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Trattamento e Condizionamento dei rifiuti radioattivi - Maurizio Cumo -

Come si è detto, il fine precipuo del trattamento dei rifiuti radioattivi è di concentrare parte dell'attività in un volume ridotto che può essere contenuto in modo più agevole. Fine del condizionamento è invece quello di mettere i rifiuti che devono essere contenuti in una forma tale da aumentarne l'affidabilità nel tempo.

Tutti i rifiuti radioattivi possono essere raggruppati in 3 categorie in base alle caratteristiche e alle concentrazioni dei radioisotopi presenti:

1a categoria - I rifiuti che entro pochi mesi o, al massimo, in qualche anno, decadendo, raggiungono concentrazioni di radioattività inferiori ai valori imposti all'art. 6, punto 2, commi b) e c) del D.M. 14.7.1970 e i rifiuti a più lunga vita che sono già in concentrazioni inferiori ai valori di cui sopra.
Questi rifiuti provengono essenzialmente dagli impieghi medici e dalla ricerca scientifica.

2a categoria - I rifiuti che entro un massimo di qualche centinaio di anni raggiungono concentrazioni di radioattività di alcune centinaia di Bq/g (una decina di nCi/g).

3a categoria - I rifiuti solidi o liquidi che richiedono migliaia di anni per raggiungere, decadendo, concentrazioni di radioattività di alcune centinaia di Bq/g; i rifiuti contenenti emettitori alfa e neutroni, indipendentemente dal loro periodo di dimezzamento.

Per i rifiuti di 1a Categoria il problema di uno smaltimento definitivo non si pone perché, dopo congruo ma limitato periodo di tempo, possono essere rilasciati incondizionatamente.

Per i rifiuti di 2a Categoria i processi di condizionamento attualmente praticati o in via di sviluppo sono i seguenti: immobilizzazione in matrici inorganiche (cemento);
immobilizzazione in matrici composite (cemento additivato con polimeri).

Per il loro smaltimento le possibili opzioni, già adottate in vari Paesi, sono le seguenti:
seppellimento superficiale o sub-superficiale a bassa profondità;
isolamento in formazioni geologiche profonde.

Per il condizionamento, immagazzinaggio e smaltimento dei rifiuti di 3a categoria si accennerà qui di seguito.
L'obiettivo che si vuole raggiungere è il loro confinamento definitivo e quindi il loro isolamento rispetto alla biosfera per periodi di tempo misurabili su scala geologica, perché le popolazioni future risultino protette dalla radioattività propria di tali rifiuti. Si ritiene raggiungibile l'obiettivo di sollevare le generazioni future da problemi gestionali, ammettendo anche la "perdita di memoria" dell'esistenza del deposito definitivo.

Il trattamento dei rifiuti liquidi a bassa e media attività.

La maggior parte dei metodi su cui si fondano i sistemi di trattamento degli effluenti liquidi radioattivi a bassa e media attività risalgono a quelli da tempo impiegati dalla tecnologia tradizionale nei trattamenti delle acque.

Essi possono essere suddivisi, per comodità di classificazione, in metodi fisici, chimici, chimico-fisici e biologici.

Tra i trattamenti basati su processi di tipo fisico, particolare importanza riveste la concentrazione per « evaporazione », cui per lo più si ricorre quando non è possibile conseguire lo scopo con altri metodi di minor costo.

Il fattore di decontaminazione (FD) ottenibile con questo sistema può raggiungere valori molto elevati (fino a 107) se l'acqua greggia non contiene sostanze radioattive volatili.

Tra i metodi fisici rientrano anche la «sedimentazione», la «flottazione» e la «filtrazione», che non differiscono in nulla dagli analoghi processi usati nel campo convenzionale e che, come in quel caso, costituiscono per lo più solo dei momenti di un trattamento più articolato, e infine la «elettrodialisi».

I metodi chimici che vengono correntemente applicati alla decontaminazione degli effluenti radioattivi liquidi sono essenzialmente basati sulla «precipitazione», mentre fra i trattamenti basati su processi di tipo chimico-fisico si possono annoverare la «flocculazione» e lo «scambio ionico». Altri processi sono stati sperimentati e tra essi si possono citare l'«adsorbimento», la «separazione con schiume», ecc.

