Piscine di raffreddamento del combustibile esaurito

Traduzione italiana dell’articolo “What are Spent Fuel Pools” dal Blog del MIT NSE.

Traduzione di Stefano Passerini, MIT PhD Student’

Il combustibile nucleare si definisce esaurito (o esausto) dopo essere stato impiegato nel reattore. E’ del tutto simile al combustibile fresco nel senso che e’ composto da pastiglie di combustibile solide assemblate in barrette di combustibile a formare singoli elementi di combustibile. La differenza e’ che il combustibile esaurito contiene prodotti di fissione ed attinidi, come il Plutonio, che sono radiattivi e che richiedono una schermatura adeguata per le radiazioni. Esattamente come il combustibile nel reattore susseguente uno spegnimento rapido (SCRAM), il combustibile esaurito produce calore di decadimento poiché la maggior parte dell’energia del decadimento radiattivo dei prodotti di fissione e degli attinidi e’ depositata nel combustibile stesso sotto forma di calore. Dunque anche il combustibile esaurito (anche detto ‘irraggiato’) necessita di raffreddamento ma in misura molto minore rispetto a combustibile presente in un reattore spento da poco in quanto l’energia prodotta e’ ormai una piccola frazione rispetto a quella originaria. Riassumendo, il combustibile esaurito viene stoccato per un certo periodo di tempo per consentire adeguato raffreddamento conseguente al decadimento degli isotopi radioattivi che contiene ed inoltre per schermare le radiazioni che lo stesso emette.
Per adempiere a questi due scopi, il combustibile esaurito viene stoccato in piscine d’acqua e, successivamente, in grandi contenitori di cemento armato raffreddati naturalmente dall’aria. Le piscine di raffreddamento (una per ogni unita’) sono spesso situate in prossimità del reattore (nel caso di Fukushima, BWR aventi una tipologia di contenimento denominata Mark-1, si trova nella parte superiore della struttura stessa). Queste piscine sono molto grandi, spesso profonde fino a 13 metri a seconda del progetto. Sono composte da cemento armato rinforzato e circa 10 metri di acqua stagnate copre la sommità degli elementi di combustibile in esse contenuti. Gli elementi di combustibile sono spesso separati da lastre metalliche contenenti del boro che assicura che la reazione a catena di neutroni non possa ripartire. La probabilità di tale evento (ri-criticalità) e’ ulteriormente limitata dal fatto che il combustibile e’ stato in larga parte consumato durante la permanenza nel reattore. L’acqua della piscina e’ sufficiente a raffreddare il combustibile esaurito ed il calore generato viene rimosso tramite uno scambiatore di calore in modo che la temperatura della piscina stessa si mantenga costante. La profondità della piscina assicura anche che le radiazioni emesse dal combustibile stesso siano schermate di modo che gli operatori possano lavorare in sicurezza attorno alla sommità delle piscine stesse.
Durante il funzionamento ordinario dell’impianto, il combustibile può essere stoccato nella piscina per un periodo di tempo indefinito. La quantità di combustibile che può essere stoccato all’interno delle piscina dipende dal progetto, ma la maggior parte può ospitare un numero di elementi pari a diverse volte la quantità presente in un reattore nucleare in esercizio.
Durante le operazioni di ‘ricarica’ del combustibile nucleare il reattore viene spento, i compartimenti tra il reattore e la piscina di raffreddamento allagati con acqua (per schermare le radiazioni) e gli elementi di combustibile vengono spostati ad uno ad uno dal reattore alla piscina. Tale procedura avviene tipicamente ogni 12-18 mesi e coinvolge circa un terzo degli elementi di combustibile del reattore (che quindi complessivamente rimangono nel reattore 36-54 mesi prima di essere considerati esauriti). Le operazioni di ricarica vengono condotte in remoto utilizzando apparecchiature particolare e apposite gru per evitare di esporre i lavoratori alle radiazioni.
Il combustibile esaurito viene stoccato nella piscina per qualche anno, a seconda della capacita’ della piscina stessa e delle normative vigenti, prima di essere successivamente stoccato in appositi contenitori di cemento armato solitamente situati in prossimità dell’impianto al di fuori dell’edificio di contenimento e raffreddati in modo naturale dall’aria.
In caso di una perdita d’acqua nella piscina o di un guasto allo scambiatore di calore atto al raffreddamento, la temperatura della piscina stessa e’ destinata a salire. Se questa situazione si protrae per un tempo sufficientemente lungo, l’acqua può iniziare a bollire e, con il passare del tempo, il livello puo’ scendere al di sotto della sommità degli elementi di combustibile, esponendo cosi’ le barre di combustibile all’aria. Questo può essere un problema, in quanto l’aria e’ in grado di asportare il calore in modo molto meno efficace rispetto all’acqua e questo può portare ad un surriscaldamento delle barre di combustibile stesse. Se questo aumento di temperatura si protrae, le guaine (costituite di una lega di zirconio) possono ossidarsi e tramite reazioni chimiche a contatto con vapore acqueo ed aria, possono rilasciare idrogeno che può poi dare luogo ad esplosione. Un tale evento può presumibilmente danneggiare le guaine di combustibile e rilasciare quindi prodotti radioattivi come iodio, cesio e stronzio. E’ importante notare che ognuno di questi eventi (malfunzionamento del sistema di raffreddamento, ebollizione dell’acqua della piscina, esposizione e surriscaldamento del combustibile in aria e reazioni di ossidazioni delle guaine di zirconio) dovrebbe sussistere per un periodo di tempo prolungato per causare un incidente e ciò rende tale scenario estremamente improbabile.
Il rischio maggiore, in tale circostanza, si ha nel caso in cui non vi sia una robusta struttura di contenimento attorno alla piscina stessa. Mentre la piscina e’ una struttura di per se robusta, infatti, il tetto dell’edificio che la ospita non e’ altrettanto robusto e nel caso specifico e’ stato danneggiato e di conseguenza la superficie della piscina si trova esposta a contatto con l’ambiente. Finché vi e’ acqua a coprire il combustibile, questo non pone un rischio diretto per l’ambiente e tuttavia e’ possibile una contaminazione ed una dispersione di materiale radioattivo in caso di incendio in prossimità degli elementi di combustibile. Mantenere il combustibile coperto d’acqua mantiene basso il rischio di contaminazione ed e’ quindi una funzione di sicurezza molto importante.