Problematiche relative alla sicurezza del condizionamento e dello stoccaggio dei rifiuti nucleari

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1 La Trasmutazione ed i Cicli Innovativi del Combustibile Nucleare Problematiche relative alla sicurezza del condizionamento e dello stoccaggio dei rifiuti nucleari Francesco Troiani ENEA ISPESL - Roma, 20 dicembre 2010 Sala Multimediale, Via Urbana 167, Roma Sommario 1. Produzione elettrica e generazione di rifiuti 2. Decadimenti Radioattivi 3. Classificazione 4. Responsabilità di gestione 5. Origine dei rifiuti radioattivi 6. Minimizzazione rifiuti e fasi di gestione 7. Schermaggio e Contenimenti: Concetto multibarriera 8. Trattamento e Condizionamento rifiuti radioattivi 9. Depositi temporanei 10. Lo smaltimento dei rifiuti radioattivi, superficiale e geologico 11. Prospettive a breve e lungo termine 12. Rifiuti Radioattivi in Italia 13. L impegno dell ENEA 14. Conclusioni 2

2 Produzione elettrica e generazione di rifiuti m 3 di metano t di CO t di carbone t di CO t di ceneri t di petrolio t di CO 2 Energia Elettrica kwh Attribuzione media annua a persone 1 t di Unat 133 kg SF 2,5-3 m 3 I&LW Per persona/a SF ~ 20 g I&LW ~ 0,5 litri 3 Reazioni nucleari Fissioni 4

3 Formazione Elementi Radioattivi Attinidi Prodotti di Fissione Prodotti di Attivazione 5 Decadimenti Radioattivi 90 Sr: 28,1 anni 137 Cs: 30 anni TEMPO DI DIMEZZAMENTO: tempo occorrente perché un materiale radioattivo perda la metà della sua radioattività iniziale. Esempi di Tempi di dimezzamento: 60 Co = 5,2 anni 14 C = anni 239 Pu = anni 238 U = 4,5 miliardi di anni Tempo (anni) m Am: 141 anni 6

4 IAEA principi di classificazione HLW Radioattività elevata Radioattività VSLW Vita molto breve (Stoccaggio/dec adimento) LLW Radioattività bassa VLLW Radioattività molto bassa ILW Radioattività intermedia EW - Esenzione Tempo di emivita 7 Definizione, classificazione e standard di sicurezza IAEA Joint Convention (ratificata dall Italia nel 2006): Il rifiuto radioattivo è un materiale radioattivo in forma solida, liquida o gassosa per il quale non è previsto alcun ulteriore uso e che è tenuto sotto controllo come rifiuto radioattivo dall'autorità di controllo a ciò preposta. Guida Tecnica ENEA-DISP n. 26 I Categoria II Categoria III Categoria Rifiuti che al massimo in qualche anno, decadendo, raggiungono concentrazioni di radioattività inferiori. (valori trascurabili)... Rifiuti che entro un massimo di qualche centinaio di anni raggiungono concentrazioni di radioattività dell ordine di alcune centinaia di Bq/g. Tali rifiuti devono essere trattati e condizionati. Rifiuti che richiedono migliaia di anni per raggiungere, decadendo, concentrazioni di radioattività di alcune centinaia di Bq/g. Tali rifiuti devono essere trattati e condizionati. Safety Fundamentals Requirements Safety Guides IAEA 8

5 Responsabilità di gestione IAEA - Safety fundamentals: «... i produttori devono assumere le responsabilità di gestione presenti e future... Devono essere disponibili le risorse finanziarie per soddisfare le necessità a lungo termine. Il principio di chi inquina paga attribuisce al soggetto responsabile, tutte le spese di gestione, derivanti da normative o disposizioni delle autorità istituzionali, per il mantenimento di un livello accettabile delle condizioni ambientali. Risoluzione del Consiglio UE 2008: La responsabilità dello Stato è quella di stabilire un quadro normativo e una policy di gestione a lungo termine. Joint Convention (IAEA) on the safety of Spent Fuel management and the safety of Radioactive Waste management: riconosce agli Stati firmatari il diritto di vietare lo smaltimento dei rifiuti radioattivi di origine straniera. (Disposizione reiterata nella direttiva comunitaria sui trasporti del 2006 ). 9 Origine dei rifiuti radioattivi Ciclo del combustibile nucleare Smantellamento impianti Ricerca e Medicina Ospedali Laboratori analisi Industria farmaceutica Reattori di ricerca Industria Petrolifera Fosfati Fonderie Saldature Centrale di Yankee Rowe Altri Rivelatori di fumo Parafulmini Radio-luminescenti Ceneri Derivati del Torio (lenti, refrattari) 10

