Rifiuti nucleari: cosa sono e come vengono smaltiti

Scorie nucleari. Ne abbiamo tutti sentito parlare, ma cos'è esattamente e perché è così importante? È un problema senza soluzione? Quanto è grande il problema? Oggi lo scoprirai.

Il termine “scorie nucleari” evoca spesso immagini di serbatoi arrugginiti che perdono materiale radioattivo verde brillante nei fiumi e nel suolo, causando cancro e malattie nelle città vicine, o forse creature mutanti che seminano il caos, distruggendo queste città.

Tuttavia, mentre il mondo si muove verso la riduzione della dipendenza dai combustibili fossili, l’energia nucleare svolgerà un ruolo sempre più significativo nel mix energetico globale. Ciò rende importante andare oltre le rappresentazioni popolari e capire cosa sono realmente i rifiuti nucleari, quali rischi comportano e come possono essere gestiti.

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Cosa sono le scorie nucleari?

In termini semplici, i rifiuti nucleari o radioattivi si riferiscono ai sottoprodotti del funzionamento dei reattori nucleari, del ritrattamento del combustibile, della produzione di armi, delle strutture mediche e dei laboratori di ricerca. Tuttavia, questo termine copre un’ampia varietà di tipi di rifiuti. Ciò che rende unici i rifiuti nucleari è che le loro proprietà cambiano in modo significativo nel tempo, passando da una forma di rifiuto a un’altra.

Quindi, la risposta non è semplice, ma forse il posto migliore da cui iniziare è con la forma più familiare e grave di scorie nucleari: le scorie ad alta attività, prodotte dal funzionamento dei reattori nucleari civili.

Come vengono prodotte le scorie nucleari

Nella maggior parte dei reattori nucleari, il combustibile è contenuto in barre di combustibile elementi di rilascio di calore. Queste barre sono costituite da un nucleo di combustibile, un metal rivestimento e tappi terminali. Il tipo di barra di combustibile dipende dal tipo di reattore, dal suo scopo previsto e dai parametri del refrigerante. Nella maggior parte dei moderni reattori industriali, la barra di combustibile è un cilindro di circa 2 cm di diametro e diversi metri di lunghezza. Queste barre contengono uranio arricchito con un'alta concentrazione dell'isotopo fissile uranio-235. Gli elementi sono posizionati all'interno metal tubi in lega, che formano le barre, che vengono poi raggruppate insieme in fasci. Collettivamente, questo assemblaggio è denominato assemblaggio di combustibile.

Il funzionamento di una centrale nucleare si basa su una reazione nucleare a catena. Innanzitutto l’energia nucleare viene convertita in energia termica, poi l’energia termica in energia meccanica e infine l’energia meccanica in energia elettrica. La conversione dell'energia nucleare in energia termica avviene nel nocciolo del reattore, dove la fissione dell'uranio rilascia una notevole quantità di calore. Il combustibile per il reattore è l'uranio arricchito, contenuto nelle barre di combustibile.

L'uranio contenuto nelle barre di combustibile è un radionuclide, una sostanza con un nucleo instabile, che gli conferisce la capacità di subire un decadimento radioattivo. Quando il nucleo decade, si divide in due frammenti di fissione, rilasciando energia e generando da 1 a 8 neutroni. Questi neutroni, muovendosi ad alta velocità, si scontrano con i nuclei vicini, innescando successive fissioni. Se la concentrazione di combustibile è sufficientemente elevata, ciò porta ad una reazione nucleare a catena autosufficiente.

I frammenti di fissione prodotti hanno un’elevata energia cinetica, che viene convertita in calore attraverso le collisioni con atomi di altri elementi, un processo noto come termalizzazione. Questo calore viene trasportato dal liquido refrigerante, in genere acqua purificata, che viene pompata nel steam generatore tramite le pompe di circolazione principali. Il circuito del refrigerante primario del sistema del reattore comprende il circuito stesso, il sistema di compensazione della pressione e le pompe di circolazione principali, progettate per garantire la circolazione del refrigerante attraverso il nocciolo del reattore nelle condizioni operative specificate nel progetto. Il liquido refrigerante che entra in contatto con i gruppi combustibili diventa radioattivo, quindi è contenuto all'interno del primo circuito e non interagisce direttamente con il circuito secondario.

