Soluzioni di stoccaggio dei rifiuti di Fukushima: sfide di ingegneria e innovazioni

Il Grande Giappone dell'Est e lo tsunami che ha generato hanno scatenato una catastrofe di eventi presso la centrale nucleare di Fukushima Daiichi, che ha portato a furti in tre nuclei di reattore e al rilascio di immense quantità di materiale radioattivo. Più di un decennio di attività di pulizia e di smantellamento, il mondo guarda una delle più complesse imprese di ingegneria nella storia.

La scala e la diversità dei rifiuti radioattivi di Fukushima

A differenza dei progetti di decommissione nucleare tipici, che si occupano di flussi di rifiuti relativamente prevedibili, Fukushima presenta un inventario unico eterogeneo, che ha prodotto tre categorie principali di rifiuti, ognuna delle quali richiede un approccio ingegneristico completamente personalizzato.

In primo luogo, acqua contaminata[] deriva da acqua sotterranea che penetra negli edifici del reattore danneggiato, combinato con l'iniezione continua di acqua di raffreddamento necessaria per mantenere i detriti di combustibile fuso stabile.

In secondo luogo, solidi detriti radioattivi[] comprende tutto, dall'acciaio strutturale mangibile e dal cemento degli edifici del reattore ai gruppi di combustibile spesi ancora seduti in pool di stoccaggio danneggiati.

In terzo luogo, i rifiuti secondari del trattamento dell'acqua[[] sono diventati una sfida significativa a suo diritto. I contenitori Advanced Liquid Processing System (ALPS) e altri impianti di trattamento producono slurries concentrati e colonne di assorbimento spesse. Questi prodotti di scarto ad alta dose richiedono metodi di immobilizzazione e di stoccaggio che differiscono fondamentalmente dalla gestione di liquidi di massa o detriti su larga scala.

Gestione dell'acqua e la rivoluzione del trattamento ALPS

La strategia di raccolta dei rifiuti liquidi di Fukushima è un approccio multi-barrier alla purificazione dell’acqua. Tokyo Electric Power Company Holdings (TEPCO) ha implementato una rete di sistemi di bypass delle acque sotterranee, sub-drain e pareti impermeabili a terra per ridurre l’afflusso di acqua sotterranea negli edifici del reattore.

Evoluzione del Sistema di Elaborazione Liquida Avanzato

Il processo ALPS utilizza una serie di colonne di precipitazione e di adsorbimento. Nella prima fase, co-precipitazione del ferro e carbonato precipitazione scavenge alfa-emissione nuclidi e strontium. L'acqua passa attraverso più supporti di adsorbimento, tra cui ossido di titanio, zeolite e resine speciali che catturano cesio, strontium, elementi di terra transuranici, e altro processo di e di emissione

Fin dall'implementazione iniziale, TEPCO ha implementato più treni ALPS con diverse configurazioni. La prima generazione, commissionata nel 2013, ha lottato con frequenti intasamento e elevate esigenze di manutenzione a causa di solidi sospesi nell'acqua grezza. Le generazioni successive hanno incorporato le fasi prefiltro e migliorato i controlli di dosaggio chimico, aumentando il throughput di oltre il 40%.

La sfida del Tritium e la liberazione dell'oceano

L’Agenzia ha iniziato a sviluppare un’ampia gamma di sistemi di gestione delle acque reflue, che si estende in modo significativo al livello di protezione delle acque, e che, in particolare, si estende per i paesi vicini.

Infrastrutture per serbatoi di stoccaggio: Ingegneria per una costa di Terremoto-Prone

Le cisterne di Fukushima rappresentano un'impresa di ingegneria monumentale di stoccaggio a loro diritto. Al loro picco, oltre 1.000 serbatoi di varia progettazione hanno rivestito la collina con vista sui reattori distrutti, con oltre 1,3 milioni di metri cubi di acqua trattata e parzialmente trattata. La filosofia progettuale si è evoluta drammaticamente nel tempo, guidata da fallimenti precoce e dalla minaccia sismica sempre presente che definisce la costa del Pacifico del Giappone.

I primi serbatoi sono stati in acciaio con guarnizioni in gomma, eretti rapidamente per far fronte all'onda iniziale dell'acqua. Molti di questi serbatoi hanno sviluppato perdite nel 2013, portando a incidenti di contaminazione delle acque sotterranee che hanno gravemente danneggiato la fiducia pubblica. TEPCO ha lanciato immediatamente un programma di riprogettazione fondamentale. L'attuale generazione di serbatoi sono cilindri in acciaio saldati con coperchi a doppio canale e sistemi di base-linea che permettono l'ispezione visiva di eventuali perdite.

Oltre all’integrità del serbatoio, l’intero cantiere deve resistere agli stessi terremoti della zona di sottoduzione che potrebbero superare la magnitudine 9. Gli ingegneri geotecnici hanno eseguito un’estesa analisi della liquefazione del suolo, concludendo che la fondazione della fattoria del serbatoio su Miocene-era mudstone fornisce una capacità di cuscinetto sufficiente.