6 Ciclo del Combustibile Nucleare Rifiuti Radioattivi Costo front-end /MWhe 3-5% U-235 0,2-0,3% U-235 0,7% U GWe tsf/y 52,2 MSW/y 52,5 MSWU/y tu/y 295 THM/y Plutonio Rifiuti Radioattivi tsf/y U basso arricchimento Costo back-end < /MWhe a umido: tu a secco: tu Smaltimento diretto Note: X = capacità nominale mondiale X = produzione attuale tu/y yellowcake U 3 O tu/y 1 1 Differenza coperta da stocks e U militare 10ktU tu/y 2 Stima 140,000 SWU/y per 1 GWe (Fonte: WNA) * IAEA - Integrated Nuclear Fuel Cycle Information System ; www-nfcis.iaea.org L&ILW ~ m 3 /y ~ 530 m 3 /y/gwe HLW ~10 4 m 3 /y ~27 m 3 /y/gwe 11 Commissione Europea (2006) Rifiuti radioattivi totali per anno (EU-25): m 3 = 90 cm 3 per persona Dove... Lunga vita a bassa attività: Alta attività, vetrificati: Combustibile irraggiato: m 3 = 7 cm 3 p.p. 240 m 3 = 0,5 cm 3 p.p t = 5 g p.p. In confronto (EU-15, 2000): Rifiuti Tossici: 36 milioni t = 100 kg p.p. Fonte: Direzione Generale Trasporti e Energia; Ute Blohm-Hieber 12

7 Deposito temporaneo di combustibili esausti Deposito temporaneo a umido impianto THORP, Sellafield, Regno Unito Progetto concettuale cask di stoccaggio a secco, U.S. NRC Progetto deposito temporaneo stoccaggio a secco del combustibile, Aomori, Giappone Produzione Spent Fuel Fino al 2030, ~ t/anno Nel 2050, ~ t/anno Accumulo al 2050, ~ t Un reattore da MW in 60 anni produce ~ elementi esausti (area ~ 450 m 2 x 6 m) Tempo di durata: 50 anni Capacità: tu Dimensioni: 130 m x 60 m x 30 m (Fase I, tu) 13 Produzione di rifiuti da smantellamento Centrale di Connecticut Yankee Nuovi impianti Costi decommissioning: USD 2001 /kwe (fonte: OECD-NEA 2008) /kwe (fonte: MIT 2009) 14

8 Esempio di smantellamento 15 Minimizzazione rifiuti e fasi di gestione Obiettivi Maggiormente preferibile Evitare Ridurre Confinamento Isolamento Riutilizzare Recuperare Minimizzazione Pretrattamento Trattamento Condizionamento Deposito lungo termine Smaltimento Rilascio Incondizionato Clearance levels Decontaminazione Fasi di gestione Azioni trasversali Caratterizzazione Deposito Temporaneo Trasporto Piano Controllo Att. β - γ < 1 Bq/g Att. α < 0,1Bq/g Materiali naturali (ICRP) Cemento 40 K = 0,4 Bq/g Tufo 40 K = 1,8 Bq/g Granito 40 K = 0,64 Bq/g Uomo 40 K = 0,06 Bq/g 14 C = 0,21 Bq/g 16

9 Schermaggio e Contenimenti La radioattività non è magica né diabolica, ma un ben conosciuto fenomeno fisico, che ubbidisce alle leggi della fisica e della chimica e può, quindi, essere schermata e contenuta. Per il combustibile esausto le barriere di contenimento e schermaggio sono: Pellet (Combustibile) Elemento di Combustibile Contenitore di trasporto e stoccaggio Edificio di Stoccaggio 17 Concetto multibarriera Per prevenire il rilascio della radioattività nell ambiente, i materiali ed i rifiuti radioattivi sono confinati all interno di un adeguato numero di barriere artificiali e naturali, con l obiettivo di: Proteggere le popolazioni (presenti e future) e l ambiente, fino a quando il contenuto di radioattività non avrà raggiunto un livello comparabile con quello naturale; Non esporre la popolazione a dosi superiori ai livelli stabiliti dalla legge: (0.01 msv/anno in condizioni normali e 1 msv/anno in casi incidentali). 18

10 Trattamento rifiuti radioattivi (1) I rifiuti radioattivi sono sottoposti a trattamenti chimici e fisici, il successivo processo di condizionamento. Combustibile esausto Ritrattamento U, Pu Rifiuti radioattivi secondari Rifiuti liquidi acquosi Concentrazione Acqua non radioattiva Concentrati e fanghi Rifiuti solidi combustibili Rifiuti liquidi organici Combustione Off-Gas non radioattivi Ceneri radioattive 19 Trattamento rifiuti radioattivi (2) Rifiuti solidi incomprimibili Grandi componenti Sorgenti radioattive Smontaggi Tagli Separazione Macinazione Operazioni specifiche Componenti inattivi Componenti radioattivi Rifiuti solidi comprimibili Rifiuti Compattati Supercompattazione 20

