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Strategie ingegneristiche per il ripristino delle terre agricole di Fukushima
Il terremoto e lo tsunami del marzo 2011 hanno scatenato un disastroso fallimento nella centrale nucleare di Fukushima Daiichi, che ha rilasciato grandi quantità di radionuclidi attraverso il paesaggio circostante.
Il governo giapponese, attraverso il Ministero dell'Agricoltura, della Foresta e della Pesca (MAFF) e il Ministero dell'Ambiente, ha dato la caccia a programmi di decontaminazione e di recupero di massa. L'obiettivo non è mai stato solo quello di ridurre le letture di radiazioni numeriche, ma di ricostruire un'economia agricola che si guadagna la fiducia dei consumatori.
Oltre 20.000 lavoratori delle imprese edili, delle cooperative agricole e delle istituzioni di ricerca sono stati schierati in tutta la prefettura. La risposta ingegneristica non è stata un unico piano monolitico ma una serie di strategie adattative che si sono evolute come base di contaminazione approfondita.
Il carattere della contaminazione
Comprendere il paesaggio del recettore è il primo passo in ogni sforzo di riparazione. La terra agricola di Fukushima è dominata da terreni di cenere vulcanica (Andisols), campi di paddy sotto latifoglie da hardpan compattati, e terrazze di frutteto su colline.
Le zone di ricostituzione dell'energia atomica (LTEA) e la ricerca di zone di ricostituzione adiacenti (PMI) hanno creato un mosaico di deposizione radiocaesium fortemente influenzato dall'elevazione e dalla prossimità della foresta. Nei primi mesi dopo l'incidente, i tassi di dose gamma in alcuni campi hanno superato i 50 μSv/h, mentre altri pochi chilometri hanno registrato una frazione di quella.
La distribuzione verticale del radiocaesium nei profili del suolo variava anche in modo significativo. Nei prati e nelle foreste indisturbati, la maggior parte del radionuclide rimase all'interno dei 5 cm più alti per anni dopo la deposizione. Nei campi coltivati che erano stati arati o coltivati, la contaminazione era mescolata più a fondo nello strato di plough, talvolta estendendo a 20-30 cm di profondità.
Rimediazione fisica: scavo, spogliatura e inversione
Il metodo più immediato e ampiamente implementato era la rimozione fisica del suolo superficiale. La striscia di Topsoil ha mirato al superiore di 5 cm dove la maggior parte del radiocaesium era concentrata. Su campi di paddy, questo ha coinvolto la movimentazione di terra di precisione con gradi guidati al laser impostato per evitare di disturbare il sottostante strato impermeabile (hardpan) che mantiene l'acqua per la coltivazione del riso.
Nel 2020, oltre 20 milioni di metri cubi di suolo e rifiuti erano stati rimossi dalle aree agricole e residenziali di Fukushima, gran parte dei quali immagazzinati in siti temporanei prima di trasferirsi in un impianto di stoccaggio [ interim ]] in Okuma e Futaba.
Le zone di inversione del suolo, o di aratura profonda, sono emerse come alternativa fisica meno distruttiva. Gli ingegneri hanno progettato gli aratri dello stampo in grado di capovolgere la cima 30-40 cm di terreno, seppellindo lo strato di superficie cesio-laden ad una profondità al di là della zona di radicamento della maggior parte delle colture.
Un terzo approccio fisico riguardava l'uso di attrezzature pesanti per la movimentazione di terra per rimuovere interi profili di suolo dalle aree più contaminate. Nella città di Okuma, che ospitava l'impianto nucleare, gli ingegneri scavarono il terreno fino a 50 cm in giardini residenziali e campi agricoli. Il materiale rimosso è stato trasportato da sistemi di nastri trasportatori per ridurre al minimo le emissioni di polvere e poi caricato su camion coperti per il trasferimento a siti di disponibilità.
