Dopo il disastro di Fukushima, ho deciso di saperne di più sulle centrali nucleari e la settimana scorsa sono andata al dipartimento di fisica della Sapienza a parlare con Niccolò Loret, giovane fisico.
Cenni sui reattori nucleari
Per comprendere meglio l'incidente, descriviamo brevemente la struttura dell'impianto: un reattore ad acqua bollente è composto da un vessel (un contenitore chiuso ermeticamente di forma cilindrica realizzata in acciaio al carbonio) (1) al cui interno sono poste le barre di combustibile (2) immerse in un bagno di acqua (leggera o pesante a seconda dei modelli). L'acqua evapora ed il vapore viene utilizzato per far girare le turbine per la produzione di energia elettrica. Il vapore viene in seguito condensato tramite il sistema di raffreddamento e reimmesso nel vessel.
In caso di incidente vengono fatte scendere tra le barre di combustibile le barre di contenimento (3), composte di carbonato di Boro, atte ad assorbire neutroni e quindi ad arrestare la reazione a catena.
Nel nocciolo, dove avviene la fissione che libera energia termica, il combustibile è fisicamente separato dall’acqua da una guaina, per limitare la contaminazione del liquido. Tale separazione è realizzata in una lega metallica particolare di zirconio (che si ottiene industrialmente dalla clorazione dello zircone). Per dare un’idea di quale grado di radioattività sia presente nel reattore si può pensare che questo è ospitato nell’edificio composto di due strutture in calcestruzzo armato, che dovrebbero da una parte garantirne la messa in sicurezza, dall’altra essere ulteriori schermi contro eventuali fuoriuscite di radioattività.
Disastri a confronto
La International Nuclear and Radiological Event Scale (INES) è stata introdotta nel 1990 per classificare i diversi disastri nucleari, è una scala logaritmica come quella Richter per i terremoti, ed ogni gradino della scala indica un evento circa 10 volte più grave del gradino precedente.
Basandoci su di essa passiamo in rassegna i più gravi e noti incidenti nucleari per comprendere l'effettiva gravità del disastro di Fukushima.
-1979- Three mile island, livello 5:
L'incidente fu causato da una perdita del liquido refrigerante dal vessel ad acqua pressurizzata per via di un malfunzionamento ad una valvola. Si susseguì una serie di malfunzionamenti ed errori umani che portarono all'ebollizione dell'acqua e all'esposizione delle barre di combustibile, questo ha provocato l'innalzamento della pressione interna e la produzione di idrogeno che, in seguito, ha causato una piccola esplosione. Le barre di combustibile si fusero parzialmente tra loro, ma i tecnici furono comunque in grado di inserire le barre di controllo e raffreddare il nocciolo nei giorni successivi. Esplosione e perdita del liquido di raffreddamento provocarono una pericolosa perdita radioattiva, per cui l'impianto venne evacuato ed isolato. L'effettiva portata dei danni fu verificata solamente qualche anno dopo, in fase di decommissioning, nel momento in cui il reattore venne riaperto.
-1957- Disastro di Kyshtym, livello 6:
Ben poco si sa dell'incidente, avvenuto in URSS e venuto alla luce solamente dopo il crollo del muro di Berlino. Un problema al sistema di raffreddamento dell'impianto di riprocessamento militare di scorie radioattive causò un esplosione di vapore che rilasciò in atmosfera circa 80 tonnellate di materiale radioattivo (con probabili tracce di Plutonio).
-1986- Chernobyl, livello 7:
Il disastro di Chernobyl è la sinfonia all'umana idiozia, dalla progettazione del reattore, alla disinvoltura con la quale i tecnici giocavano con le manopole. Il reattore era stato progettato con moderazione a base di grafite, la grafite, come l'acqua, è un materiale che rallenta i neutroni, rendendoli in grado di innescare una reazione a catena. La grafite venne utilizzata poiché i reattori sovietici modello RBMK furono pensati per poter funzionare ininterrottamente per ottenere una continua produzione di Plutonio (per le bombe): le barre di contenimento di questo tipo di reattori è stata concepita con una punta di grafite, affinchè si consumassero in maniera maggiore le pasticche poste più in basso, così da poter far scivolare da sotto il combustibile esausto, ricaricando contemporaneamente nuove pasticche in alto senza a reattore in funzione. Questo progetto, molto efficiente da un punto di vista industriale, presenta un'importante criticità: mentre nei reattori in cui la moderazione è affidata all'acqua in caso di ebollizione le reazioni rallentano (il vapore, a differenza dell'acqua lascia passare indisturbati i neutroni veloci), nei reattori a grafite la reazione continua nonostante l'ebollizione, crescendo esponenzialmente in intensità.
