El accidente de Chernobyl

Sarcófago de Chernobyl

El accidente de Chernobyl tuvo lugar a la 1:23:58 AM (hora local) del 26 de abril de 1986. El accidente consistió en una serie de explosiones (primero de vapor y luego de otros productos de combustión nuclear) seguidas de una fusión del núcleo del reactor.

Las causas de este accidente nuclear, el mayor de la historia, se pueden atribuir al defectuoso diseño de la planta unido a la casi total ignorancia del personal sobre cómo afectaban sus acciones al funcionamiento de la planta. También hubo fallos de comunicación entre el personal de seguridad y los encargados de operación del reactor.

Ante todo, veamos someramente cómo funciona una central nuclear de este tipo:

En una cámara tenemos uranio enriquecido sufriendo una reacción nuclear. Ésta consiste en la emisión de neutrones por parte de los átomos de uranio. Cada vez que un átomo de uranio se escinde, emite tres neutrones y libera bastante energía, en forma de calor y radiación. Este calor se utiliza para generar vapor de agua que mueve una turbina que genera electricidad. Cada uno de los tres neutrones obtenidos de la fisión de un átomo de uranio sirve para fisionar (partir) otro átomo de uranio. Se obtiene una reacción en cadena. Es el mismo mecanismo que el de las bombas atómicas de la II Guerra Mundial. Pero como no queremos una bomba atómica, se controla la reacción, introduciendo en escena las llamadas barras de control, que absorben algunos neutrones y hacen que la reacción no vaya tan rápida. Una central nuclar de fisión es, hablando mal y pronto, una bomba atómica controlada. Así dicho parece que es una locura, pero se conoce muy bien el mecanismo y hay múltiples medidas de seguridad que, correctamente utilizadas, hacen prácticamente imposible que ocurra nada. Sólo si se obvian varias de estas medidas de seguridad simultáneamente, como ocurrió en Chernobyl, se empieza a estar en peligro. Nunca ha habido un accidente grave cuando se cumplían las normas de seguridad.

Aquella noche, aprovechando que el reactor se iba a cerrar después para una revisión de seguridad, se iba a llevar a cabo un experimento en el reactor 4 para ver si, tras un apagón, la inercia de la turbina principal sería capaz de generar energía suficiente para activar los sistemas de emergencia (en particular, las bombas de agua). El reactor contaba con dos motores diésel para activar los sistemas de emergencia, pero éstos no se activaban instantáneamente. La prueba consistía en ver si durante los segundos que tardaban en activarse los motores la turbina podría activar los sistemas de seguridad. Ese mismo experimento ya se había hecho en Chernobyl en el reactor 1 poco tiempo atrás (aunque con todas las medidas de seguridad conectadas), siendo el resultado negativo: la turbina, por sí sola, no consiguió activar los sistemas de seguridad hasta la entrada en funcionamiento de los motores diésel. Tras una serie de modificaciones en el reactor, se quería intentar otra vez.

Vista de la ciudad abandonada de Prípiat, engullida por la vegetación, con la central al fondo

Antes de empezar el experimento, se redujo la potencia de funcionamiento del reactor desde los 3200 MW a 1000 MW, para realizar el experimento en condiciones menos peligrosas. Sin embargo, debido a un fallo de coordinación entre operarios, la potencia del reactor siguió bajando y llegó a estar sólo en 30 MW. A tan baja potencia, se produce un exceso de Xenon-135 (135Xe), un producto de reacción que envenena la fisión, pues absorbe neutrones. A potencias mayores, el Xenon-135 se consume en la reacción. La reacción comenzó a detenerse, pero se decidió no cancelar el experimento. Habría hecho falta un buen rato para incrementar de nuevo la potencia del reactor hasta los 1000 MW originalmente previstos. Pero no se disponía de tanto tiempo. El experimento ya iba con retraso porque durante el día habían tenido que aplazarlo durante 9 horas, debido a un pico de demanda de energía eléctrica de Kiev. Los coordinadores del experimento trabajaban bajo la presión de sus superiores. Lo que se hizo fue subir la potencia sólo hasta 200 MW. Como a este nivel sigue habiendo demasiado Xenon-135, se retiraron, más allá del límite establecido por el reglamento de seguridad, las barras de grafito (que también moderan los neutrones), para que la reacción se viese menos moderada y pudiera seguir el experimento. Dejan dentro del combustible sólo 8 de las 30 barras mínimas exigidas por el reglamento. No sólo eso, sino que también se desconectaron todos los sistemas automáticos de cierre de reacción (SCRAM) del reactor. Es un fallo gravísimo de diseño el permitir que todos los sistemas automáticos de emergencia puedan ser desconectados por los operarios.

