UN POCO DE FÍSICA DE LOS TSUNAMIS

Los tsunamis son ondas en el agua, con longitudes de onda (L) de muchos kilómetros, que se producen, principalmente, como consecuencia de terremotos submarinos. Como todas las ondas, se deben a una perturbación, que introduce energía, en un sistema inicialmente en reposo.En el caso de los tsunamis, la energía que perturba la masa de agua proviene de una interacción gravitatoria, igual al descenso, normalmente varios centímetros o incluso decímetros, de toda la masa de agua que hay por encima de la región en la que se ha producido el terremoto (Fig. 1)

(G Margaritondo, Explaining the physics of tsunamis to undergraduate and non-physics students, European Journal of Physics 26 (2005) 401-407).

Con la perturbación se produce, generalmente, un paquete de ondas. Pero si todas las longitudes de onda se mueven con la misma velocidad, el paquete no se dispersa y la onda viajera puede recorrer enormes distancias, (O Helene, M T Yamashita, Understanding the tsunami with a simple model, European Journal of Physics 27 (2006) 855-863).

Incidentalmente, para entender en toda su dimensión los datos numéricos relacionados con los terremotos, hay que decir que la escalar Richter es una escala exponencial, de potencias de 10, para medir la energía liberada en un terremoto. Es decir, un terremoto de valor 9,0 en la escala Richter libera 10 veces más energía que un terremoto de 8,0 en la misma escala. Un terremoto de 9,0 en la escala Richter es casi un 25 % más devastador que un terremoto de 8,9 en dicha escala. Un terremoto de valor 10,0 en la escala Richter probablemente acabaría con el planeta.

Por el propio origen habitual de los tsunamis, un terremoto, es la gravedad (que vendrá representada por la constante g=9,8 m/s^2) la que interviene en la explicación de estos fenómenos, muy diferente del viento, que es el que interviene en la formación de las olas comunes.

Cuando se produce un terremoto en el mar, con un ligero hundimiento de la plataforma terrestre, se produce una perturbación en toda la columna de agua por encima del fondo afectado por el terremoto. Como la dimensión característica de la perturbación es casi siempre mucho mayor que la profundidad H del mar (el mayor valor de H es de 11 km en la fosa de las Marianas), la longitud de onda L del fenómeno es muy grande, desde decenas hasta centenas de kilómetros, con L/H >> 1. Por tanto, a las ondas de los tsunamis se les puede aplicar la aproximación de ondas en aguas someras.

Para entender lo que sucede con la onda de agua producida por el terremoto cuando llega a Tierra hay que tener en cuenta: (i) que la velocidad v de la onda es

por lo que va a depender de la profundidad, y, en condiciones ideales, (ii) por la conservación de la energía. El efecto devastador de la onda al llegar a la orilla no se debe a la conservación de la masa de agua, pues las moléculas de agua apenas se mueven de sus posiciones al oscilar (Fig. 2), sino a la conservación de la energía, que termina por transformar una masa de agua muy grande que se desplaza verticalmente muy poco (unos centímetros), cuya onda de perturbación tiene una longitud de onda muy grande (decenas de km) y que avanza horizontalmente muy rápido (a la velocidad de un avion) en una masa

de agua, relativamente pequeña, que avanza horizontalmente de forma lenta (al paso de una persona) pero con una amplitud vertical mucho mayor (algunos metros).

Para una profundidad de H=4000 m, la ecuación anterior indica que la ola producida por el terremoto se mueve a unos 200 m / s, es decir, unos 700 km / hora,la velocidad de un avión. Cuando esta onda se aproxime a la costa, con H =10 m, la velocidad baja a 10 m / s, unos 36 km / hora.

Para una ola con longitud de onda L=100 km ( 100000 m), en un mar de profundidad H=4000 m, el tiempo necesario para recorrer una longitud de onda es de unos 500 s, sobre 8 minutos. Cuando esta onda se acerca a la costa, su longitud de onda es de unos 5000 m, pero como su velocidad también disminuye, el tiempo entre crestas es del orden de los minutos también. Esto implica que el tiempo de separación entre los diferentes frentes es de minutos. Dependiendo de esto, si el tiempo característico entre eventos en la costa es de una hora, se puede observar el fenómeno de que primero se retira el agua de la playa (fenómeno que suele atraer a los curiosos), para luego dar lugar a la llegada de la ola gigante.