Gestione dei rifiuti solidi e dei detriti: da Rubble a Repository

Il problema dei rifiuti solidi di Fukushima va dalla semplice massa all'estrema pericolosità: ordinare, tagliare e confezionare questo materiale richiede in modo sicuro operazioni a distanza e una rigorosa caratterizzazione radiometrica.

Ordinazione e caratterizzazione di Debris eterogeneo

Dopo le esplosioni, grandi pezzi di costruzione del reattore, alcuni pesanti diverse tonnellate, devono essere rimossi utilizzando gru caterpillar dotate di telecamere a radiazione. Le rubli altamente contaminati sono stati tagliati in segmenti gestibili all'interno di contenitori temporanei con filtrazione dell'aria, poi trasferiti in scatole di neutroni di tipo personalizzato per lo stoccaggio intermedio.

Tecniche di riduzione e di immobilizzazione del volume

Per i rifiuti solidi secondari come indumenti protettivi usati, filtri HEPA e fanghi, TEPCO gestisce diversi impianti di incenerimento e riduzione del volume. I compattatori ad alta pressione riducono il volume dei rifiuti solidi combustibili da un fattore fino a 10 prima di essere immesso in tamburi di acciaio da 200 litri.

Robotica e Remote Handling: Minimizzare l'esposizione umana

L'accesso diretto all'uomo a molte aree del sito Fukushima Daiichi è impossibile o severamente limitato a causa di campi di radiazione che avrebbero fornito dosi letali in pochi minuti. Questa realtà ha spinto una rivoluzione nella robotica nucleare e sistemi di gestione remota che supportano direttamente le operazioni di stoccaggio dei rifiuti. Gli ingegneri che lavorano su questo problema hanno dovuto inventare macchine in grado di funzionare in condizioni che nessun robot commerciale è stato progettato per sopravvivere.

I manipolatori robotizzati possono controllare l'interno di vasi di contenimento primario e tagliare e confezionare detriti. Ad esempio, il veicolo a distanza Manbo ha esaminato le regioni sottomarine dell'unità 3 piedistallo, identificando la posizione e la condizione dei detriti di carburante.

Monitoraggio ambientale e protocolli di sicurezza

La preoccupazione pubblica sullo stoccaggio dei rifiuti di Fukushima ha costretto un livello senza precedenti di monitoraggio ambientale, che serve sia come funzione di sicurezza che come meccanismo di trasparenza. L'intero sito è riprodotto da oltre 100 posti di monitoraggio che misurano i tassi di dose ambiente gamma e riportano i dati in tempo reale ad un sito web pubblico.

I sistemi di monitoraggio delle acque reflue e di controllo dei rifiuti sono stati oggetto di un monitoraggio permanente dei rifiuti in Cina.

Depositi geologici a lungo termine

Mentre il percorso di rilascio dell’acqua alla fine elimina il carico dell’azienda petrolifera, i rifiuti solidi e di alto livello resteranno radioattivamente pericolosi per decine di migliaia di anni. La strategia a lungo termine del Giappone poggia sul concetto di un deposito geologico profondo, simile a quelli pianificati o operativi in Finlandia, Svezia e Francia.

Debris carburante Immobilizzazione Ricerca

I detriti di combustibile di Fukushima differiscono in forma dai rifiuti standard di Futrificazione prodotti da ritrattamento del combustibile speso. È una miscela caotica di combustibile fuso, rivestimento e materiali strutturali, spesso contenenti zirconio, acciaio inossidabile e cemento.

Selezione del sito e sfide politiche

La selezione di un sito di repository geologico in Giappone è politicamente scossa, data l’alta densità della popolazione del paese e l’impostazione tettonica attiva. Il governo sta conducendo la proiezione scientifica di potenziali rocce ospitanti, ma nessuna comunità locale ha ancora offerto volontario per ospitare tale struttura. Come misura intermedia, il governo ha proposto un deposito a lungo termine dedicato presso il Centro di Ricerca Metropolitana di Horonobe a Hokkaido per condurre dimostrazioni di ingegneria su larga scala, anche se questo sito non è stato.

Prospettive internazionali e il percorso in avanti

I sistemi di monitoraggio dell’acqua robotizzata di Fukushima hanno contribuito in modo significativo al monitoraggio globale delle reti di trasporto e di sistemi di trasporto, che hanno consentito di valutare esplicitamente la gestione dei rifiuti per gli eventi di estrema natura oltre il design.

La nuova tecnologia di Fukushima è stata concepita per la realizzazione di un sistema di controllo di sicurezza, che prevede la possibilità di un'analisi più approfondita del processo di sviluppo e di una gestione dei rifiuti.

Per ulteriori informazioni, vedere il rapporto in corso ]AEA sul rilascio di acqua trattata ALPS, TEPCO ] ufficiale sito di decommissione del progresso, il NDF ]] roadmap tecnica per i programmi di recupero di rifiuti di carburante