La International Nuclear and radiological Event Scale (INES) è stata introdotta nel 1990 per classificare i disastri nucleari. È una scala logaritmica come quella Richter per i terremoti e ogni gradino indica un evento circa 10 volte più grave di quello precedente. Basandoci su di essa passiamo in rassegna i più noti incidenti nucleari per capire l’effettiva gravità del disastro di Fukushima.

Scala INES. Da Wikipedia.

1979 – Three Miles Island – Livello 5

L’incidente fu causato da una perdita del liquido refrigerante dal vessel¹ ad acqua pressurizzata per via di un malfunzionamento a una valvola. Seguì una serie di guasti ed errori umani che portò all’ebollizione dell’acqua e all’esposizione delle barre di combustibile². L’innalzamento della pressione interna e la produzione di idrogeno conseguenti causarono una piccola esplosione. Le barre di combustibile si fusero parzialmente tra loro, ma i tecnici furono comunque in grado di inserire le barre di controllo³ e raffreddare il nocciolo. Esplosione e perdita del liquido di raffreddamento provocarono una pericolosa fuga radioattiva, per cui l’impianto venne evacquato e isolato. L’effettiva portata dei danni fu verificata solamente qualche anno dopo, in fase di decommissioning, nel momento in cui il reattore venne riaperto.

1986 – Chernobyl – Livello 7

Il disastro di Chernobyl è la sinfonia all’umana idiozia, dalla progettazione del reattore alla disinvoltura con la quale i tecnici giocavano con le manopole. Il reattore era stato progettato con moderazione a base di grafite: la grafite, come l’acqua, è un materiale che rallenta i neutroni, rendendoli in grado di innescare una reazione a catena. Venne utilizzato proprio questo materiale perché i reattori sovietici modello RBMK erano pensati per poter funzionare ininterrottamente in modo da garantire una continua produzione di Plutonio per le bombe: le barre di controllo di questo tipo di reattori sono state concepite in modo tale che si consumino in maniera maggiore le pasticche poste più in basso, così da poter far scivolare via da sotto il combustibile esausto, ricaricando contemporaneamente nuove pasticche in alto a reattore in funzione. Questo progetto, molto efficiente da un punto di vista industriale, presenta un’importante criticità: mentre nei reattori in cui la moderazione è affidata all’acqua in caso di ebollizione le reazioni rallentano (il vapore, a differenza dell’acqua, lascia passare i neutroni veloci), nei reattori a grafite la reazione continua indisturbata, crescendo esponenzialmente in intensità.

L’esplosione del reattore di Chernobyl avvenne durante un esperimento di funzionamento dell’impianto a bassa potenza (del quale i responsabili si sono probabilmente pentiti quando i loro organi interni si sono liquefatti per via dei raggi gamma): i tecnici raffreddarono le barre con un ingente flusso d’acqua, ma per far sì che la produzione elettrica restasse in funzione estrassero del tutto le barre di controllo. In tal modo bastò una minima diminuzione del flusso d’acqua per provocare l’ebollizione. Il vapore fece aumentare la pressione nel vessel e scattare l’allarme. Questa fluttuazione fu causata dall’attivazione manuale del sistema SCRAM di emergenza, ma non si sa di preciso perché il pulsante fu premuto, se per uno spegnimento di routine o per l’allarme dovuto all’aumento di pressione. Fatto sta che i tecnici fecero così scattare l’inserimento delle barre di controllo, la cui punta di grafite, però, provocò un’intensificazione delle reazioni: in pochi istanti la temperatura salì sopra i 2000°C, le barre di controllo si spaccarono, l’acqua si separò in idrogeno e ossigeno, l’idrogeno esplose rompendo il vessel e, pochi secondi dopo, l’altissima escursione termica delle pasticche di combustibile senza più alcun sistema di raffreddamento provocò la loro esplosione che fece saltare la centrale, spargendo ovunque materiale altamente radioattivo incandescente. Come se non bastasse la grafite prese fuoco, innalzando una colonna di fumi e ceneri caldissime che spedirono fin nella stratosfera sostanze radioattive di tutti i tipi.