Como ya se ha comentado, la altura que alcanza la onda del tsunami al llegar a la orilla proviene de la conservación de la energía. Si la energía asociada al agua se ha de mantener constante, como el cuadrado de la amplitud de la onda (que determina su energía) es inversamente proporcional al cuadrado de la profundidad, y como la velocidad, que determina su propagación, es también inversamente proporcional a la profundidad, el flujo de energía es proporcional a la raíz cuarta de la profundidad H. Una ola de altura a_o=15 m cerca de la orilla, por ejemplo, para H=2 m, en alta mar, para H=4000 m tendría una altura menor por un factor

es decir, a_H \approx 0,38 m, una altura difícil de notar. Por tanto, la terrible naturaleza del tsunami sólo ser percibe en el último minuto y, en el caso de los barcos, la mejor estrategia ante el tsunami es alejarse de la orilla e ir hacia aguas profundas.

LAS CENTRALES NUCLEARES

Las centrales nucleares son centrales termoeléctricas, una instalación que aprovecha una fuente de calor para convertir en vapor de a alta temperatura un líquido que circula por un conjunto de conductos; dicho vapor acciona un grupo turbina alternador, produciendo así la energía eléctrica. La diferencia esencial con entre las centrales termoeléctricas nucleares y las clásicas reside en la fuente de calor, en las clásicas este se consigue mediante la combustión de fuel - oil, carbón o gas en una caldera. En las nucleares mediante la fisión de núcleos de uranio.

Los reactores nucleares son máquinas que permiten iniciar, mantener y controlar una reacción en cadena de fisión nuclear

Aplicación

La principal aplicación es generar energía eléctrica para el uso normal de millones de personas en todo el mundo en las actividades diarias, generar energía para el movimiento de submarinos, motores

La energía nuclear tiene diversas aplicaciones entre las cuales encontramos el desarrollo de tecnología utilizando las radiaciones para acabar con algunas enfermedades, para acabar con plagas en los cultivos. Claro esta que la parte benéfica de las radiaciones depende de que tipo se use si es radiación ionizante o radiación no ionizante.

Funcionamiento

De forma casi universal la electricidad se produce, gracias a un principio mecánico, haciendo girar el rotor de un alternador. Además de este principio, también se produce una reducida cantidad de electricidad, gracias a un principio físico, en las células fotovoltaicas, y está iniciándose el desarrollo de la producción de electricidad, gracias a un principio químico, en las celdas de combustible.

Para hacer girar el rotor del alternador se pueden utilizar fuerzas mecánicas naturales como la hidráulica o la eólica, las generadas en un motor o, lo que es más general, en una caldera en la que se produce vapor a partir de quemar carbón, fuel-oil, gas, biomasa o un "combustible nuclear".

La obtención del calor a partir de un combustible nuclear se basa en la ruptura del uranio 235, que puede dividirse bombardeándolo con neutrones. Cuando un neutrón golpea un núcleo U-235, éste se parte en dos y libera una gran cantidad de calor, radiación gamma y dos o tres neutrones nuevos.

En un reactor nuclear, se dispone todo de forma que, cuando se rompe un núcleo, uno de los neutrones liberados golpea otro núcleo de uranio a la velocidad adecuada y hace que también se rompa, y así sucesivamente. Además, la

reacción en cadena se controla para que la producción de calor no supere los límites fijados.

El combustible de Uranio o Plutonio es introducido en el reactor bajo la forma de unas barras cilíndricas revestidas con una cubierta metálica. Las barras de combustible deben ser capaces de resistir las altas temperaturas a las que funciona un reactor.

Su calor es extraído por el agente de enfriamiento el cual lo transporta fuera del reactor, donde la cede a otro sistema de generación de vapores que pone en movimiento las turbinas de los generadores de energía eléctrica. El vapor descompresionado posteriormente se envía dentro de un condensador donde se convierte en agua que es nuevamente enviada al generador de vapores. El agua de enfriamiento del condensador es con regularidad sacada de los cursos de agua cercanos.

Componentes de una central nuclear

Edificio de contención

Se le conoce como la vasija del rector, es la zona en la que se encuentran las barras de combustible y las barras de control rodeadas por el moderador, en una distribución adecuada, de modo que cuando éstas últimas están insertadas la reacción nuclear se detiene. La reacción se inicia al retirar las barras de control.

Los mecanismos de accionamiento de las barras de control están diseñados de tal modo que éstas se inserten (entran) en determinadas circunstancias, dando lugar a lo que se llama parada automática o disparo.

El núcleo está refrigerado por el fluido, casi siempre agua, del circuito principal que actúa además, en la mayoría de los casos, como moderador de los neutrones. El núcleo se contiene en una vasija de presión de acero que está dentro de un blindaje biológico (barrera de hormigón). Estas barreras resisten las cargas que pudieran producir hipotéticos movimientos sísmicos y evitar la salida de la radioactividad al exterior en caso de accidente. Este suele tener una forma esférica o cilíndrica rematada por una cúpula semiesférica. Se pueden encontrar reactores con alturas de 60 m y 40 m de diámetro.