L'esplosione del reattore di Chernobyl avvenne durante un esperimento di funzionamento dell'impianto a bassa potenza (del quale i responsabili si sono probabilmente pentiti quando i loro organi interni si sono liquefatti per via dei raggi gamma): i tecnici raffreddarono le barre con un ingente flusso d'acqua, ma per far sì che la produzione elettrica restasse in funzione estrassero del tutto le barre di controllo, così bastò una minima diminuzione del flusso d'acqua per provocare l'ebollizione. Il vapore fece aumentare la pressione nel vessel e scattare l'allarme. I tecnici di conseguenza premettero il pulsante d'emergenza che fece scattare l'inserimento delle barre di controllo, la cui punta di grafite, però provocò un'intensificazione delle reazioni: in pochi secondi la temperatura salì sopra i 2000°C, le barre di contenimento si spaccarono, l'acqua si separò in idrogeno ed ossigeno, l'idrogeno esplose spaccando il vessel e pochi secondi dopo l'altissima escursione termica delle pasticche di combustibile, senza più alcun sistema di raffreddamento, provocò la loro esplosione che fece saltare la centrale, spargendo ovunque materiale altamente radioattivo incandescente. Come se non bastasse, la grafite prese fuoco, innalzando una colonna di fumi e ceneri caldissime che spedirono fin nella stratosfera sostanze radioattive di tutti i tipi, che arrivarono un po' in tutto il mondo seguendo i venti.
-2011- Fukushima, livello 5...6...7???:
Il disastro di Fukushima è esteso e variegato, comprende 4 reattori costruiti tra il 1970 (il primo abbastanza vecchio) ed il 1982 (gli ultimi piuttosto moderni). Il primo reattore a dare segni di cedimento è stato quello numero uno: dopo il terremoto è scattato il meccanismo di emergenza che ha fatto sì che venissero inserite le barre di contenimento, così da arrestare i processi di fissione nucleare. In caso di incidente, però, dopo lo spegnimento del reattore la temperatura interna continua ad essere altissima, si parla di circa l'8% della potenza di una centrale in esercizio (quindi stiamo parlando di circa 100-200 MW), per via delle reazioni residue dei radionuclidi con piccoli tempi di dimezzamento, ed il raffreddamento, non potendo più contare sull'alimentazione elettrica della centrale, deve contare, per il funzionamento delle pompe su dei generatori Diesel d'emergenza. A seguito del terremoto pare che siano stati proprio questi a subire i maggiori danni (anche se non escludiamo che si siano verificati danni alle condotte). Per questo motivo la temperatura all'interno del vessel ha continuato a salire fino ai 2000 °C, temperatura alla quale può avvenire la reazione di termolisi, cioè la rottura delle molecole d'acqua nelle componenti di idrogeno ed ossigeno.
Metallo + nH2O => Ossido metallico + nH2
Se la reazione è sufficientemente esotermica si instaura un loop auto-alimentante ed all'interno del vessel la pressione sale in maniera incontrollata. L'aumento vertiginoso della temperatura è dovuto al fatto che, non funzionando l'impianto di raffreddamento, le barre potrebbero non esser più totalmente immerse nell'acqua e potrebbero quindi essersi fuse tra loro. Per evitare che le pareti del reattore si spaccassero per l'elevata pressione, quello che probabilmente hanno fatto i tecnici giapponesi è stato lasciar sfogare in atmosfera vapore surriscaldato, ossigeno, idrogeno e tutta una serie di sostanze radioattive allo stato gassoso, come lo Iodio131 o il Cesio137. A pressione atmosferica idrogeno ed ossigeno hanno reagito, causando l'esplosione a cui tutti abbiamo assistito. Questo ha sparso in atmosfera numerose sostanze radioattive che si stanno diffondendo, seguendo i venti, nelle aree circostanti.
A differenza dell'incidente di Chernobyl, durante il quale l'incendio del tetto di grafite del reattore aveva disperso in atmosfera le polveri derivanti dalle barre di combustibile (le barre, infatti, per via delle reazioni di fissione si riducono ad una massa molto simile in consistenza a del ferro arruginito), a Fukushima pare che le pareti del reattore siano ancora intatte (almeno stando a quanto fanno sapere i media ufficiali) e, quindi non c'è stata probabilmente dispersione di sostanze più pesanti e pericolose.