Stabilizzazione chimica e agronomica
Per le terre dove la rimozione fisica è stata poco pratica o troppo costosa, gli ingegneri e gli agronomi si sono rivolti all'immobilizzazione chimica. Il potassio agisce come analogo chimico al cesio nella fisiologia vegetale. Saturando il complesso di scambio del suolo con ioni di potassio calibrati, l'assorbimento della radice del radiocasio è dimostrato competitivomente inibito.
I campioni di semi di semi di semi di semi di semi di semi di semi di semi di semi di semi di semi di semi di semi di semi di semi di pecora sono stati utilizzati per la produzione di semi di semi di semi di semi di semi di semi di semi di semi di semi di semi di pecora, di materie grasse e di altri prodotti di origine vegetale.
L'approccio di stabilizzazione chimica richiedeva anche una gestione accurata del pH del suolo e del contenuto di materia organica. Le prove del campo hanno dimostrato che l'assorbimento di radiocaesium da colture aumentate in condizioni acide, come gli ioni di idrogeno competono con il cesio per i siti di legame sui minerali di argilla. Le applicazioni di calceria sono diventate una componente standard del protocollo di risanamento, aumentando il pH del terreno alla gamma 6.0-6.5 ottimale sia per la disponibilità di nutrienti sia per la disponibilità di fertilità
Filomediazione e Copertina Crops
La fitoterapia sfrutta la naturale capacità di alcune specie di estrarre il cesio dal suolo e concentrarlo nella biomassa da raccolta. Nel contesto di Fukushima, i girasoli, l'amaranth e la brassicas (come la senape ad alta biomassa) sono stati sperimentati ampiamente.
Oltre a un modesto assorbimento di cesio, fitte piantagioni di segale, di venature pelose, o di ravanello stabiliscono un baldacchino protettivo che minimizza l'erosione e la deflusso di acqua superficiale, percorsi critici per la dispersione di terreno in corsi d'acqua e foreste adiacenti.
Gli scienziati dell'Università di Tsukuba hanno proiettato centinaia di specie vegetali native del Giappone e hanno identificato diverse varietà di Amaranthus cruentus che accumulano cesio a biomasse fino a tre volte più alto rispetto ai verdi di senape standard. Queste varietà sono incrociate con parenti in crescita per produrre raccolti di bioenergetica dedicati che possono essere convertiti bioenergetici.
Gestione dell'acqua e strutture di controllo dell'erosione
La rete intricata di Fukushima di canali di irrigazione, stagni e fiumi divenne un vettore secondario, trasportando la contaminazione da foreste di uplands indietro su terreni agricoli riparati durante la stagione dei tifoni. Gli ingegneri risposero con una serie di interventi idraulici.
I sistemi di filtrazione dei canali con sabbie di zeolite o le barriere reattive permeabili sono stati installati dove i bacini erano impossibili da raggiungere. Nella strategica cattura della diga Ogaki, un sistema pilota ha deviato una porzione di flusso attraverso una serie di trozzi di cemento riempiti di grani di zeoliti, ottenendo oltre il 95% di rimozione del cesio disciolto costruito per evitare l'erosione dei flussi di gommoni, i tecnici di colti, i flussi di idromulti, i sistemi di idromoni, i sistemi di idromoni, i sistemi di filtranti, i sistemi di filtranti, i sistemi di filtranti, i sistemi di filtranti, i sistemi di filtranti di filtranti di tubazioni di tubazioni di tubazioni di idromoni, idrato, idraulici, idraulici e di tubazioni di tubazioni di tubazioni di tubazioni di perforati, idrati, i sistemi di tubazioni di tubazioni di tubazioni di tubazioni di tubazioni di tubazioni di tubazioni di tubazioni di tubazioni di tubazioni di tubazioni di tubazioni di tubazioni di tubazioni di tubazioni di tub
I sistemi di gestione delle acque dovevano tener conto del clima monsonico e della frequenza dei tifoni della regione. Gli eventi di pioggia pesanti durante i mesi estivi potevano mobilitare quantità significative di sedimenti contaminati da catture forestali che non erano stati completamente risarciti.
