Una nueva forma de enfriar y contener la masa radiactiva parecida a la lava que se forma en el núcleo de un reactor nuclear durante una fusión catastrófica ha sido desarrollada por investigadores de Estados Unidos. La técnica consiste en utilizar materiales carbonatados granulares en lugar de agua y se ha demostrado en bancos de pruebas a pequeña y gran escala utilizando óxido de plomo fundido. Los desarrolladores trabajan ahora en la aplicación comercial del sistema.
Cuando una central nuclear sufre una fusión catastrófica, puede formarse una mezcla radiactiva parecida a una lava de combustible nuclear, barras de control, productos de fisión y componentes estructurales del reactor. Denominada «corium», esta masa fundida es extremadamente peligrosa y tiene el potencial de desplazarse.
«Durante un accidente grave del reactor, la vasija que contenía el combustible se funde y se rompe», explica el ingeniero de Sandia National Laboratories David Louie. «Entonces todo ese material cae al suelo de la contención y comienza a extenderse».
El hidrógeno que explota
La fusión puede aumentar la liberación de material radiactivo en el entorno circundante de dos maneras, la primera de las cuales es el potencial del corio para fundirse a través del suelo del edificio del reactor y filtrarse en el suelo subyacente. La masa fundida también podría reaccionar químicamente con los materiales circundantes, como el hormigón, para crear gas hidrógeno que puede acumularse y provocar una explosión.
La técnica estándar para tratar el corio es intentar enfriarlo con agua. Sin embargo, este enfoque suele funcionar con demasiada lentitud, lo que permite que la catástrofe siga evolucionando y que los contaminantes radiactivos se escapen a los alrededores.
«Con el tiempo, el corio deja de extenderse porque el agua lo enfría», dijo Louie. «Pero no se quiere que el accidente se agrave más y más mientras se trabaja para traer agua. El agua también proporciona una fuente de hidrógeno explosivo».
Buscando un método mejor para enfriar y contener el corio, Louie y sus colegas recurrieron a minerales carbonatados granulares como la calcita y la dolomita, que, según ellos, podrían inyectarse en el corazón de los reactores en caso de fusión.
Prueba a pequeña escala
Comenzando con una prueba a pequeña escala, el equipo calentó unos gramos de polvo de óxido de plomo a 1000 °C para crear un material fundido similar al corio. A continuación, lo combinaron con una muestra de calcita granulada y, a modo de comparación, con granos de dióxido de silicio (arena).
«Vimos que los minerales de carbonato inyectables funcionan», dijo Louie. «Reaccionó químicamente para producir una gran cantidad de dióxido de carbono, que ‘fermentó’ el óxido de plomo en una bonita estructura tipo pastel. La reacción en sí tuvo un efecto refrigerante, y todos los poros de la ‘torta’ permiten un mayor enfriamiento». En cambio, la arena utilizada como muestra de control no tuvo ningún efecto sobre el corio simulado.
Un experimento de seguimiento, realizado a escala de un kilogramo, también demostró que los gránulos de carbonato podían aplicarse con éxito para contener el material fundido. Los investigadores también han incorporado sus materiales de seguridad inyectables en el software de modelización de fusiones de reactores de Sandia para examinar cómo los carbonatos granulares podrían afectar a una catástrofe nuclear en el mundo real, como la ocurrida en la central japonesa de Fukushima Daiichi en 2011.
«Aunque hay muchas formas de hacer que la energía nuclear sea más segura, soluciones como los reactores de ondas viajeras y los reactores de sales fundidas suelen implicar una infraestructura completamente nueva, cuyo desarrollo puede llevar décadas», afirma el físico Lawrie Skinner, de la Universidad de Stanford, que no participó en el presente estudio. Y añade: «Este método de inyección de carbonato ofrece una forma sencilla de hacer más segura la tecnología actual de los reactores».
Se necesitan demostraciones más amplias
«Aunque todavía hay que demostrarlo experimentalmente a mayor escala y con materiales que se asemejen mucho a los fundidos nucleares, será emocionante ver cómo funcionan estos métodos de inyección de carbonato».
Oliver Alderman, de Materials Development Inc., ha estudiado previamente la lava de corio y califica la nueva investigación de «concepto muy bonito». «Me pregunto sobre el efecto de la temperatura del corio -el corio puede estar mucho más caliente que el óxido de plomo fundido que se utiliza- y también sobre las reacciones exotérmicas secundarias que pueden producirse», advierte.
Añade: «Otro punto interesante a tener en cuenta es que es probable que la conductividad térmica del material de la ‘torta’ sea muy baja, y esto podría ser una ventaja, o una desventaja, dependiendo del diseño del reactor».
Terminado su estudio inicial, los investigadores tienen ahora en marcha una patente no provisional para los materiales de seguridad inyectables y también pretenden realizar pruebas incluso a mayor escala, pero con la incorporación de uranio empobrecido.
«Después de eso, estaríamos preparados para comercializar la tecnología», dijo Louie, añadiendo que los materiales de contención de carbonato «podrían adaptarse a cualquier diseño de reactor nuclear existente».
Los Laboratorios Nacionales Sandia están solicitando expresiones de interés de otros grupos de investigación y organizaciones interesadas en asociarse en futuros trabajos sobre este enfoque de la contención del corio.