Nel mondo esistono 31 paesi che utilizzano una qualche forma di energia nucleare, con i 455 reattori operativi che generano circa 393.000 megawatt di elettricità, quasi il 20% della produzione totale di energia mondiale.
Nonostante gli incidenti di Chernobyl, Three-Mile-Island e Fukushima, l’energia nucleare è in realtà tra le forme più sicure e pulite per generare di elettricità, piazzandosi all’ultimo posto in termini di morti per chilowattora generato, dietro anche all’energia solare ed eolica. Inoltre, a differenza del carbone e del petrolio, l’energia nucleare non emette gas serra e, a differenza dell’energia solare, eolica e idroelettrica, non dipende dalla posizione geografica o dalle condizioni meteorologiche locali.
Il Tallone d’Achille dell’energia nucleare
Tuttavia, esiste uno stigma pubblico che ha condannato questa fonte di energia ad avere un ruolo marginale nel panorama energetico globale, nonostante i numerosi vantaggi che può offrire.
Proprio per capire a fondo come si possa gestire al meglio questa fonte energetica che potrebbe risolvere molti dei problemi di un mondo sempre più affamato di energia, esamineremo quello che viene considerato il suo Tallone d’Achille: le scorie radioattive.
Negli ultimi quattro decenni l’industria nucleare globale ha generato circa 62.500 tonnellate di scorie, con 2.300 tonnellate che si aggiungono ogni anno che passa. Molte di questi rifiuti rimarranno radioattivi per migliaia di anni.
A differenza di altri tipi di rifiuti industriali, le scorie nucleari non possono essere facilmente convertite in sostanze meno pericolose, per non contare il fatto che l’attuale clima politico nei confronti del nucleare non permette nemmeno di trasformarle o riciclarle. Ma allora, come possiamo smaltirle?
Inizialmente, il combustibile nucleare esaurito veniva ritrattato per essere riutilizzato
Mentre l’energia nucleare commerciale ha quasi 70 anni, il concetto di smaltimento permanente delle scorie nucleari è sorprendentemente recente. Agli albori dell’energia nucleare, gli ingegneri presumevano che i reattori avrebbero funzionato con un ciclo del combustibile più sofisticato, con il combustibile esaurito ritrattato per produrre nuovi elementi combustibili e rimuovere gli isotopi radioattivi per l’uso in medicina, ricerca scientifica e armi nucleari. Molte ricerche sono state condotte anche sui reattori autofertilizzanti, che convertono isotopi non fissili in isotopi fissili, generando così più combustibile di quanto ne consumano. Combinate, queste due tecnologie produrrebbero relativamente poche scorie radioattive di alto livello. Tuttavia, questo piano si basava sulla convinzione che le riserve di uranio della Terra fossero estremamente limitate e quando si scoprì che l’uranio era molto più abbondante di quanto inizialmente ipotizzato, un ciclo del combustibile una tantum senza ritrattamento è diventato molto più economico.
Allo stesso tempo, aziende come Westinghouse e General Electric hanno scoperto che era molto più facile ed economico aumentare i reattori esistenti che avevano progettato per i sottomarini della Marina degli Stati Uniti, piuttosto che sviluppare reattori civili da zero. Poiché i costi di sviluppo erano già stati sovvenzionati dal governo americano, questi reattori potevano essere venduti a prezzi molto più competitivi. Di conseguenza, i reattori di ritrattamento e autofertilizzanti caddero nel dimenticatoio e le scorie nucleari iniziarono presto ad accumularsi.
I rifiuti nucleari non sono tutti uguali
Le scorie nucleari sono suddivise in 3 categorie fondamentali: basso, intermedio e alto livello. I rifiuti ad attività bassa e intermedia sono definiti come materiali che rimarranno pericolosamente radioattivi per meno di 300 anni e sono costituiti principalmente da materiali contaminati come solventi, strumenti, vetreria da laboratorio e indumenti utilizzati nella lavorazione del combustibile nucleare. A causa della bassa attività e del breve tempo di decadimento di questi rifiuti, la loro gestione è relativamente semplice e, in genere. vengono conservati in contenitori di stoccaggio schermati e monitorati in loco presso le centrali nucleari. Una volta che la radioattività decade a livelli di sicurezza, il materiale può essere smaltito come qualsiasi altro rifiuto industriale.
Il discorso si fa invece più complicato per i rifiuti ad alta attività, che sono costituiti principalmente da combustibile esaurito proveniente da reattori nucleari. Infatti, molti dei radionuclidi nel combustibile esaurito possono rimanere pericolosamente radioattivi per decine di migliaia di anni. Perciò, qualsiasi processo di smaltimento di queste scorie deve impedire con assoluta certezza che questi nuclidi possano fuoriuscire nell’ambiente.
L’interramento geologico profondo
Nel corso degli anni sono stati pensate diverse modalità di smaltimento, tra cui lo scarico dei rifiuti in buchi sottomarini, il loro posizionamento in zone di subduzione tettonica in modo che vengano trascinati nel mantello terrestre o il loro lancio nello spazio. Tuttavia, tutte queste soluzioni sono state respinte per un motivo o per l’altro, anche se lo smaltimento dei rifiuti basato sull’interramento geologico profondo è quello che si sta affermando.
Ma per capire come funziona lo smaltimento geologico in profondità, è necessario comprendere la composizione e il comportamento dei radionuclidi presenti nel combustibile nucleare esaurito. Il combustibile esaurito contiene infatti 4 tipi fondamentali di nuclidi, il primo dei quali è costituito dai resti del combustibile stesso. Il tipico combustibile del reattore è arricchito per contenere circa il 3% dell’isotopo fissile U-235, il resto è costituito dall’isotopo non fissile U-238. Man mano che il combustibile viene consumato in un reattore, il contenuto di U-235 scenderà a circa lo 0,8%. Questi sono tra i nuclidi più longevi nel combustibile esaurito, visto che l’U-235 ha un’emivita di 704 milioni di anni e l’U-238 di 4,5 miliardi di anni.
