Fukushima Daiichi - rischio di disastro atomico

Anche se questo spazio è solitamente dedicato ad argomenti ben più piacevoli e meno importanti, vorrei dedicare questo post all’incidente nucleare di Fukushima Daiichi. La centrale in questione è composta da un gruppo di sei reattori di tipo BWR (seconda generazione) risalente alla fine degli anni 60, è una delle venticinque centrali più grandi del mondo ed è gestita dalla compagnia Tokyo Eletric Power (TEPCO). L’11 marzo 2011, durante il terribile sisma con epicentro nella zona di Sendai, questa centrale è stata severamente danneggiata, causando una perdita di radiazioni. 

Esplosione a Fukushima Daiichi

Com’è fatto un reattore BWR 
Un reattore BWR (Boiling Water Reactor) è un reattore che sfrutta come termovettore acqua leggera. Infatti la stessa acqua che raffredda le barre di combustibile entra in ebollizione, evapora e muove le turbine che generano corrente elettrica. Il tutto viene raffreddato da un circuito di acqua esterno. In pratica è una gigantesca pentola a pressione che opera a circa 250°. Il combustibile è una ceramica, l’ossido di uranio (UOX), in forma di pellet (come quelle delle stufe per intendersi), contenuto in delle barre di Zircaloy, una lega di Zirconio, che hanno una temperatura di failure pari a 1200 °C. Il punto di fusione dell’ossido di uranio è a 2800 °C. Una matrice di queste barre, chiamate aste di carburante (fuel rod) forma il nocciolo del reattore. Il combustibile solido a pellet ha esso stesso una forma a matrice che rappresenta la prima barriera e trattiene gran parte degli isotopi prodotti dalla fissione radioattiva, tra cui iodio e cesio (molto pericolosi per la salute). Lo Zircaloy è la seconda barriera del sistema e ha il compito di trattenere il combustibile radioattivo separato dal resto del reattore. La terza barriera è un contenitore pressurizzato chiamato vessel ed è una spessa camera in acciaio che lavora a circa 7MPa ed è progettato per resistere alle pressioni estreme che si sviluppano durante un incidente. Tutto il primo ciclo del reattore, comprensivo del vessel, delle condotte e del liquido refrigerante (acqua) è poi inserito in una ulteriore struttura ermetica di contenimento, fatta in acciaio e cemento, in grado di contenere una fusione completa del reattore (meltdown). Come si può osservare dalla figura sotto il nocciolo c’è una struttura toroidale (a ciambella), la vasca di soppressione (suppression pool), che viene utilizzata per condensare il vapore in eccesso in caso di emergenza. All’esterno di questa struttura ci sono le terminazioni delle condotte e le turbine, che per ovvi motivi sono schermate e normalmente non possono essere accedute dai tecnici. Durante le fasi di ferma del reattore la radioattività di queste zone decade molto rapidamente, permettendo l’opera di manutenzione. L’edificio vero e proprio (quello visibile dall’esterno) contiene tutte queste parti e ha il solo scopo di evitare che le perturbazioni atmosferiche raggiungano la struttura di contenimento, non essendo progettato con alcuno scopo di isolamento dal materiale radioattivo.

Schema di un reattore BWR

La reazione nucleare 

Queste centrali, per muovere le turbine, sfruttano un circuito convettivo generato da una reazione di fissione nucleare indotta da neutroni. In pratica, quando un neutrone colpisce un atomo di uranio questo si spezza in atomi più piccoli, rilasciando una grande quantità di energia e altri neutroni, che, colpendo altri atomi di uranio, portano ad una reazione a catena. Durante una normale reazione nucleare il numero di fissioni che avvengono nel nucleo è stabile ed è controllata dalle barre di controllo, che servono proprio ad assorbire il numero di neutroni in eccesso e sono immerse nella stessa acqua delle barre di combustibile. È importante segnalare che in queste condizioni non può avvenire in nessun modo l’effetto bomba atomica. Questo infatti prevede una reazione assolutamente incontrollata,e, anche a Chernobyl l’esplosione fu causata da una crescita eccessiva della pressione (regolabile tramite apposite valvole di sfogo) e da un cedimento strutturale generale che ha creato una deflagrazione resa così pericolosa anche dalla mancanza di una vera e propria struttura di contenimento. Infatti la copertura del reattore ucraino era il tetto di un comune capannone industriale. 

