Nucleare: trovato il modo di evitare esplosioni di idrogeno come quelle di Fukushima?

[26 luglio 2013]

La tragedia nucleare di Fukushima Daiichi, innescata dal terremoto/tsunami dell’11 marzo 2011 e soprattutto da una serie incredibile di sottovalutazioni progettuali e tecniche e di errori umani, ha avuto il suo culmine con le esplosioni di idrogeno che si era accumulato nei reattori causato dal vapore caldo che era entrato in contatto con barre di combustibile nucleare surriscaldate. Queste barre erano ricoperte da un rivestimento in lega di zirconio, o “zircaloy”, il materiale utilizzato in tutti i reattori raffreddati ad acqua, che costituiscono oltre il 90% dei reattori delle centrali nucleari. Quando fa troppo caldo, lo zircaloy reagisce con la produzione di vapore e di idrogeno, un grosso rischio in qualsiasi incidente nucleare con la perdita di liquido per il raffreddamento, proprio come successo in Giappone.

Un team di ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (Mit)  sta sviluppando un’alternativa che potrebbe fornire una migliore protezione al combustibile nucleare, «Riducendo di circa mille volte il rischio di produzione di idrogeno».  I test del nuovo materiale di rivestimento, un composto ceramico chiamato silicon carbide (Sic), sono presentati in due ricerche: “Characteristics of Composite Silicon Carbide Fuel Cladding After Irradiation Under Simulated PWR Conditions”, e  “Safety Assessment of SiC Cladding Oxidation Under Loss-of-Coolant Accident Conditions in Light Water Reactors” pubblicate su “Nuclear Technology”, il giornale dell’American Nuclear Society, che non si può certo definire una pubblicazione scientifica indipendente.

Anche chi si occupa della cosa al MIt non  brilla certo per imparzialità: il capo del team di ricerca è Mujid Kazimi, un ingegnere nucleare della Tokyo electric power company (Tepco), cioè l’utility atomica colpevole del disastro di Fukushima Daiichi e che in questi due anni e mezzo ha dato  prova di opacità e di incapacità nella gestione del dopo disastro nucleare.  Comunque Kazimi è molto interessato: «Stiamo guardando la questione da tutti i lati, per quanto riguarda la sostituzione del rivestimento metallico con ceramica. Dato che le barre di combustibile sono esposte ad ambienti difficili, calore, vapore, e neutroni che si sprigionano dalle reazioni nucleari, saranno necessari ulteriori test più estesi  su ogni nuovo rivestimento per l’utilizzo nei reattori commerciali. Il Sic è molto promettente, ma al momento non è pronto per essere adottato dall’industria nucleare».

Altri gruppi di ricerca avevano ipotizzato l’utilizzo del Sic per rivestimenti di attrezzature  nucleari,  ma il materiale non era mai stato sottoposto a test e simulazioni dettagliati come quelle effettuate dal team del Mit.  Infatti, Kazimi ed i suoi colleghi non hanno solo testato la risposta del materiale in condizioni operative normali, con temperature di 300 gradi Celsius, ma anche nelle condizioni più estreme di un incidente, con temperature fino a 1.500° C.  Le barre  di combustibile nucleare sono composte di centinaia di piccole sfere di uranio arricchito collocate “end-to-end” all’interno di tubi cavi di zircaloy che sono di circa un centimetro di diametro. I tubi sono riempiti con gas elio inerte per migliorare la conduzione di calore dal pellet al rivestimento che viene raffreddato dall’acqua che circola all’esterno dei tubi. Questi tubi sono poi assemblati in fasci che vengono inseriti nel nocciolo del reattore, dove il calore riscalda l’acqua, per produrre vapore, per azionare un generatore a turbina, per produrre energia elettrica.

Il team del Mit per testare il rivestimento Sic in condizioni operative normali ha utilizzato un progetto di rivestimento a tre strati che dispone di uno strato intermedio costituito da un composto di fibre di Sic rinforzato. I tubi sono stati testati all’interno di reattore di ricerca del Mit  con cicli speciali che riproducono la temperatura del liquido di raffreddamento e le condizioni chimiche dei  reattori di centrali nucleari di grandi dimensioni. L’apparato di irradiazione è stato progettato dal ricercatore del Mit  David Carpenter e  dall’ingegnere Gordon Kohse. Gli effetti delle radiazioni sono stati studiati da John Stempien e da altri laureati al MIt  che stanno lavorando con Kazimi.

Secondo Stempien «I risultati hanno mostrato una buona “strength retention” durante le prove meccaniche». Altri due ricercatori, Youho Lee e Tom McKrell hanno condotto gli studi sull’ossidazione del Sic ad alte temperature e dicono che «Nelle condizioni estreme di un incidente, la velocità di corrosione era da 100 a 1.000 volte inferiore a quella dello zircaloy. Mentre zircaloy perde forza quando la temperatura aumenta del 2% diventando più debole per ogni 10° C di aumento della temperatura e perde ogni forza a circa 1.300°, la forza della ceramica Sic rimane essenzialmente costante a temperature ben superiori ai 1.500° C».

Kazim è convinto che «I potenziali vantaggi del rivestimento in Sic, oltre la riduzione dei rischi in caso di incidente, si estendono poiché il Sic reagisce lentamente con l’acqua, anche in condizioni normali si degrada meno e può restare in un reattore più lungo.  Il che potrebbe consentire agli operatori dei reattori di spremere energia extra dalle barre di combustibile prima del rifornimento: le barre in un reattore vengono in genere sostituite dopo quattro o cinque anni e la degradazione del rivestimento è una limitazione importante per la loro longevità. Inoltre, la possibilità di lasciare barre di combustibile più a lungo in un luogo ridurrebbe il combustibile esaurito prodotto da ciascun reattore, con conseguente minor volume per lo smaltimento».

Chissà perché quel che a Kazimi sembra così bello a noi suona così preoccupante? Comunque anche il ricercatore giapponese dice che «Ci sono ancora ulteriori test da effettuare: In particolare, mentre i tubi zircaloy possono avere le estremità tappate saldando un disco di metallo su ogni estremità, la ceramica non può essere saldata, quindi dovrà essere trovato un collante idoneo. «Abbiamo bisogno di unire la ceramica con la ceramica in un modo che possa resistere alle condizioni del nocciolo nucleare. Non è una scienza messa a punto come lo è per i metalli. Anche altri particolari, come ad esempio lo spessore ottimale dei tubi per la durata e per il trasferimento di calore, devono  essere determinati. Inoltre, il materiale deve essere testato ulteriormente per determinare sua risposta alle varie sollecitazioni».

Lee aggiunge che «Il comportamento di frattura è diverso. In particolare, mentre metallo si deforma prevedibilmente sotto pressione, la ceramica tende a fratturarsi in un modo che è “più statistico”. Si può prevedere solo come una probabilità statistica per  certe modalità di guasto». E Regis Matzie, un ex vice presidente della multinazionale atomica  Westinghouse, ricorda che «Il rivestimento Sic era  stato studiato in precedenza, questo tipo di ricerca  ha solo aumentato di importanza dopo la fusione del nocciolo e le esplosioni di idrogeno   presso il sito di Fukushima. E’ stato presentato il design a tre strati sviluppato dal team del Mit che è il più promettente dei nuovi materiali per il combustibile del reattore ad essere proposti e studiati. Per questo è molto importante la ricerca per la successiva applicazione del nuovo materiale di rivestimento».