Tra i processi di precipitazione un posto notevole occupa quello di addolcimento calce-soda, metodo classico per il trattamento di alcuni tipi di acque industriali.

Fra i metodi tradizionali di trattamento delle acque trovasi anche il processo di «fiocculazione», basato sulla formazione di un precipitato di idrato di alluminio o di ferro.

Un altro metodo chimico-fisico per il trattamento dei rifiuti liquidi radioattivi è quello basato sull'impiego dello «scambio ionico» e cioè sulla proprietà che hanno alcune sostanze, naturali o artificiali, di possedere ioni o gruppi, cationici o anionici, sostituibili con altri ioni o altri gruppi. Gli scambiatori possono essere di tipo sia organico che inorganico.

Gli scambiatori artificiali organici, le ben note «resine» (cationiche o anioniche) posseggono una capacità di scambio notevole ma, in generale, scarsa selettività per particolari specie ioniche, per cui se vengono impiegate per trattare soluzioni dalle quali si vogliono eliminare microcomponenti in presenza di macroconcentrazioni di ioni estranei, come è generalmente il caso per i rifiuti liquidi radioattivi provenienti da laboratori, ecc., esse raggiungono ben presto il punto di saturazione per i microcomponenti. Una volta esaurite le sue possibilità di scambio, il materiale può essere rigenerato; ma tale operazione riconduce alla produzione di volumi spesso notevoli di soluzioni radioattive.

Gli scambiatori naturali inorganici si possono dividere in due categorie: argille (bentonite, vermiculite, ecc.) e zeoliti.
L'adsorbimento si può realizzare usando per esempio carbone attivo (utile per la rimozione dello iodio) oppure metalli in polvere. Uno dei materiali usati con i risultati migliori è il ferro.
Con questo mezzo si possono rimuovere efficacemente rutenio, zirconio, cerio, bario e fosfati.

Il «trattamento con schiume» infine consiste nella addizione di adatti agenti tensioattivi al liquido da decontaminare.
Gli ioni si concentrano considerevolmente alla superficie di separazione aria-acqua; insufflando aria si può produrre e quindi asportare una schiuma ricca di tali ioni.

I metodi biologici non sono specificamente adatti a rimuovere radionuclidi dalle acque che li contengono.
Poiché tuttavia l'uso sempre crescente di radioisotopi in ospedali o laboratori non dotati di particolari sistemi di trattamento dei rifiuti potrebbe indurre ad utilizzare le fognature municipali come recapito degli effluenti radioattivi contaminati, è evidente l'importanza di conoscere il comportamento degli impianti di depurazione biologica nei confronti delle sostanze radioattive eventualmente contenute nei liquami.

Il trattamento ed il condizionamento dei rifiuti liquidi ad alta attività.

Per la riduzione di volume dei rifiuti liquidi ad alta attività quali sono quelli provenienti dal ritrattamento del combustibile nucleare irraggiato, esistono sostanzialmente due metodi da applicarsi in serie:

  • la «calcinazione»: ossia la trasformazione dei liquidi in una miscela secca di ossidi o di sali anidri;
  • la «vetrificazione»: ossia la trasformazione in prodotti vetrosi o ceramici.

La solidificazione delle soluzioni risultanti dal trattamento del combustibile nucleare irraggiato con la formazione di vetri è stata studiata in alcuni Paesi fra cui l’Italia.
I solidi di tipo vetroso hanno buone caratteristiche per quanto riguarda la resistenza agli agenti chimico-fisici, la conducibilità termica, la capacità di inglobamento e fissazione di prodotti di fissione, la temperatura di lavoro.

Da un punto di vista generale, il processo di vetrificazione delle soluzioni concentrate di prodotti di fissione si svolge attraverso le seguenti due fasi:

  1. denitrazione spinta della soluzione concentrata, realizzata mediante semplice distillazione e ripristino del volume con acqua, oppure mediante spostamento dell'acido nitrico dalla soluzione con acido fosforico e distillazione, o infine mediante sostanze riducenti. Durante questa fase vengono talvolta aggiunti anche gli additivi per la formazione del vetro;
  2. essiccamento della miscela, calcinazione e formazione di un vetro allo stato fuso in un opportuno recipiente.