2011 – Fukushima – Livello 5?… 6?… 7!

Il disastro di Fukushima è esteso e variegato, comprende quattro reattori costruiti tra il 1970 e il 1982. Il primo a dare segni di cedimento è stato il Reattore 1: dopo il terremoto è scattato il meccanismo di emergenza che ha fatto sì che venissero inserite le barre di controllo, così da arrestare i processi di fissione nucleare. In caso di incidente, però, dopo lo spegnimento del reattore la temperatura interna continua a essere altissima: si parla di circa l’8% della potenza di una centrale in esercizio, quindi di circa 100-200 MW, per via delle reazioni residue dei radionuclidi con piccoli tempi di dimezzamento. Il raffreddamento, non potendo contare solo sull’alimentazione elettrica della centrale, garantisce il funzionamento delle pompe grazie ai generatori Diesel d’emergenza. A seguito del terremoto pare però che siano stati proprio questi a subire i maggiori danni (anche se non si esclude che se ne siano verificati alle condotte). Per questo motivo la temperatura all’interno del vessel ha continuato a salire fino ai 2000°C, valore al quale può avvenire la reazione di termolisi, cioè la rottura delle molecole d’acqua nelle componenti di idrogeno e ossigeno.

Se la reazione è sufficientemente esotermica si instaura un loop auto-alimentante e all’interno del vessel la pressione sale in maniera incontrollata. L’aumento vertiginoso della temperatura è dovuto al fatto che non funzionando l’impianto di raffreddamento le barre non sono più immerse nell’acqua e si fondono quindi tra loro. Per evitare che le pareti del reattore si spaccassero per l’elevata pressione, i tecnici giapponesi hanno lasciato sfogare in atmosfera vapore surriscaldato, ossigeno, idrogeno e tutta una serie di sostanze radioattive allo stato gassoso, come lo Iodio 131 o il Cesio 137. A pressione atmosferica idrogeno e ossigeno hanno reagito, causando l’esplosione a cui tutti abbiamo assistito. Questo ha sparso in atmosfera numerose sostanze radioattive che si stanno diffondendo, seguendo i venti, nelle aree circostanti.

A differenza dell’incidente di Chernobyl, durante il quale l’incendio del tetto di grafite del reattore aveva disperso in atmosfera le polveri derivanti dalle barre di combustibile, nel Reattore 1 pare che le pareti siano ancora intatte e quindi non c’è stata probabilmente dispersione di sostanze più pesanti e pericolose. In realtà sembrano essere presenti circoscritte tracce di Plutonio (simbolo chimico “Pu”), anche se non è da escludere che le perdite di quest’elemento siano dovute a situazioni precedenti il terremoto, o che il Pu sia stato estratto dalla centrale per scopi bellici. Al momento la situazione del Reattore 1 sembra stabile, anche se la reazione di fissione potrebbe saltuariamente riattivarsi⁴.

Per quel che riguarda il Reattore 2 si è quasi sicuramente avuto lo scioglimento delle barre (che si ha a 2800°C), in quanto il nocciolo è stato esposto all’aria per un periodo prolungato per via della mancanza di alimentazione alle pompe dell’acqua. Si sono avute alcune piccole esplosioni e l’emissione di vapori radioattivi, ma i tecnici del reattore sono riusciti a evitare l’esplosione dell’idrogeno lasciando defluire il gas da fori appositamente praticati nel cemento armato della blindatura.La pressione, inoltre, non è salita incontrollabilmente poiché, con ogni probabilità, è avvenuto un cedimento strutturale delle vasche d’acqua sottostanti il reattore che hanno provocato l’allagamento di alcuni tunnel in cui sono affogati due tecnici. Non si capisce ancora quanto sia fuori controllo la situazione di questo reattore, in quanto essendosi fuso il metallo non è possibile stabilire quanto l’acqua possa fluire attraverso le barre per raffreddarle. Non si riesce per ora neanche a capire quanto la fissione in questo nocciolo possa auto-alimentarsi nonostante l’inserimento delle barre di raffreddamento. Gli scenari possibili vanno dal rientro dell’emergenza alla cosiddetta sindrome cinese, cioè la creazione di una massa fusa che potrebbe restare incandescente per un lunghissimo periodo di tempo e penetrare la crosta terrestre.