Come si spegne un reattore 

Per spegnere il reattore bisogna interrompere la reazione bloccando i neutroni prima che provochino la fissione dell’uranio e per ottenere questo risultato vengono inserite delle barre di controllo che assorbono i neutroni. Lo spegnimento di emergenza è una procedura che prende il nome di SCRAM (evento di transiente brusco) e prevede l’inserimento simultaneo di numerose barre assorbenti che portano la potenza prodotta dal reattore dal 100% al 7% in una frazione di secondo. I neutroni generati da una fissione nucleare hanno un tempo di vita pari a circa 13μs, per cui l’inserimento delle barre arresta immediatamente la reazione. La potenza residua è generata dal decadimento dei prodotti di fissione, per cui il reattore, dopo essere stato SCRAMmato continuerà a produrre comunque calore. Dopo un’ora dallo spegnimento il calore prodotto è circa l’1.5%, dopo un giorno 0.4% e dopo una settimana 0.2%, procedendo in questo modo molto lentamente nel tempo. Il calore di decadimento (decay heat) è uno dei problemi più grossi nella gestione di una centrale nucleare perché occorre garantire un raffreddamento al nucleo del reattore per periodi molto lunghi dopo lo spegnimento e ulteriore attenzione va prestata alle scorie radioattive che vanno stoccate in appositi depositi muniti di sistemi di cooling passivi. Dopo un anno dallo spegnimento un tipico combustibile esausto genera ancora 10kW per tonnellata e arriva a 1kW dopo ben dieci anni. Il calore di decadimento è uno dei principali problemi di sicurezza dei reattori ad acqua leggera ed è la causa del 60% della radioattività rilasciata dalle centrali nucleari. 

Operatori al lavoro a Fukushima

Cos’è successo a Fukushima Daiichi 

L’11 marzo del 2011 un terremoto di magnitudo 8.9 sulla scala Richter ha sconvolto la costa orientale del Giappone. Quando ha colpito la centrale di Fukushima è partita immediatamente la procedura di sicurezza di SCRAM e la potenza generata dal reattore è crollata immediatamente al 7% di quella a pieno carico. Il terremoto ha danneggiato le linee elettriche esterne alla centrale (che servono ad alimentare le pompe di raffreddamento) per cui i reattori sono stati subito fermati e sono state immediatamente azionate le pompe a diesel di emergenza per riattivare il circuito primario di refrigerazione. Purtroppo, un’ora dopo il terremoto, è arrivata un’onda di tsunami più grande di quanto fosse stato previsto che ha irrimediabilmente sommerso e danneggiato le pompe a diesel, rendendole di fatto inutilizzabili. In quel momento è scattato un evento di LOCA: Loss of Coolant Accident, ovvero una perdita di fluido refrigerante. A questo punto l’acqua nel circuito ha cominciato a bollire, evaporando e lasciando le barre di combustibile all’asciutto (barre scoperte). Gli elementi del nocciolo hanno quindi aumentato ulteriormente la loro temperatura, fino a quella di critica di 1200° in cui lo Zircaloy comincia a fondere, dando origine al fenomeno del meltdown. In oltre, l’acqua, sottoposta a queste temperature infernali, si decompone nei suoi elementi: l’ossigeno e l’idrogeno. L’idrogeno è il primo elemento della tavola periodica ed è quindi un gas leggerissimo, per cui sale verso l’alto e si accumula nella parte superiore della struttura di contenimento, da cui viene fatto defluire con delle apposite valvole. Nell’ipotesi di caso peggiore si forma una miscela esplosiva di ossigeno e idrogeno che detona, come avvenuto nei reattori 1, 2 e 3 di Fukushima. In entrambi i casi, ovvero che ci sia l’esplosione o meno, vengono rilasciati in atmosfera anche degli elementi radioattivi, sia gassosi, sia sottoforma di polveri sottili. In due delle tre detonazioni non è stata danneggiata la struttura di contenimento (critica) ma soltanto l’edificio del reattore (non utile ai fini del controllo della radioattività), purtroppo nell'esplosione che ha coinvolto il reattore 2 potrebbe essere stata danneggiata anche la camera di soppressione. 