Robotica, Sensing e Rimediazione Data-Driven
La complessità spaziale della distribuzione del radiocaesium ha portato un investimento pesante nelle piattaforme di mappatura di precisione. I droni multirotori dotati di rivelatori di scintillazione dello iodidio di caesio doppiato hanno permesso di effettuare indagini gamma di centimetria-risoluzione su centinaia di ettari al giorno.
I veicoli a terra autonome, compresi i robot di piantagione tracciati, hanno avanzato ulteriormente questo concetto. Queste macchine hanno trainato spettrometri gamma basati sul suolo, permettendo agli operatori di scansionare a distanza i campi di paddy prima di piantare. I dati alimentati in sistemi di informazione geografica basati su cloud (GIS) che hanno generato le prescrizioni di fertilizzazione a tasso variabile per il potassio e la zeolite.
Il programma di coltivazione normalizzato (NDVI) di Sentinel-2 è ora impiegato per identificare le aree in cui la spogliatura del suolo e la sostituzione hanno lasciato sottosoils impoveriti in azoto e materia organica. Rilevando i poveri vitigni delle colture precocemente nella stagione in crescita, gli agronomisti inviano i team di campionamento del suolo alle zone di destinazione, rifinanziando raccomandazioni per gli emendamenti del compost.
L'integrazione delle reti robotiche e dei sensori ha permesso di passare dalla reattiva alla correzione predittiva. Gli ingegneri hanno implementato reti di sensori di umidità e temperatura del suolo in campi agricoli, collegati tramite reti a bassa potenza ad ampia area alle piattaforme di dati centrali. Questi sensori forniscono informazioni in tempo reale sulle condizioni del suolo che influenzano la mobilità dei radiocaesium, come il contenuto dell'acqua e il potenziale di riflusso.
Case Study: Reclamazione dei campi paddy in Iitate Village
Iitate Village, situato a circa 40 chilometri a nord-ovest della pianta, è diventato emblematico della sfida di restauro. La maggior parte del villaggio è caduto sotto un ordine di evacuazione, e le sue pastiglie terrazzate - a qualche secolo vecchio - registered tra i più alti tassi di dose ambientale. Lo sforzo di riabilitazione ha cominciato con superficie aggressiva spogliatura del suolo di più di 1.200 campi.
Dopo la sostituzione del terreno, i livelli di potassio sono stati meticolosamente gestiti. I test del suolo hanno indicato un primo contatore di potassio scambiabile al di sotto di 10 mg/100g nel nuovo riempimento, che richiede pesanti applicazioni basali.
Le strette strade a vento tipico del terreno montano del villaggio non potevano ospitare autocarri di scarico standard, quindi gli ingegneri adattati per l'uso di veicoli più piccoli e più manovrabili. Una flotta di camion a 4 tonnellate ha fatto più viaggi al giorno, offrendo terreno pulito alle aree di stadiazione dove è stato trasferito a trattori più piccoli per la distribuzione finale a singoli campi.
Dimensioni e certificazione
L'ingegneria tecnica non può ripristinare le terre agricole se la fiducia dei consumatori è erosa. Il Giappone ha implementato uno dei più completi sistemi di monitoraggio radiologico del mondo, abilitati da una rete logistica ingegnerizzata. I centri di screening alimentare portatile, ogni singolo sistema di misurazione NaI (Tl) sono stati localizzati strategicamente nelle cooperative di agricoltori e nelle stazioni di imballaggio regionali.
Il sistema di verifica della sicurezza del governo di Fukushima fissa un limite massimo di 25 Bq/kg per il riso, molto più rigoroso del soffitto nazionale già rigoroso del Giappone di 100 Bq/kg.
I ricercatori hanno lavorato con il governo locale per progettare campagne di informazione pubblica che hanno comunicato in modo trasparente i risultati del monitoraggio della sicurezza e la base scientifica per le decisioni di bonifica. Gli agricoltori sono stati attivamente coinvolti nella progettazione e nella sperimentazione di nuove tecniche di riparazione, la proprietà ed il trust nel processo.
