ENERGIA NUCLEARE

Dr. Josef Oehmen
Pubblicato il Marzo 13, 2011



Ripeto, non c’e’ stato e *non* ci sara’ nessun significativo rilascio di radioattività dai reattori danneggiati Giapponesi.

Con il termine “significativo” intendo un livello di radiazioni piu’ alto di quello che avreste ricevuto da – diciamo – un volo di lunga distanza, o bere un bicchiere di birra che proviene da alcune zone con alti livelli di radiazione naturale di fondo.

Ho letto ogni comunicato stampa sulla vicenda dopo il terremoto. Non c’è stata una sola relazione che è stata accurata e priva di errori (e parte di questo problema è anche una debolezza nella comunicazione Giapponese in crisi). Per “non esente da errori” non mi riferisco al giornalismo tendenzioso anti-nucleare – che è abbastanza normale in questi giorni. Per “non esente da errori” intendo errori evidenti per quanto riguarda la fisica e le leggi naturali, così come alla mis-interpretazione grossolana dei fatti, a causa di una evidente mancanza di comprensione fondamentale e di base del modo in cui vengono costruiti e gestiti i reattori nucleari. Ho letto un rapporto di tre pagine sulla CNN, dove ogni singolo paragrafo conteneva un errore.

Dovremo spiegare alcuni fondamenti, prima di entrare nei dettagli di quello che sta succedendo.

Gli impianti di Fukushima sono i cosiddetti reattori ad acqua bollente, o BWR in breve. I reattori ad acqua bollente sono simili a una pentola a pressione. Il combustibile nucleare riscalda l’acqua, l’acqua bolle e crea il vapore acqueo, quindi il vapore alimenta le turbine che generano l’elettricità, poi il vapore viene raffreddato e condensato nuovamente in acqua, l’acqua e’ inviata di nuovo al combustibile nucleare per essere riscaldata. La pentola a pressione funziona a circa 250 ° C.

Il combustibile nucleare è l’ossido di uranio. L’ossido di uranio è una ceramica con punto di fusione molto elevato di circa 3000 ° C. Il combustibile è prodotto in pellet (piccoli cilindri della dimensione di mattoncini Lego). Tali pezzi vengono poi messi in un lungo tubo in zircaloy con punto di fusione di 2200 ° C, e sigillato ad arte. L’intero assemblaggio viene chiamato barra di combustibile. Queste barre di combustibile vengono poi messi insieme per formare pacchetti più grandi, e un certo numero di questi pacchetti vengono poi inseriti nel reattore. Tutti insieme questi pacchetti sono indicati come “il nucleo”.

L’involucro in zircaloy e’ il primo contenimento. Esso separa il combustibile radioattivo dal resto del mondo. Il nucleo è poi inserito negli “apparecchi a pressione”. Questa è la pentola a pressione di cui abbiamo parlato prima.

I recipienti a pressione sono il secondo contenimento. Questo è un pezzo robusto di pentola, destinato a contenere in modo sicuro il nucleo da temperature di diverse centinaia di °C. Inclusi gli scenari dove il raffreddamento possa essere ripristinato a un certo punto.

L’intero “hardware” del reattore nucleare – il contenitore a pressione e tutti i tubi, pompe, il liquido riserva refrigerante (acqua), vengono poi inglobati nel terzo contenimento. Il terzo contenimento è sigillato ermeticamente (a tenuta d’aria), diversi strati del piu’ resistente acciaio esistente. Il terzo contenimento è progettato, costruito e testato per un unico scopo: contenere, a tempo indeterminato, un completo collasso e fusione del nucleo. A tal fine, un bacino di grandi dimensioni e spessore di calcestruzzo è stato versato alla base del recipiente a pressione (il secondo contenimento), che è pieno di grafite, dentro tutto il terzo contenimento. Questo è il cosiddetto “acchiappa nucleo”. Se il nucleo si scioglie e gli apparecchi a pressione bruciano (e si sciolgono alla fine), esso catturera’ il combustibile fuso e tutto il resto. E’ costruito in modo tale che il combustibile nucleare verrà sparpagliato, in modo che possa raffreddarsi.

Questo terzo contenimento è poi circondato dall’edificio del reattore. L’edificio del reattore è un guscio esterno che dovrebbe reggere alle condizioni atmosferiche avverse esterne, ma non dall’interno (questa è la parte che è stato danneggiata nell’esplosione, ne riparleremo piu’ avanti).

