Un nuovo modo di raffreddare e contenere la massa radioattiva e lavica che si forma nel nucleo di un reattore nucleare durante una fusione catastrofica è stato sviluppato da ricercatori negli Stati Uniti. La tecnica prevede l’uso di materiali carbonatici granulari invece dell’acqua ed è stata dimostrata in banchi di prova su piccola e grande scala usando ossido di piombo fuso. Gli sviluppatori stanno ora lavorando per un’applicazione commerciale del sistema.
Quando un impianto nucleare subisce una fusione catastrofica, si può formare una miscela radioattiva simile a lava di combustibile nucleare, barre di controllo, prodotti di fissione e componenti strutturali del reattore. Soprannominata “corium”, questa massa fusa è estremamente pericolosa e può potenzialmente muoversi.
“Durante un grave incidente in un reattore, il contenitore che conteneva il combustibile fonde e si rompe”, spiega David Louie, ingegnere dei Sandia National Laboratories. “
L’idrogeno che esplode
La fusione può aumentare il rilascio di materiale radioattivo nell’ambiente circostante in due modi, il primo dei quali è il potenziale del corium di fondere attraverso il pavimento dell’edificio del reattore e filtrare nel terreno sottostante. La massa fusa potrebbe anche reagire chimicamente con i materiali circostanti come il cemento per creare gas di idrogeno che può accumularsi e causare un’esplosione.
La tecnica standard per trattare il corium è provare a raffreddarlo con acqua. Tuttavia, questo approccio funziona tipicamente troppo lentamente, permettendo al disastro di continuare ad evolversi e lasciando fuoriuscire contaminanti radioattivi nell’area circostante.
“Alla fine il corium smette di diffondersi perché l’acqua lo raffredda”, ha detto Louie. “Ma non si vuole che l’incidente peggiori sempre di più mentre si lavora per portare l’acqua. L’acqua fornisce anche una fonte di idrogeno esplosivo.”
Cercando un metodo migliore per raffreddare e contenere il corium, Louie e colleghi si sono rivolti a minerali carbonati granulari come calcite e dolomite, che dicono che potrebbero essere iniettati nel cuore dei reattori in caso di fusione.
Test su piccola scala
Partendo da un test su piccola scala, il team ha riscaldato alcuni grammi di polvere di ossido di piombo a 1000 °C per creare un materiale fuso simile al corium. Hanno poi combinato questo con un campione di calcite granulare e, per confronto, con granelli di biossido di silicio (sabbia).
“Abbiamo visto che i minerali carbonati iniettabili funzionano”, ha detto Louie. “Ha reagito chimicamente per produrre molta anidride carbonica, che ha ‘lievitato’ l’ossido di piombo in una bella struttura simile a una torta. La reazione stessa ha avuto un effetto di raffreddamento, e tutti i pori nella ‘torta’ permettono un ulteriore raffreddamento”. Al contrario, la sabbia usata come campione di controllo non ha avuto alcun effetto sul corium simulato.
Un esperimento successivo, eseguito su scala di un chilogrammo, ha anche dimostrato che i granuli di carbonato potrebbero essere applicati con successo per contenere il materiale fuso. I ricercatori hanno anche incorporato i loro materiali di sicurezza iniettabili nel software di modellazione della fusione del reattore di Sandia per esaminare come i carbonati granulari potrebbero influenzare un disastro nucleare nel mondo reale – come quello che si è verificato alla centrale giapponese di Fukushima Daiichi nel 2011.
“Mentre ci sono molti modi per rendere l’energia nucleare più sicura, soluzioni come i reattori a onde viaggianti e i reattori a sale fuso spesso coinvolgono infrastrutture completamente nuove, che possono richiedere decenni per essere sviluppate”, dice il fisico Lawrie Skinner della Stanford University, che non è stato coinvolto nel presente studio. Aggiunge: “Questo metodo di iniezione di carbonato offre un modo semplice per rendere più sicura l’attuale tecnologia dei reattori”.”
Sono necessarie dimostrazioni più ampie
“Anche se deve ancora essere dimostrato sperimentalmente su scale più grandi e con materiali che corrispondono da vicino alle fusioni nucleari, sarà emozionante vedere come questi metodi di iniezione di carbonato funzionano”.”
Oliver Alderman della Materials Development Inc. ha precedentemente studiato la lava di corium e chiama la nuova ricerca “un concetto molto bello”. “Mi chiedo quale sia l’effetto della temperatura del corium – il corium può essere molto più caldo dell’ossido di piombo fuso usato – e anche delle reazioni esotermiche secondarie che possono verificarsi”, avverte.
E aggiunge: “Un altro punto interessante da considerare è che la conduttività termica del materiale della ‘torta’ sarà probabilmente molto bassa, e questo potrebbe essere un vantaggio, o uno svantaggio, a seconda del design del reattore”.
Con il loro studio iniziale completato, i ricercatori hanno ora un brevetto non provvisorio in corso per i materiali di sicurezza iniettabili e stanno anche cercando di eseguire test su scala ancora maggiore, ma con l’incorporazione di uranio impoverito.
“Dopo di che, saremmo pronti a commercializzare la tecnologia”, ha detto Louie, aggiungendo che i materiali di contenimento in carbonato “potrebbero essere adattati in qualsiasi progetto di reattore nucleare esistente”.
Sandia National Laboratories sta chiamando per espressioni di interesse da altri gruppi di ricerca e organizzazioni interessate a collaborare al lavoro futuro su questo approccio al contenimento del corium.