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Argomento interessante e al contempo delicatissimo: la sicurezza nucleare. Ingabbiare l’energia dell’atomo è stato uno dei più grandi traguardi realizzati dall’uomo e non c’è alcun dubbio sul ruolo predominante della fissione nel nostro futuro. Ma quanto è sicura l’energia nucleare? Come può l’ingegneria adoperarsi per rendere questa fonte energetica tanto sostenibile quanto priva di rischi?

Esattamente 75 anni fa, a Chicago, Enrico Fermi fece raggiungere la criticità alla prima pila atomica mai realizzata, regalandoci l’accesso a una forma di energia incredibilmente concentrata e dalle potenzialità inimmaginabili fino a qualche anno prima: un’energia capace di rivoluzionare ed evolvere l’intera società umana. Con l’energia nucleare, ebbe inizio una nuova era.

Dipinto rappresentante l’accensione della prima pila atomica. A causa delle radiazioni, non fu possibile prendere fotografie.

Oggi, l’energia nucleare rappresenta una componente fondamentale nel mercato energetico mondiale, nonché un’arma importantissima nella battaglia per un futuro sostenibile e libero dalla dipendenza dell’energia fossile. Purtroppo, nell’immaginario collettivo, è anche molto controversa e troppo spesso associata esclusivamente a scenari post-apocalittici da film di serie B. I grandi incidenti del passato e la recente esplosione nella centrale nucleare di Flamanville, in Francia, suscitano due importanti interrogativi: quanto è sicura l’energia nucleare? Qual è l’approccio scientifico e, sopratutto, ingegneristico alla materia?

Neanche in un milione di anni!

La prima cosa da considerare è che la produzione di energia da combustibile nucleare è un processo industriale e, come tale, soggetto a rischi dovuti ad errore umano e malfunzionamenti delle infrastrutture. Questi rischi devono essere mitigati e minimizzati tramite pianificazione intelligente, un design appropriato e conservativo, sistemi di back-up e, il tutto, deve essere basato su un ben preciso framework incentrato sulla sicurezza, sia per il personale sia per l’ambiente. Ma minimizzare il rischio non significa annullarlo completamente; quindi, in termini numerici, quanto è probabile che un incidente accada?

Il nocciolo della questione

Per prima cosa bisogna definire cosa è un’incidente nucleare, per poter prevedere il peggior scenario e prendere misure preventive adeguate. Nell’avvento dell’energia nucleare, si diede un forte accento al pericolo di fusione del nocciolo, che avrebbe potuto portare a una distruzione del contenimento del nocciolo e al rilascio di radiazioni e materiale radioattivo, con conseguenze devastanti sia per l’uomo che per l’ambiente.

Partendo da questa considerazione, il design e la sicurezza degli impianti nucleari vennero potenziati con risultati a dir poco eccezionali: in più di 16.000 anni di funzionamento cumulato dei reattori civili, dislocati in 32 paesi del mondo, sono stati registrati solo tre incidenti su larga scala:

  • Three Mile Island (USA, 1979): parziale fusione del nocciolo e grave danneggiamento al reattore ma, nonostante tutto, le radiazioni furono contenute e non ci furono conseguenze sanitarie o ambientali;
  • Chernobyl (Ucraina, 1986): il peggior disastro nucleare nella storia dell’energia nucleare. Esplosione del reattore e rilascio di notevoli quantità di radiazioni e materiale radioattivo nell’ambiente. Al momento, il numero di morti accertate è salito a 56 e i danni ambientali furono devastanti;
  • Fukushima (Giappone, 2011): tre reattori vennero danneggiati e messi fuori uso dalla mancanza di refrigerante dovuto a uno tsunami che colpì l’infrastruttura. Nessuna morte accertata e danni ambientali contenuti.
Veduta aerea delle torri di raffreddamento della centrale di Three Mile Island.

Dopo l’incidente di Three Mile Island, si scoprì che le conseguenze sulla salute pubblica e l’ambiente di una fusione del nocciolo erano state enormemente sovrastimate: infatti, un’attenta analisi ha dimostrato che le radiazioni emesse durante la fusione del nocciolo sono notevolmente inferiori rispetto a quelle predette e, anche nel peggior scenario (strutture di contenimento danneggiate, come a Fukushima), il materiale radioattivo non sarebbe immediatamente fuoriuscito dal contenimento stesso. Proprio l’evento di Fukushima ha confermato questa teoria: nonostante la fusione di tre noccioli, le radiazioni e il materiale radioattivo sono rimasti contenuti all’interno dei reattori e non hanno provocato morti o avvelenamenti da radiazioni; erano infatti presenti più di duecento persone nel sito per mitigare gli effetti del meltdown.

