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Le centrali nucleari. L'energia che scaturisce dal bombardamento dell'uranio con neutroni. Il processo di 'fissione/fusione nucleare'. Il problema della radioattività e delle scorie.

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Classificazione dei Rifiuti Radioattivi - Maurizio Cumo

I rifiuti radioattivi provenienti dai vari usi dell'energia nucleare presentano caratteristiche, qualitative e quantitative, variabili entro limiti straordinariamente estesi. Ciò ha fatto riconoscere, fin dagli inizi, la necessità di una loro classificazione, in relazione, da una parte, ai danni o agli inconvenienti che i rifiuti possono causare all'uomo e all'ambiente, dall'altra al tipo di provvedimenti da adottare per il loro smaltimento.

Da un punto di vista generale, i modi di classificare i rifiuti si possono suddividere in due grandi gruppi, a seconda che la classificazione sia basata su considerazioni qualitative oppure sul valore di parametri quantificabili.

Le classificazioni di tipo qualitativo sono fondate su elementi descrittivi, come la natura delle operazioni di provenienza, la natura dei rifiuti in sé, il tipo di radiazione emessa dai radionuclidi associati ai rifiuti, i metodi di trattamento cui i rifiuti devono essere sottoposti, ecc.

Le classificazioni di tipo quantitativo si riportano invece ai valori numerici di tal uni parametri, come: periodo di dimezzamento dei radionuclidi associati ai rifiuti, concentrazione di radioattività, intensità di irradiazione, fattori di moltiplicazione di certe grandezze usate in radioprotezione (come Introduzione Massima Ammissibile, Carico Corporeo Massimo Ammissibile, Concentrazione Massima Ammissibile e così via), fattori di decontaminazione dei processi di trattamento, ecc.

Le sostanze radioattive possono grossolanamente raggrupparsi in due specie: i nuclei risultanti dalle fissioni (prodotti o frammenti di fissione di cui, fra i più pericolosi, gli isotopi 90Sr, 137Cs e 85Kr, con periodi di dimezzamento non superiori ai 30 a) ed i nuclei che si formano per assorbimento neutronico negli elementi fissili e fertili (attinidi o transuranici, con periodi di dimezzamento molto più lunghi).

Il decadimento del livello della radioattività di classi significative di radionuclidi dimostra che alcuni prodotti di fissione, come il 137Cs e lo 90Sr, responsabili della maggior parte della radioattività dei rifiuti, possono continuare a preoccupare non oltre poche centinaia di anni.

Gli isotopi più importanti di plutonio ed americio decadono apprezzabilmente solo entro i 100.000 anni.

Con riferimento ad una centrale nucleare ad acqua leggera da 1000 MWe, il volume dei rifiuti solidi, dopo trattamento e condizionamento, può variare da 100 a 500 m3/a a seconda del tipo di reattore (BWR o PWR) e del sistema di condizionamento. Si tratta di rifiuti con bassa o media attività specifica - da 0,1 a 10 Ci/m3 - dovuta esclusivamente a radionuclidi emettitori.

Riferendosi a medie annuali relative alle esigenze di ritrattamento per una centrale da 1000 MWe ad acqua leggera, si possono valutare:

  • circa 3 m3 di rifiuti ad alta attività solidificati (scorie) con una attività complessiva di 150 MCi beta-gamma;
  • circa 3 m3 di rifiuti compattati del deguainaggio, con una attività complessiva di 1,5 MCi beta-gamma più attinidi;
  • circa 10-100 m3 di rifiuti solidi a bassa e media attività, con attività complessiva di 0,01 MCi beta-gamma, più contaminazione alfa;
  • 1÷10 m3 di rifiuti alfa solidi o solidificati contenenti da 1 a 5 kg di plutonio.

Un elemento di combustibile per reattori ad acqua leggera, irraggiato. contiene mediamente:

il 95% (475 Kg) di URANIO riciclabile;

l'1% (5 Kg) di plutonio riciclabile;

e, come rifiuti, il 4% di prodotti di fissione (20 Kg) di cui 500 g di attinidi minori (0,1%) che contengono il 90% della radiotossicità di questi rifiuti, che vengono vetrificati in matrice di vetro al borosilicato.