Fondamenti delle reazioni nucleari: Il combustibile di uranio genera calore dalla fissione nucleare. I grossi atomi di uranio sono divisi in atomi piu’ piccoli. Questo genera calore e Neutroni (una delle particelle che formano un atomo). Quando il neutrone colpisce un altro atomo di uranio, questo si divide, generando altri neutroni e così via. Questo si chiama la reazione nucleare a catena.

Ora, il fatto di accoppiare molte barre di combustibile una vicina all’altra porterebbe rapidamente a surriscaldamento e, dopo circa 45 minuti a una fusione delle barre di combustibile. Vale la pena ricordare, a questo punto che il combustibile nucleare in un reattore non può *mai* provocare un esplosione nucleare del tipo di una bomba nucleare. Costruire una bomba atomica in realtà è abbastanza difficile (chiedete all’Iran).

A Chernobyl, l’esplosione è stata causata da accumulo di pressione eccessiva, esplosione dell’idrogeno e rottura di tutti i contenimenti, spingendo il materiale fuso alla fuoriuscita nell’ambiente (una “bomba sporca”). Perché questo non e’ accaduto e non accadrà Giappone, lo spiegheremo piu’ avanti.

Al fine di controllare la reazione nucleare a catena, gli operatori del reattore utilizzano le cosiddette “canne moderatrici”. Le aste moderatrici assorbono i neutroni e annientano istantaneamente la reazione a catena. Un reattore nucleare è costruito in modo tale che, quando funziona normalmente, si farebbero rientrare tutte le aste moderatrici. L’acqua di raffreddamento poi trasporta via il calore (e lo trasforma in vapore e poi elettricità), alla stessa velocità in cui il nucleo lo produce. E si dispone di molta libertà intorno a tutto il punto di funzionamento standard di 250° C. La sfida è data dal fatto che dopo aver inserito le aste e fermare la reazione a catena, il nucleo conserva ancora la produzione di calore. L’uranio ha “interrotto” la reazione a catena. Ma un certo numero di elementi radioattivi intermedi creati dall’uranio durante il suo processo di fissione, in particolare gli isotopi di cesio e iodio, vale a dire le versioni di questi elementi radioattivi che eventualmente si suddividono in piccoli atomi e non sono piu’ radioattivi. Tali elementi continuano a decadere e a produrre calore. Poiché non vengono piu rigenerati dall’uranio (l’uranio smise di decadere dopo che le aste di moderatrici sono state inserite), ricevono via via sempre sempre meno, e così il nucleo si raffredda in una questione di giorni, fino a quando quegli elementi intermedi mediamente radioattivi sono estinti. Questo calore residuo è la causa dei mal di testa sperimentati in questi giorni.

Quindi, il primo “tipo” di materiale radioattivo è l’uranio in barre di combustibile, più gli elementi intermedi mediamente radioattivi che l’uranio divide per fissione, e anche all’interno delle barre di combustibile (cesio e iodio). Vi è un secondo tipo di materiale radioattivo creato, fuori le barre di combustibile.

La grande differenza principale da mettere in primo piano: Questi materiali radioattivi hanno una brevissima emi-vita, il che significa che decadono molto velocemente e scissi in materiali non radioattivi. E con “veloce” intendo dire secondi. Quindi, se questi materiali radioattivi vengono rilasciati nell’ambiente, sì, la radioattività viene rilasciata, ma no, non è pericolosa, per nulla. Perché ? Con il tempo che passa in cui avreste detto R-A-D-I-O-N-U-C-L-I-D-I , saranno gia’ diventati innocui, poiché saranno stati suddivisi in elementi non radioattivi. Tali elementi radioattivi sono l’N-16, l’isotopo radioattivo (o una versione) di azoto (aria). Gli altri sono i gas nobili, come lo Xenon. Ma da dove vengono ? Quando l’uranio si divide, si genera un neutrone (vedi sopra). La maggior parte di questi neutroni colpirà altri atomi di uranio e manterra’ la reazione a catena nucleare attiva. Ma alcuni lasceranno la barra di combustibile e colpiranno le molecole d’acqua o l’aria che e’ nell’acqua. Poi, un elemento non radioattivo potra’ “catturare” il neutrone. Essa diventa radioattiva. Come descritto in precedenza, procedra’ rapidamente (secondi) a sbarazzarsi di nuovo del neutrone per tornare al stato originario incontaminato.

Questo secondo “tipo” di radiazioni è molto importante quando si parla di radioattività che viene rilasciata nell’ambiente in seguito.

