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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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Eliminazione dei rifiuti radioattivi solidi che richiedono isolamento plurimillenario - Maurizio Cumo -

Possono essere inclusi in questo gruppo tutti i rifiuti che richiedono tempi di contenimento più lunghi di 300 anni, arbitrariamente presi come limite inferiore. Ovviamente il massimo rischio è associato ai rifiuti ad alta attività prodotti dal ritrattamento del combustibile irraggiato, contenenti, contemporaneamente, quantità rilevanti di transuranici e circa il 99,9 % dei prodotti di fissione.

Oggi si conoscono circa 2000 radionuclidi, caratterizzati da proprietà chimiche, meccanismi di decadimento, tipi di radiazioni e loro spettro energetico. Ovviamente più lunga è la vita media, più debole è la radioattività specifica. Circa 70 radionuclidi hanno vite medie più lunghe di qualche mese: solo questi sono importanti per caratterizzare i depositi radioattivi. I rifiuti ad alta attività contengono, in forma molto concentrata, il 95% dell'attività totale dei rifiuti.

Come si è già detto è la presenza, in quantità notevoli, dei transuranici, e cioè dei radioelementi responsabili dei rischi a lungo termine, che condiziona il tipo di eliminazione definitiva nella figura sottostante, il deposito geologico WIPP degli USA, nel Nevada, per i rifiuti nucleari del programma militare, operativo dal 1999.

 

È logico pensare, in primo luogo, alla possibilità di una « distruzione» di radionuclidi così longevi. Ora, ciò potrebbe essere effettuato, come si comprende, esclusivamente a livello nucleare, e cioè con una trasmutazione che trasformi i radionuclidi responsabili del rischio a lungo termine in altri nuclidi stabili o radioattivi con vita breve.

In generale, le caratteristiche favorevoli presentate dalla trasmutazione sono:

  • notevole riduzione dell'inventario degli attinidi e di alcuni pericolosi prodotti di fissione;
  • migliore impiego dei materiali provenienti dai reattori a fissione;
  • facile controllo del residuo trasmutato.

Le caratteristiche sfavorevoli sono invece:

  • eliminazione solo di una parte dei costituenti dei residui radioattivi;
  • necessità di ulteriore trattamento e manipolazione per il residuo che deve essere sottoposto a trasmutazione;
  • formazione di altri residui nelle fasi di trattamento e trasmutazione. Per ovviare tali inconvenienti occorre migliorare i processi di separazione, nel ritrattamento, dei prodotti di fissione a vita relativamente breve dagli attinidi che devono essere sottoposti alla trasmutazione.

Per la trasmutazione sono particolarmente indicati i reattori a fissione perché attualmente sono i soli strumenti disponibili che non richiedono un ulteriore lavoro di sviluppo ed anche perché sembra attraente realizzare il principio dell'autosufficienza. I reattori autofertilizzanti veloci presentano vantaggi rispetto a quelli termici perché, tra l'altro, presentano un maggiore rapporto fissione/cattura alle elevate energie neutroniche. Per l'« incenerimento» in essi si può ricorrere ad elementi di combustibile speciali, a barrette di combustibile speciali o a mescolanze di attinidi con il combustibile normale. La preferenza sembra andare all'incenerimento in barrette speciali disperse negli elementi di combustibile normali.

Comunque è dimostrato che nei successivi ricicli nei FBRs di combustibile contenente i transuranici essi raggiungono un valore asintotico relativamente basso, dopo il quale il rateo della produzione di transuranici equivale al rateo della loro estinzione. Una ulteriore soluzione di particolare interesse consiste nella separazione dei transuranici nei combustibili irradiati di ogni tipo di reattori e nella loro introduzione in reattori inceneritori, la cui denominazione sta a significare che in essi i transuranici di ogni provenienza vengono utilizzati quali combustibili riciclati nelle successive ricariche, dopo aver separato i prodotti di fissione a vita relativamente breve.

Le ricerche più avanzate in Francia hanno seguito tre linee che non sono mutuamente esclusive ma, viceversa, che possono integrarsi in diverse fasi:

1. separazione spinta e trasmutazione di radionuclidi: con la separazione si raccolgono gli attinidi minori (Cm, Am e Np), radioattivi per centinaia di migliaia di anni e alcuni prodotti di fissione la cui radioattività dura per un migliaio di anni (99Tc, 129I, 135Cs) (vedi il grafico seguente, con il decadimento nel tempo della radiotossicità dei combustibili irraggiati a seconda del loro ritrattamento: A- senza ritrattamento, B- con riciclo in reattori termici del plutonio e degli attinidi minori, C- con riciclo multiplo nei reattori veloci del plutonio e degli attinidi minori). Con la trasmutazione si sottopongono tali radionuclidi a bombardamento neutronico, trasformando gli attinidi in prodotti di fissione con una vita molto abbreviata e accorciando anche la pericolosità dei prodotti di fissione selezionati nel processo di separazione spinta.