Acqua proveniente dal circuito primario chiuso nel steam il generatore cede la sua energia termica al liquido refrigerante del circuito secondario, la normale acqua depurata, che lo fa bollire. Il liquido refrigerante raffreddato viene quindi pompato nuovamente nel reattore, completando il ciclo. IL steam prodotto nel steam generatore è diretto attraverso le tubazioni del circuito secondario al steam turbina, dove girano le pale della turbina. Ecco come l'energia termica viene convertita in energia meccanica. Contemporaneamente, la steam la turbina è collegata ad un generatore elettrico che produce energia elettrica, convertendo così l'energia meccanica in energia elettrica.

Quando è stata consumata una quantità sufficiente di uranio-235, il combustibile è considerato esaurito e diventa essenzialmente un rifiuto. Ecco come funziona la produzione di energia nelle centrali nucleari a doppio circuito.

Per riferimento: Attualmente, circa 440 reattori nucleari operano in 32 paesi, con una capacità totale di circa 390 GW. Nel 2022 hanno generato 2,545 TWh, che rappresentano circa il 10% dell’elettricità globale. A novembre 2023, circa 60 reattori sono in costruzione, con l’intenzione di costruirne altri 110, soprattutto in Asia.

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Quanti rifiuti vengono generati

Il motivo per cui l’energia nucleare è così attraente è che il combustibile è estremamente denso di energia. Un grammo di uranio libera un'energia equivalente a quella di 3 tonnellate di carbone. Ciò significa che un grande reattore da un gigawatt produce meno di 30 tonnellate di combustibile esaurito all’anno. Quando questo combustibile esaurito viene diviso per il numero di persone servite dal reattore, si ottiene un volume di rifiuti delle dimensioni di un mattone per persona, che contiene solo 5 grammi di rifiuti ad alta attività dopo il ritrattamento.

Radiazione

La minaccia più evidente rappresentata dalle scorie nucleari sono le radiazioni. Ha il potenziale per nuocere o uccidere semplicemente trovandosi nelle immediate vicinanze, il che è lontano dalla definizione di "sicuro" in senso significativo. Quindi, qual è esattamente la natura del rischio di radiazioni e per quanto tempo persiste?

I rifiuti ad alta attività costituiscono il 3% del volume del combustibile esaurito, ma rappresentano il 95% della sua radioattività. Questi rifiuti non sono solo altamente radioattivi ma anche termicamente caldi, richiedono un’attenta schermatura e possono essere gestiti solo utilizzando manipolatori remoti. Per dare un’idea di quanto siano radioattivi questi rifiuti quando escono dal reattore, emettono 10,000 becquerel all’ora per i prossimi 10 anni. Per contestualizzare, bastano solo 500 becquerel all’ora per essere letali per una persona.

A differenza di molti rifiuti non nucleari, come l'arsenico o l'amianto, i rifiuti nucleari cambiano nel tempo poiché gli atomi subiscono un decadimento radioattivo e i prodotti del decadimento si trasformano da un elemento all'altro. La velocità con cui avviene questo decadimento è chiamata emivita. In altre parole, il tempo di dimezzamento di un elemento radioattivo è il tempo necessario affinché la metà di una determinata quantità decada. Ad esempio, l’isotopo iodio-131 ha un tempo di dimezzamento di circa otto giorni, mentre il plutonio-239 ha un tempo di dimezzamento di 24,000 anni.