Y el experimento comenzó. Y fracasó. En el momento de desconectar la turbina de la red, la potencia de las bombas de agua cayó rápidamente. Al cesar la llegada de agua de refrigeración, comenzó a subir la temperatura del refrigerante del reactor, que comenzó a hervir. Y aquí aparece un nuevo fallo de diseño que los operarios desconocían o, si lo conocían, no tuvieron en cuenta.

La central tras el accidente

El reactor de Chernobyl, del tipo RBMK (moderado por grafito) estaba supermoderado. En un reactor submoderado, una disminución de la cantidad de refrigerante provoca, por efecto doppler, una disminución de la potencia. Esto se conoce como un “coeficiente de huecos negativo”. En un reactor supermoderado, la disminución de la cantidad de refrigerante provoca un aumento de la potencia de la reacción (coeficiente de huecos positivo). Esto significa que el agua del refrigerante no sólo sirve para disminuir la temperatura del reactor, sino también para detener los neutrones de la reacción. El agua líquida absorbe muy bien los neutrones, pero no así el vapor de agua. Cuando comenzó a evaporarse el agua del refrigerante dentro de las tuberías, la reacción comenzó a crecer descontroladamente. Se llegó a alcanzar un nivel de potencia de 30 GW, diez veces superior al establecido por las normas de seguridad.

Al cabo de unos segundos, se pulsó el botón de parada total del reactor (SCRAM). Pero ya era demasiado tarde. EL SCRAM activa la entrada de todas las barras de grafito en el combustible, para detener la reacción. Pero como habían sido retiradas más allá del límite de seguridad, tardaron más de 18 segundos en entrar. La temperatura del reactor había subido demasiado, y las barras de grafito que debían introducirse en el combustible nuclear se deformaron por la temperatura, pudiendo introducirse sólo hasta un tercio de su longitud. Además, estas barras tenían una característica, de nuevo obviada por los operadores: al entrar en el combustible, provocan un aumento transitorio de la potencia, seguido por la disminución de la misma. Ese primer pico (de 100 veces la potencia nominal del reactor) ayudó a que todo ocurriera aún más rápido. El agua evaporada reventó todas las tuberías, provocando una inmensa explosión. La explosión libera toda el agua refrigerante, provocando un incremento aún mayor de la potencia, que alcanzó 480 veces el valor nominal del reactor. Además, reventó el techo del reactor, que sólo estaba parcialmente blindado, provocando la entrada masiva de aire, y con él oxígeno, que hizo arder todas las barras de grafito introducidas en el combustible. En ese momento, una segunda explosión revienta el resto del reactor, lanzando a la atmósfera más de 8 toneladas de material radiactivo (entre 200 y 500 veces mayor radiactividad que las bombas de Hiroshima y Nagasaki), con una potencia de un billón de julios. Se ha dicho en casi todos los medios informativos que la potencia de la explosión fue 200 veces mayor que la de Hiroshima. Nada más falso. Si hubiera sido así, no habría quedado nada de la central. Lo que fue 200 veces más alto, como digo, fue la radiactividad.

Monumento en memoria de las víctimas en las inmediaciones de la central

El núcleo del reactor se funde: se convierte en una masa radiactiva que sigue soltando cantidades inmensas de radiación y calor. La explosión provoca más de 30 incendios, que los bomberos consiguen apagar a las 9 de la mañana, con un alto precio en vidas humanas. Más de 30 bomberos murieron ese mismo día por culpa de la radiación. Para evitar que la reacción nuclear siguiera funcionando, se emplearon helicópteros, que desde el día siguiente a la explosión, lanzaron sobre el núcleo del reactor más de 5.000 toneladas de distintos tipos de materiales.

Comenzaron vertiendo 40 toneladas de carburo de boro (otro moderador), para garantizar que no se reanudara la reacción de fisión. Continuaron con 800 toneladas de dolomita a fin de extinguir el fuego y refrigerar el núcleo, y con el mismo fin añadieron 2400 toneladas de granalla de plomo. Finalmente, añadieron 1800 toneladas de arena y arcilla con el objetivo de retener los productos de fisión. Esto último falló: todavía había demasiada radiación y la arena acabó fundiéndose y cristalizando.

