O derretimento do núcleo de um reator nuclear ocorre quando barras de combustível nuclear em um reator nuclear , que contêm urânio ou plutônio, bem como produtos de fissão altamente radioativos , começam a superaquecer e então derreter. Isso ocorre em particular quando um reator deixa de ser resfriado adequadamente. É considerado um acidente nuclear grave devido à probabilidade de que o material físsil possa poluir o meio ambiente com a emissão de muitos radioisótopos altamente radioativos, após passar pelogabinete de contenção .
Vários colapsos de núcleo já ocorreram em reatores nucleares civis e militares (ver lista de acidentes nucleares ). Foram caracterizados por danos gravíssimos ao reator nuclear e os casos mais graves (descargas radioativas no meio ambiente) exigiram a evacuação da população civil das áreas circundantes. Na maioria dos casos, foi então necessário desligar o reator definitivamente, para depois proceder ao seu desmantelamento completo.
Uma barra de combustível nuclear derrete quando a temperatura atinge um valor acima de seu ponto de fusão . Durante o desastre de Chernobyl , esse aumento de temperatura foi quase instantâneo; em outros casos, pode levar várias horas, especialmente durante o acidente nuclear de Three Mile Island .
O derretimento do núcleo pode ocorrer após o término da reação em cadeia de fissão de nêutrons, pois a inércia térmica , o calor residual (relacionado à decadência de produtos de fissão de vida curta) ou o calor de um incêndio podem continuar a aquecer o combustível muito depois que o reator foi desligado .
Em reatores nucleares , as barras de combustível no núcleo podem derreter pelos seguintes motivos:
A falha dos sistemas de fornecimento de energia de emergência também pode levar ao derretimento do núcleo. Um relatório da Autoridade de Segurança Nuclear dos EUA (NRC) revela que 50% dos cenários de colapso do núcleo vêm de uma queda de energia na usina.
Imediatamente após interromper as reações de fissão, um reator nuclear ainda libera cerca de 7% de sua potência térmica nominal, essa potência residual diminui logaritmicamente.
É, portanto, perto de:
O seu calor residual é normalmente - neste tipo de caso - retirado por arrefecimento, graças a circuitos auxiliares em que a água é o refrigerante e cujas bombas e sistemas de comando devem ser alimentados com eletricidade. No caso do acidente nuclear de Fukushima , os sistemas de emergência parecem ter sido severamente danificados pelo terremoto e / ou inundados pelo tsunami subsequente . Os geradores de emergência pararam abruptamente uma hora depois.
O reator não pode mais ser resfriado e o volume de água diminui, o que pode levar ao derretimento do núcleo do reator. O ponto de fusão do combustível é de cerca de 2.800 ° C , enquanto a bainha base de zircónio deteriora-se em torno de 830 ° C e, em seguida, por uma reacção de oxidação com água, em torno de quebras de 1200 ° C . O revestimento derrete em torno de 1600 ° C , temperatura atingida em poucos minutos em um núcleo de reator desligado se estiver parcialmente fora da água.
Uma explosão pode dispersar a radioatividade muito forte do núcleo por distâncias relativamente grandes (da ordem de um quilômetro) e destruir os meios de controle da planta.
Portanto, é considerado preferível, durante este tipo de acidente, permitir que o vapor e o hidrogênio acumulados no invólucro escapem, mesmo que isso signifique causar contaminação radioativa para o exterior, que é geralmente limitada se os tubos de combustível tiverem sido usados. . Da mesma forma, o resfriamento do núcleo é considerado uma prioridade, mesmo que isso signifique que a baixa radioatividade deixe o gabinete (bacias de espalhamento são fornecidas para reter essa água de resfriamento potencialmente contaminada). Esta abordagem estabelece um “ modo degradado ” em que a maior parte da radioatividade permanece dentro das barreiras de contenção.
Depois de retirados do núcleo de um reator, os elementos de combustível irradiado, que continuam a emitir calor, são armazenados em uma piscina de desativação , cuja água serve tanto para resfriá-los quanto para formar uma barreira ("blindagem líquida") À radiação que eles emitem. O nível de uma piscina deve ser monitorado constantemente e sua temperatura não deve ultrapassar 25 ° C , o que requer resfriamento constante. Cada piscina de 12 metros de profundidade pode acomodar materiais radioativos a uma altura de 4 m . No local de Fukushima Daiichi, de acordo com a TEPCO, havia mais material radioativo nas piscinas do que nos reatores. No momento do acidente, eles continham 11125 conjuntos de combustível irradiado (quase quatro vezes a quantidade de produtos radioativos contidos nos núcleos dos seis reatores). A piscina reactor n o 4 (que foi desligado para manutenção) em 1331 contida nas montagens Parte quando exposta ao ar.