A prima vista, lo iodio può sembrare più sicuro del plutonio, poiché lo iodio decade rapidamente, mentre il plutonio rimane radioattivo per secoli. In realtà, è vero il contrario. Lo iodio-131 è estremamente pericoloso perché la sua breve emivita implica che emette radiazioni in un breve periodo. Il plutonio, d'altro canto, è solo moderatamente radioattivo. L'unico modo in cui il plutonio può rappresentare un rischio significativo è se ingerito, consentendo alle particelle di entrare nei tessuti interni molli dove possono danneggiare le cellule.

Questo è il motivo per cui il combustibile esaurito viene immagazzinato nel sito del reattore quando i gruppi di combustibile vengono rimossi dal reattore. Il combustibile viene mantenuto sott'acqua nelle vasche del combustibile esaurito per diversi anni, consentendo il decadimento degli isotopi pericolosi. Nel corso di 40 anni la radioattività diminuisce fino a un millesimo del livello che aveva al momento dello scarico del carburante. Dopo 1-10 mila anni, il combustibile è ancora radioattivo quanto il minerale originale da cui è stato ricavato. Questa radioattività a lungo termine è dovuta alla conversione del combustibile esaurito in elementi transuranici, trasformandolo da rifiuti radioattivi ad alto livello a rifiuti radioattivi di medio livello, che hanno una radioattività moderata. Questo è il motivo per cui lo smaltimento dei rifiuti ad alta attività radioattiva implica anche lo smaltimento dei rifiuti ad attività radioattiva media.

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Smaltimento dei rifiuti

Ma come vengono smaltiti questi rifiuti altamente radioattivi e quali alternative esistono? Esistono varie modalità di smaltimento, alcune delle quali più semplici di quella attualmente preferita. Ad esempio, i rifiuti potrebbero essere sigillati in contenitori di acciaio e lasciati in una regione stabile della calotta glaciale antartica, dove alla fine si scioglierebbero e verrebbero sepolti sotto diversi chilometri di ghiaccio nel corso dei prossimi 100,000 anni. In alternativa, i rifiuti potrebbero essere collocati in miniere profonde dove due placche tettoniche si incontrano, permettendo loro di scivolare lentamente nel mantello fuso della Terra.

Forse il metodo più semplice sarebbe quello di posizionare i contenitori all'interno di dardi con ogive appuntite riempiti di piombo e lasciarli cadere nelle profondità dell'oceano. Colpirebbero il fondo del mare ad alta velocità e si seppellirebbero in profondità nei sedimenti. Questo metodo venne inavvertitamente utilizzato per i reattori dei sottomarini nucleari americani Scorpione e di Thresher, affondata negli anni '1960 in due distinti incidenti. La Marina americana non fece mai alcuno sforzo per recuperare i reattori, poiché erano impossibili da localizzare, per non parlare di scavare.

Esistono diversi motivi per cui questi e altri metodi non vengono utilizzati. Alcuni sono stati licenziati per motivi tecnici, mentre altri sono stati esclusi a causa di accordi internazionali. Tuttavia, la maggior parte di essi presenta uno svantaggio comune: una volta interrati, i rifiuti non possono essere recuperati. Sebbene se ne parli raramente, i rifiuti nucleari ad alta attività hanno un valore significativo. Non solo può essere riprocessato per creare nuovo combustibile, ma contiene anche un gran numero di isotopi nucleari molto richiesti in medicina e nell’industria. Di conseguenza, la possibilità di recuperare questi rifiuti in futuro è altamente auspicabile.

Stoccaggio del combustibile nucleare esaurito in botti secche

Dopo che le barre di combustibile sono state raffreddate nelle vasche del combustibile esaurito, vengono trasferite allo stoccaggio in fusti asciutti per circa 10 anni. Le aste raffreddate sono collocate in cilindri di acciaio e cemento, alti circa 5 metri, con diversi strati interni, guarnizioni concentriche e smorzatori. Riempite di gas inerte, queste botti sono progettate per resistere a tornado, terremoti, attacchi terroristici e accessi non autorizzati.