Per quel che riguarda il reattore 2 si è quasi sicuramente avuto lo scioglimento delle barre (che si ha
a 2800°C), in quanto il nocciolo è stato esposto all'aria per un periodo prolungato per via della mancanza di alimentazione alle pompe dell'acqua, si sono avute alcune piccole esplosioni e l'emissione di vapori radioattivi, ma i tecnici del reattore sono riusciti ad evitare l'esplosione dell'idrogeno lasciando defluire il gas da fori appositamente praticati nel cemento armato della blindatura.
Non si capisce ancora quanto sia fuori controllo la situazione di questo reattore, in quanto essendosi fuso il metallo non è possibile stabilire quanto l'acqua possa fluire attraverso le barre per raffreddarle. Non si riesce per ora neanche a capire quanto la fissione in questo nocciolo possa auto-alimentarsi nonostante l'inserimento delle barre di raffreddamento, gli scenari possibili vanno dal rientro dell'emergenza alla cosiddetta ''sindrome cinese'' ,cioè la creazione di una massa fusa che potrebbe restare incandescente per un lunghissimo periodo di tempo e penetrare la crosta terrestre.
Il terzo reattore, alimentato da una mistura di Uranio e Plutonio (MOX), è quello che ha dato i problemi maggiori e le maggiori fughe radioattive, inizialmente la situazione in questa parte dell'impianto era molto simile a quella del reattore 1, ma, in seguito all'esplosione dell'idrogeno, è plausibile pensare che il vessel si sia danneggiato, dato che le barre sono state raffreddate gettando acqua dagli elicotteri, provocando la fuoriuscita di vapori radioattivi, il che fa pensare che l'acqua sia entrata direttamente in contatto con il nocciolo. Come nel reattore 2 è probabile che le barre si siano parzialmente fuse tra loro e non è chiaro se andando avanti con i giorni la fissione possa riprendere o che una volta finito di decadere i prodotti di fissione secondari la temperatura si abbasserà.
Il reattore quattro, spento nel momento del terremoto, ha avuto problemi alla vasca dello stoccaggio delle scorie. Le vasche di stoccaggio delle scorie, poste al di sotto dei reattori sono delle enormi piscine profonde 10 metri in cui vengono accumulate le barre esauste di combustibile. Le barre esauste sono estremamente radioattive e calde e possono tranquillamente raggiungere i 100°C. Per questo motivo nella vasca sono presenti numerosi sistemi di raffreddamento che fanno sì che l'acqua non superi i 50°C. Non si capisce bene cosa non abbia funzionato, se un misuratore di pressione o di calore, se i tecnici preoccupati per gli altri reattori non abbiano controllato o se il terremoto abbia danneggiato la vasca, causando la fuoriuscita del liquido nell'ambiente esterno; fatto sta che l'acqua è arrivata ad ebollizione e dal reattore si sono sollevate dense volute di vapori radioattivi, non si sa di quale entità.
Per valutare l'impatto complessivo del disastro di Fukushima sono da considerare molti fattori: per quanto ancora i reattori continueranno a emettere vapori radioattivi, il tipo di radionuclidi immessi in atmosfera, se vi è sono state infiltrazioni delle acque di raffreddamento nelle falde acquifere e nel mare e verso dove soffierà il vento. Allo stato attuale è solamente possibile catalogare l'attuale disastro al di sotto di Chernobyl ed al di sopra di quello di Three mile island. La diversa incidenza delle tre catastrofi nucleari è ben riassunta nella dose equivalente massima di radioattività emessa: 1 mSv per three mile island, 17 mSv per Fukushima e 50 Sv Chernobyl... Entriamo in dettaglio...
La dose equivalente di radiazioni assorbite
I primi dati diffusi sui media giapponesi a proposito dei livelli di radioattività nei dintorni della centrale di Fukushima dopo l'incidente riportano intensità allarmanti: 1015 microSievert.
E' un livello mostruoso, cinquemila-diecimila volte più alto del livello normale di intensità radioattiva del fondo terrestre. Dopodichè i livelli sono più volte rimbalzati tra i 500 e le migliaia di microSievert, toccando il picco di 17 milliSievert (50.000-100.000 volte il fondo naturale), a seconda delle perdite o delle esplosioni che si sono succedute. Ma vediamo di capirci qualcosa.