Dato che il raffreddamento del core del reattore è una priorità assoluta sono stati innescati ulteriori sistemi di cooling e dopo nove ore sono anche arrivate delle pompe diesel mobili di supporto. Ma anche queste misure sono fallite, rendendo necessario, il 12 marzo, l’introduzione di acqua marina e acido borico direttamente nel nocciolo del reattore 1, seguita, nei giorni successivi (13 e 14 marzo) da una proceduta analoga anche sui reattori 2 e 3. Il 15 marzo si continua su questa strada, che per ora non ha dato molti risultati, dato che il livello dell’acqua nel nocciolo di tutti e tre i reattori rimane ancora molto basso, e i reattori 4, 5 e 6 (che erano spenti al momento del terremoto ma con un decay heat residuo) cominciano a dare segni di cedimento. Il carburante dei reattori 1 e 3 è stato danneggiato dalla temperatura (principio di fusione) e lo stato di quello del numero 2 è al momento sconosciuto. C’è stata un’esplosione anche al deposito carburante esausto del reattore 4 che ne ha parzialmente danneggiato l’edificio e i reattori 5 e 6 stanno subendo un pericoloso aumento di temperatura. Inoltre, vi è un gravissimo sospetto di danneggiamento della struttura di contenimento del reattore 2, che potrebbe dare origine a importanti perdite radioattive. La sala di controllo della TEPCO è stata abbandonata dai tecnici perché troppo contaminata per poterci lavorare. Nelle ultime ore la radioattività della zona è passata bruscamente da 15 microSievert a 489.8 microSiervet. L’incidente è stato stimato sul livello 6 della scala INES sia dall’Eu che dall’ANS, mentre i giapponesi della NISA continuano a sostenere che sia solo un livello 4.

Controllo del livello di radiazioni ad alcuni bambini

Cos’è la scala INES 

La scala INES è la scala internazionale con cui vengono valutati gli eventi nucleari. È stata introdotta nel 1989 dall’agenzia internazionale per l’energia nucleare per valutare la gravità degli incidenti nucleari ed è composta da una scala di sette valori a cui si aggiunge il livello zero al di sotto della scala. Più sale il numero e più è stato grave l’incidente. Fino a 3 viene considerato un guasto, da 4 in su assume la valenza di incidente, per arrivare al valore 7 (incidente catastrofico) finora assegnato solo al disastro di Chernobyl.

Quali sono i rischi 

In questo momento la cosa peggiore che possa succedere a uno dei reattori di Fukushima è la cosiddetta fusione (meltdown). Non ha nulla a che vedere con la fusione nucleare, fenomeno fisico completamente differente, ma indica la fusione del rivestimento in Zircaloy delle barre di combustibile, quando queste rimangono scoperte dal liquido di raffreddamento. Questo fenomeno altera la struttura a matrice del nocciolo del reattore, che prevede barre di combustibile alternate a barre controllo, inserite per fermare la reazione nucleare durante la procedura di SCRAM, e riattiva il processo di fissione, rendendolo di fatto incontrollato. In questo caso il materiale fuso cola al di sotto delle barre, depositandosi sul fondo del vessel, progettato in modo reggere il calore della fusione. Quindi, se il rivestimento del reattore è integro, come nel caso dei reattori 1 e 3 non c’è il rischio di una perdita massiccia di radiazioni, al contrario, se l’involucro è danneggiato, come pare che sia successo nel caso del reattore 2, sorgono immensi problemi con una reazione incontrollata. In oltre, quando il rivestimento in Zircaloy cede, vengono liberati ioni radiattivi (come cesio e iodio) che si mischiano all’acqua di raffreddamento, evaporano e vengono liberati nell’atmosfera sotto forma di gas quando viene abbassata la pressione del contenitore facendolo sfiatare. Per di più, l’acqua di mare che è stata inserita direttamente sulle barre per tentare una procedura di raffreddamento di emergenza è salata e impura e accelera l’ossidazione dello Zircaloy. In questo momento un’esplosione su grande scala come quella avventa a Chernobyl è ritenuta molto improbabile dagli esperti perché la pressione è tenuta sotto controllo e le strutture sono ancora sufficiente integre a garantirne la sicurezza. Nell’ipotesi di caso peggiore esplosioni successive di idrogeno danneggerebbero i due rivestimenti residui, facendo di fatto avvenire la fusione a cielo aperto. In quello sfortunatissimo caso si alzerebbe un’altra terrificante nube tossica radioattiva, con tutte le conseguenze note per la salute pubblica. In questo momento si ha una contaminazione a livello locale, dovuta al gas rilasciato per diminuire la pressione dei reattori, all’incendio scoppiato nel magazzino del reattore 4 e per il presunto danneggiamento al rivestimento del reattore 2.

