Primero, debemos saber como funciona una central nuclear. Una central nuclear es construida para generar energía eléctrica usando reactores nucleares de potencia que, a diferencia de una central térmica —que usa petróleo u otro combustible fósil— o una central hidroeléctrica —que usa la caída del agua—, usan la fisión (desintegración) del uranio para propulsar las turbinas del generador eléctrico. Pero, ¿cómo lo hacen?.

Un reactor nuclear tiene grandes cantidades de Uranio en su núcleo. El Uranio-238 es el más abundante en la naturaleza (~99.28%), pero es el Uranio-235 el más usado en los reactores nucleares gracias a su facilidad para fisionarse. Así que se debe aumentar la concentración del Uranio-235 de 0.71% a 2-5%, por un proceso conocido como enriquecimiento del Uranio.

El Uranio se encuentra en los reactores nucleares principalmente en forma de dióxido de uranio, el cual tiene un aspecto de cerámico negro. Luego, al dióxido de uranio se le da la forma de pequeños cilindros los cuales son empaquetados en varillas de acero inoxidable o zirconio, y agrupados formando barras, las cuales se ubican en el núcleo del reactor.

El segundo paso es activar la reacción en cadena que permite liberar la energía nuclear para luego ser transformada en energía eléctrica. Para esto, un neutrón debe chocar con el núcleo del átomo de Uranio para fisionarlo (desintegrarlo) en núcleos atómicos más pequeños. En el proceso, no sólo obtenemos átomos más pequeños, sino también más neutrones —entre 2 y 3 por cada fisión— que chocarán con otros átomos de Uranio, generando así una reacción en cadena. Aquí un video para que lo entiendan de manera didáctica:


Las pelotitas (núcleos de Uranio) están puestas en unas trampas para ratones (energía contenida en cada átomo de Uranio) , Cuando cae la pelotita roja en ella (neutrón), activa la trampa provocando la liberación de la energía contenida en ella (fisión del Uranio) y la pelota volará activando otra trampa, y así se generará una reacción en cadena.

Pero, si sumamos la masa de todas las partículas generadas por la fisión de un átomo de Uranio, veremos que hay masa que se ha perdido, ¿a dónde fue esa masa?… simplemente se convirtió en energía. La fisión del Uranio libera una gran cantidad de energía, aproximadamente 200MeV (3.2*10-11J) por átomo de Uranio-235.

Haciendo unos pequeños cálculos, si tenemos un núcleo de Uranio enriquecido —digamos con un 2% de Uranio-235—, entonces tendremos 4.46*1019 átomos de Uranio-235 en 1g de dióxido de Uranio. Por lo tanto, la energía producida por este gramo de dióxido de Uranio será de 1.43*109J. Por otro lado, 1Kg de la mejor calidad de carbón (antracita) me genera 4*107J de energía. Entonces, para obtener la misma energía producida por 1Kg de dióxido de Uranio enriquecido al 2%, necesitaría quemar 35.75 toneladas de antracita. ¿Ven la diferencia? Es por esto que la energía nuclear tiene un buen rendimiento y es bastante usada en la generación de energía eléctrica.

Ahora, esta enorme cantidad de energía es liberada en forma de calor. El núcleo de un reactor nuclear se encuentra sumergido en un gran tanque de agua, ¿saben por qué?. Bueno, todos me dirán para capturar el calor generado por el reactor nuclear, luego calentarse y convertirse en vapor, el cual viajará a través de unas tuberías hacia unas turbinas, moviéndolas para girar el generador eléctrico.
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Otra de las funciones del agua es actuar como moderador de los neutrones generados por la fisión del uranio. Los neutrones son un tipo de radiación ionizante indirecta del tipo corpuscular (porque tienen masa). Este tipo de radiaciones son las más perjudiciales, ya que la penetración de los neutrones es mucho mayor que el de los rayos alfa, beta y hasta de los gamma, gracias a que no tienen carga eléctrica. Los blindajes de plomo no pueden contener la radiación de neutrones —tal como lo hacen con los rayos gamma— y los pasan como si nada.

Por otro lado, si un neutrón choca con las moléculas de nuestro cuerpo, pueden cambiar la naturaleza química de nuestros átomos. El neutrón puede ser absorbido por los núcleos de los átomos de nuestras biomoléculas (activación neutrónica), aumentando su masa atómica y convirtiéndose en un isótopo menos estable o un radionúclido, el cual puede decaer en otro más estable, generando rayos gamma o beta que son perjudiciales para nuestras células.

