Fusti nucleari
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Continuiamo il nostro speciale sulla sicurezza nucleare toccando altri due argomenti molto sensibili: protezione contro il terrorismo e la gestione e messa in sicurezza delle scorie nucleari. Anche in questo caso ci chiediamo: come può l’ingegneria minimizzare, se non annullare, questi rischi?

Terrorismo e sabotaggio 

Nel precedente articolo si è discusso delle sicurezze intrinseche delle centrali nucleari e gli standard di sicurezza in caso di terremoto, ma cosa accadrebbe se la minaccia fosse intenzionale e causata dall’uomo? Cosa succederebbe se dei terroristi decidessero di attaccare deliberatamente una centrale nucleare? Si è pensato anche a questo!

Dopo l’attacco del World Trade Centre, nel 2001, la US Electric Power Research Institute (EPRI) richiese un’analisi dettagliata sulle conseguenze di un attacco simile su una centrale nucleare. Per la simulazione fu utilizzato un Boeing 767-400, a serbatoio pieno e con un peso di 200 tonnellate, impattante ad una velocità di 560 km/h. Il punto di impatto fu scelto in modo tale che l’intera carlinga centrasse il reattore nel suo linea mediana, in modo da massimizzare la penetrazione. La simulazione dimostrò come nessuna parte dell’aereo né del combustibile riuscisse a penetrare il contenimento.

In realtà, per poter penetrare un contenimento di cemento rinforzato, sono necessari diversi colpi di artiglieria consecutivi, oppure speciali missili anti-bunker; armamentari che vanno ben al di là delle capacità di un gruppo di terroristi. Nonostante tutto, simulazioni sugli effetti ambientali e di salute di un’improbabile rottura del contenimento e di fusione del nocciolo hanno dimostrato come la gran parte del materiale radioattivo e delle radiazioni rimarrebbero contenute all’interno del reattore stesso; ciò limiterebbe fortemente l’impatto sia ambientale che sanitario, anche in zone densamente popolate. Naturalmente i protocolli di sicurezza prevederebbero una totale evacuazione della popolazione in un certo raggio dalla centrale, creando disagi socio/economici dipendenti da innumerevoli fattori.

Inoltre, un’eventuale penetrazione armata all’interno della centrale, con eventuale sabotaggio del reattore, porterebbe comunque conseguenze minime e gli effetti al di fuori della centrale sarebbero praticamente nulli. Nonostante i risultati di questi studi, la sicurezza degli impianti nucleari venne ulteriormente implementata, per rendere virtualmente impossibili penetrazioni e assalti a spese degli impianti.

Che ce ne facciamo dei rifiuti?

L’industria energetica nucleare produce una quantità bassissima di rifiuti che, però, presentano un certo livello di pericolosità. È necessario, quindi, che questi rifiuti vengano trattati e stoccati in sicurezza, in modo tale da non creare pericolo né per l’ambiente, né per le persone.

Diminuzione nel tempo della radioattività delle scorie nucleari.

I rifiuti nucleari possono essere categorizzati in tre fasce, suddivise in base al loro livello di radioattività:

  • Low Level Waste (LLW): principalmente rifiuti industriali e ospedalieri;
  • Intermediate Level Waste (ILW): rifiuti a media radioattività dovuti principalmente allo smantellamento di vecchi reattori nucleari. Contribuiscono al 4% della radioattività totale dei rifiuti prodotti e richiedono una schermatura.
  • High Level Waste (HLW): sono le vere e proprie “ceneri” del reattore, altamente radioattive e estremamente calde. Da sole contribuiscono per il 95% delle radiazioni totali dei rifiuti nucleari e necessitano di essere raffreddate per via del loro calore residuo (>2 kW/m3).
Il combustibile delle centrali è formato da questi minuscoli pellet di uranio fissile, che decomponendosi produrrà scorie.

Una centrale da 1000 MWe produce in media dai 200 ai 350 m3 id LLW and ILW l’anno e solo 20 m3 di combustibile usato, che si riduce a 3 m3 nel caso venga riprocessato.

Diamo uno sguardo più approfondito ai vari tipi di rifiuti che si vengono a creare durante l’intero ciclo di vita dell’energia nuclare.

Il ricco e il povero

In natura l’uranio si trova sotto forma di svariati isotopi, tra cui i più abbondanti sono l’U-238 (la quasi totalità del minerale) e l’ U-235 in pochissime percentuali. Sfortunatamente, negli attuali reattori è l’U-235 il vero combustibile; si necessita, perciò, di concentrare l’isotopo fino a raggiungere una soglia accettabile. Questa procedura è detta arricchimento ed è sostanzialmente simile a quella utilizzata per la produzione di uranio arricchito a scopo militare, solo che, nel primo caso, l’arricchimento si ferma al 5%, mentre nel secondo una soglia minima del 20% è necessaria per raggiungere la massa critica.