Che cosa è successo a Fukushima ? Cercherò di riassumerne i fatti principali.

Il terremoto che ha colpito il Giappone è stato 7 volte più potente del peggior terremoto per cui la centrale nucleare è stata costruita (la scala Richter opera in maniera logaritmica, la differenza tra il grado 8,2 a cui gli impianti sono stati costruiti per resistere e quello di 8,9 che si e’ verificato, e’ di 7 volte, e non 0,7 ). Quindi , questo e’ il primo urrah’ ! che va all’ingegneria Giapponese, tutto quanto ha resistito.

Quando il terremoto ha colpito con la scossa di 8.9, i reattori delle centrali nucleari sono andati tutti in arresto automatico. In pochi secondi dopo che il terremoto e’ iniziato, le aste di moderazione erano state inserite nel nucleo e la reazione nucleare a catena dell’uranio era stata fermata. Ora, il sistema di raffreddamento ha il compito di portare via il calore residuo. Il carico di calore residuo è di circa il 3% rispetto al carico termico in condizioni operative normali. Il terremoto ha distrutto l’alimentatore esterno del reattore nucleare. Questo è uno degli incidenti più gravi per una centrale nucleare e, di conseguenza, un “black out” di un impianto riceve molta attenzione durante la progettazione di sistemi di backup. L’energia e’ necessaria per mantenere le pompe di raffreddamento al lavoro. Dal momento che la centrale era stata spenta, non può produrre l’elettricità per sé.

Le cose stavano andando bene per un’ora. Una serie di vari gruppi elettrogeni diesel di emergenza entro’ in funzione per fornire l’elettricità che era necessaria. Poi arrivò lo tsunami, molto più grande di quanto le persone avevano previsto durante la costruzione della centrale elettrica (fattore 7). Lo tsunami ha messo fuori uso tutti i multipli set di generatori diesel di backup.

Quando si progetta una centrale nucleare, gli ingegneri seguono una filosofia chiamata “Difesa di profondità”. Ciò significa che prima di tutto ogni cosa dev’essere costruita per resistere alla peggiore catastrofe che si possa immaginare, e quindi a progettare gli impianti in modo tale che si può ancora gestire il fallimento dei sistemi (che si pensava non potesse mai accadere) uno dopo l’altro. Uno tsunami che spazza via tutta la potenza energetica di riserva in un colpo solo è un tale scenario.

L’ultima linea di difesa è sigillare tutto nel terzo contenimento (vedi sopra), che manterra’ tutto , qualunque sia il caos, aste moderatrici dentro o fuori, nucleo fuso o meno, all’interno del reattore. Quando i generatori diesel erano “andati” gli operatori del reattore passarono all’alimentazione di emergenza dalle batterie. Le batterie sono state concepite come uno dei backup per i backup, per fornire energia per il raffreddamento del nucleo per 8 ore. E lo hanno fatto. Entro le 8 ore, un’altra fonte di alimentazione doveva essere trovata e collegata alla centrale elettrica. La rete elettrica era interrotta a causa del terremoto.

I generatori diesel sono stati distrutti dallo tsunami. Allora sono stati portati dei generatori diesel mobili con i camion. Qui e’ quando le cose cominciarono ad andare male sul serio. I generatori di alimentazione esterna non potevano essere collegati alla centrale elettrica (i connettori non si adattavano). Così, dopo le batterie andate in esaurimento, il calore residuo non poteva essere portato più via.

A questo punto gli operatori degli impianti cominciarono ad attuare le procedure di emergenza che sono in atto per un “evento da perdita di raffreddamento”. E’ di nuovo un passo lungo sulla linee di “Difesa di profondità”. Il potere di sistemi di raffreddamento non avrebbe mai dovuto fallire completamente, ma lo ha fatto, e quindi ci si e’ “ritirati” nella prossima linea di difesa. Tutto questo, per quanto scioccante ci possa sembrare , è parte della formazione giorno per giorno che si attraversa come un operatore, fino alla gestione di una fusione del nocciolo. E’ stato a questo punto che la gente ha cominciato a parlare di fusione del nocciolo. Perché alla fine della giornata, se il raffreddamento non può essere ripristinato, il nucleo alla fine fonde (dopo ore o giorni), e l’ultima linea di difesa, l’acchiappa nucleo e il terzo contenimento , entrano in gioco.