Il Reattore 3, alimentato da una mistura di Uranio e Plutonio (MOX), è quello che ha dato i problemi maggiori e le maggiori fughe radioattive. Inizialmente la situazione in questa parte dell’impianto era molto simile a quella del Reattore 1, ma in seguito all’esplosione dell’idrogeno è plausibile pensare che il vessel si sia danneggiato, dato che le barre sono state raffreddate gettando acqua dall’esterno mediante gli elicotteri. È probabile che le barre si siano parzialmente fuse tra loro e non è chiaro se andando avanti con i giorni la fissione possa riprendere o che una volta decaduti i prodotti di fissione secondari la temperatura si abbasserà.

Il Reattore 4, spento nel momento del terremoto, ha avuto problemi alla vasca dello stoccaggio delle scorie. Queste, poste al di sopra dei reattori, sono delle enormi piscine profonde 10 metri in cui vengono accumulate le barre esauste di combustibile. Le barre esauste sono estremamente radioattive e calde e possono tranquillamente raggiungere i 100°C. Per questo motivo nella vasca sono presenti numerosi sistemi di controllo che fanno sì che l’acqua non superi i 50°C. Non si capisce bene cosa non abbia funzionato, se un misuratore di pressione o di calore, se i tecnici preoccupati per gli altri reattori non abbiano controllato o se il terremoto avesse danneggiato la vasca, causando la fuoriuscita del liquido nell’ambiente esterno. Fatto sta che l’acqua è arrivata a ebollizione e dal reattore si sono sollevate dense volute di vapori radioattivi, non si sa di quale entità. Il fatto è particolarmente grave poiché, al contrario degli altri reattori, una volta evaporata l’acqua le barre sono rimaste esposte direttamente all’aria.

Per valutare l’impatto complessivo del disastro di Fukushima sono da considerare molti fattori: per quanto ancora i reattori continueranno a emettere vapori radioattivi, il tipo di radionuclidi immessi in atmosfera, se vi sono state infiltrazioni delle acque di raffreddamento nelle falde acquifere e nel mare e verso dove soffierà il vento nelle prossime settimane.A quanto sembra oggi le autorità giapponesi sembrano più propense ad affrontare la situazione come avvenne a Three Miles Island, cioè con una serie di piccoli interventi successivi che puntino al consolidamento delle blindature già presenti, piuttosto che con la costruzione, come a Chernobyl, di un’enorme bara di cemento armato, più sicura, ma più dispendiosa in termini economici e di vite umane.

Note

1. Contenitore chiuso ermeticamente di forma cilindrica realizzato in acciaio al carbonio.
2. Nel reattore il combustibile nucleare è presente sotto forma di pasticche impilate in lunghe barre che vengono inserite ed estratte.
3. Anche dette barre di moderazione, vengono alternate a quelle di combustibile e servono ad assorbire i neutroni lenti.
4. Sono state infatti rilevate tracce di Cloro 38, un isotopo del Cloro con una brevissima vita media, che potrebbe essere il risultato dell’assorbimento di neutroni da parte del normale cloro presente nel sale dell’acqua di mare.

Sull’autore

Niccolò Loret è dottorando presso il gruppo di fisica teorica del Dipartimento di Fisica dell’Università Sapienza di Roma.