Reattori di Fukushima visti dall'alto

E in Italia? 

In Italia il governo ha da poco deciso di ripristinare il nucleare come possibile fonte di energia, e, nonostante i drammatici eventi degli ultimi giorni pare non volere desistere. I motivi per cui viene promosso l’atomo come fonte di energia sono i soliti, bassi costi di produzione dell’energia, presunte centrali sicure, l’impossibilità di un sisma così grave da noi e il fatto che i nostri vicini siano dotati di centrali atomiche. Ma analizziamo con calma questi punti. Primo, il costo del nucleare non è affatto più basso di quello dell’energia prodotta con altre fonti, infatti spesso e volentieri vengono dimenticati tutti i costi satelliti (produzione delle barre di uranio, stoccaggio delle scorie, manutenzione ordinaria e straordinaria degli impianti…) e non va tralasciata l’ingente spesa necessaria allo smantellamento e alla bonifica della zona del reattore dopo il suo fine vita. Per quanto riguarda la sicurezza è stato acquistata la tecnologia per realizzare centrali di tipo EPR (Reattore Europea ad Acqua Pressurizzata di generazione III+) dai francesi, peccato che loro stessi (ma anche i tedeschi) abbiano riconosciuto questi reattori come poco sicuri e soggetti a pericoli. Infatti, per via di alcuni difetti di progettazione, vi è un importante rischio di esplosioni di vapore (radioattivo) e persino dell’espulsione delle barre di controllo (che è qualcosa di assolutamente drammatico), a causa di repentine escursioni di calore nel nocciolo. In oltre, le scorie prodotte da questo tipo di centrale nucleare sono più pericolose di quelle delle centrali di seconda generazione, sia per tipologia, maggior quantità di Iodio-129, che impiega 16 milioni di anni a decadere, sia per l’aumento del calore residuo (decay heat) del combustibile esausto, rendendolo di fatto di più complessa gestione. Per quanto riguarda il territorio, vorrei ricordare a tutti che l’Italia (a differenza della Germania e dei paesi del Nord) è una zona estremamente sismica, schiacciata dalla zolla Africana, che avanza inesorabilmente verso quella Europea, e si trova sul confine di una placca tettonica, esattamente come il Giappone. E poi basta, basta con questa storia che dobbiamo mettere a tutti i costi il nucleare in casa nostra perché tanto i nostri vicini ce l’hanno, cos’è giochiamo a chi è più scemo? E poi in che modo avere delle centrali in casa nostra dovrebbe proteggerci da quelle oltreconfine? Anzi, se già sono pericolose quelle degli altri, che, per questione di forza maggiore sono comunque a una certa distanza, perché mai dovremmo desiderare costruirne altre per contaminare meglio il territorio? Per cui, signori al governo pensateci bene a cosa state facendo e rispondete sinceramente: la costruireste una centrale nucleare EPR nel giardino di casa vostra? Se la risposta è sì allora fatelo, se è no allora pensateci prima di metterle nei giardini degli altri.

*Articolo modificato dopo la pubblicazione iniziale il 16/03/11 alle 11:02