A ciência explica por que uma explosão na usina nuclear de Zaporizhzhia é improvável
É improvável que a guerra na Ucrânia desencadeie um colapso nuclear catastrófico. Física e engenharia inteligente são as razões.
- A usina nuclear de Zaporizhzhia é apanhada na guerra russo-ucraniana. O presidente ucraniano, Volodymyr Zelensky, alertou recentemente sobre um possível desastre nas instalações.
- Se a planta estiver danificada, os sistemas de segurança provavelmente impediriam uma liberação séria de radiação. Se a usina for totalmente explodida, a liberação de radiação seria modesta.
- A catástrofe só é possível na infeliz situação em que os sistemas de segurança da usina foram subitamente destruídos enquanto os vasos do reator foram danificados, mas não destruídos. A física explica o porquê.
À medida que a guerra na Ucrânia avança, surgem periodicamente preocupações sobre usinas nucleares pegas no fogo cruzado. Poderia ocorrer uma explosão, causando uma catástrofe sem precedentes?
Em março, preocupações sobre o aumento dos níveis de radiação em Chernobyl provou ser infundado como os níveis rapidamente se acomodou . Ninguém estava perturbando o núcleo sepultado. Em vez disso, o provável culpado foi o movimento de tropas e veículos em solo poeirento contendo partículas radioativas. No entanto, em uma tentativa compreensível de manter as nações ocidentais focadas na Ucrânia, o presidente Volodymyr Zelensky recentemente disse :
“A AIEA e outras organizações internacionais devem agir muito mais rápido do que estão agindo agora. Porque cada minuto que as tropas russas ficam na usina nuclear [Zaporizhzhia] é um risco de um desastre global de radiação.”
Isso é muito improvável de acontecer. Física e engenharia inteligente explicam o porquê.
Suponha que a usina nuclear seja completamente destruída – explodida em pedaços. O material radioativo seria espalhado amplamente, mas seria incapaz de iniciar uma reação em cadeia (a série de reações nucleares que resultam em uma liberação colossal de energia). O solo estaria contaminado, mas não haveria grande liberação de radiação generalizada à la Chernobyl em 1986. A mídia declararia isso um desastre maciço, mas a realidade é que os riscos à saúde seriam insignificantes em comparação com as baixas geradas pela guerra.
Inscreva-se para receber histórias contra-intuitivas, surpreendentes e impactantes entregues em sua caixa de entrada todas as quintas-feirasIronicamente, a única situação em que uma catástrofe pode ocorrer é se os reatores nucleares forem danificados, mas não destruídos. Simultaneamente, os sistemas de backup de segurança da planta precisariam ser destruídos ou comprometidos sem aviso e sem recurso. Como esse cenário poderia se desenrolar e há paralelos com falhas anteriores de reatores nucleares?
Zaporizhzhia não é Chernobyl
A fábrica de Zaporizhzhia tem seis reatores de fissão de projeto idêntico . Cada um é um reator de água leve pressurizada, contendo hastes de urânio (U) suspensas em água. (“Água leve” refere-se a água normal, em oposição a “água pesada” que contém deutério no lugar de hidrogênio.) O urânio é enriquecido para conter alguns por cento de U-235, um isótopo de urânio capaz de sustentar uma reação nuclear em cadeia. Durante o reação em cadeia , os átomos de urânio em decomposição liberam nêutrons, que atingem outros átomos de urânio, fazendo com que eles liberem nêutrons.
Muitos desses nêutrons, no entanto, estão viajando muito rápido para sustentar a reação em cadeia, de modo que as hastes de urânio enriquecido são suspensas em uma piscina de água para que os átomos de hidrogênio possam retardar (ou “moderar”) os nêutrons para aumentar sua probabilidade de causar uma reação. reação de fissão no combustível de urânio circundante. Em termos simples, a água dentro do reator retarda os nêutrons que, contra-intuitivamente, aumenta a taxa de reação. Se houver perda de água, a reação diminui. Se a água ficar muito quente ou fervendo, torna-se um moderador pior, retardando a reação e resfriando a água. Em ambos os casos, este circuito de feedback negativo permite que o projeto de água leve pressurizada mantenha a estabilidade de auto-reforço contra superaquecimento.