11 Condizionamento rifiuti (1) Il condizionamento è la conversione del rifiuto in una forma solida stabile e duratura, che ne consenta la manipolazione, lo stoccaggio, il trasporto e lo smaltimento. Ovvero un manufatto costituito dal materiale solidificato (es. cemento o vetro) inglobante il materiale radioattivo e dal contenitore esterno (es. fusto in acciaio). Cementazione Rifiuti solidi compattati Rifiuti liquidi omogenei 21 Condizionamento rifiuti (2) Vetrificazione Fusione vetro e colata Contenitore H = 1.3 m ø= 0.4 m Contenitore di trasporto e stoccaggio 22

12 Depositi temporanei Deposito temporaneo di rifiuti vetrificati Deposito temporaneo di rifiuti cementati 23 Lo smaltimento dei rifiuti radioattivi Il Deposito Superficiale o sub superficiale è costituito da sole barriere artificiali (opere ingegneristiche), idonee a mantenere confinata la radioattività per un periodo relativamente breve (tipicamente inferiore a 1000 anni), comunque sufficiente al decadimento radioattivo. Il Deposito Geologico è costituito da barriere artificiali (opere ingegneristiche) e barriere naturali stabili (formazioni saline, argillose, granitiche, etc.), idonee a mantenere confinata la radioattività per un periodo relativamente lungo (superiore a diverse centinaia di migliaia di anni), sufficiente al decadimento radioattivo. La qualificazione dei depositi è effettuata (Performance Assessment) con lunghi studi ed approfondite analisi dei fenomeni di dispersione della radioattività attraverso le barriere protettive 24

13 Lo smaltimento superficiale Modulo di isolamento Condizionamento Caratterizzazione e inventario Cella di smaltimento 25 Esempi di smaltimenti superficiali El Cabril (Spagna) La Manche (Francia) Drigg (Regno Unito) Morseleben (Germania) 26

14 Centro Ricerche di Cape La Hague La Manche (Francia) Un centro ricerche nucleari di avanguardia ed un eccellente polo industriale di settore 27 Lo smaltimento geologico Lo smaltimento in profondità dei rifiuti radioattivi a lunga vita ed alta attività e del combustibile irraggiato è attualmente attivamente avviato in Finlandia, Svezia, Stati Uniti, mentre altri Paesi (Francia, Giappone, Belgio, etc) sono in una fase di studio e progettuale molto avanzata. Le formazioni geologiche scelte sono principalmente i depositi salini, le sedimentazioni argillose e le rocce granitiche. Forsmark, Svezia Costruzione: Esercizio: Formazione di granito 500 m di profondità 28

15 WIPP - Waste Isolation Pilot Plant (USA) 29 NUMO Progetto di deposito geologico giapponese Surface facility Areaabout 1km 2 Underground facility Depth300m ~ Widthabout 2km * 3km - Total cost of disposal project: About 3 trillion yen (for about 40,000 units of high-level radioactive waste, up to 2021) - Balance of reserve: About 710 billion yen (as of March 2010) - Ordine di grandezza dei costi - Circa 3 trilioni di yen - sono 26,6 miliardi di - Con l attuale parco di 46,8 GW e un tasso di interesse del 5%, l impianto sarebbe ammortizzato in circa 30 anni con costo in un range di 0,47-0,14 cent /kwh a seconda del cash flow iniziale (30% + 30 rate costanti). 30

16 Laboratori sotterranei Haute-Marne, France. Strato di argilla a 500 m, (di 150 milioni anni) Germania Konrad, miniere di ferro; Gorleben, miniera di sale. 31 L ingegnere deve parlare con la gente e non al posto della gente 32

17 Prospettive attuali e a breve termine Kg tot , , ,7-26 % -44 % Attinidi Kg tot. 41,3 36,5 31,7-12 % -23 % 33 Prospettive a lungo termine Radiotossicità relativa Minerale di Uranio Deposito superficiale Barriere artificiali Prodotti di Fissione Rifiuti a breve vita O ~430 anni Combustibile esausto Rifiuti a lunga vita GEN IV Deposito geologico Barriere naturali ~ anni O 0, anni 34

