Introducción

La planta nuclear de Fukushima Dai-ichi o Fukushima 1 fue diseñada por la compañía estadounidense General Electric y comenzó a generar energía –fue conectada a la red eléctrica– en el año 1971.

Durante los años 1960 Estados Unidos apoyó a Japón para que adoptara la energía nuclear. Estados Unidos era entonces el dueño de la tecnología nuclear y dominaba la minería de uranio y boro. General Electric y Westinghouse fueron las empresas encargadas de instalar una red de plantas nucleares en Japón. Japón se incorporó a la AIEA, organización promovida por Estados Unidos, y firmó el Tratado de No Proliferación Nuclear.

En la figura 1 podemos observar la central nuclear en una fotografía aérea.

Localización de la central nuclear de Fukushima Dai-ichi

La central nuclear de Fukushima Dai-ichi se encuentra en el noreste de Japón (latitud 37° Norte y longitud 141º Este), está situado en las ciudades de Okuma y Futaba en la prefectura de Fukushima, que esta aproximadamente 225 kilómetros al norte de Tokio, como podemos observar en la figura 2.

La zona de la central es de aproximadamente 3,5 Km2, en una forma semicircular que se extiende 1,5 km de este a oeste y 3 km de norte a sur. Consta de 6 reactores de agua en ebullición (BWR).

En la Prefectura de Fukushima no es la única central nuclear existente ya que a 10 km al sur se encuentra la central nuclear de Fukushima Dai-ni (también llamada Fukushima 2).

Con seis reactores nucleares, todos ellos operados por la empresa TEPCO y con una potencia total de 5840 MW, la central nuclear de Fukushima Dai-ichi es una de las centrales más grandes del mundo. En la figura 3 se puede observar la distribución en planta de la central.

En la tabla 1 se muestra el detalle de los reactores que forman parte de la central nuclear de Fukushima Dai-ichi.

Tabla 1: Reactores de la central nuclear de Fukushima Dai-ichi

En el siguiente capítulo se verán más en profundidad las diferencias entre los distintos tipos de reactor y los distintos tipos de contención

Descripción del emplazamiento de la central

En el momento del accidente, la densidad de población alrededor del emplazamiento era dispersa, con 9241 personas viviendo en un radio de 5 km de la central y 52539 dentro de un radio de 15 km. Las viviendas habitadas más cercanas se encontraban a 1 km aproximadamente. Había tres aldeas a menos de 3 km, Ottozawa, Hosoya y Koriyama, y 18 en un radio de 5 km.

La región tiene un clima oceánico influenciado por las cálidas aguas de la corriente de Japón, que hace más frescos los veranos y más cálidos los inviernos que en zonas del interior.

La planta está en un acantilado que originalmente era de 35 metros sobre el nivel del mar. Durante la construcción, sin embargo, TEPCO redujo la altura de éste 25 metros. Uno de los motivos para esta reducción de altura fue para permitir que la base de los reactores pudiera ser construida sobre roca sólida y así mitigar la amenaza planteada por los terremotos tan comunes en el archipiélago. Otro motivo fue que la una altura reducida permitiría mantener bajos los costos de funcionamiento de las bombas de agua de mar. Los análisis de TEPCO del riesgo de tsunami al planificar la construcción de la central determinaron que dicha elevación reducida era segura porque el dique existente proporcionaría una protección adecuada para el tsunami máximo definido en condiciones base de diseño. Sin embargo, esta elevación más baja aumentó la vulnerabilidad la central ante un posible tsunami que superase las condiciones de diseño.

Los sedimentos gruesos de piedra arenisca y lutita representaban apoyo suficiente para los edificios del reactor nuclear, por lo que las principales estructuras fueron construidas directamente sobre este suelo, como podemos observar en la figura 4.

En la figura 5 podemos observar la corriente de agua subterránea en la capa gruesa de 20 – 30 m de arena y arcilla inmediatamente por debajo de la capa delgada de suelo superior. Por debajo de la capa de arena y arcilla hay una capa de barro impermeable.