Nonostante questa buona notizia, l’industria nucleare si è attivamente adoperata per ridurre sempre più il rischio di fusione del nocciolo e, attualmente, la US Nuclear Regulatory Commision (NRC) richiede che ogni centrale nucleare abbia una frequenza di danneggiamento del nocciolo inferiore a 1 ogni 100.000 anni. Nella realtà, gli attuali design sono molto più conservativi, raggiungendo frequenze di sicurezza inferiori a 1 su 1 milione di anni e, le centrali di prossima generazione, scenderanno sotto i 10 milioni di anni.

Un corium a piede di elefante, formatosi durante l’incidente di Chernobyl. Quando il diossido di uranio fonde, reagisce con la lega di zirconio delle barre e con l’acciaio e cemento circostante, formando una lava chiamata corium. È talmente radioattiva da uccidere chiunque sia abbastanza vicino da vederla.

La sindrome cinese

Una breve parentesi semi-comica: l’esasperazione iniziale sulle conseguenze della fusione del nocciolo provocarono una paranoia diffusa, chiamata “sindrome cinese“. L’opinione pubblica americana pensava infatti che, in caso di fusione, il nucleo incandescente avrebbe attraversato l’intero globo terrestre, finendo in Cina. Dopo l’incidente di Three Mile Island, si scoprì che effettivamente il nucleo aveva viaggiato per una rispettabilissima distanza di 15 mm. Il termine viene oggi utilizzato per indicare la possibile rottura del contenimento, dovuta alla fusione del nocciolo.

Difesa in profondità

Per poter garantire la sicurezza in un reattore nucleare il sistema deve essere in grado di:

Foto del nocciolo di un reattore, Sono ben visibili le barre di combustibile.
  • controllare la reazione;
  • raffreddare il combustibile;
  • contenere le sostanze radioattive.

Nel mondo occidentale, gli impianti nucleari operano secondo un approccio chiamato ‘defence in depth’ (difesa in profondità), con lo scopo di minimizzare qualsiasi rischio derivante da problemi di design o dal fattore umano. Alla sua base, c’è l’affiancamento di multipli sistemi di sicurezza alle barriere naturali del reattore stesso.

I punti chiave della difesa in profondità sono:

  • design e strutture di alta qualità;
  • installazione di sistemi capaci di impedire che casualità o errori umani si sviluppino in criticità per il reattore stesso;
  • monitoraggio continuo e sistematico di tutti i sistemi;
  • sistemi ridondanti e di backup;
  • capacità di confinare qualsiasi effetto dovuto al danneggiamento del reattore all’interno della centrale stessa, con minimo se non nullo impatto sull’esterno.

Il reattore, di per sé, è progettato in maniera tale da avere una serie di barriere fisiche tra il combustibile e l’ambiente esterno. La prima vera barriera è lo stato del combustibile stesso: infatti, diversamente da come immaginato dai sopracitati film di serie B, il combustibile fossile è nella forma di pastiglie ceramiche di diossido di uranio (UO2), le quali sono stabili fino ad altissime temperature. I prodotti di fissione vi rimangono legati e riescono a fuoriuscire solo molto difficilmente. Queste pastiglie sono contenute in delle barre di leghe di zirconio a tenuta stagna, a formare le cosiddette barre di combustibile, a loro volta confinate in contenitori di acciaio ad alta pressione con pareti dello spessore di almeno 30 cm. Per concludere, il tutto è incapsulato in robuste pareti di cemento di almeno 1 m di spessore.

Le pastiglie di diossido di uranio sono contenute all’interno di barre di lega di zirconio. Le barre formano una struttura chiamata Fuel Assembly.

Sistemi inerenti e sistemi esterni

I sistemi odierni sono progettati per avere dei sistemi di sicurezza inerenti“, cioè peculiari del sistema stesso, tramite coefficienti di temperatura e di vuoto negativi. Che vuol dire? Nel primo caso, superato un livello ben specifico, all’aumentare della temperatura l’efficienza del reattore diminuisce. Nel secondo caso, la formazione di vapore all’interno del liquido di raffreddamento decrementa l’effetto di moderazione dei neutroni, cioè la loro capacità a fissare il nucleo del combustibile, spegnendo di fatto il reattore.

In parallelo ai sistemi inerenti, sono presenti un sistema di raffreddamento di emergenza del nocciolo (ECCS), valvole di sfiato di emergenza, e così via. Tradizionalmente, questi sistemi esterni hanno necessità di energia elettrica o di sistemi meccanici per poter funzionare (sistemi attivi) ma, nei più recenti design, si sta tendendo a sostituirli con altri in grado di attivarsi tramite fenomeni fisici come temperatura, pressione o gravità. Tali sistemi sono in grado di garantire un corretto funzionamento anche in assenza di potenza elettrica, una tecnologia che avrebbe portato innumerevoli vantaggi a Fukushima.