In fisica sono conosciuti tre tipi di radiazioni ionizzanti:
* (
α) le particelle alfa, nuclei di elio, pesanti ed estremamente dannosi, ma poco penetranti
(appena acquisiti due elettroni, strappandoli alle altre molecole, divengono del semplice elio);
* (
β) le particelle beta, elettroni negativi o positivi (positroni), emessi da reazioni nucleari deboli;
* (
γ) i raggi gamma, fotoni di un campo elettromagnetico, a frequenze molto più alte rispetto alla luce visibile
Esse differiscono non solo per le loro caratteristiche fisiche, ma anche per i loro effetti sugli esseri umani. Per comparare questi tre tipi di radiazione confrontabili per quel che riguarda i loro effetti è stata studiata una scala fondata sugli effetti biologici dei raggi: è definita come dose equivalente, la cui unità di misura è il Sievert.
1 Rem = 0,01 Sievert (Sv)
Basata sul conto degli impulsi radioattivi: questa scala si basa sulle emissioni del Cesio137 (la sostanza più comune rilasciata in caso di incidente nucleare). La conversione in dose equivalente si riferisce al quanto gamma della radiazione del radionuclide Cs137 con un'energia di 662 keV.
Per avere un'idea delle grandezze in gioco basta pensare che il fondo naturale è di circa 0,1-0,2 microSv (in zona vulcanica 0,2-0,4 per via del Radon), su di un aereo, per via della maggiore esposizione ai raggi cosmici, si raggiungono livelli di 5-7 microSv.
Individui esposti per motivi professionali a sorgenti radioattive nell'Unione Europea devono rispettare per motivi di salute due tipi di livelli massimi. Una volta raggiunti questi limiti devono sospendere l'esposizione per permettere al proprio organismo di riprendersi per un certo periodo di tempo:
* Limite di 6 milliSievert totali annui (assumendo 2000 ore lavorative l'anno) = 3 microSv/ora, categoria B
* Limite di 20 milliSievert totali annui = 10 microSv/ora, categoria A
Quindi se attorno la centrale di Fukushima il livello radioattivo è di 1015 microSv la popolazione attorno alla centrale potenzialmente in un giorno può assorbire una dose di radiazioni superiore ad un lavoratore di categoria A (quindi la più a rischio) in un intero anno, mentre per un livello di 11 milliSievert capiamo bene come sia sufficiente l'esposizione a tali livelli per due ore per assorbire la dose massima annua. La gravità della situazione è testimoniata anche dal fatto che i tecnici hanno affermato di non poter più stazionare nella stazione di controllo dell'impianto per via dell'alto tasso di radiazioni, considerando anche che il sistema di aerazione degli ambienti è dotato di filtri che schermano il 90% delle sostanze radioattive, e quindi all'esterno della stazione di controllo la radioattività era 10 volte maggiore.
Il Sievert, comunque è una misura solamente del numero di particelle rilevate, e non è sufficiente per stabilire l'impatto ambientale effettivo di un incidente nucleare. Nel momento in cui dei radionuclidi vengono assorbiti da un organismo vivente, questi a vari livelli interagiscono con le cellule e possono venire assorbiti o espulsi dall'organismo a seconda della tipologia. Tre esempi esplicativi sono lo Iodio131, lo Stronzio90 ed il Cesio137.
Lo Iodio131 è molto leggero e diffonde facilmente assieme ai vapori, si deposita sui vegetali che se ingeriti danneggiano la salute umana. Uno volta nell'organismo lo I131 si accumula nella tiroide, come del normale iodio, dove decade in 8-10 giorni, danneggiando le cellule. Questo danneggiameno si manifesta come squilibri ormonali o tumore alla tiroide a seconda dei casi. Lo Iodio131 è assieme al Cesio137 la sostanza che si diffonde più velocemente in caso di incidente nucleare, è per questo motivo che la prima cosa da fare in quest'evenienza è l'ingestione di pastiglie di Iodio non radioattivo, così da saturare la tiroide.
Lo Stronzio, invece, è molto simile come struttura elettronica al Calcio e viene perciò facilmente scambiato per questo dall'organismo. Quest'elemento inquina quindi molto facilmente il latte rendendolo molto pericoloso sopratutto per i bambini, in quanto ingerendo il latte questi possono accumulare grandi quantità di Stronzio nelle ossa che può restarvi anche per tutta la vita dell'individuo, intaccando con le sue emissioni il midollo, causando anemie e leucemia.
Il Cesio137 è molto simile al Potassio, viene assorbito velocemente dall'intestino e decade nel corpo in meno di un anno. Per combatterne l'assunzione bisogna ingerire forti dosi di Potassio.
V.
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