Los últimos diseños de reactores nucleares podrían ayudar a evitar el sobrecalentamiento y las explosiones que se han producido en la planta nuclear de Fukushima Daiichi en Japón tras el terremoto y el tsunami que azotó el país el viernes. Los nuevos diseños de reactor proponen el uso de sistemas pasivos de refrigeración que no fallarían después de producirse un corte de energía, como sucedió en Japón, así como otros nuevos métodos de gestión del calor del reactor.

El lunes, los operadores de la central eléctrica en Japón seguían luchando por enfriar los reactores de la central de Daiichi. Dos explosiones se habían producido en varias partes de la planta, aunque el núcleo del reactor y las estructuras de contención primaria, aparentemente, no sufrieron daños. (Ha habido informes de un tercer "sonido de explosión"). Hasta ahora, se ha escapado una cantidad relativamente pequeña de radiación (aunque se han dado picos de radiación transitorios y peligrosos). Algunos expertos afirman que una fusión completa, en la que grandes cantidades de material radiactivo se liberarían al medio ambiente, es poco probable, y que dentro de unos días, el núcleo del reactor se habrá enfriado hasta el punto en que será más fácil de manejar.

La planta de energía Daiichi se apagó automáticamente después del terremoto de 9 grados de magnitud (recientemente actualizado desde 8,9 grados), aunque los núcleos de sus cuatro reactores requieren de refrigeración para evitar un colapso. La refrigeración es proporcionada normalmente por el agua que se bombea al núcleo mediante el uso de electricidad. El terremoto cortó la electricidad necesaria para impulsar las bombas de agua, y los generadores diesel de respaldo fallaron, probablemente como resultado del tsunami provocado por el terremoto. Aunque los detalles son difíciles de confirmar, parece que también falló otro sistema de refrigeración que utiliza baterías y bombas a vapor, y un sistema de intercambio de calor que elimina el calor del agua refrigerante alrededor del reactor parecía estar dañado, afirma Andrew Kadak, un investigador afiliado al MIT.

Los operadores de la planta utilizaron mangueras para bombear agua de mar al reactor Daiichi y así lograr que se enfriase, asegura Michael Podowski, profesor visitante de ciencia nuclear e ingeniería en el MIT, aunque sin el sistema de refrigeración habitual, no hay manera de eliminar el calor de ese agua a través del intercambiador de calor. Como resultado, el agua se calienta hasta que se convierte en vapor, lo que hace que la presión se acumule dentro del edificio de contención.

Las altas temperaturas también facilitan una reacción química entre el circonio en las barras de combustible y el agua, que produce óxido de zirconio e hidrógeno. A medida que se acumula la presión, los operadores liberan el vapor y el hidrógeno en una estructura de contención secundaria. En Daiichi, la acumulación de hidrógeno ha causado explosiones en estas estructuras. El operador de la central, Tokyo Electric Power Company, emitió un comunicado señalando que cree que la principal estructura de hormigón que rodea el reactor se mantiene intacta.

Sin embargo, a medida que el vapor sale de los reactores, los niveles de agua caen, poniendo al descubierto las barras de combustible del reactor, y haciendo que se inicie su sobrecalentamiento. Los operadores están trabajando para inyectar más agua de mar en el sistema para que se enfríe, pero se han topado con problemas relacionados con las válvulas de alivio y otros sistemas. En los últimos informes, no estaba claro qué éxito habían tenido a la hora de cubrir las barras de combustible de nuevo, lo que podría provocar que las barras de combustible se derritiesen. No está claro en estos momentos si los edificios de contención mantendrán el material fundido.

El siguiente paso clave es reparar o reemplazar el sistema intercambiador de calor para proporcionar una forma de eliminar el calor del agua de mar. Esto eliminará la necesidad de sacar el vapor a la atmósfera, que contiene material radiactivo.

Los reactores de la central nuclear, construida en la década de los 70, se basan en sistemas activos de refrigeración que requieren electricidad. Los nuevos diseños de planta disminuyen o eliminan la necesidad de refrigeración activa, haciendo uso de la convección natural o un "sistema de alimentación por gravedad" para enfriar los reactores en caso de producirse una emergencia.

En uno de los diseños, por ejemplo, en el relativamente nuevo Westinghouse AP1000, el agua está suspendida sobre la cubierta del reactor. Si la presión dentro del sistema cae, esto permite que el agua caiga en la zona del reactor, sumergiéndolo en una cantidad de agua suficiente como para mantenerlo frío.

Aunque los sistemas pasivos podrían ser mejores en el caso de fallos eléctricos, podrían no ser siempre los más seguros. Kadak afirma que en un sistema activo, es más fácil asegurarse de que el refrigerante llega exactamente donde tiene que llegar—simplemente se bombea a la ubicación correcta. El diseño de sistemas pasivos, en cambio, requiere de modelos complejos sobre el comportamiento de los fluidos en un sistema que podría acabar siendo incorrecto si dicho sistema está dañado.

Kadak afirma que unos diseños de reactor incluso más avanzados podrían superar estos problemas. Algunos reactores avanzados usan metales fundidos para enfriar el reactor—la masa de estos sistemas es suficiente como para proporcionar un enfriamiento en caso de emergencia, señala, aunque si el metal fundido fuera desplazado por un terremoto, eso podría ser un problema en sí mismo. Ha dedicado gran parte de su carrera a otra alternativa avanzada, el "reactor de lecho de guijarros", que está diseñado para que sea imposible que el combustible se caliente lo suficiente como para una fusión. La desventaja es que el reactor tiene que ser mucho más grande—para una cantidad dada de energía—que en un reactor convencional.

Kadak explica que, en general, incluso los diseños de reactores de hoy día son generalmente seguros. "No debemos pasar por alto la magnitud del terremoto y las inundaciones", afirma. "Las centrales nucleares están diseñadas para los terremotos y los huracanes, incluso tsunamis en algunos lugares. Sin embargo, éstos han sido increíblemente grandes".