La sfida radioattiva di Fukushima: una decennale di ingegneria

Il Grande Giappone Est Terremoto e tsunami dell'11 marzo 2011, messo in moto uno degli incidenti nucleari più gravi della storia presso la centrale nucleare di Fukushima Daiichi. La perdita di raffreddamento ha portato a fusori di nucleo nelle unità 1, 2 e 3, rilasciando un complesso mix di prodotti di fissione tra cui il cesio-137, lo strontium-90 e il tritium.

Prima linea di difesa: il muro di ghiaccio e il controllo delle acque terrestri

I sistemi di controllo delle acque reflue sono stati utilizzati per la realizzazione di un sistema di controllo di sicurezza e di controllo delle acque reflue.

Ingegneria del Ghiaccio Barrier: considerazioni termiche e geotecniche

La parete del ghiaccio è un sistema di refrigerazione massiccio. Oltre 1.500 tubi sono distanziati approssimativamente un metro di distanza, e il refrigerante è la salamoia del cloruro di calcio. Il terreno congelato si blocca in una tenda di ottimizzazione a bassa permeabilità. Gli ingegneri controllano le temperature di sottosuolo mescolate tramite centinaia di termocoppie. Una sfida è mantenere la barriera durante i terremoti: il movimento del terreno può rompere il suolo congelato.

Trattamento avanzato dell'acqua: il processo ALPS e oltre

Il sistema di trattamento dei liquidi (ALPS) è il centro di trattamento dell’acqua di Fukushima. Questo impianto multistadio utilizza le colonne di pretrattamento chimico, di assorbimento e di scambio di resine per rimuovere 62 nuclidi radioattivi.

Gestione dei rifiuti secondari: Vitrificazione e stoccaggio

Il processo ALPS genera rifiuti secondari: resine a scambio ionico, fanghi filtranti e residui liquidi concentrati. Questi materiali contengono la maggior parte dei radionuclidi rimossi e devono essere stabilizzati per lo stoccaggio a lungo termine. TEPCO ha sviluppato un sistema di vinificazione in cemento armato con un filtro a induzione crogiolante a freddo per incorporare rifiuti in vetro borosilicato.

Tritium di manipolazione: L'Isotopo inevitabile

Il tritium è un isotopo di idrogeno con una mezza vita di 12,3 anni. Poiché si lega all'ossigeno per formare l'acqua, non può essere filtrato chimicamente. La decisione di rilasciare l'acqua trattata dopo la diluizione è basata su precedenti globali, le centrali nucleari civili rilasciano regolarmente tritium sotto limiti di regolazione.

Raffreddamento e stabilizzazione del reattore chiuso-Loop

In un decennio dopo i fusori, i nuclei danneggiati devono ancora essere raffreddati per evitare la recritica e l'ulteriore rilascio di radionuclidi. Un sistema di iniezione di acqua a ciclo chiuso pompe di circa 80 tonnellate di acqua al giorno in ogni reattore.

Robotica e ispezione remota: Entrando nelle zone ad alta radiazione

I livelli di radiazione all’interno delle navi di contenimento principali di Fukushima (PCV) possono superare i 100 Sv/h, rendendo impossibile l’ingresso umano. Questo ha generato una campagna robotica senza precedenti. I robot specializzati includono i sottomessi come il robot di pesce “Manbo”, che ha catturato le immagini dei sospetti detriti di carburante nel PCV dell’unità 3 nel 2017.

Risultati chiave robot

Nel 2024, un robot simile a un serpente ha inserito un piccolo divario nel PCV dell'unità per misurare lo spessore dei detriti. Un altro strisciato attraverso tubi stretti per valutare i danni. Questi robot sono sottoposti a test intensi presso impianti di mock-up prima di implementazione. Le lezioni apprese sono state applicate ad altri siti nucleari, tra cui Sellafield e Hanford.

Tomografia Muon: Vedere attraverso cemento e acqua

La tomografia muon funziona misurando l'attenuazione dei muoni cosmici mentre passano attraverso la materia. I materiali densi come i detriti di combustibile dell'uranio assorbiscono più muoni, creando un "ombra" che può essere ricostruito in un'immagine 3D. Dopo i test di successo all'unità 2, TEPCO ha implementato più rivelatori di muoni intorno a tutte e tre le unità danneggiate.

Materiali innovativi per la cattura contaminante

Oltre ai sistemi meccanici, i ricercatori stanno sviluppando sorbenti avanzati e materiali di immobilizzazione. Le membrane nanofibrose ricoperte da nanoparticelle blu prussia catturano il cesio con la cinetica ultra-veloce.

Cambiamenti di livello globale di implicazioni e di sicurezza

In Stati Uniti, la “Fukushima Near-Term Task Force” della NRC ha portato a strategie FLEX] (diverse e flessibili coping capacità) in tutti gli impianti operativi, tra cui i generatori portatili e le pompe nei bunker induriti. Francia, Corea del Sud, e altri hanno potenziato la protezione dell’alluvione e i requisiti di raffreddamento passivi.

  • US NRC:[] L'ordine EA-12-049 richiede strategie di mitigazione per eventi di base di progettazione, inclusa la potenza di backup per sistemi di sfiato ad iniezione e contenimento.
  • Giappone:[ Nuovi standard normativi richiedono protezione sismica e tsunami per tutti i reattori, con recensioni indipendenti dall'Autorità di regolamentazione nucleare.
  • EU:] Test di stress per tutte le centrali nucleari, con follow-up su inondazioni, terremoti e scenari di blackout della stazione.

Queste misure hanno già dimostrato efficacia: durante il terremoto della penisola del Noto del 2024, l'impianto nucleare di Shika (simile a Fukushima) ha mantenuto i sistemi di sicurezza grazie ai generatori di backup induriti e alle procedure di risposta flessibili direttamente ispirate a FLEX.

Indicazioni future: Roadmap to 2051

La ricerca si estende a 2051. Le priorità emergenti includono sistemi robotizzati in grado di tagliare e recuperare i detriti di combustibile fuso sotto accesso limitato; l'identificazione di un sito di smaltimento finale per filtri, fanghi e altri rifiuti secondari; e il monitoraggio ambientale a lungo termine.

Ritiro dei debitori del carburante: la sfida finale

Il compito più complesso è quello di rimuovere con successo 880 tonnellate di detriti di combustibile fuso dalle tre unità danneggiate. Un impianto di accumulo in Iwabriki City replica la geometria di unità 3 PCV, permettendo agli ingegneri di testare armi robotiche, utensili di taglio e sistemi di raccolta detriti. Il piano è quello di iniziare il recupero in unità 2 intorno 2027, utilizzando un braccio robotico telescoping con un manipolatore remoto.

Conclusioni

La gestione delle fuoriuscite radioattive a Fukushima integra ingegneria civile, chimica, robotica, scienza dei materiali e monitoraggio ambientale in una difesa sostenuta e stratizzata. La parete del ghiaccio, ALPS, robot sommergibile e sorbenti avanzati affrontano ogni aspetto specifico, ma la loro combinazione – sostanzialmente raffinata attraverso i dati – ha ridotto i rischi ai lavoratori, al pubblico e all’oceano.