Las medidas de marea utilizadas en el diseño de la planta fueron registradas en el puerto de Onahama (OP), aproximadamente a 50 km al sur del emplazamiento. En el diseño, la altura del tsunami se consideraba como parte del nivel de marea máxima y mínima para el diseño de la planta. Así, se estableció una altura base de diseño de tsunami de 3,122 m sobre el nivel del OP. Esta base de diseño inicial de tsunami fue re-evaluada en 2002 siguiendo las directrices de la Japan Society of Civil Engineers (JSCE) y reevaluada nuevamente en 2009 utilizando los últimos datos batimétricos y de mareas. También se re-evaluó dos veces en 2007 sobre la base de los planes de prevención de desastres por las prefecturas locales de Ibaraki y Fukushima. Excepto la revisión del 2002, tras la que se decidió aumentar la elevación de las bombas y hacer las paredes estancas, no se consideró necesario tomar ninguna medida adicional.

Las condiciones de diseño no consideraron combinaciones de tsunamis y otros eventos oceanográficos, tales como tormentas o fuertes vientos.

El agua salada del océano era utilizada como refrigerante del condensador y como refrigerante de los equipos auxiliares. Se construyó un dique en el océano frente a la central con canales abiertos que conducían hasta el océano. El agua se introducía a través de compuertas y mediante bombas instalada en cada unidad siendo transferida luego al condensador por dos bombas instaladas en las salas de bomba.

El agua del condensador se descargaba a través de una alcantarilla de hormigón cubierta en el océano frente a la parte sur del dique.

La central de Fukushima Dai-ichi se divide en dos grupos de reactores: el grupo de la izquierda cuando se ve desde el océano contiene unidades de 4, 3, 2 y 1 (de izquierda a derecha). El grupo de la derecha mirando desde el océano contiene las unidades más recientes, la 5 y 6 (de izquierda a derecha). Una serie de diques sobresale en el océano, con la toma de agua en el centro y las salidas de descarga en ambos lados.

La disposición de la central es como se muestra en la figura 6, las unidades 1 a 4 se encuentra en el término municipal de Okuma y las unidades 5 y 6 están en el de Futaba.

Estado de la central en el momento del terremoto

Cuando ocurrió el terremoto, los tres reactores de las unidades 1, 2 y 3 estaban en funcionamiento normal a la potencia nominal, mientras que las unidades 4, 5 y 6 se encontraban en diferentes etapas de reabastecimiento planificado y parada por inspección periódica.

Este es el estado en el que estaban los distintos reactores:

• La Unidad 1 estaba generando 460 MW de electricidad.
• La Unidad 2 estaba generando 784 MW de electricidad.
• La Unidad 3 estaba generando 784 MW de electricidad.
• La Unidad 4 tenía el combustible fuera del núcleo del reactor, en la piscina de combustible gastado y no habían elementos de combustible que se encontrasen en la vasija que alberga el reactor. Tanto la piscina como la vasija estaban llenas de agua.
• La Unidad 5 tenía elementos de combustible cargados en el núcleo del reactor. El combustible poseía un calor residual relativamente bajo debido al período transcurrido desde el periodo operativo. La vasija se encontraba completamente llena con agua y aislada (embotellada) y estaba siendo sometida a presión por una bomba como preparación para la prueba de presión de vasija (fugas). La estructura de confinamiento estaba abierta y con la tapa retirada.
• La Unidad 6, que estaba en estado de parada fría, también tenía elementos de combustible con calor residual relativamente bajo en el núcleo del reactor, y la vasija estaba llena de agua hasta una determinada altura prescrita, que cubría suficientemente el núcleo del reactor. Las principales válvulas de aislamiento de vapor que, cuando están cerradas, desconectan la vasija del resto de la planta, estaban abiertas, y la vasija casi a presión atmosférica y temperatura ambiente.

Había aproximadamente 6400 personas en el emplazamiento, entre los cuales aproximadamente 2400 (750 de TEPCO y 1650 de contratistas) estaban trabajando en la zona controlada. La mayoría (aproximadamente 2000) estaban llevando a cabo actividades de apoyo a las paradas de recarga e inspección periódicas previstas.

Características generales de los reactores de la planta de Fukushima Dai-ichi

En general, los BWR utilizan un bucle de dos fases, cerrado y directo, de vapor para eliminar el calor del núcleo del reactor. El fluido de trabajo es agua desmineralizada que se utiliza tanto como refrigerante para eliminar el calor, como moderador para controlar la reactividad. Durante el funcionamiento normal, la ebullición del agua refrigerante a una presión de aproximadamente 7 MPa (70 bar) tiene lugar en el núcleo. Después de pasar a través de las turbinas, el vapor se condensa en agua al ser enfriado por los tubos del condensador que se llenan con agua fría tomada de un disipador de calor, por ejemplo, el océano. El agua resultante de la condensación se bombea de nuevo al reactor como agua de alimentación.