Por suerte, los neutrones son contenidos por elementos químicos de bajo número atómico, sobre todo, por compuestos ricos en hidrógeno como el agua, las ceras de parafina o el concreto. Por esta razón, los núcleos de los reactores se encuentran sumergidos en inmensos tanques de agua dentro de enormes cúpulas de concreto. Así que el agua, a parte de generar el vapor que mueve las turbinas, sirve como blindaje para evitar la fuga de radiación neutrónica.

Antes de continuar, quiero responder a una pequeña curiosidad. El núcleo de un reactor nuclear encendido no es verde —tal como aparece en los Simpsons y que es la forma como muchos se lo imaginan— sino de un hermoso color azul intenso. Esto se debe al efecto Cherenkov, que es la onda de choque de la luz. Cuando un avión supera la velocidad del sonido (343m/s), se genera un estruendo debido a la onda de choque producido por la ruptura de la barrea del sonido. En el agua, la luz tiene una menor velocidad que en el vacío, en cambio, los neutrones generados por la fisión nuclear prácticamente mantienen su misma velocidad, la cual es más rápida que la de la luz en el agua, así que los neutrones —tal como un avión supersónico lo hace con el sonido— rompe la “barrera de la luz” generando una onda de choque, la cual se manifiesta de un color azul intenso.
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Una vez que el vapor hizo su trabajo, debe ser enfriado, condensado (para que vuelva a su estado líquido), y regrese nuevamente al tanque del reactor para reiniciar el ciclo. Para poder enfriar el vapor se requiere de un sistema de refrigeración. Las centrales nucleares siempre están ubicados cerca a un río, lago o mar, para poder usar el agua como refrigerante. Para ello, requieren del funcionamiento de unas potentes bombas que extraigan el agua de estos reservorios naturales; las pasen a través de tuberías dispuestas como un radiador, capturando todo el calor del vapor generado en el tanque, para luego eliminar ese calor a través de enormes torres de refrigeración. 3

Estas torres que ven en la imagen sirven para eliminar el calor capturado por el agua del sistema de refrigeración. Las bombas llevan el agua caliente hasta la cumbre de estas torres y las dejan caer como si fuera una gran ducha. Durante la caída, el agua se va enfriando gracias a la presencia de gigantescos ventiladores en la parte inferior de la torre. Los ventiladores soplan hacia arriba, y el calor es eliminado por el vapor a través de las chimeneas. Aunque pareciera que el humo emanado por estas gigantescas torres contamina el ambiente, no lo hace, porque lo único que eliminan es vapor de agua. Es por esta razón que la producción de energía eléctrica en centrales nucleares no contamina el ambiente.

Pero, ¿qué pasaría si las bombas dejan de funcionar?… Bueno, aquí si viene un gran problema.

Una central nuclear es autosuficiente. La energía eléctrica producida por el reactor, es usada para mantener en funcionamiento toda la central. Pero, debido al terremoto del viernes, la energía eléctrica central fue interrumpida y, como era de esperarse, las bombas dejaron de funcionar, lo mismo que el sistema de refrigeración.

Cuando hay un corte de energía eléctrica repentino, las barras de uranio del reactor caen a un ambiente con compuestos que absorben neutrones. A este proceso se le conoce como SCRAM, y se encarga de apagar el reactor de manera casi inmediata. Pero, ¿cómo se apaga un reactor?. Como explicamos en la primera parte, la reacción nuclear es una reacción en cadena producida por la liberación de neutrones de la fisión del uranio. Entonces, para detener esta reacción en cadena, debemos capturar esos neutrones para que ya no choquen con otros núcleos de Uranio y sigan produciendo energía. El Cadmio es un buen capturador de electrones y es usado principalmente en reactores nucleares de investigación como el del IPEN, pero para reactores nucleares de potencia se usan compuestos a base de Boro como el ácido bórico.

Los neutrones son capturados a diferentes tasas dependiendo del átomo. Cada átomo tiene una sección eficaz diferente, que le permite capturar neutrones con mayor facilidad que otros. El Boro y el Cadmio poseen secciones eficaces mayores al del uranio, por eso capturan la mayor cantidad de electrones, controlando la reacción en cadena.