I sottoprodotti dell’arrichimento sono scorie ricchissime di U-238 sotto forma di UF6 (esafluoruro di uranio) o U3O8; questi sottoprodotti vengono anche chiamati uranio impoverito. La radioattività dell’uranio impoverito è bassissima e non richiede particolari protezioni e contenimenti; infatti, per via della sua alta densità, trova applicazioni nell’industria navale (le chiglie degli yacht) e militari (proiettili ad alta penetrazione). Purtroppo, l’uranio impoverito è particolarmente tossico nel caso di ingestione o inalazione e sono stati documentati diversi casi di intossicazione in soldati e civili esposti ad aerosol contenenti particelle di uranio, generato dall’impatto di proiettili ad uranio impoverito.

Per la sua elevatissima densità, l’uranio impoverito viene utilizzato nell’industria bellica per produrre armamento ad alta penetrazione. Queste armi sono considerate molto controverse per l’alta tossicità dell’uranio rilasciato sotto forma di aerosol.

L’uranio impoverito trova anche applicazione nel riciclo di combustibile. Infatti, come verrà spiegato più avanti, se miscelato al plutonio può diventare un nuovo combustibile detto MOX e, senza ulteriori additivi, può essere utilizzato come combustibile per reattori a neutroni veloci di prossima generazione.

Produzione di energia elettrica

Rimandando al prossimo articolo l’approfondimento sul funzionamento di un reattore a fissione, si basti sapere, al momento, che la fissione dell’ U-235 genera una catena di sottoprodotti, tra cui plutonio 239 (Pu-239) e svariati transattinidi – elementi presenti nel gruppo dell’attinio della tavola periodica, come il torio, protoattinio, lawrencio, nettunio, ecc. – che, insieme, formano delle scorie HLW. A questo punto le scorie possono essere riprocessate per produrre nuovo combustibile, oppure essere trattate e stoccate in sicurezza.

La scelta dipende principalmente dalla politica dello specifico paese, nonché dalla tecnologia disponibile. Data la rilevante quantità di materiale fissile ancora contenuto nelle scorie, sempre più paesi stanno optando per il riciclo, in modo da ottimizzare l’efficienza e ridurre la quantità di rifiuti pericolosi prodotta. Vediamo cosa accade in entrambi i casi.

Il bello del riciclo

Riciclare è sempre una cosa buona, e l’industria nucleare non fa differenza. Negli ultimi 50 anni, diversi paesi (quelli europei, Giappone, Russia e Stati Uniti) hanno focalizzato la loro attenzione sulla possibilità di riciclare le scorie prodotte per produrre nuovo combustibile ed aumentare, così, del 30-40% il rendimento energetico di un singolo kg di uranio estratto in miniera. Le ragioni sono anche pratiche e di sicurezza: infatti, il riciclo permetterebbe di ridurre il contenuto di plutonio e uranio nelle scorie, evitando che, sopratutto il primo, possa cadere in mani sbagliate e per usi non civili.

Il PUREX è la metodologia attualmente più utilizzata per l’estrazione e il riciclo di uranio e plutonio dal combustibile esausto.

Come accennato precedentemente, le scorie sono composte principalmente da Pu-239 (1%), uranio (96% di cui solo lo 0.4%-0.8% è U-235) e altri elementi della serie di attinidi. Il processo di rigenerazione non è dissimile all’estrazione di qualsiasi altro metallo in soluzione con altri metalli. In questo caso, il ”concentrato” è formato da pastiglie ceramiche di ossidio di uranio. Attualmente esistono tre metodologie di estrazione:

  • Pirometallurgia: utilizza il calore e i diversi punti di fusione per estrarre gli elementi desiderati;
  • Elettrometallurgia: principio simile alla pirometallurgia ma tramite l’applicazione di corrente elettrica;
  • Idrometallurgia: utilizzo di soluzione acquose per dissolvere i vari elementi e separazione tramite celle elettrolitiche.
Il Thermal Oxide Reprocessing Plant (THORP) in Sellafield , UK. L’edificio nero in fondo è l’impianto di vitrificazione per i rifiuti ad alta radioattività.