Le scorie vetrificate possono essere confezionate in cilindri incamiciati in acciaio inossidabile detti "flask" tipicamente di 180 l di volume.
Essi contengono il 99,5% di tutta la radioattività del combustibile irraggiato (praticamente tutti i prodotti di fissione e gli attinidi minori, per un peso di 84 kg).
Il combustibile nucleare corrispondente a 1 flask ha generato 360 milioni di kWh elettrici (una famiglia di 4 persone consuma, in Francia, 1000 kWh/anno anche tenendo conto del riscaldamento).
La percentuale di scorie inglobate (circa il 25% in peso) è tale che lo sviluppo di calore si aggira sui 10-20 W/litro.
Questi cilindri possono essere raffreddati in acqua e in aria, a circolazione forzata o naturale. La radioattività contenuta in ogni contenitore è dell'ordine di 105Ci e la potenza termica dell'ordine di 2KW.
Dopo una permanenza di 50 anni nei depositi di STOCCAGGIO intermedio la radioattività iniziale scende ad un quarto e la potenza termica si riduce a un quinto.

Trattamento dei rifiuti aeriformi.

Gli effluenti aeriformi possono essere contaminati da sostanze radioattive presenti in forma solida (fumi e polveri) , liquida (nebbia) oppure sotto forma di gas o vapori.
Gli inquinanti sotto forma di fumi, polveri e nebbie vengono denominati genericamente «aerosol».

Le operazioni fondamentali su cui si basa il trattamento delle effluenze aerosoliche sono le seguenti:

  • Sedimentazione. Basata sulla forza di gravità cui sottostanno le particelle, costituisce il sistema depurativo concettualmente più semplice. In pratica però non può essere utilizzata per particelle inferiori ai 50÷100μm a causa della lentezza di deposizione, che richiede grande spazio anche per efficienze modeste;
  • separazione inerziale. È basata sulla tendenza che hanno le particelle a proseguire il loro moto lungo una direzione iniziale, quando la CORRENTE che le trasporta subisce un brusco cambiamento di direzione;
  • centrifugazione. Sottoponendo il flusso gassoso ad una variazione direzionale provocata da un accentuato moto rotatorio o rotatorio-elicoidale a spirali sempre più strette, le particelle risultano sottoposte a forze centrifughe notevolmente superiori a quelle di gravità. Sollecitate da tali forze le particelle si separano dalla corrente. Questo principio trova applicazione nei «cicloni», che sono tra gli apparecchi più usati anche nell'industria convenzionale;
  • filtrazione. Consiste nel far passare il veicolo gassoso attraverso uno strato di materiale di opportune caratteristiche, che ferma le particelle aerosoliche;
  • precipitazione elettrostatica. Il principio su cui si basa questa operazione consiste nel caricare elettrostaticamente le particelle solide o liquide, trascinate dal flusso gassoso, e nel raccoglierle su un elettrodo a POTENZIALE di segno contrario;
  • assorbimento. Con questa espressione si intende quel fenomeno che riguarda il trasferimento delle particelle o delle molecole di gas inquinanti dalla CORRENTE gassosa ad una fase liquida. In un sistema a lavaggio il liquido è spruzzato nel flusso del gas o, reciprocamente, il gas è insufflato nel liquido;
  • adsorbimento. L'adsorbimento è un fenomeno basato sulla particolare proprietà che hanno alcuni solidi (carbone, allumina, silica gel, ecc.) di trattenere sulla loro superficie molecole, corpi colloidali o gruppi ionici.

Il trattamento ed il condizionamento dei rifiuti solidi.

Anche per i rifiuti solidi il «trattamento» è teso ad una riduzione di volume, mentre il «condizionamento» è volto a mettere i rifiuti in forma compatta, tale da proteggere i rifiuti dagli agenti naturali, e, reciprocamente, a preservare l'ambiente esterno dalla contaminazione radioattiva.

I metodi più diffusamente impiegati per ridurre il volume dei rifiuti solidi radioattivi sono:

  • compressione;
  • incenerimento.