I residui solidi prodotti direttamente in centrale derivano, oltre che da una modesta quantità di materiali attivi comprimibili quali plastica, carta, stracci, piccoli utensili, ecc., dalla essiccazione di resine polverizzate o granulari, fanghi di filtri, concentrato di evaporatori o di altri sistemi utilizzati per trattare fluidi di processo o effluenti liquidi in modo da purificarli dalla attività in essi contenuta.

In generale, si può dire che i rifiuti radioattivi si presentano sotto varie forme fisiche: soluzioni liquide (acquose e organiche), materiali solidi (metalli, tessuti, carta, plastica, ecc.) ed aeriformi (gas e polveri). Il loro contenuto di radioattività può variare entro limiti molto estesi; le radiazioni emesse, inoltre, sono di natura diversa (particelle a e b, fotoni X e g, neutroni) e di diversa energia, così come diversi sono i tempi di decadimento dei radionuclidi (in essi contenuti) che emettono tali radiazioni.

Da tale complessa diversità discende la necessità di una gestione differenziata dei diversi tipi di rifiuti. La gestione (che comprende le fasi di raccolta, cernita, trattamento e condizionamento, deposito temporaneo, trasporto e smaltimento definitivo) risulta strettamente connessa con la scelta dei processi industriali che li generano. Il tipo di impianto ed il processo produttivo, di norma, influenzano notevolmente la natura, la qualità e la quantità del rifiuto risultante. Ad es. i rifiuti solidi degli impianti possono essere divisi in "rifiuti tecnologici" costituiti da carta, stracci, indumenti protettivi, gomma, plastica, legno, vetro, lamierini metallici, filtri esauriti dei sistemi di ventilazione, etc. Questi rifiuti sono di norma sottoposti a compattazione mediante presse idrauliche nell’edificio ausiliari e sistemati in fusti standard il cui contenuto di radioattività beta/gamma non supera i 1850 MBq (50 mCi) per fusto. Altri rifiuti sono le resine esaurite provenienti dai sistemi di trattamento dei fluidi dell’impianto stesso. Lo smaltimento dei rifiuti radioattivi, in ottemperanza ai principi ed ai criteri stabiliti dalle normative, spesso richiede la loro trasformazione in forme solide di provate caratteristiche (condizionamento), adatte a consentirne la manipolazione, il deposito temporaneo, il trasporto e lo smaltimento definitivo.

Pertanto, il processo di condizionamento deve necessariamente includere:

la qualificazione del processo e della matrice di immobilizzazione del rifiuto;

la verifica e la caratterizzazione del prodotto finale.

I criteri che devono essere rispettati sono stabiliti dalle normative in materia e dalle prescrizioni dell'Autorità di controllo (in Italia la Guida Tecnica n. 26 dell’ENEA-DISP, oggi APAT).

I più importanti criteri di accettabilità possono essere così brevemente riassunti:

  • chiara identificazione del tipo di rifiuto, della categoria o classe di appartenenza, della matrice di immobilizzazione, del tipo e del livello di radioattività ad esso associato;
  • limitazione, nel manufatto finale contenente il rifiuto, del contenuto di quei materiali radioattivi che possono danneggiare il manufatto stesso o il deposito di STOCCAGGIO definitivo. Esclusione di qualsiasi altro materiale (ad esempio, acqua o liquidi liberi) che potrebbe modificare nel tempo le caratteristiche sia del manufatto che del deposito o creare potenziali situazioni di pericolo. I rifiuti radioattivi che contengono materiali tossici devono essere trattati comunque in modo da ottemperare anche a quanto previsto dalla legislazione specifica sui tossici (la cui pericolosità non decade con il tempo);
  • esclusione o minimizzazione del rilascio di sostanze radioattive nell'ambiente, da parte dei manufatti finali contenenti il rifiuto, per tutto il tempo necessario al decadimento dei radionuclidi contenuti, fino a livelli di non pericolosità;
  • garanzia di una bassa dose al personale e di minimo rischio di contaminazione durante le operazioni di lavorazione, trasporto, STOCCAGGIO provvisorio e STOCCAGGIO definitivo dei manufatti contenenti il rifiuto;
  • mantenimento, da parte di questi manufatti, delle caratteristiche meccaniche, fisiche e chimiche (durabilità), anche in condizioni incidentali, per tutto il tempo necessario al decadimento dei radionuclidi in essi contenuti, fino a livelli di non pericolosità.