Il processo più vecchio, e attualmente più utilizzato, è il PUREX (Plutonium Uranium Extraction), che corrisponde a un tipo di processo idrometallurgico il cui scopo è estrarre contemporaneamente plutonio e uranio, utilizzando soluzioni di acido nitrico ed estrazione tramite solventi. Una volta separati, l’uranio viene rimandato negli impianti di arricchimento per essere ritrasformato in combustibile fresco, mentre il plutonio viene rimescolato con uranio imporverito per formare il cosidetto combustibile MOX.  Il processo di estrazione di plutonio e uranio ha, come sottoprodotto, un 3% in massa di HLW, composto per la maggior parte di attinidi come nettunio, americio e curio. Questi sottoprodotti non hanno nessuna applicazione e devono essere trattati e stoccati come rifiuti, incorporandoli in vetri di borosilicato (pirex).

Mixed Oxide Fuel (MOX)

Il MOX è un combustibile abbastanza recente, testato per la prima volta nel 1963 ma entrato in funzione commercialmente solo negli anni ’80. Oggi è largamente utilizzato in tutto il mondo, con oltre 2000 tonnelate di MOX prodotto e utilizzato in reattori in svariati paesi.

Processo di reazione in un normale combustibile all’ossidio di Uranio.

Il MOX è largamente utilizzato in Europa e in Giappone, dove 30 e 10 centrali, rispettivamente, sono abilitate all’utilizzo di MOX insieme a combustibile normale, fino a un massimo del 50% in concentrazione. Altri reattori avanzati, come l’EPR e l’AP1000, sono progettati per poter funzionare con MOX a pieno carico.

Partendo dal processo di estrazione descritto nella sezione precedente, il plutonio estratto sotto forma di ossido (PuO2) viene mescolato al diossidio di uranio impoverito (UO2+PuO2); il risultato è un combustibile che, al 7-11% di plutonio, è equivalente a un combustibile a ossido di uranio puro con una concentrazione di U-235 superiore al 4.5%. Se il plutonio viene estratto da armamenti nucleari smantellati, sarà necessario solo il 5% di concentrazione per generare un combustibile di qualità.

Processo di reazione nel MOX

Il vantaggio principale di utilizzare MOX invece di combustibile normale è che la concentrazione di fissile nel combustibile può essere facilmente aumentata aggiungendo un po’ di plutonio al combustibile stesso; questo, invece di dover passare per la fase di arricchimento, costosissima e anche complessa a livello tecnologico. Inoltre, per miscele al 50% di MOX e combustibile normale, non sono necessarie sostanziali modifiche al design del reattore, a parte l’introduzione di aggiuntive barre di controllo. I reattori a MOX sono estremamente competitivi in caso di prezzo dell’uranio alto ma, al di là del vantaggio prettamente economico, sono una risposta efficace al problema di riduzione della scorie.

Purtroppo, il plutonio è un elemento estremamente radioattivo, pertanto devono essere prese particolari cautele per evitare inconvenienti e problemi di sicurezza. La problematica principale è la presenza di isotopi del plutonio (come Pu-241) con bassa emivita, che decadono in breve tempo in Am-241 (Americio-241). L’Am-241 emette raggi gamma, cioè fotoni ad alta energia, dannosissimi per la salute. La concentrazione di americio aumenta dello 0.5% all’anno: per questo motivo, il plutonio riprocessato deve essere immediatamente convertito in MOX. Una seconda problematica è che questi decadimenti veloci riducono la qualità del combustibile, rendendolo non adatto a utilizzi in reattori tradizionali (termici). Con il futuro avvento di reattori a neutroni veloci, qualsiasi qualità di MOX potrà essere utilizzata, in quanto sarà in grado di rendere fissili tutti gli isotopi transuranici (con numero atomico superiore all’uranio).

Lo scarto dello scarto

Conclusasi la fase di riciclo, la rimanente parte consisterà nel 3% della massa originaria di scorie. Queste scorie delle scorie impiegheranno solamente 9000 anni a consumare la loro intera radioattività, confrontati ai 300.000 di normali scorie esauste.

Il primo problema da affrontare è la temperatura. I rifiuti HLW producono, per definizione, una quantità di calore superiore ai 2 kW/m3 e alla fine della fase di processing sono troppo calde per essere stoccate in sicurezza. Come prima fase, questi rifiuti vengono immersi in enormi piscine della profondità di circa 7-12 metri, in cemento e acciaio rinforzato e con abbastanza acqua da garantire il raffreddamento continuo del materiale. Il combustibile esausto è sistemato in fusti su rastralliere di 4 m di lunghezza, costruiti in acciaio e altri materiali assorbitori di neutroni.