La evolución de la tecnología BWR durante los 12 años desde el inicio de la construcción de la Unidad 1 en 1967 hasta la operación comercial de la Unidad 6 en 1979 se refleja en los seis reactores de la central nuclear. Tras la Unidad 1, que fue un diseño BWR/3 temprano, las Unidades de la 2 a la 5 eran diseños BWR/4 y la Unidad 6 era un diseño BWR/5, que fue la primera unidad con una capacidad de 1100 MW.

Eliminación de calor en parada

El enfriamiento normal de los BWR en parada a la alta presión del reactor se lleva a cabo dirigiendo el vapor desde el reactor hasta el condensador principal, sin pasar por las turbinas. Sin embargo, cuando se aísla el reactor, por ejemplo, cuando las principales válvulas de aislamiento de vapor están cerradas, la ruta de derivación de la turbina no está disponible y la refrigeración la proporcionan los sistemas diseñados especialmente para un reactor aislado bajo condiciones de alta presión. En el diseño de la central de Fukushima Dai-ichi, estos sistemas fueron el sistema de condensador de aislamiento (IC) para la Unidad 1 (el diseño más antiguo) y el sistema de enfriamiento de aislamiento del núcleo del reactor (RCIC) para las Unidades de la 2 a la 6.

Cuando la temperatura del reactor se reduce lo suficiente al despresurizarse por sistemas de refrigeración de alta presión en parada, arranca el sistema de refrigeración a baja presión por parada, que es suministrado por el sistema de refrigeración de parada (SHC) para la unidad 1 y por el sistema de eliminación del calor residual (RHR) para las Unidades 2 a la 6.

Todos estos sistemas de protección y refrigeración los veremos en detalle en el siguiente capítulo de la UD2.

Instalaciones compartidas

La proximidad de las seis unidades en el emplazamiento de la central nuclear de Fukushima Dai-ichi, y las diversas instalaciones que compartían, eran al mismo tiempo una ventaja y un desafío en la respuesta ante accidentes y en los esfuerzos de recuperación.

Un incidente en una unidad que tuviese una conexión física con otras unidades podría afectar al progreso del accidente ocurrido en todas las unidades, de forma positiva o negativa. Por ejemplo, las actividades de respuesta ante emergencia en un reactor podrían verse afectados negativamente por la evolución del accidente en las unidades adyacentes, mientras que conexiones compartidas con equipos que sí permanecen disponibles podrían ayudar a los operadores a responder a otros aspectos del incidente.

Además del equipo compartido (común) determinado por el diseño, por ejemplo, las líneas eléctricas externas, subestaciones transformadoras, tanques de agua, la estructura de toma de agua de mar, las chimenea de ventilación común, el sistema de protección contra incendios, habían otras estructuras comunes que jugaron un papel en la respuesta y mitigación del accidente. Éstas fueron:

• Centros de control principales comunes: En la central de Fukushima Dai-ichi, un centro de control se repartía entre dos unidades. Por lo tanto, cada par de unidades, unidades 1 y 2, las unidades 3 y 4, y las unidades 5 y 6, compartía un centro de control común. Aunque se separaron los paneles de control de cada unidad, estaban alojados en una misma sala, proporcionando una estrecha interacción entre el personal de turno que controlaba su respectiva unidad.
• Edificio de Servicio para el personal de la unidad: Del mismo modo, se compartían edificios de servicio en la zona controlada. La entrada y salida de personal y equipamiento a la zona controlada se realizaba por puertas comunes.
• Edificio aislado sísmicamente (activado después del terremoto): Las funciones de respuesta de emergencia para las seis unidades se llevaron a cabo en el centro a prueba de terremotos de nueva construcción (construido en respuesta a las lecciones aprendidas del evento sísmico de Kashiwazaki-Kariwa previo).
• Equipamiento contraincendios: En la central de Fukushima Daiichi habían tres camiones de bomberos y un cuerpo de bomberos de nueve personas compartidas entre las seis unidades en el momento del terremoto y el tsunami.