiempo real
Un futuro donde se puede detectar cada partícula huyequera y identificar químicamente en tiempo real se acerca. Sistemas de espectroscopia de descomposición inducida por láser (LIBS), actualmente adaptados para uso de campo, pueden analizar la composición elemental de partículas individuales mientras pasan por una cámara de detección. Cuando se combina con una boquilla de enfoque aerodinámico, tal sistema podría clasificar partículas como “fuel fragmento” quirúrgico vs.
Trapping de Aerosol criogénico
Un concepto elegante pero desafiante es el atraque criogénico, donde las partículas aéreas son capturadas por vapor de agua condensando sobre ellos y luego congelando la mezcla en bloques de hielo. El hielo encapsula la radioactividad y se puede almacenar, pero el costo de energía y la complejidad de mantener grandes superficies criogénicas en un edificio de reactores calientes y húmedos han mantenido este enfoque en la tabla de corte.
Células integradas de retención y tratamiento para la recuperación de desechos
La hoja de ruta a largo plazo requiere la eliminación de residuos de combustible fundido desde el fondo de los vasos de presión del reactor y los vasos de contención. Los ingenieros están diseñando células de retrieval masivas y totalmente selladas que se construirán alrededor y por encima de los reactores dañados. Estos recintos incorporarán ventilación de presión negativa, filtración de cinco etapas (incluyendo carbón y HEPA), manipuladores de supresión de aerosol
Lecciones para la industria nuclear mundial
Las directrices de seguridad de Fukushima para el rendimiento de la unidad de la función de la energía, incorporan los modelos de la gestión de la energía de la energía en el mundo.
Conclusión
La contención y el tratamiento de los aerosoles radiactivos en Fukushima Daiichi es uno de los retos más complejos de ingeniería ambiental de la era nuclear. Mediante una combinación de barreras físicas, filtración avanzada, estabilización química, operaciones robóticas y monitoreo continuo, los ingenieros han construido un sistema multicapa que ha reducido drásticamente el riesgo radiológico de los trabajadores y la población circundante.