Spiegazioni
L’impianto di Fukushima I e` costituito da 6 reattori nucleari adiacenti e simili. Tre unità erano accese poco prima dell’arrivo del terremoto, le restanti tre erano spente per manutenzione. Al momento della scossa, le tre unità in funzione, attraverso dispositivi automatici si sono spente come previsto nel caso di terremoti di magnitudo elevata come quella riscontrata. Tuttavia la reazione nucleare non si spegne istantaneamente, e una piccola potenza residua, pari circa a qualche percento di quella in condizioni di funzionamento, rimane all’interno del nocciolo affievolendosi nelle ore successive allo spegnimento. Durante tale periodo, le barre di combustibile che compongono il nocciolo del reattore, devono essere raffreddate tramite un sistema di raffreddamento. Il compito di questo sistema e` quello di pompare acqua all’interno del reattore in modo da rimuovere il calore generato. Dunque per raffreddare servono acqua e elettricità per le pompe che devono iniettare tale acqua nel sistema di raffreddamento. Il terremoto ha danneggiato la linea elettrica che portava la corrente necessaria al funzionamento delle pompe. Nonostante il black-out, dei generatori diesel, situati al di fuori di ogni unità, permettono di fornire corrente anche in questa situazione. I generatori diesel son dunque entrati in funzione regolarmente e l’acqua all’interno dei reattori ha iniziato a refrigerare le barre di combustibile. Tuttavia, dopo circa un’ora, la violenta e straordinariamente grande onda (Tsunami) ha colpito la costa orientale del Giappone dove gli impianti sono situati. Gli impianti si affacciano sul mare e, sebbene un muro di protezione in cemento fosse stato disegnato per impedire ad onde anomale di raggiungere l’impianto, le tre unità sono state raggiunte dall’onda che ha danneggiato tutti e tre i generatori diesel adibiti per portare elettricità ai sistemi di raffreddamento. A questo punto l’impianto di Fukushima I si e’ trovato completamente senza corrente e quindi non in grado di iniettare acqua all’interno dei 3 reattori spenti da solo un ora. Per avere uno spegnimento completo del reattore servono invece diverse ore, dunque i reattori in assenza di acqua hanno iniziato a riscaldarsi. In particolare la prima e la terza unità hanno iniziato a surriscaldarsi generando l’evaporazione dell’acqua contenuta nel recipiente che avvolge le barre di combustibile (detto anche recipiente in pressione, o vessel). A complicare la situazione sembra che il recipiente della prima unità, a causa del terremoto, abbia anche sofferto di una piccola perdita di acqua. Nella malaugurata eventualità che si verifichi un incidente che determini la perdita di liquido refrigerante o la perdita della linea elettrica ( e nel caso della prima unità si son verificate entrambe), e` consuetudine depressurizzare il reattore. Questa operazione viene fatta aprendo delle valvole disposte sul contenitore in pressione. La miscela di vapore d’acqua non viene liberata all’esterno bensì condotta in una piscina di soppressione situata all’interno dell’edificio reattore. Lo scopo della piscina d’acqua e` di assorbire parte del vapore radioattivo creatosi nel vessel (trasformandolo in fase liquida cosi da non fare salire la pressione del contenimento. Ridurre la pressione del vessel serve a facilitare l’iniezione d’acqua al suo interno e quindi a raffreddarlo. Questa procedura era entrata in azione immediatamente in atto dopo il terremoto, e anche questa correttamente. Tuttavia quando i generatori diesel hanno smesso di funzionare, l’acqua all’interno del vessel ha iniziato ad evaporare molto velocemente a causa della mancata iniezione di acqua fresca aggiuntiva. L’acqua e’ scesa di livello, lasciando parte delle barre di combustibile scoperte e quindi non refrigerate. La temperatura delle barre e` salita alimentando ulteriormente la creazione di vapore a discapito della fase liquida, e quindi riducendo ulteriormente il livello dell’acqua nel vessel.