Pero, a pesar que el reactor está apagado, se siguen dando reacciones nucleares controladas, por lo tanto, la temperatura del tanque aumentará gradualmente si el sistema de refrigeración está apagado. Ese es el miedo que tienen las autoridades japonesas. El núcleo del reactor sigue calentándose poco a poco, y llegará un momento en que la temperatura sea tan alta, que las barras de uranio se fundirán y se liberará todo el material reactivo,. En el peor de los casos, podría ocurrir una explosión que liberaría todos los productos de la fisión del Uranio, los cuales están formados por una gran variedad de radionúclidos emisores de rayos alfa, beta y gamma; todos ellos perjudiciales para la salud.

La explosión se da porque, a medida que aumenta la temperatura y alcanza los 1,500°C, el revestimiento de zirconio de las barras de uranio empiezan a fundirse y a reaccionar con el vapor de agua generando hidrógeno gaseoso. A medida que los vapores y gases van aumentando dentro de la cúpula del reactor, se va acumulando una gran presión que finalmente terminará en una explosión. Por otro lado, el hidrógeno gaseoso es sumamente inflamable y es capaz de generar incendios dentro del reactor, dificultando la forma de controlar una explosión inminente. Por suerte, los reactores nucleares cuentan con sistemas de ventilación y filtros que permiten liberar el gas contenido sin dejar salir ninguna partícula radiactiva. Pero, sin corriente eléctrica, tal vez no estén funcionando.

Como pueden ver en la figura, los productos de fisión son varios, prácticamente todos los elementos de la tabla con número de masa superior a 70. Por ejemplo, de la fisión del Uranio podemos obtener el Molibdeno-99, el cual sirve para producir los generadores de Tecnecio-99m, que es el radionúclido más usado en la medicina nuclear. Sin embargo, hay otros radionúclidos que no son nada buenos para nosotros, de los cuales dos son los más peligrosos: el Cesio-137 y el Iodo-131.
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Además, el agua que está en el tanque del reactor, el cual es ultra pura, desmineralizada y muchas veces formada por deuterio en vez de hidrógeno (agua pesada), también se vuelve radiactivo. Los neutrones generados en la fisión del uranio activan los átomos de hidrógeno y oxígeno presente en el agua, transformándolos en Tritio (Hidrógeno-3) y en Nitrógeno-16. Estos radionúclidos emiten rayos beta cuando decaen a Helio-3 e Oxígeno-16, respectivamente.

El Cesio-137 es uno de los más peligrosos. Primero, porque se disemina fácilmente por el aire. Segundo, porque tiene propiedades químicas similares al Potasio, y si entra al cuerpo, se distribuye principalmente en el tejido muscular. Tercero, porque es altamente soluble en el agua, contaminando ríos, lagos, mares y hasta las lluvias en regiones aledañas a donde se ha producido. Cuarto, porque tiene un tiempo de vida media de ~30 años, así que se necesitaría de al menos unos 300 años —10 vidas medias— para que sus niveles sean despreciables.

Si bien el Cesio-137 emite rayos beta, los cuales tienen un bajo poder de penetración —el mismo aire los puede contener— no es este el que causa el daño. El Cesio-137 decae a Bario-137m (metaestable), el cual tiene un tiempo de vida media de tan sólo 2.55 minutos, decayendo a Bario-137 emitiendo en el proceso rayos gamma que si son muy perjudiciales para la salud, ya que causan daño en el ADN.

Por otro lado tenemos al Iodo-131. Este radionúclido es muy usado en la medicina nuclear, tanto para el diagnóstico como para el tratamiento del cáncer de tiroides. Pero, esto se da sólo cuando se usa de manera controlada y con actividades adecuadas. El problema del Iodo-131 es que es un gas, por lo tanto es volátil y fácil de contaminar a la gente a través de la respiración. El Iodo-131 tiene un tiempo de vida media de ~8 días para decaer a Xenón-131 emitiendo partículas beta.