Stewardship a lungo termine e visione end-state
I sistemi di stoccaggio intermedio di Okuma e Futaba detengono un progetto di 14 milioni di metri cubi di suolo e rifiuti contaminati. Per legge, questo materiale deve essere spostato in un sito di smaltimento finale fuori dalla Prefettura di Fukushima entro 30 anni dall'inizio dello stoccaggio (ossia, entro il 2047).
I sensori di umidità del suolo e le stazioni meteorologiche sono dati di telemetro ai server centrali, consentendo in tempo reale di erogare avvisi di rischio. I pozzi di terra monitorati a più profondità tracciano la migrazione di radiocaesium verso la tabella dell'acqua - finora rassicurantemente minimale a causa di forte assorbimento sulle argille.
Il piano di stewardship a lungo termine comprende anche disposizioni per il graduale rilascio di terreni dai programmi di bonifica. Poiché i livelli di contaminazione diminuiscono attraverso la decomposizione naturale e la gestione continua, le zone inizialmente designate per un controllo rigoroso possono essere degradate a un monitoraggio meno intensivo.
Il prossimo Orizzonte: Microbi ingegnerizzati ed Elettrocinetici
I laboratori di ricerca sono tecnologie incubatrici che potrebbero trasformare il modo in cui si correggono i terreni agricoli contaminati da radiologiche. I batteri geneticamente modificati e i funghi micorrazi sono programmati per iperaccumulare il cesio o per biomineralizzare il terreno in fasi cristalline stabili inaccessibili alle piante.
La risanamento elettrocinetica può essere applicata a bassa tensione diretta attraverso il suolo per mobilitare contaminanti ionici verso i sistemi elettrodi, dove possono essere raccolti o concentrati. Mentre l'energia-intensiva, questo metodo potrebbe mirare a punti caldi testati dove il cesio ha migrato più a fondo della portata dei ploughs.
I ricercatori dell'Università di Tokyo hanno sviluppato nanoparticelle di ferro ricoperte da gruppi funzionali che legano selettivamente gli ioni di cesio.Quando iniettati nel terreno, queste nanoparticelle possono essere catturate utilizzando campi magnetici, estraendo efficacemente il radionuclide dalla matrice del suolo.
Costruire indietro un sistema alimentare
Il ripristino delle terre agricole di Fukushima non è mai stato un esercizio ristretto nella fisica delle radiazioni. Si tratta di un problema di integrazione di sistema continuo e su larga scala che riguarda la movimento della terra, la mineralogia, l'agricoltura di precisione, monitoraggio della sicurezza alimentare, e la sociologia rurale. Le strategie ingegneristiche impiegate hanno maturato da un controllo di emergenza topsoil ad un sofisticato, multi-strato di qualità dove la qualità fisica, la cui le tecniche di qualità fisica, chimica, chimica, chimica, digital e quella biologica sono state combinate.
Le lezioni di Fukushima si estendono molto oltre il Giappone. Mentre il mondo naviga l'eredità degli incidenti nucleari e la stewardship a lungo termine dei siti contaminati, i quadri di ingegneria sviluppati qui - l'inversione del suolo con la guida GPS, la mappatura radiologica basata sui droni, i sistemi di tracciabilità alimentare a catena intera, e la gestione integrata del potassio - formano una base di conoscenza pratica.
Le più ampie implicazioni del programma di restauro di Fukushima sono significative per i paesi con infrastrutture energetiche nucleari. Le soluzioni ingegneristiche sviluppate qui possono essere adattate per i siti contaminati dalle operazioni minerarie, incidenti industriali e attività militari che lasciano alle spalle simili miscele radionuclide. Le collaborazioni internazionali, tra cui i progetti con il [[modello di ingegneria nucleare]OECD Nuclear Energy Agency], hanno già iniziato a trasferire le conoscenze da Fukushima ad altri programmi internazionali di crossfront