La trasmutazione, così come la separazione spinta, sono già state sperimentate e verificate scientificamente in piccola scala (una decina di kg di combustibile irraggiato).

Per poter applicare tali processi in scala industriale occorre realizzare nuovi speciali impianti di ritrattamento in grande scala e realizzare, sempre in scala industriale, reattori veloci di potenza o sistemi ADS (Accelerator Driven Systems) costituiti da un ACCELERATORE di protoni e da un reattore sottocritico accoppiati. La trasmutazione può essere omogenea, diluendo i radionuclidi in tutto il combustibile, o eterogenea, concentrandoli in barrette speciali.

2. ricerca per realizzare depositi geologici profondi: le formazioni più opportune sono costituite da argille, rocce granitiche o strati di sale che, per milioni di anni, non sono stati lambiti dall'acqua. L'acqua è infatti un temuto vettore dei radionuclidi verso la biosfera.

L'agenzia nucleare dell'ONU, l'IAEA, e molti paesi avanzati considerano tale soluzione come la più sicura per risolvere definitivamente il problema dei radionuclidi a lunghissima vita, adatta anche per sistemare il combustibile nucleare irraggiato tal quale senza un previo processo di ritrattamento.

Depositi geologici sarebbero comunque necessari anche se avesse un completo successo la prima linea, con la sola differenza che in questo caso il volume dei rifiuti da seppellire sarebbe molto ridotto. Oggi si studiano progetti di depositi geologici "reversibili" che consentano la possibilità di recuperare i rifiuti ivi collocati dopo un adeguato tempo di verifica, prima di sigillarli definitivamente e di renderli "a perdita di memoria". Ciò avverrebbe solo in caso di inaspettati fenomeni di trasmigrazione dei radionuclidi o di grande valore commerciale di alcuni dei prodotti di fissione colà disponibili per applicazioni oggi non prevedibili.

3. condizionamento dei rifiuti di lungo termine e depositi provvisori superficiali o sub-superficiali di lunga durata: l'obiettivo è di assicurare durate da 100 a 300 anni in attesa di poter contare su realizzazioni industriali delle prime due linee, vale a dire forte riduzione dei volumi dei rifiuti a lunga radioattività (linea 1) e disponibilità di depositi geologici definitivi e reversibili per un lungo periodo (linea 2). Ricerche ventennali del CEA francese hanno portato alla realizzazione di metodi di vetrificazione e cementazione e di contenitori in acciaio che consentono una sicura permanenza "provvisoria" in depositi superficiali fino a 300 anni (figura seguente: la Tipica facility per lo STOCCAGGIO dei rifiuti -NRC-).

 

Contenitori per rifiuti a lunghissima vita, vetrificati o cementati, sviluppati dal CEA francese, che possono ospitarli in depositi superficiali per un periodo di 300 anni prima del seppellimento in depositi geologici

Ciclo di vita del combustibile nucleare e dei radionuclidi da esso generati dalla sua fabbricazione al deposito finale in depositi geologici.

 

Basti pensare che un minimo di 40 anni è necessario per realizzare un adeguato numero di reattori veloci che dovranno essere individuati per la cosiddetta quarta generazione o di sistemi ADS, come soluzione ad essi alternativa, per fare la trasmutazione.

I depositi superficiali di lunga durata potranno così nel frattempo ospitare in maniera concentrata e in tutta sicurezza i combustibili irraggiati tal quali e i rifiuti già separati provenienti dagli impianti di ritrattamento, che fra l'altro continueranno a raffreddarsi prima del seppellimento definitivo in profondità.

Le caratteristiche che rendono le formazioni geologiche idonee al confinamento sono una permeabilità molto bassa, una sufficiente conduttività termica, una plasticità che limiti i rischi di frattura, una capacità notevole di fissazione fisica o chimico-fisica degli elementi che migrano, una solubilità debole, nonché proprietà meccaniche che facilitino la perforazione e la stabilità della cavità e una sensibilità ridotta di tutte queste proprietà a variazioni delle condizioni ambientali. Lo smaltimento geologico rappresenta un sistema di confinamento passivo per cui il deposito può essere considerato "a perdita di memoria" dopo che, per un lungo periodo, di qualche secolo, è stato mantenuto aperto e "reversibile", per quanto riguarda la possibilità di riestrarre e riparare rifiuti confezionati in maniera difettosa.