Edificio de manipulación del Combustible

Este sirve tanto para almacenar las nuevas cargas de combustible como para guardar en piscinas el combustible ya utilizado hasta que sea trasladado a un centro de reprocesamiento.

En una central nuclear el combustible es, generalmente, óxido de uranio, un elemento de origen natural que se encuentra con frecuencia en la corteza terrestre.

En todas las centrales que están en funcionamiento en España, se emplea uranio 235 ligeramente enriquecido, con un grado de enriquecimiento que oscila entre el 3% y el 5%.

Este material se encuentra en forma de pastillas cerámicas cilíndricas que se introducen en el interior de una vaina o envoltura metálica de unos 4 metros de longitud, formando las barras de combustible. Dichas barras se agrupan a su vez en haces cuadrados, llamados elementos combustibles.

Centro de reprocesamiento

En el se extraen los materiales aún aprovechables. este sitio y el edificio de contención suelen estar conectados para poder trasladar los elementos radiactivos sin salir de la zona controlada de la central, la cual se encuentra completamente aislada del resto de las dependencias

Sistema de control y protección del reactor

Para vigilar y controlar el funcionamiento del reactor se dispone de instrumentación para medir el flujo neutrónico del reactor, la temperatura y presión del refrigerante y otra serie de parámetros de proceso. Cuando alguno de estos parámetros se desvía del rango normal de operación, actúan los sistemas de control para devolver el parámetro a su rango de operación. En caso de que

persista la perturbación y se alcancen unos valores prefijados, actúa automáticamente el sistema de accionamiento de las barras de control que hace que éstas se inserten, extinguiendo la reacción nuclear y dando lugar a lo que se llama parada automática o disparo.

Barras de combustible

Los elementos combustibles se construyen de barras del uranio natural o enriquecido en forma metálica o del óxido, dependiendo del tipo de reactor.

Las barras están contenidas en un material conveniente para evitar que los productos de la fisión se filtren en la secuencia del líquido refrigerador. Este material de la contención varía, encontramos la aleación del magnesio, aleación del circonio, o inoxidable estos pueden ser utilizados dependiendo de la tecnología implicada.

Estas de barras están llenas de uranio, los neutrones se emiten mientras que el material radiactivo que esta dentro se al bombardea con neutrones a una velocidad determinada.

La energía que se crea por el proceso de la fisión es la que da el calor necesario que se transfiere al agua para crear vapor presurizado para mover las turbinas y generar electricidad.

El combustible nuclear durante su estancia en el núcleo del reactor se encuentra sometido a una elevada irradiación neutrónica, transformándose su constitución a lo largo del tiempo.

Antes de introducir el combustible, se pueden caracterizar tres partes distintas:

a) El propio combustible (UO2).

b) La vaina.

c) Materiales estructurales (rejillas, tubos guía, etc.).

Con la irradiación, estos materiales experimentan las siguientes transformaciones:

a) En el combustible (UO2), fruto de la rotura de los átomos, aparecen productos de fisión (P.F.), que en general son emisores beta y gamma. Por reacciones de captura neutrónica parte del U-235 pasa a U-236 y parte del U-238 se transforma

en los elementos pesados, conocidos por transuránidos (TRU), como plutonio, neptunio, americio y curio, caracterizados por ser emisores alfa.

A su vez, el plutonio generado (Pu-239) se fisiona en parte, pues es un elemento fisionable (1 g de Pu-239 equivale a 1 g de U-235) y contribuye a la generación de energía y al inventario de los productos de fisión.

c) La aparición del U-236, de los productos de fisión y de los TRU limitan el grado de quemado, aunque aún queden U-235 y plutonio, porque interrumpen la reacción de fisión en cadena al captar neutrones (son venenos neutrónicos) y hay que sacar los elementos del núcleo del reactor y sustituirlos por nuevos en una operación que se llama recarga, en la que se renueva entre un tercio y un cuarto del número total de elementos que hay en el núcleo. Esta operación se hace, dependiendo del tipo de central, en ciclos de 12, 18 o 24 meses. Los elementos retirados se conocen por combustible irradiado, gastado o quemado.

d) En la vaina y en los materiales estructurales aparecen los denominados productos de activación, formados por reacciones de captura neutrónica por parte de algunos elementos constituyentes de los mismos, dando lugar a elementos radiactivos. El isótopo radiactivo más importante que se forma es el cobalto-60.

Un reactor de 1.000 MW de potencia utiliza entre 20 y 30 t de combustible por año. En el combustible gastado está contenida más del 99,5 % de la radiactividad artificial que se genera en la producción de energía eléctrica en las centrales nucleares.