Ma ci sono anche altri componenti nel combustibile esaurito: i prodotti di fissione. Questi sono elementi leggeri che si formano quando gli atomi di uranio si dividono durante la fissione nucleare e hanno emivite che vanno da 8 ore (Xenon-135 ) a 15 milioni di anni (Iodio-129). I prodotti di fissione a vita più breve sono intensamente radioattivi e producono una grande quantità di calore di decadimento. Pertanto, dopo essere stati rimossi da un reattore, gli elementi del combustibile esaurito vengono immediatamente collocati in una vasca di stoccaggio raffreddata attivamente. L’acqua nella vasca porta via il calore di decadimento e protegge gli operatori dell’impianto dalle radiazioni ionizzanti, consentendo di immagazzinare il combustibile per un massimo di sei anni, quando la maggior parte dei prodotti di fissione di breve durata si saranno decomposti.
Infine, ci sono anche gli attinidi (o elementi transuranici) nel carburante esaurito. Questi sono elementi pesanti prodotti quando l’U-238 assorbe i neutroni dalla reazione nucleare e tendono ad avere tempi di dimezzamento relativamente lunghi, che vanno da 432 anni per l’Americio-241 a 379.000 anni per il Plutonio-242.
Il problema delle lunghe catene di decadimento
Va considerato che le emivite da sole non forniscono un quadro accurato di quanto a lungo un dato isotopo rimarrà pericolosamente radioattivo. Molti nuclidi non decadono immediatamente in isotopi stabili, ma subiscono una lunga catena di decadimento per cui un isotopo radioattivo decade in un altro isotopo radioattivo e così via. Ad esempio, il Nettunio-237 ha una catena di decadimento lunga 13 gradini che termina nell’isotopo stabile Tallio-205, con le emivite dei nuclidi figli intermedi che vanno da quattro microsecondi a 160.000 anni. Molti di questi nuclidi figli sono significativamente più radioattivi del nettunio che, combinato con la lunga emivita del nettunio di 2 milioni di anni, significa che l’intera serie di decadimento rimarrà pericolosa per l’ambiente per più di 10.000 anni.
Attualmente, una volta che il combustibile nucleare viene rimosso dalle vasche di raffreddamento, viene collocato in fusti asciutti schermati e conservato in uno stoccaggio monitorato in loco presso la centrale nucleare. Questo è il modo in cui i rifiuti radioattivi vengono gestiti in quasi tutte le principali nazioni nucleari. Tuttavia, poiché non si può contare su un monitoraggio affidabile per centinaia di anni a causa dei cambiamenti politici e climatici, paesi come la Svezia, la Finlandia e la Corea del Sud si sono rivolte a depositi geologici profondi per immagazzinare in sicurezza i propri rifiuti senza richiedere l’intervento umano.
I depositi in Svezia e Finlandia
Gli attuali depositi a Forsmark in Svezia e Onkalo in Finlandia sono scavati in una roccia ignea profonda e densa. Tuttavia, la sepoltura profonda da sola non è sufficiente; poiché ogni singola barriera contro le perdite può cedere a un certo punto, tutti gli attuali schemi di smaltimento includono più barriere ridondanti, che avvolgono i rifiuti in strati protettivi concentrici come una matrjoska russa.
Sorprendentemente, la prima e la più efficace di queste barriere è il carburante stesso. L’uranio utilizzato nei reattori nucleari è sotto forma di ossido di uranio, un materiale duro, nero simile alla ceramica che viene pressato in piccoli granuli cilindrici. Questi pellet vengono impilati e sigillati in tubi di rivestimento in zirconio, che vengono poi legati insieme. L’ossido di uranio è estremamente insolubile in acqua e intrappola la maggior parte dei radionuclidi all’interno del suo reticolo cristallino, il che significa che anche se i pellet di combustibile fossero scaricati in una falda acquifera aperta, anche dopo 10.000 anni pochissimi di questi nuclidi potrebbero disperdersi nell’ambiente. Un’ulteriore protezione è fornita racchiudendo i fasci di combustibile in botti di stoccaggio in acciaio inossidabile, titanio o rame, quest’ultimo così resistente alla corrosione che dovrebbe durare fino a un milione di anni.
Infine, i barili vengono imballati in una sostanza densa simile all’argilla nota come bentonite, che sigilla i contenitori dall’ingresso di acqua e funge da tampone ionico che intrappola i radionuclidi in fuga prima che possano raggiungere le acque sotterranee.
Un nuovo concetto: trasmutare i rifiuti nucleari
Attualmente, solo 4 depositi geologici profondi sono in uso o in costruzione in Finlandia, Svezia, Corea del Sud e Germania, con la stragrande maggioranza delle scorie nucleari del mondo ancora conservate fuori terra in depositi a secco.
È abbastanza chiaro a tutti gli scienziati che non abbiamo ancora trovato la soluzione definitiva al problema dei rifiuti nucleari (recentemente sta prendendo piede anche il concetto di trasmutazione, per cui i rifiuti nucleari vengono convertiti in una forma meno pericolosa bombardandoli con neutroni da un reattore nucleare o da un acceleratore di particelle), ma quando ciò avverrà potremo realizzare il tanto atteso rinascimento nucleare.
METALLIRARI.COM © SOME RIGHTS RESERVED