Un'altra forma di eliminazione definitiva proposta è quella extra-terrestre, consistente nello spedire i rifiuti radioattivi, per esempio, nel sole. In questo caso la tecnologia è disponibile, ma i costi dell'operazione sarebbero « astronomici». Inoltre vale la pena di considerare brevemente i rischi che sarebbero associati alle operazioni di lancio. Se un razzo carico di rifiuti contenenti transuranici non riuscisse a raggiungere la velocità di fuga (evento la cui probabilità non può essere ridotta a zero), esso ricadrebbe nell'atmosfera e nel caso si consumasse per l'attrito con l'aria, l'attività contenuta nei rifiuti diverrebbe disponibile per l'inalazione e, in definitiva, si verificherebbe il massimo danno ipotizzabile per i rifiuti contenuti nel razzo.

Esclusi dunque, almeno per il momento, i due unici sistemi capaci di ridurre a zero i rischi relativi ai rifiuti (naturalmente solo in caso di completa riuscita delle relative operazioni), non resta che ricorrere all'isolamento dei rifiuti stessi oppure adottare delle soluzioni provvisorie, intendendo con questa espressione quegli schemi di gestione che comportano un deposito di decenni, o anche di secoli e ciò in attesa che si delineino altre possibilità, per il momento non economiche, in ordine alla destinazione ultima ottimale dei rifiuti.

La radiotossicità del combustibile irraggiato diminuisce, in qualche decina di migliaia di anni, al di sotto del livello tipico presente nei depositi naturali di uranio. I meccanismi protettivi non devono garantire l'assoluto isolamento, ma solo limitare la trasmigrazione dei radionuclidi dal deposito alla biosfera a livelli non pericolosi. Il mezzo di trasporto più pericoloso è, come detto, l'acqua, la cui assenza deve essere garantita dalle adatte formazioni geologiche accennate. Nel caso di formazioni argillose, anche se queste possono contenere fino al 20-30% di acqua, la sua mobilità, e quindi la migrazione degli eventuali radionuclidi disciolti, è estremamente bassa. Le proprietà di scambio ionico delle argille collaborano alla riduzione della migrazione. Nel caso di formazioni cristalline il maggior pericolo è costituito dalla possibilità di fratture o fessure che potrebbero agire come vie preferenziali per la migrazione dei radionuclidi. Le barriere artificiali create dall'uomo per tali depositi hanno caratteristiche tali da rimanere comunque efficienti per centinaia di migliaia di anni, in assenza di dissesti geologici gravi. La stabilità geologica dei depositi deve essere considerata a fronte degli effetti delle glaciazioni, che hanno un periodo di circa 10.000 anni Ovviamente tutti i siti possibili devono essere isolati dalla falda freatica. Occorre premunirsi, altresì, dall'eventualità che i pozzi di accesso al deposito creino una circolazione artificiale di acqua. La presenza di tali depositi sotterranei può aumentare la temperatura superficiale del suolo al massimo di qualche decimo di grado. Lo studio dei sismi evidenzia una attenuazione nettissima dei movimenti sismici e della loro intensità con la profondità. Una profondità minima del deposito di 500 m. è necessaria per la protezione contro l'erosione (ere glaciali, per es.) e contro l'effetto dei sismi. Ovviamente è opportuno non collocare i depositi in prossimità di giacimenti minerari, per evidenti motivi.

Assai interessanti sono le ricerche effettuate sulla diffusione e sull'accumulo dei prodotti radioattivi verificatisi, nell'arco di un miliardo e ottocento milioni di anni, in seguito ad una reazione nucleare naturale avvenuta nella località di Oklo (nel Gabon). Kr e Xe sono scomparsi quasi completamente: solo l'l% delle quantità inizialmente formatesi è tuttora presente. La relativamente bassa concentrazione dello 90Zr fa ritenere che una importante migrazione dello 90Sr abbia avuto luogo. Ru, Rh, Pd, Ag e, particolarmente; Ru (dal Tc) e 107Ag (dal107Pd) sono rimasti tuttora sul luogo ove avvenne la reazione. Fra le terre rare, La, Ce. Pr, Nd e Sm; in particolare, hanno dimostrato una eccezionale stabilità. Il rapporto di conversione medio in plutonio del «reattore naturale» di Oklo è stato di circa 0,45, con una produzione di circa 1,5 t di Pu, la cui gran parte (con un periodo di 24.400 anni) si è trasformata in 235U.

È molto probabile che quasi tutto il Pu trovato si sia formato sul luogo di origine. È stato calcolato, in base alla quantità di 235U mancante; che la reazione a catena abbia prodotto circa 90 miliardi di kWh in un periodo di tempo, valutato sulla capacità di trasporto termico dei materiali e sull'entità delle tracce di prodotti di fissione del plutonio generato, di circa 100.000 anni; la potenza media risultante è dell’ordine dei 100 kW. In sostanza, si può dire che la maggior parte dei prodotti di fissione formatisi sono rimasti sul luogo della loro generazione; senza migrare e disperdersi, per quasi 2 miliardi di anni; e ciò fa considerare con ottimismo le tecniche proposte per la eliminazione definitiva delle scorie radioattive.

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