Posteriormente se construyó un gigantesco sarcófago, hecho con 410.000 metros cúbicos de hormigón y 7.000 toneladas de acero; el sarcófago fue terminado en noviembre de 1986. Por cierto, que ahora está lleno de grietas y toca arreglarlo, pero como es tan caro nadie se quiere hacer cargo del tema.

El reactor dañado permanecerá radiactivo como mínimo los próximos 100.000 años. El accidente fue detectado el lunes 28 de abril de 1986, a las 9 de la mañana, en la central nuclear sueca de Forsmark, unos 100 kilómetros al norte de Estocolmo, donde los contadores Geiger registraban niveles de radiactividad 14 veces superiores a lo normal. Primero se pensó en un escape en la propia central (las primeras noticias de las agencias de prensa hablaban de un accidente en una central sueca), pero un exhaustivo control mostró que la central funcionaba perfectamente y que la radiactividad venía del exterior de la central.

Para finalizar esta entrada, podemos ver un interesante documental de Discovery Channel acerca del accidente:

Fábrica de fractales: los colores del infinito de Mandelbrot

El pasado mes de Octubre publicamos una entrada acerca de la muerte de Benoît Mandelbrot, creador de la geometría fractal. Esta entrada ha provocado la curiosidad de alguno de vosotros, alumnos y lectores, acerca de ese nuevo concepto que muchos de vosotros es la primera vez que véis: los fractales.

Los fractales son formas geométricas autosemejantes que pueden ser magnificadas (incluso a un tamaño mayor que el del universo físico) o divididas y y siguen conservando los mismos patrones de la imagen original: como ver en una piedra la forma de la montaña a la que pertenece o una galaxia en una huella digital.

Benoit Mandelbrot, el genio tímido francés, acuñó el término fractal luego de que descubriera el conjunto que lleva su nombre en 1980. En realidad la naturaleza fractal del espacio pudo haber sido descubierta en cualquier punto de la historia, pero fue necesaria la aparición de computadoras capaces de realizar millones de operaciones para combrobar su existencia ad infinitum.

Aplicando la fórmula Z_n + 1 = Z_n² + c a un plano complejo se forma la imagen característica del Conjunto de Mandelbrot ("se ve como un hombre, como un gato, como un cactus, como una cucaracha, nos recuerda casi todo lo que está vivo y sin embargo es en sí misma única y nueva"). Si nos acercamos (zoom) a ciertas partes de la imagen reaparece en miniatura la imagen total. Un mismo motivo aparece a distintas escalas, a un número infinito de escalas.

Puedes generar fractales en esta web.

En una pantalla escoge un píxel y aplica las iteraciones del Conjunto de Mandelbrot y el píxel desaparece o se fractaliza, se va cero o hacia el infinito, el que va a cero se colorea en negro y el que va hacia el infinito se colorea de algún color arbitrario: un ciclo de colores revela la complejidad extraordinaria de la variación de un conjunto.

Los árboles o las nubes, no son triángulos o círculos pero sí tienen un patrón: la forma geométrica de la naturaleza no es definible por una forma tradicional, la forma más precisa de describirla es a través de fractales.

En las iteraciones de Mandelbrot el output de una operación se vuelve el input de la otra y viceversa.

Lo extraordinario del conjunto de Mandelbrot es que es infinitamente complejo pero está basado en principios sumamente simples.

En un momento del vídeo se muestra como la naturaleza está llena de fractales que obedecen un principio de iteración matemática.

El ADN en el huevo de una mariposa ya tiene el patrón de las formas mírificas de las alas de una mariposa.

"Una vez que desarrollas el ojo del matemático de fractales, los ves en todas partes, cada cosa que ves está descrita como una referencia de sí misma o de otra cosa". Como un diccionario hecho de imágenes autorreferentes, una matriz de transformaciones que vinculan a traves de las formas a todas las cosas con una misma arquiesencia.

Los fractales nos recuerdan que todo puede ser conectado.

Fractales en el cielo, en los anillos de Saturno, fractales en el átomo, en el espín de los electrones (como arriba, es abajo) ¿el universo subatómico tiene un límite o desciende hasta el infinito?