Ma l’obiettivo in questa fase è stato quello di gestire il nucleo mentre si stava riscaldando, e garantire che il primo contenimento (i tubi in zircaloy che contengono il combustibile nucleare), così come il secondo contenimento (la nostra pentola a pressione) rimanessero intatti e operativi per il più a lungo possibile, per dare il tempo ai tecnici di riparare i sistemi di raffreddamento. Poiché il raffreddamento del nucleo è un grosso problema, il reattore ha un certo numero di sistemi di raffreddamento, ciascuno in più versioni (il sistema di pulizia dell’acqua del reattore, la rimozione del calore di decadimento, il raffreddamento del nucleo di isolamento del reattore, il raffreddamento dei sistemi di standby , e il sistema di raffreddamento d’emergenza del nucleo). Quale abbia fallito o meno , e quando, non è chiaro ancora.

Quindi immaginiamo la nostra pentola a pressione sul fuoco, la fiamma e’ bassa, ma accesa. Gli operatori usano qualunque capacita’ dei sistemi di raffreddamento possano disporre per eliminare il calore il più possibile, ma la pressione inizia ad aumentare. La priorità è ora quella di mantenere l’integrità del primo contenimento (mantenere la temperatura delle barre di combustibile sotto i 2200 ° C), così come quella del secondo contenimento , la pentola a pressione. Al fine di mantenere l’integrità della pentola a pressione (il secondo contenimento), la pressione deve essere rilasciata di volta in volta. Poiché la capacità di fare questo in una situazione di emergenza è così importante, il reattore è dotato di 11 valvole di sfiato della pressione. Gli operatori hanno quindi iniziato a rilasciare il vapore di scarico di volta in volta per controllare la pressione. La temperatura in questa fase era di circa 550° C. Questo è quando i rapporti di “fuga di radiazioni”, hanno cominciato ad arrivare.

A questo punto credo di aver già spiegato perché far fuoriuscire il vapore è teoricamente la stessa cosa di rilasciare radiazioni nell’ambiente, ma anche perche’ non era e non e’ pericoloso. L’azoto radioattivo, nonché i gas nobili non rappresentano una minaccia per la salute umana. A un certo punto nel corso della ventilazione della pressione, è avvenuta l’esplosione. L’esplosione ha avuto luogo al di fuori del terzo contenimento (la nostra “ultima linea di difesa”), tra l’edificio del reattore. Ricordate che l’edificio del reattore non ha alcuna funzione nel mantenere contenuta la radioattività.

Non è ancora del tutto chiaro che cosa è successo, ma questo è lo scenario probabile: Gli operatori hanno deciso di sfogare il vapore del recipiente a pressione non direttamente nell’ambiente, ma nello spazio tra il terzo contenimento e l’edificio del reattore (per dare alla radioattività nel vapore più tempo per estinguersi). Il problema è che alle alte temperature che il nucleo aveva raggiunto a questo punto , le molecole di acqua sono in grado di “dissociarsi” in ossigeno e idrogeno – una miscela esplosiva. E lo ha fatto, esplodendo al di fuori del terzo contenimento , danneggiando l’edificio esterno del reattore tutt’intorno. E’ stato quel tipo di esplosione, ma all’interno del recipiente a pressione (perché era stato progettato male e non gestito correttamente da parte degli operatori), che porto’ all’esplosione di Chernobyl. Questo non è mai stato un rischio di Fukushima.

Il problema della formazione di idrogeno-ossigeno è uno dei grattacapi di quando si progetta una centrale elettrica (se non siete sovietici, almeno), per cui il reattore è costruito e gestito in un modo che non può accadere all’interno del contenimento. E’ successo al di fuori, cosa non prevista, ma e’ uno scenario possibile e quindi OK, perché non rappresenta un rischio per il contenimento. Così la pressione era sotto controllo, sotto forma di vapore è stata scaricata.

Ora, se mantenete a bollire la pentola, il problema è che il livello dell’acqua di tendera’ a scendere e scendere. Il nucleo è coperto da diversi metri d’acqua, al fine di consentire il passare di un certo periodo di tempo (ore, giorni) prima che venga esposto. Una volta che le aste iniziano ad essere esposte al vertice, le parti esposte raggiungono la temperatura critica di 2200° C dopo circa 45 minuti. Questo è quando il primo contenimento , il tubo di zircaloy, fallirebbe. E questo ha iniziato ad accadere. Il raffreddamento non potrebbe essere ripristinato prima che ci fosse qualche danno (molto limitato, ma pur sempre danno) alla carcassa di alcuni dei carburanti. Il materiale nucleare era ancora intatto, ma il guscio di zircaloy che lo circonda aveva iniziato a fondere.