Una de las principales propiedades del Iodo es su gran afinidad por la tiroides. Todos los isótopos de un átomo tienen las mismas propiedades químicas, sean o no reactivos, así que tanto el Iodo normal estable (Iodo-127) como el Iodo radiactivo, se alojarán en la tiroides. Si el Iodo-131 se aloja en la tiroides, los rayos beta la dañarán, provocando cáncer tiroideo. Es por esta razón que se les da pastillas de ioduro de potasio como profiláctico a todas aquellas personas que están cerca de las zonas donde hubo un accidente nuclear, para que el Iodo estable sature toda la tiroides, y el iodo radiactivo ya no pueda alojarse ahí y sea eliminado del cuerpo.

A parte de ellos, hay otros radionúclidos importantes que son liberados en menores cantidades durante un accidente nuclear como el Cesio-134 y el Estroncio-90. Los dos son emisores puros de partículas beta.

Pero el problema no termina ahí, debido a que el Cesio-137 en su forma de sal es un polvo fino, puede diseminarse fácilmente por el aire, y ni hablar por el agua, donde es extremadamente soluble. Lo mismo ocurre con el Iodo-131 gracias a su volatilidad. Los vientos que soplan desde el Japón podrían llevar la radiación a zonas tan alejadas como la costa oeste de los Estados Unidos.

Para terminar, vamos a ver las medidas. Según los reportes de os principales diarios internacionales, la radiactividad cerca a la zona del accidente aumentó 1000 veces con respecto a las condiciones normales. ¿Esto que quiere decir?…

Normalmente, recibimos radiación de todos lados. La misma Tierra, las paredes de nuestras casas, el agua que tomamos, los alimentos que comemos, todos emiten unos niveles de radiación casi imperceptibles conocidos como radiación de fondo. También recibimos radiación desde el espacio exterior a través de los rayos cósmicos, estos rayos también chocan con los átomos de la atmósfera volviéndolos radiactivos, y el concreto y el cemento, al tener impurezas de Uranio generan Radón, el cual es radiactivo. En países donde los inviernos son muy fríos y se mantienen calientes usando equipos de aire acondicionado, el Radón se acumula dentro de las casas, provocando graves daños a la salud de las personas, sobre todo, cáncer de pulmón.

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La radiación de fondo varía de un lugar a otro. Obviamente, dentro de una central nuclear la radiación de fondo será más alta, que fuera de ella; y a su vez, esta será mayor que en una ciudad a kilómetros de distancia. En Puno, cerca a la región de Macusani, la cual tiene grandes yacimientos de uranio, la radiación de fondo es relativamente alta comparada con otras regiones del país.

Entonces, si en promedio la radiación gamma generada por el planeta es de 0.5mSv al año, cada día una persona recibe una dosis de 1.3uSv. Si dicha exposición ha aumentado 1000 veces, entonces, una persona recibiría una dosis de 1.3mSv cada día, siempre y cuando esté muy cerca a la central nuclear, ya que la radiación disminuye con la distancia. Dicha dosis es superior a la dosis anual que debe recibir una persona cualquiera (1mSv), según las normas internacionales.

Pero, según un reporte de Tepco (Tokio Electric Power), la tasa de dosis registrada el día de hoy dentro de la planta nuclear fue de 882uSv/hr, lo cual es sumamente alto, ya que en una hora alcanzaría casi el límite anual para una persona cualquiera (1mSv). Sin embargo, para un trabajador laboralmente expuesto a las radiaciones ionizantes, el límite es mucho mayor, con un máximo de 50mSv/año, y sin superar los 100mSv en 5 años. Esto quiere decir que para manejar la planta nuclear, los trabajadores deben turnarse constantemente para reducir la exposición a la radiación.

Por otro lado, hay una medida llamada la dosis límite 50/60 (LD50) la cual es de 3.5Sv. Esto quiere decir que el 50% de las personas que han recibido una dosis de 3.5Sv (3500mSv), morirán antes de los 60 días. Con 5Sv, la tasa de mortalidad llega al 100%.

Por ahora no hay una fuga significativa de material radiactivo, lo cual reduce las probabilidades de que una nube radiactiva este viajando hacia el este. Por otro lado, si bien la tasa de dosis dentro de la central nuclear es muy alta, la gente que trabaja ahí tiene amplios conocimientos en protección radiológica, así que están reduciendo al mínimo su exposición usando los tres principios básicos: tiempo (el menor posible), distancia (la mayor posible) y blindaje (lo suficiente como para trabajar con facilidad).