Nei sistemi di sicurezza sono anche compresi dei sensori in grado di spegnere il reattore, in tutta sicurezza, in caso di terremoto.

Illustrazione di reattore nucleare.

Sicurezza nucleare e terremoti

Durante i dibattiti sul referendum nucleare in Italia, uno dei punti di discussione più forti era se fosse da sani di mente costruire un reattore nucleare in un territorio sismico come il nostro. È vero che, dal punto di vista geologico, la nostra penisola è molto sfortunata (e i continui tremori in centro Italia tristemente ce lo ricordano), ma è anche vero che il 20% degli attuali reattori nucleari sono presenti in paesi con elevato rischio sismico e l’ingegneria si è adoperata per garantire la totale sicurezza anche nei peggiori scenari.

Una precisazione iniziale: ciò che danneggia davvero le strutture è l’accelerazione dovuta alle vibrazioni sismiche. Da anni si è compreso che la correlazione tra magnitudo del terremoto e accelerazione locale può essere fuorviante e, per il design dei sistemi di sicurezza degli impianti nucleari, si è deciso di misurare direttamente l’accelerazione stessa. L’unità di misura usata è il Gal (da Galileo e corrisponde a 0.01 m/s2, cosicché 1 g corrisponde all’incirca a 980 Gal). Per avere un’idea degli ordini di grandezza, il recente terremoto ad Amatrice ha registrato picchi massimi di accelerazione dell’ordine di 400 Gal.

I criteri di sicurezza sismici delle centrali nucleari sono molto più stringenti di quelli applicati alle normali costruzioni civili e, solitamente, prevedono che il reattore riesca a spegnersi normalmente, in tutta sicurezza e senza danneggiamenti in caso del più grande evento sismico che può essere ragionevolmente predetto in base alla geologia del luogo (livello S1). Inoltre, il reattore deve essere in grado di spegnersi senza rilascio di radiazioni o materiale radioattivo in caso di maggior evento sismico concepibile e in caso di oscillazioni estreme (livello S2) che, convenzionalmente, era assunto pari a un terremoto di magnitudo 6.5 grado Richter con epicentro direttamente sotto il reattore.

Mappa delle misurazioni accelerometriche registrate durante il terremoto di Amatrice misurate in Gal. Fonte IGV.

Per comprendere quanto bene la tecnologia si comporti in caso di terremoti, ci spostiamo in un Paese che da millenni sfida a testa alta tremori e sismi: il Giappone.

Dopo il terremoto di magnitudo 7.2 di Kobe e un altro terremoto di grado 7.3 nel 2000, il governo giapponese decise che i precedenti parametri di sicurezza non erano abbastanza stringenti e decise di focalizzarsi sulle accelerazioni locali della struttura. Nel Marzo 2008, la centrale di Fukushima fu potenziata per poter rimanere in sicurezza nonostante accelerazioni pari a 600 Gal, e la sicurezza sismica della centrale Kashiwazaki Kariwa fu potenziata fino a 1000 Gal. Simili criteri vennero applicati per tutte le centrali del Giappone. È importante sottolineare, infatti, che l’incidente di Fukushima fu provocato dall’onda di tsunami un’ora dopo il terremoto; durante la scossa sismica i quattro reattori si spensero normalmente e in tutta sicurezza.

Tornando in Italia, si può affermare che la sismicità della nostra penisola richiederebbe un’attenta analisi delle condizioni geofisiche e sismiche del territorio; la location del sito dovrà essere scelta con cura e il design dell’impianto dovrà essere abbastanza conservativo da garantire la sicurezza anche nel peggior scenario possibile. Tutto questo, però, non è fantascienza e la tecnologia necessaria è non solo accessibile ma anche largamente diffusa e impiegata.

Continua a leggere l’articolo qui, per conoscere gli aspetti relativi alla sicurezza nucleare legata al terrorismo e alla gestione e messa in sicurezza delle scorie nucleari. 

ilpositivismo.com

Fonti ed approfondimenti
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Gianluca Lubelli
Neo-laureato in Ingegneria petrolifera in cerca di opportunità lavorative nel settore oil & gas. Da sempre grande appassionato di scienza ed energia in particolare. Sognatore e viaggiatore, amo imparare e divulgare fino al punto di essere etichettato come saccente e logorroico da amici e conoscenti. Sogno una società fondata sul pensiero scientifico.