Lo sé, no tenéis que decirme nada: todo esto parece muy complejo. De modo que dejaremos que sea Arthur C. Clarke quien nos guíe en nuestros primeros pasos por la geometría fractal. Tomad asiento, buscad una bebida en vuestro frigorífico... aquí os dejo con el vídeo Fractales: Los colores del infinito.

LHC: El acelerador de partículas

Núcleo magnético del imán CMS del Gran Colisionador de Hadrones

En cierta ocasión a mediados del siglo XIX, sir William Gladstone, entonces primer ministro británico, preguntó intrigado al científico Michael Faraday sobre la utilidad de aquellos extraños fenómenos sobre los que estaba investigando. La respuesta de Faraday fue que lo desconocía en ese momento, pero que al cabo de unos años su gobierno probablemente ya los habría gravado con un impuesto. No iba muy descaminado: Faraday estudiaba la corriente eléctrica y el magnetismo. Es ese un tipo de pregunta que se plantea con frecuencia de modo crítico a los investigadores en ciencias básicas, generalmente con una insuficiente perspectiva de futuro.

¿Para qué ha servido que Copérnico, Galileo, Brahe, Kepler y otros muchos astrónomos pasaran horas y horas observando los astrosen el firmamento, o estableciendo con paciencia infinita las leyes que rigen su movimiento? Baste con decir que las predicciones meteorológicas modernas se basan en las imágenes por satélite, en el radar…

¿Acaso puede alguien pensar en poner un satélite en órbita sin conocer las leyes de Newton, o diseñar una estación de radar sin entender las leyes del electromagnetismo?

El LHC (siglas en inglés de 'Large Hadron Collider') es un gran proyecto de ciencia básica en el que intervienen miles de científicos e ingenieros de cientos de laboratorios y universidades de todo el mundo, como un ejemplo de cooperación pacífica internacional. Su finalidad es explorar y extender la frontera del conocimiento de la física (que deriva del griego physis, naturaleza) haciendo colisionar protones que circulan a velocidades cercanas a la luz en sentidos opuestos a lo largo de un anillo de unos 27 kilómetros de circunferencia, ubicado a 100 metros de profundidad cerca de la ciudad suiza de Ginebra. El conjunto del acelerador por el que circulan los haces de protones está enfriado a 271 grados Celsius bajo cero para conseguir que una intensa corriente eléctrica circule sin apenas resistencia por los imanes superconductores, creando un campo magnético que curva las trayectorias de los protones a lo largo del anillo.

Cuatro grandes experimentos

Son cuatro los grandes experimentos que se llevarán a cabo en el LHC, cubriendo diversos aspectos de la física de altas energías, complementándose y al mismo tiempo asegurando una adecuada comprobación cruzada de los resultados (cross check), fundamental en la ciencia. Además, experimentos programados en otros aceleradores más pequeños (como en las denominadas B factories) y, por supuesto, el extraordinario flujo de información procedente de la física de astropartículas, más los severos condicionantes impuestos por la astrofísica y la cosmología, implican que los resultados del LHC no deben contemplarse aisladamente, sino dentro de una amplia perspectiva de progreso científico y tecnológico.

Sin embargo y pese al importante impacto mediático que ha tenido y tiene el LHC, en parte propiciado por la película 'Ángeles y Demonios' y un desgraciado accidente que tuvo lugar a finales de 2008 como consecuencia de una fuga de helio líquido, existe un gran desconocimiento sobre los objetivos de la investigación por parte del público en general e, incluso, por científicos de otras áreas de conocimiento; y no es de extrañar.

Ciertamente no resulta fácil, por ejemplo, explicar porqué el LHC permitirá conocer los instantes posteriores al 'Big Bang', la gran explosión que se supone creó el universo hace unos 13.700 millones de años, pese a que la energía de cada protón acelerado no supera la energía cinética en vuelo de un mosquito. ¿Podrían dos mosquitos chocando entre sí producir semejante explosión? Sin duda no, pero si concentramos la energía en una pequeñísima región del espacio al colisionar dos protones de frente, entonces la densidad de energía liberada puede en efecto recrear las condiciones del universo primitivo, una minúscula fracción de segundo tras el Big Bang.