Spiegazione delle esplosioni verificatesi presso le unità 1 e 3
Prima di capire le dinamiche generate dal meccanismo appena descritto, e’ bene fare una precisazione sulle strutture di protezione fisiche di un reattore. Il reattore ha tre protezioni fondamentali, e concentriche: la prima e’ la guaina di metallo che ricopre le barre di combustibile che serve a non disciogliere il materiale radioattivo nell’acqua refrigerante (l’acqua sempre presente nel sistema e’ pure una barriera protettiva al sistema). La seconda e` il recipiente in pressione (detto vessel) che serve a impedire la fuoriuscita di materiale radioattivo e di acqua contaminata qualora la prima barriera si rompa. La terza e` il contenimento in cemento armato che impedisce il rilascio nell’atmosfera di materiale radioattivo qualora il vessel abbia delle perdite o si rompa. Infine esiste un edificio attorno al contenimento che serve a proteggere quest’ ultimo semplicemente dagli agenti atmosferici. Le guaina di rivestimento delle barre di combustibile e’ fatta di un materiale composto di una lega chiamata zirconio. Se lo zirconio è sufficientemente caldo e si trova in presenza di ossigeno (il vapore fornisce l’ossigeno), allora può subire una reazione che produce idrogeno gassoso. L’idrogeno a concentrazioni superiori al 4% è altamente infiammabile e se miscelato con ossigeno e in ambiente costretto (ovvero sotto pressione) può detonare. Sebbene le alte concentrazioni di vapore acqueo impediscono all’ idrogeno di detonare (e quindi di portare a una esplosione da idrogeno dentro il vessel dove sono presenti le barre di combustibile), la creazione e l’accumulo di idrogeno generano un innalzamento della pressione all’interno del vessel. A seguito del repentino innalzamento di pressione si e` deciso di fare abbassare la temperatura del vessel, rilasciando direttamente il vapore nell’atmosfera. Sebbene questo vapore fosse contaminato rilasciarlo nell’atmosfera avrebbe permesso al vessel di ridurre la sua pressione e quindi di ridurre i rischi di una sua esplosione e di una fusione completa delle barre di combustibile. Le fasi successive a questa operazione non sono ancora state chiarite ufficialmente tuttavia quella che segue sembra essere la spiegazione più probabile di quello che e` accaduto. Si è deciso di far sfogare il vapore all’esterno, ma apparentemente non rendendosi conto che alcune tubazioni collegate direttamente con l’esterno del contenimento sfociavano all’interno dell’edificio reattore, ossia dell’edificio esterno senza una funzione di sicurezza ma solo con funzione di protezione da agenti meteorologici. A questo punto, il gas vapore e idrogeno si sono mescolati con l’aria nella parte superiore della costruzione del reattore. Questa operazione dopo essere stata ripetuta per diverse ore, e a seguito dello scoccare di una scintilla probabilmente generata da qualche apparecchio elettrico presente in questa intercapedine, ha generato la esplosione dell’ edificio di rivestimento esterno della unità 1 e 3. L’ esplosione ha scoperchiato l’edificio del reattore senza tuttavia danneggiare o compromettere l’edificio di contenimento in cemento armato e fondamentale per il non rilascio nell’atmosfera di materiale radioattivo nel caso di fusione del nocciolo (evento per il momento non verificatosi). In aggiunta alle operazioni appena descritte, al fine di evitare la scopertura delle barre di combustibile e quindi la fusione del nocciolo del reattore, acqua marina e` stata iniettata all’interno del vessel probabilmente usando dei generatori diesel portati sul sito. L’iniezione di acqua salata porta alla degradazione delle strutture. Tale degradazione e` tuttavia misurabile in un arco di tempo dell’ordine di settimane e quindi quando i reattori saranno oramai del tutto spenti, ossia non costituiranno più una forma di pericolo.
Variazioni del livello di radioattività ambientale a seguito delle esplosioni
Subito dopo le esplosioni si sono verificati picchi nei livelli di radiazione rilevata in prossimità dell’ impianto e dovuti al materiale radioattivo presente nel vapore fatto sfogare al di fuori dell’impianto. Quando il rivestimento in lega di zirconio ha ceduto a causa delle alte temperature raggiunte, oltre a produrre idrogeno, ha anche liberato alcuni prodotti di fissione. La stragrande maggioranza dei materiali radioattivi e’ rimasta all’ interno del vessel. Tuttavia, alcuni dei prodotti di fissione sono gas nobili (Xenon, e Krypton) dunque per definizione altamente volatili e quindi rilasciati assieme all’idrogeno rilasciato nell’ambiente. Fortunatamente, questi gas non costituiscono un grave pericolo radiologico, perché sono chimicamente inerti, ossia non reagiscono con gli esseri umani o piante. Tuttavia anche una minima parte di radionuclidi in fase solida ( tipicamente Iodio e Cesio) può essere stata trascinata dal vapore. Questi radionuclidi si sono accumulati nell’intercapedine tra edificio di contenimento ed edificio reattore. Quando quest’ultimo e` esploso, i radionuclidi sono stati rilasciati nell’aria e generando il picco di radiazione ambientale rilevato dalle imbarcazioni americane situate sulla costa. Questa crescita di radiazione immediata e` stata seguita da un rientro delle condizioni di radioattività ambientale, confermando quindi l’ ipotesi che il picco fosse una conseguenza di un rilascio che avrebbe dovuto essere graduale nel tempo (poiché generato dallo sfiato del reattore) ma che ‘ invece stato repentino (poiché associato allo scoppio dell’edificio reattore). La diminuzione del livello di radiazione che e` seguito al picco conferma inoltre il non danneggiamento dell’edificio di contenimento e quindi il non rilascio di materiali radioattivi invece pericolosi ed altamente tossici che possono accompagnare un incidente di fusione del reattore (anche questo non verificatosi).
Reazione a Catena 