18 Rifiuti Radioattivi in Italia Circa m 3 Circa m 3 35 L impegno dell ENEA rifiuti radioattivi L Agenzia, in collaborazione con le Università (CIRTEN) svolge fondamentali attività di R&S sulla gestione dei rifiuti radioattivi: Analisi di sicurezza e performance assessment per i depositi di rifiuti radioattivi di tipo superficiale e profondi; Modellistica dei fenomeni di dispersione dei contaminanti attraverso le barriere protettive di un deposito di rifiuti radioattivi; Acque superficiali Atmosfera Acque sotterranee Suolo Componenti biologiche Aggiornamento e revisione critica dell inventario; aggiornamento ed elaborazione dati sui rifiuti condizionati; Sistema Informativo sui rifiuti radioattivi. 36

19 L impegno dell ENEA tecnologie future Tecnologie di separazione degli attinidi e loro riciclo e trasmutazione con l obiettivo di ridurne la radiotossicità nel lungo periodo; Studi di scenari di chiusura del ciclo del combustibile (riciclo Pu e attinidi minori) e di cicli innovativi basati sulle tecniche di separazione e trasmutazione; U deposit Studio di reattori veloci (GEN-IV) raffreddati a metalli liquidi (Pb e Na) e reattori ad alta temperatura a gas (VHTR); Studio di reattori sottocritici (ADS) e di impianti per irraggiamento da neutroni veloci (esperimenti a potenza zero in Pb/Bi e progettazione facility MYRRHA in Belgio). 37 L impegno dell ENEA - advisor Partecipazione alle iniziative internazionali di settore (ARIUS e IGD-TP), mirate alla realizzazione di un deposito geologico europeo; Contributo alla definizione delle infrastrutture di ricerca per la realizzazione del Parco Tecnologico; Progettazione preliminare dei Laboratori di misure, qualificazione e certificazione di matrici di condizionamento; Revisione critica norme UNI; Metodologie di analisi deterministiche e probabilistiche del rischio associato alla costruzione ed operazione di depositi di rifiuti radioattivi di superficie e profondi. Attività di Security, Safety and Safeguards. 38

20 Servizio integrato ENEA-NUCLECO Istituti di ricerca, Ospedali, Medicina e Istituti Ricerca biologica, Industria farmaceutica. Industria: Fonderie Petrolifera Istituti di ricerca Altri Radio-luminesceni Rivelatori di fumo Parafulmini Servizio Integrato Operatori Privati Campoverde Protex Sicurad Sorim Deposito nazionale Incenerimento Trattamento e stoccaggio Rifiuti condizionati 39 Conclusioni 1. La produzione di rifiuti radioattivi è molto limitata in relazione all energia elettrica generata. 2. I rifiuti radioattivi prodotti sono sotto controllo, esistono soluzioni provate e sono state maturate numerose esperienze a livello mondiale per la loro corretta gestione e smaltimento. 3. Le responsabilità di gestione sono individuate ed esiste un solido regime regolatorio. 4. I processi per la minimizzazione dei quantitativi prodotti sono applicati con successo ed i programmi per la riduzione dei tempi di vita sono in una fase molto avanzata di sviluppo. 5. L agenzia nazionale per le nuove tecnologie, l energia e lo sviluppo economico sostenibile è fortemente impegnata in studi e ricerche che puntano sia all'ottimizzazione degli attuali processi e tecnologie, sia alla realizzazione di sistemi più efficienti e di minore impatto. 6. L ENEA fornisce al Paese un servizio di raccolta, trattamento e stoccaggio dei rifiuti di origine medica, industriale e della ricerca. 40

21 ENEA, Grazie dell attenzione 41 Approfondimenti Projected Costs of Generating Electricity, 2010 Edition, International Energy Agency (IEA) & Nuclear Energy Agency (NEA) Yangbo Du, John E. Parsons; Update on the Cost of Nuclear Power, Massachusetts Institute of Technology (MIT), Center for Energy and Environmental Policy Research, Maggio 2009 Organization for Economic Cooperation and Development Nuclear Energy Agency, Nuclear Energy Outlook, 2008 International Atomic Energy Agency (IAEA) Integrated Nuclear Fuel Cycle Information System (www-nfcis.iaea.org) Processing of Used Nuclear Fuel, World Nuclear Association, (www.world-nuclear.org) F. Troiani; Ciclo del Combustibile Nucleare e Rifiuti Radioattivi ENEA - ENERGIA, AMBIENTE E INNOVAZIONE 6/2009 (Gennaio 2010) F. Troiani; La gestione in sicurezza delle scorie nucleari Quaderni Darwin, editoriale Darwin srl, Roma, numero 1/2010 (Giugno 2010) F. Troiani et al.; Radioactive waste in perspective, OECD-NEA, Nuclear development 2010, ISBN no (Settembre 2010) 42

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