El combustible gastado contiene los productos de fisión y los elementos transuránidos generados durante el quemado del combustible en el reactor, así como el uranio no consumido (considerando el caso más general de no reelaboración del combustible gastado). Los productos de fisión son emisores gamma y beta, siendo únicamente la radiación gamma la que tiene un poder de penetración grande y, consecuentemente, está presente en el exterior del combustible con un valor que depende del tipo de radisótopo considerado; la radiación beta nunca sale al exterior del combustible. Estos emisores gamma, teniendo en cuenta su periodo de semidesintegración y su energía, en unos 700 años habrán decaído a valores radiactivos de fondo natural.

El uranio no consumido y los elementos transuránidos son, esencialmente, emisores alfa de bajo poder de penetración (tienen las mismas características que los minerales radiactivos); desde el punto de vista de las radiaciones emitidas no constituyen riesgo tras un periodo de almacenamiento de 700 años, al igual que los productos de fisión. Estos elementos, por tanto, son sólo peligrosos si se liberan y encuentran camino para ser inhalados (para lo que es preciso que sean transformados en gases) o ingeridos (para lo que es preciso que entren en la cadena alimentaria de vegetales, animales y personas). Es decir, el impacto de un almacén de residuos de alta actividad, una vez transcurridos 700 años, sería análogo al que puede producir un depósito de seguridad l

Una pieza importante del reactor es el " asesor ", dentro del cual los neutrones se mueven alrededor de muchos núcleos sin ser absorbidos, gradualmente por el movimiento la energía se va perdiendo.

Algunos reactores utilizan el carbón como su asesor o moderador en la forma de grafito. Otros utilizan agua pesada (deuterio D2O). La base del reactor por lo tanto consiste en un bloque o un tanque del asesor en el cual se inserten las barras de combustible. Para controlar las barras de control del reactor nuclear (el equivalente de dar vuelta para arriba o tragar la llama en una cocina del gas) hechas del boro o del cadmio se insertan cerca de la barra de combustible para absorber los neutrones. Es el desbloquear de estos neutrones de las barras de combustible que permite que la reacción en cadena del proceso de la fisión continúe. Cuando las barras se insertan completamente absorben tan muchos neutrones que la reacción en cadena no puede ser mantenida y las paradas del reactor. Cuando se produce la reacción no se para no más de calor y así que el reactor comienza a refrescarse, disipando el calor latente dentro de él.

Sistema de contención

El edificio de contención o edificio del reactor contiene a éste y el circuito de refrigeración principal. Es un recinto resistente a la presión y está diseñado para prevenir el posible escape de productos radiactivos al exterior, tanto en condiciones normales como en emergencias y para resistir el impacto que pudieran causar los sucesos o accidentes exteriores a la propia central.

Sistema de refrigeración

La reacción nuclear controlada, que tiene lugar en el combustible, desprende gran cantidad de calor. Por ello es necesario extraer ese calor. En primer lugar, porque la obtención del vapor que mueva la turbina es la finalidad última del reactor y, en segundo lugar, para evitar el calentamiento progresivo del núcleo, lo que podría llegar a producir, en caso de fallo de los diversos sistemas de refrigeración, su fusión y consiguiente destrucción.

Para la seguridad nuclear es esencial mantener en cualquier circunstancia la refrigeración del núcleo para extraer el calor generado por el combustible.

En operación normal, el calor del núcleo se extrae mediante el circuito principal. En un reactor, de agua a presión (PWR) ese es el circuito primario; en un reactor de agua en ebullición (BWR), es el circuito agua-vapor.

Tras la parada del reactor éste sigue generando calor, aunque ya no haya fisiones, por el calor residual de los productos de fisión. Ese calor se evacua por medio de un circuito especial con bombas y cambiadores, lo que constituye un circuito de seguridad.

Salvaguardias tecnológicas

Son los sistemas de seguridad previstos para actuar en caso de accidente, con el fin de evitar o limitar la liberación de sustancias radiactivas al exterior. Estos sistemas realizan la refrigeración de emergencia del núcleo y el aislamiento del edificio de contención. Están diseñados con redundancia, diversidad, y separación física entre sistemas redundantes que realizan la misma función, a fin de que el fallo en uno de ellos no pueda afectar a los demás y dotarlos de máxima fiabilidad.

Sala de control

Es el recinto dentro de la central nuclear desde el que se controla y activan, de forma remota, los equipos de producción de energía y de seguridad de la central.

Asimismo cuanta con otras dependencias, como el tratamiento de aguas, almacenamiento temporal de residuos, laboratorios, talleres y un parque eléctrico propio formado por generadores accionados por grupos diesel que se utiliza en las operaciones de parada segura del reactor en emergencia y en general para ser empleado en toda circunstancia en la que la central no pueda disponer de energía de la red.