Le caratteristiche dei manufatti contenenti il rifiuto sono accertate mediante indagini chimiche e fisiche (caratterizzazione) e sono condotte sia sui rifiuti da condizionare (rifiuti primari), sia sul processo di condizionamento che sul manufatto finale (rifiuto condizionato).

La seguente tabella contiene una suddivisione fra le proprietà, di varia natura, che caratterizzano i rifiuti:

Proprietà legate alla radioattività

Proprietà chimiche

Attività totale (Bq)

Composizione della matrice

Composizione isotopica e radiochimica

Stabilità chimica

Massa del fissile

Lisciviabilità

Potenza termica

Piroforicità

Stabilità alle radiazioni

Ignizione

Omogeneità

Reattività

Dose e contaminazione superficiale

Corrosività

 

Esplosività

 

Compatibilità chimica

 

Produzione di gas

 

Tossicità

 

Decomponibilità (composti organici)

Proprietà fisiche

Proprietà termiche

Permeabilità

Resistenza al fuoco

Porosità

Conducibilità termica

Omogeneità

Stabilità al congelamento

Densità

Rammollimento

Presenza di vuoti

Cambiamenti strutturali (devetrificazione)

Altri parametri (presenza di liquidi liberi, agenti chelanti, gas)

 

Proprietà meccaniche

Proprietà biologiche

Resistenza alla COMPRESSIONE

Degradabilità biolologica

Stabilità dimensionale

Presenza di colture batteriche (rifiuti ospedalieri)

Resistenza all'impatto

 

 

Rifiuti a bassa attività.

Nel caso dei rifiuti liquidi ed aeriformi, vengono considerati a bassa attività quei rifiuti in cui la concentrazione di radioattività non è molto più elevata della Concentrazione Massima Ammissibile in acqua potabile e, rispettivamente, in aria. Sono rifiuti caratterizzati, per lo più, da grandi volumi; non richiedono alcuna schermatura e possono il più delle volte venire scaricati nell'ambiente senza alcun particolare trattamento. Per esempio, in condizioni normali di funzionamento, sono di bassa attività le acque del circuito secondario di raffreddamento di un reattore (ovvero le perdite di esso, se il circuito è chiuso); oppure l'aria di ventilazione degli edifici ausiliari di un reattore.

Nel caso di rifiuti solidi, sono considerati di solito a bassa attività tutti i rifiuti che possono venire maneggiati senza particolari precauzioni. Si tratta di oggetti dalla natura più eterogenea che provengono da zone ove si lavora con sostanze radioattive, per cui la loro contaminazione è spesso soltanto sospettata.

Rifiuti ad alta attività.

Sono classificati come rifiuti ad alta attività solo i residui del 1° ciclo di estrazione del ritrattamento del combustibile irraggiato. Si tratta di rifiuti che, allo stato attuale della tecnologia, sono prodotti inizialmente allo stato liquido e presentano una concentrazione di radioattività che in tal uni casi può giungere fino a migliaia di curie per litro.

Questi rifiuti sono di solito autoriscaldanti a causa dell'elevata intensità del calore di decadimento e quindi hanno bisogno di sistemi di raffreddamento, oltre che, si intende, di adeguato schermaggio contro le radiazioni.

Tratto da Cumo, M., Impianti nucleari, Casa Editrice Università La Sapienza, 2008