Cio’ che e’ successo a questo punto e’ che alcuni dei sottoprodotti del decadimento dell’uranio – cesio e iodio radioattivi – hanno iniziato a mescolarsi con il vapore. Il grande problema, l’uranio, era ancora sotto controllo, perché le aste di ossido di uranio erano sicure fino a 3000° C. E’ confermato che una piccola quantità di cesio e iodio è stata misurata nel vapore che è stato rilasciato in atmosfera. Sembra che questo è stato il segnale di “via libera” ad un importante piano B. Le piccole quantità di Cesio, che sono state misurate hanno fatto capire agli operatori che il primo contenimento di una delle barre da qualche parte stava per cedere.

Un piano A sarebbe stato quello di ripristinare uno dei sistemi di raffreddamento regolare nel nucleo. Perché cio’ e’ fallito non è chiaro. Una spiegazione plausibile è che lo tsunami ha portato via/inquinato anche tutta l’acqua pulita necessaria per i regolari sistemi di raffreddamento. L’acqua utilizzata nel sistema di raffreddamento è molto pulita, demineralizzata (come quella distillata). Il motivo per cui viene utilizzata acqua pura è l’attivazione di cui sopra dai neutroni dell’uranio: l’acqua pura non si attiva molto, rimane quindi praticamente libera-da-radiazioni. Sporcizia o sale in acqua assorbiranno i neutroni piu’ velocemente, facendola diventare più radioattiva. Questo non ha alcun effetto sul nucleo – non importa da cosa viene raffreddato. Ma rende la vita più difficile per gli operatori e i meccanici quando hanno a che fare con acqua attivata (cioè leggermente radioattiva).

Ma il piano A era fallito – i sistemi di raffreddamento disattivati e acqua pulita non disponibile – quindi il piano B è entrato in azione. Questo è ciò che appare come quello che e’ accaduto: Al fine di evitare una fusione del nucleo , gli operatori hanno iniziato ad utilizzare l’acqua di mare per il suo raffreddamento. Non sono del tutto sicuro se hanno allagato la nostra pentola a pressione con essa (il secondo contenimento), o se hanno inondato il terzo contenimento, immergendo la pentola a pressione. Ma questo non è rilevante per noi. Il punto è che il combustibile nucleare è ormai raffreddato. Perché la reazione a catena è stato arrestata molto tempo fa, vi è solo poco calore residuo che viene prodotto in questo momento.

La grande quantità di acqua di raffreddamento che è stata utilizzata e’ sufficiente a smaltire quel calore. Perché è un sacco di acqua, il nucleo non produce piu’ sufficiente calore per produrre alcuna pressione significativa. Inoltre, l’acido borico è stato aggiunto all’acqua di mare. L’acido borico è un “asta di controllo liquida”. Qualunque decadimento sia ancora in corso, il Boro catturera’ i neutroni e accelerara’ ulteriormente il raffreddamento del nucleo.

L’impianto è andato vicino a una fusione del nucleo. Ecco lo scenario peggiore, che è stato evitato: se l’acqua del mare non avrebbe potuto essere usata per il trattamento, gli operatori avrebbero continuato a sfogare il vapore d’acqua per evitare l’accumulo di pressione. Il terzo contenimento sarebbe poi stato completamente sigillato per permettere alla fusione del nucleo di accadere senza il rilascio di materiale radioattivo. Dopo il tracollo, ci sarebbe stato un periodo di attesa per i materiali mediamente radioattivi in decadimento all’interno del reattore, e permettere a tutte le particelle radioattive a stabilirsi su una superficie all’interno del contenimento. Il sistema di raffreddamento sarebbe stato ripristinato alla fine, e il nucleo fuso raffreddato ad una temperatura gestibile. Il contenimento sarebbe stato ripulito all’interno. Poi sarebbe iniziato il lavoro di rimuovere il “pantano” del nucleo fuso dal contenimento, e successivo imballaggio del materiale (ora di nuovo solido) del carburante pezzo per pezzo in contenitori di trasporto per essere avviati agli impianti di trasformazione. A seconda del danno, l’intero blocco dello stabilimento sarebbe quindi stato riparato o smantellato.



morgsatlarge.wordpress.com/2011/03/13/why-i-am-not-worried-about-japans-nuclear-r...

www.businessinsider.com/japan-reactors-pose-no-risk-2011-3-1#ixzz1...