La scelta del metodo dipende dalla natura, dall'attività e dalla quantità dei rifiuti da trattare.

Per condizionare i rifiuti solidi si dispone oggi sostanzialmente di una tecnologia che si avvale del cemento, entro cui i rifiuti solidi vengono inglobati (dispersi se si tratta di fanghi, ceneri, ecc.; annegati se si tratta di oggetti o corpi veri e propri); ed è quindi una operazione «a freddo».

Per lo smaltimento dei rifiuti solidi a bassa e media attività vi sono due possibili metodi: seppellimento in strutture superficiali o subsuperficiali e deposito in cavità profonde.

Il seppellimento in superficie è un metodo semplice e poco costoso, praticato già da parecchi anni in alcuni paesi.
Esso consiste nel realizzare delle strutture in calcestruzzo armato in cui vengono stivati i contenitori dei rifiuti.
Tali strutture possono essere collocate anche in sotterraneo a basse profondità (depositi sub-superficiali) avendo sempre particolare cura che i rifiuti non vengano a contatto con l'acqua finché radiologicamente pericolosi.
L'acqua infatti è il principale agente che potrebbe trasportarli nella biosfera.

Un orientamento moderno è quello di costruire i depositi superficiali con un criterio multi-barriera.
Le barriere sono costituite anzitutto dalla malta cementizia con cui sono miscelati i rifiuti, indi dal fusto metallico di contenimento.
I fusti metallici sono raggruppati in poche unità che vengono inserite nei cosiddetti "moduli".
Sono questi dei contenitori in calcestruzzo speciale con una armatura in ferro e con pareti dello spessore di 7/8 cm, di forma scatolare, con lati di due o tre metri.
Una speciale malta di riempimento (grout) viene versata entro il modulo a riempire gli spazi liberi fra i fusti metallici e a rafforzarne la terza barriera contro la fuga dei radionuclidi

I moduli a loro volta sono impilati entro vani in calcestruzzo armato, di dimensioni molto maggiori (parallelepipedi di 10-20 m di lato, con pareti di 70 e più cm di spessore, come quello nella figura sottostante)

che sono chiamate "celle". Anche tali celle, prima della copertura, sono riempite con "grout". Esse sono allineate in lunghi filari paralleli che, dopo il riempimento, sono ricoperti con mantelli plastici impermeabilizzanti su cui viene ricollocato il terreno precedentemente rimosso.

Sul fondo di queste celle il pavimento in leggera tendenza verso il centro raccoglie eventuali infiltrazioni di acqua e le convoglia in tubi passanti attraverso il solettone di base in calcestruzzo. Inferiormente, una galleria lungo le varie celle raccoglie campioni dell'acqua eventualmente filtrata da un filare di tubi passanti, rendendo così possibile un monitoraggio continuo contro la fuga di radionuclidi.
Inutile osservare che, se dovesse verificarsi un allarme, sarebbe necessario rimuovere il terreno e riscoprire la cella, analizzando lo stato di conservazione dei moduli sospetti per ripararli o sostituirli.
Per questo attualmente si svolgono ricerche accurate, anche in Italia, su questi contenitori modulari la cui vita funzionale è da prevedersi in circa trecento anni, come quella dell'intero deposito, che deve essere presidiato e custodito per tale periodo.
Ricerche sono mirate a minimizzare, per ogni barriera, gli effetti deterioranti prodotti da tutte quelle cause (sollecitazioni statiche e dinamiche, azioni fisiche e chimiche) che potranno aver luogo durante la vita funzionale dell'impianto.
Dette cause non dovranno provocare (nei 300 anni) il formarsi di vie preferenziali per il percolamento di acque meteoriche (leakage) con conseguente lisciviazione di materiale contenente radionuclidi che verrebbero così in contatto con la biosfera.
Le ultime ricerche puntano alla realizzazione di moduli in calcestruzzo fibrorinforzato riempiti con "grout" di migliorate caratteristiche meccaniche e di impermeabilità.

È stata condotta una serie di indagini sperimentali su modelli reali di questi sistemi modulari di isolamento di sostanze radioattive a cura dell’ENEA e del Politecnico di Milano.

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