Piscine di stoccaggio del combustibile esausto. Le scorire HLW emanano troppo calore per poter essere stoccate immediatamente.

Dopo 5 anni, è possibile sistemare il combustibile esausto in fusti speciali chiamati multi-purpose canisters (MPCs), che garantiscono una perfetta schermatura alle radiazioni. I fusti vengono sistemati in aria a circa 6 metri di altezza e raffreddati tramite convezione. Dopo 30-40 anni, il combustibile raggiunge un millesimo della sua radioattività originaria ed è pronto per essere stoccato permanentemente. Per poter garantire un adeguato livello di sicurezza e annullare i rischi di contaminazione, vengono poste barriere multiple tra le scorie e la biosfera:

  • la prima barriera è lo stato della scoria stessa. Infatti, gli HLW vengono solidificati e vitrificati in matrici di vetro borosilicato;
  • la matrice viene rinchiusa in fusti anticorrosione fatti di acciai particolari e specifici;
  • i fusti vengono, quindi, stoccati in formazioni sotterranee geologicamente stabili e separate dalla biosfera;
  • come ulteriore protezione alla fuoriuscita di radionuclidi, i containers vengono ricoperti di argille impermeabili, sopratutto se il luogo di stoccaggio è umido.
Silos di stoccaggio di HLW vitrificato. Ogni disco sul pavimento ricopre un silo contenente dieci fusti.

La scelta del luogo di stoccaggio è lunga e complessa e viene completata dopo attenta analisi di tutti i siti disponibili. Finlandia e Svezia, dopo aver valutato svariate miniere abbandonate ed averne accertato la sicurezza con le attuali tecnologie, sono in procinto di selezionare i loro luoghi di stoccaggio; mentre gli Stati Uniti hanno, da anni, deciso di utilizzare la Yucca Mountain in Nevada.

Un punto importante su cui discutono i vari paesi riguarda la possibilità di recuperare, in futuro, le scorie depositate. Infatti, nuove generazioni di reattori potranno trasformare gli attuali rifiuti in risorse estremamente preziose, ma è anche vero che sigillare definitivamente un sito di stoccaggio aumenterebbe la sicurezza sul lungo termine. Naturalmente, i luoghi di stoccaggio sono considerati obiettivi sensibili, pertanto l’accesso è limitato e strettamente controllato dalle autorità preposte.

Deposito delle Yucca Mountain

Bufale (non) radioattive

È necessario un piccolo post-scritto a questo articolo, dopo il tanto chiacchierato ”grave incidente” della centrale nucleare di Krsko, in Slovenia. Da qualche giorno, i social network sono infatti stati intasati da pagine di palesemente dubbia credibilità con titoli sensazionalistici (cliccate solo se davvero la curiosità vi assale) riguardanti un “gravissimo incidente” in una centrale a 130 km da Trieste, con rilascio di radiazioni letali verso il confine italiano. Inutile specificare che i media, “pagati dal sistema” o da chissà chi, avrebbero insabbiato il tutto! E il NWO festeggia con spumante al plutonio e uranio impoverito!

A parte gli scherzi, vediamo cosa è successo veramente.

Alle 8:30 del mattino di giovedì 16 Febbraio 2017, la centrale di Krsko rileva un piccolo malfunzionamento a una delle pompe di alimentazione del generatore di vapore; come conseguenza, le misure di sicurezza entrano in atto, spegnendo il reattore senza nessuna conseguenza. Rilascio di radiazioni o materiale radioattivo pari a 0! Danni a cose, persone o ambiente: 0! Nessun allarme, nessun incidente. Non appena il componente guasto è stato individuato e sostituito, la centrale è ripartita normalmente il giorno successivo.

Come confermato dalle autorità slovene e dall’ARPA del Friuli Venezia Giulia, il reattore non è stato minimamente danneggiato dal malfunzionamento e non c’è stato nessun rilascio di radiazioni. L’ARPA ha anche fornito le misurazioni di irraggiamento radioattivo nel periodo considerato:

Fonte: ARPA

I picchi, bassissimi, sono dovuti alle giornate piovose, quando le concentrazioni di particelle radioattive di origine naturale tendono ad accumularsi.

Ma allora perché tanto allarmismo? La risposta è semplice ed è la solita: click-baiting! Queste pagine vivono dei click di curiosi che cascano nel tranello dei loro titoloni, per poi scoprire che si tratta di una fantastica mega-bufala (e non parliamo, purtroppo, delle mozzarelle).

La terza parte dell’articolo è disponibile cliccando ► qui!

ilpositivismo.com

Fonti ed approfondimenti
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