Na ausência de abastecimento de água destinada ao resfriamento de uma piscina de armazenamento de combustível usado, o conteúdo da piscina evapora ( 0,4 litros por segundo e por megawatt) e a fervura causa aquecimento e resfriamento. Estouro (ligado à oxidação) das barras de combustível . Além disso, os pools de armazenamento estão localizados fora da contenção resistente dos reatores (eles estão em uma situação normal confinados dinamicamente) e, portanto, são mais facilmente expostos à atmosfera.
Esta situação é potencialmente muito grave: se a água da piscina evaporar (o que pode ocorrer após alguns dias de funcionamento anormal), os elementos combustíveis irradiados nela contidos podem derreter ou incendiar-se, espalhando os seus produtos de cisão directamente na piscina.
Nesse caso, as liberações radioativas correspondentes seriam muito maiores do que as liberações até agora.
Reatores em usinas nucleares são projetados para desligar automaticamente no início de grandes tremores, a reação em cadeia que ocorre durante a operação normal do reator é então interrompida, mas os reatores devem ser resfriados para remover o calor devido à atividade do produtos de cisão que contém, que por isso continuam a desintegrar-se com o aquecimento por um período que pode chegar a vários meses.
A perda total de resfriamento é o maior acidente que dimensiona os dispositivos de segurança de uma usina nuclear . Na verdade, é calculando as possíveis consequências de um tal acidente do lado de fora que se determina se um reator é suficientemente seguro. As consequências de tal acidente são, portanto, estudadas com antecedência e as respostas a serem fornecidas às várias situações fazem parte do arquivo de segurança da fábrica. Para que uma usina seja legalmente autorizada a operar, o operador deve demonstrar que os efeitos de qualquer acidente de colapso do núcleo permanecem confinados à usina e não exigem a evacuação dos residentes locais.
Em geral, as consequências de uma perda de resfriamento em um reator podem ser:
Dano mecânico A primeira consequência é que a água de resfriamento evapora, o que causa uma sobrepressão do vapor d'água. A pressão do vapor pode então ser suficiente para danificar a instalação. Poluição radioativa À medida que a temperatura continua a subir, o revestimento do combustível (tubos longos) pode se dividir, liberando produtos de fissão no núcleo. O risco é, então, que esses produtos da fissão se espalhem para a atmosfera com os vapores produzidos, levando à contaminação radioativa no exterior. O fenômeno pode ser seriamente agravado, como no acidente de Chernobyl , se um incêndio transportar materiais radioativos para a atmosfera. Produção de hidrogênio e explosão química Os tubos de combustível, quando não estão mais imersos em água, aquecem a temperaturas muito mais altas (algumas centenas de graus). Nessas altas temperaturas, o zircônio que forma a casca do combustível reage com a água na fase gasosa para formar óxido de zircônio e hidrogênio, que se mistura com a água na fase gasosa e se acumula nas partes superiores do circuito primário. A reação Zr + H 2 Oé tanto mais rápido quanto a temperatura é elevada e a partir de 1200 ° C (temperatura atingida apenas se a água contida no tanque tiver passado completamente para a fase gasosa) acelera bruscamente. Ao se combinar com o oxigênio do ar, o hidrogênio pode formar uma mistura explosiva. Se for produzido em uma quantidade muito grande, o hidrogênio deve ser descarregado para o exterior, caso contrário, uma brecha ou rachadura será formada pelo efeito de explosões na parte mais fraca: seja da contenção do invólucro (após a liberação do fluido do primário circuito), ou do vaso do reator. Fusão de coração Finalmente, os elementos combustíveis podem derreter e o cório formado se acumula por gravidade, geralmente nas partes inferiores do vaso do reator. Na medida em que a geometria do núcleo não é mais controlada, existe o risco de um acidente de criticidade se as hastes de controle (derretidas com o resto) não puderem mais desempenhar sua função. É por esta razão que o boro (na forma de ácido bórico ) é adicionado à água de resfriamento, para absorver o máximo de nêutrons possível e, assim, reduzir a reatividade do núcleo. Reação nuclear sustentada Um possível acidente de criticidade sempre fica no limite da criticidade, mas não pode ir além dela, embora possa levar a uma pequena explosão mecânica. Uma explosão nuclear adequada (do mesmo tipo de uma bomba atômica ) não é fisicamente possível em uma usina nuclear, porque o cório, que se move apenas lentamente, seria imediatamente disperso pela energia de uma reação em cadeia começando , antes de ter sido capaz de liberar uma fração significativa de seu potencial energético.O cenário do acidente de Chernobyl havia sobreposto dois problemas: por um lado, uma explosão de vapor e, por outro lado, o fogo do moderador de grafite causando uma nuvem de produtos da fissão e detritos radioativos vindos do núcleo do reator e formando a nuvem de radioatividade que se espalhou toda a Europa e além (o fogo de grafite não é possível para PWRs e BWRs , cujos nêutrons são moderados pela água).