Futuras aplicaciones en diversos campos

Así, podrían emerger nuevas 'especies' de partículas muy pesadas hasta ahora desconocidas a partir de una colisión violenta entre protones, desintegrándose rápidamente pero dejando una 'lluvia de partículas ordinarias' que atravesarán los detectores, creando una huella electrónica para un detenido estudio posterior mediante el GRID, un revolucionario sistema de computación que involucra decenas de miles de ordenadores situados en todo el planeta conectados por Internet. El GRID podrá aplicarse en el futuro a campos muy diversos de la ciencia, como meteorología, biomedicina y farmacología, ciencias de la Tierra…

Es posible, sin embargo, que no todas esas nuevas partículas sean inestables, y alguna podría ser el constituyente básico de la materia oscura, descubierta mediante el estudio de la dinámica de galaxias.

Lo pequeño y lo grande se presentan como facetas complementarias de un conocimiento común de la naturaleza.

Precisamente conocer la razón por la que las masas de las partículas en la naturaleza son tan diversas es uno de los objetivos básicos del LHC: el descubrimiento del 'bosón de Higgs', último eslabón que falta del paradigma actual de la física de partículas y nuclear. El bosón de Higgs no es partícula de materia (como podría ser el electrón), ni de interacción (como podría ser el fotón); a veces se la ha denominado como la partícula de Dios. Se argumenta que el 'bosón de Higgs' podría ser, de hecho, un portal hacia la llamada Nueva Física, una nueva revolución científica como pudo ser la teoría de la relatividad de Einstein en su momento.

En tal sentido, en el LHC se podrían crear miniagujeros negros en las colisiones entre protones sólo si la gravedad se hace mucho más fuerte que lo esperado a distancias muy cortas, lo cual implica la existencia de dimensiones espaciales extra (más allá de las tres habituales), una fantástica posibilidad de ciertas teorías físicas (como la teoría de cuerdas) que supera cualquier ficción.

¡Para nada es aburrido el LHC!

Pero tranquilos, tales miniagujeros negros, si se produjeran, han de evaporarse emitiendo partículas ordinarias casi al instante de formarse, como predijo Stephen Hawking. No hay peligro alguno.

Si acelerador, detectores y sistemas de computación del LHC funcionan correctamente en el futuro, como es de esperar, no sabemos con certeza hoy por hoy qué fascinantes descubrimientos y nuevas ideas nos aguardan en esta aventura del saber, aunque lo sospechamos: materia y energía oscuras, miniagujeros negros y dimensiones 'extra' curvadas, supercuerdas...

Tras unos años de funcionamiento del LHC, sin duda sabremos bastante más sobre la naturaleza, y eso nos hará más sabios, es decir más 'personas'. Al fin y al cabo, nuestra especie se denomina Homo Sapiens.

Miguel Ángel Sanchís Lozano es catedrático de Física Teórica de la Universitat de Valencia, miembro del Instituto de Física Corpuscular e investigador del CSIC.

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------

Si después de leer este artículo aún sientes curiosidad por conocer más detalles sobre el LHC, su construcción, los distintos experimentos que se están realizando en esta instalación... no dejes de ver este documental emitido en su día por el Canal de Historia. Son unos 45 minutos que no te dejarán indiferente.

Conservación de la energía. Energía potencial.

Para comenzar las entradas en este blog de Tecnología Industrial, os presento dos vídeos realmente interesantes que analizan dos elementos fundamentales que precisamente estamos viendo estos días en clase, dentro del Tema 4: La energía y su transformación.

Recordad que estuvimos analizando en clase las diferentes formas en las que se manifiesta la energía mecánica, así como el principio universal de conservación de la energía.

Estos vídeos pueden consolidar estos conocimientos, pueden ayudaros a comprender mejor cómo se manifiesta la energía, y quizá puedan conseguir que vuestra curiosidad por el mundo de la Física vaya aumentando poco a poco.

La serie a la que pertenecen estos vídeos se titula "El Universo Mecánico". En el futuro iré añadiendo entradas que recopilen la colección entera.

Episodio 13: Conservación de la energía.

El mito de la "crisis de la energía". Según una de las principales leyes de la Física, la energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma.

Episodio 14: Energía potencial.

El tema de la estabilidad. La energía potencial da la clave, y un modelo consistente, para entender porqué el mundo ha funcionado de la misma manera desde el comienzo de los tiempos.