Os reatores de Chernobyl usaram um ciclo de feedback positivo em seu projeto, o que pode (e levou) a uma reação descontrolada. A perda de água aumenta a taxa de reação, fervendo mais água, aumentando ainda mais a taxa de reação. Em 1986, uma série de eventos - em grande parte baseados na incompetência - na usina de Chernobyl desencadeou uma reação de fissão tão descontrolada, liberando grandes quantidades de calor e fazendo com que o reator nº 4 da usina explodisse. O design de Zaporizhzhia evita que ele derreta da maneira imediata e catastrófica de Chernobyl.
Ilha das Três Milhas
Ainda assim, o desastre pode acontecer nas condições certas. A água leve também é o refrigerante do reator. Enquanto a reação de fissão primária é retardada pela perda de água, algumas reações continuam entre os produtos de decaimento radioativo dentro das barras de combustível de urânio. Se a água for perdida (ou permanecer dentro, mas não puder mais circular por um circuito de resfriamento), essas reações de fissão residuais aquecerão as hastes até que elas comecem a derreter. Uma quantidade suficiente de material do núcleo derretido se acumulando no fundo do reator pode formar uma massa crítica para uma reação em cadeia descontrolada. Foi o que aconteceu de duas maneiras diferentes em Three Mile Island e na Estação Daiichi em Fukushima.
Em Three Mile Island, falha resultou de uma combinação de erros por parte dos operadores da planta e pequenas falhas de projeto nos sistemas de controle do reator. O sistema de resfriamento caiu e a água dentro do recipiente começou a ferver. Isso acionou automaticamente uma condição de emergência, chamada SCRAM, na qual as hastes de controle caem no reator para diminuir drasticamente a fissão. No entanto, as reações residuais continuaram até o núcleo fundir parcialmente. Eventualmente, a equipe operacional percebeu a magnitude da situação e foi capaz de usar uma válvula de backup funcional para ajudar a circular a água e resfriar o reator. O resultado foi apenas um derretimento parcial: nenhum material do núcleo derretido rompeu o vaso do reator. A liberação de radiação foi limitada ao fluido contaminado escapando para um prédio. A maior liberação de radiação foi insignificante , quase indistinguível da radiação de fundo que existe naturalmente no ambiente.
Fukushima Daiichi
O choque do terremoto de Tohoku em 2011 fez com que os reatores nas instalações da Daiichi em Fukushima funcionassem corretamente em SCRAM. As reações de fissão residual continuaram por algum tempo, assim como aconteceram em Three Mile Island. Geradores a diesel de backup entraram em operação para continuar circulando água e resfriando as hastes enquanto as reações diminuíam gradualmente. A água permaneceu no núcleo do reator e a situação estava sob controle – até que veio o maremoto.
O tsunami de 46 pés caiu sobre a usina e destruiu os geradores que operavam o sistema de refrigeração. A colocação dos geradores de reserva em um local vulnerável a tsunamis gigantes foi uma falha de projeto conhecida . Havia outros sistemas para mudar para geradores de backup intactos. Em mais uma falha de projeto, esses comutadores de backup foram alojados nos mesmos prédios destruídos pelo tsunami. As baterias de backup de terceiro nível atrasaram o colapso em um núcleo por um pouco mais antes de ficarem sem energia. Fontes de energia móveis foram enviadas para a usina, mas destruíram estradas, condições adversas e problemas de cabos frustrou o esforço . Eventualmente, três núcleos derreteram.
Zaporizhzhia: Não é o ideal, mas não é catastrófico
Este é um cenário potencialmente relevante em uma zona de guerra. Se um ataque de projétil inesperado danificar os reatores de Zaporizhzhia, mas não destruir os vasos completamente, e derrubar os sistemas de segurança de resfriamento de backup, bem como os backups desses backups e assim por diante, um cenário de colapso total pode ocorrer. Isso liberaria radiação substancial nos arredores, um verdadeiro desastre.
O risco não é zero, o que é assustador. Mas o risco também não é alto.
Algumas circunstâncias adicionais são dignas de nota. Rússia atualmente controla a instalação de Zaporizhzhia . Apesar da retórica de Zelensky, o maior risco provavelmente vem das operações militares ucranianas, embora ambos os lados inevitavelmente culpar o outro sempre que uma concha atinge a planta.
Existem outros indicadores de que a situação pode não ser tão ruim quanto se temia. Aparentemente, não mais do que dois , e possivelmente apenas 1 , dos seis reatores permanecem em operação. A equipe original de engenharia ucraniana continua a operar a planta, e eles estão encontrar recursos de backup adicionais . Eles provavelmente podem desligar os reatores restantes se a situação se tornar muito terrível. Uma usina nuclear presa em uma zona de guerra não é uma situação ideal, mas uma catástrofe é improvável.
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