Non solo proteggono dalle radiazioni esterne, ma dissipano anche passivamente il calore rilasciato dalle aste.

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Deposito geologico profondo

Il passo successivo è inviare il combustibile al ritrattamento per convertirlo in nuovo combustibile o immagazzinarlo a lungo termine in depositi sotterranei profondi. Per lo stoccaggio, il combustibile esaurito viene rimosso dalle barre di combustibile, vengono estratti i rifiuti ad alta attività e quindi trasformati in una polvere secca mista a vetro fuso. Questa miscela viene poi versata in contenitori di acciaio inox alti circa 1 metro e lasciata raffreddare. Il prodotto finale è quasi chimicamente inerte e il materiale radioattivo viene disperso nel vetro, riducendo la quantità di radiazioni emesse.

Dopo la lavorazione, i fusti di rifiuti vengono spostati in strutture di stoccaggio realizzate in una zona geologicamente stabile, isolata dall'ambiente circostante. Sebbene i rifiuti possano essere recuperati, si prevede che in futuro il sito di stoccaggio verrà riempito e sigillato.

L’efficacia di un tale deposito è illustrata dal reattore nucleare naturale in Gabon, formatosi due miliardi di anni fa quando i minerali nucleari divennero insolitamente concentrati. Nonostante le piogge e le infiltrazioni nelle acque sotterranee, i materiali nucleari di questo reattore sono migrati attraverso la roccia solo per circa 10 metri. Depositi geologici di questo tipo sono stati approvati in molti paesi e gli Stati Uniti ne stanno già operando uno per lo stoccaggio dei rifiuti della produzione di armi nucleari. Si prevede che anche la Finlandia aprirà una struttura simile nel prossimo futuro.

Futuro

Dal punto di vista tecnologico, le questioni legate allo smaltimento delle scorie nucleari sono state ampiamente affrontate. I rifiuti a bassa attività vengono regolarmente riciclati e metodi per lo smaltimento dei rifiuti ad alta attività sono già in atto o in attesa di approvazione. Oltre allo stoccaggio dei rifiuti ad alta attività, esistono altri modi per gestirli, inclusi nuovi reattori a neutroni veloci e tecniche avanzate di riciclaggio. Tuttavia, l’autocompiacimento non dovrebbe insorgere. Le scorie nucleari sono estremamente pericolose e non dovrebbero mai essere prese alla leggera.

La questione dei rifiuti rimane uno dei maggiori ostacoli per l’industria nucleare, ma non è di natura tecnologica. Né è una questione economica. L’industria nucleare è unica in quanto deve includere lo smaltimento dei rifiuti nei costi operativi di un impianto, ma l’esperienza dimostra che la gestione dei rifiuti rappresenta solo il 10% del costo totale della produzione di elettricità nucleare.

Il problema è innanzitutto politico. Non ha molto senso avere un progetto di smaltimento dei rifiuti di successo se nessuno lo vuole costruire nel proprio cortile. Ci sono molte ragioni per questo. Per alcuni si tratta di una preoccupazione ambientale reale e concreta, alimentata da eventi come Chernobyl. Altri vedono l’energia nucleare come un ostacolo a un’economia basata su fonti energetiche rinnovabili e limiti consapevoli al consumo energetico. Nel frattempo, le reazioni di molte persone a qualsiasi cosa nucleare sono modellate dai ricordi della Guerra Fredda e dalla paura delle armi nucleari.

Resta da vedere se le scorie nucleari continueranno a ostacolare lo sviluppo dell’energia nucleare. Tuttavia, è innegabile che, indipendentemente dalle opinioni sulle scorie nucleari, questa non è una questione teorica che possa essere utilizzata per liquidare un intero settore energetico sulla base di principi primi. È un problema che deve essere affrontato. Nel corso di 80 anni, in tutto il mondo si è accumulata una quantità significativa e dobbiamo trovare una soluzione.

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