FUKUSHIMA, NO CHERNOBYL

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1 A cura di Lucia FASCIANI A.A FUKUSHIMA, NO CHERNOBYL Che cos è l energia nucleare? L'energia nucleare è una forma di energia che deriva da profonde modifiche della struttura stessa della materia. E una fonte di energia primaria, ovvero è presente in natura e non deriva dalla trasformazione di altra forma di energia, ed è considerata una valida energia alternativa ai tradizionali combustibili fossili. Le reazioni che coinvolgono l'energia nucleare sono principalmente: - reazioni di fusione nucleare: i nuclei di atomi con basso numero atomico, come l'idrogeno, il deuterio o il trizio, si fondono dando origine a nuclei più pesanti e rilasciando una notevole quantità di energia (molto superiore a quella rilasciata nella fissione, a parità di numero di reazioni nucleari coinvolte). Finora, malgrado decenni di sforzi da parte dei ricercatori di tutto il mondo, non è ancora stato possibile realizzare, in modo stabile, reazioni di fusione controllata sul nostro pianeta. È invece attualmente possibile ottenere grandi quantità di energia attraverso reazioni di fusione incontrollate come, ad esempio, nella bomba all'idrogeno. - reazioni di decadimento radioattivo: coinvolgono i nuclei di atomi instabili che, tramite processi di emissione/cattura di particelle subatomiche (radioattività), tendono a raggiungere uno stato di maggior equilibrio in conseguenza della diminuzione della massa totale del sistema. - reazioni di fissione nucleare: si tratta della reazione che avviene all interno delle centrali nucleari. Essa consiste nel rompere il nucleo dell'atomo per farne scaturire notevoli quantità di energia: quando un neutrone colpisce un nucleo fissile (ad esempio di uranio-235) questo si spacca in due frammenti e lascia liberi altri due o tre neutroni (mediamente 2,5). La somma delle masse dei due frammenti e dei neutroni emessi è leggermente inferiore a quella del nucleo originario ed a quelle del neutrone che lo ha fissionato: la massa mancante si è trasformata in energia. Se accanto al nucleo fissionato se ne 1

2 trovano altri in quantità sufficiente e in configurazione geometrica adatta (massa critica), si svilupperà una reazione a catena in grado di autosostenersi per effetto delle successive fissioni dei nuclei causate dai neutroni secondari emessi dalla prima fissione. Funzionamento di una centrale Una centrale nucleare si basa sulla produzione di vapore per azionare una turbina che a sua volta è collegata a un generatore di elettricità, proprio come una centrale a carbone o a gas. Ma, a differenza di un impianto convenzionale, essa non brucia nessun combustibile. Per produrre il vapore si sfrutta invece la grande quantità di energia liberata dalla fissione (scissione) del nucleo di particolari atomi, in genere di uranio. L elemento caratterizzante di una centrale nucleare è dunque il reattore nucleare, al cui interno avvengono le reazioni di fissione che liberano energia sotto forma di calore. Il calore a sua volta riscalda il cosiddetto fluido di raffreddamento del reattore, in genere acqua, che consente di produrre vapore per azionare le turbine. Il procedimento di fissione nucleare produce materiali residui ad elevata radioattività che rimangono estremamente pericolosi per periodi lunghissimi (fino a tempi dell'ordine del milione di anni). Si tratta di vari elementi radioattivi leggeri (i prodotti di fissione) e di combustibile esaurito (uranio, plutonio ed altri radioelementi attinoidi pesanti) che vengono estratti dal reattore. Questo materiale, emettendo delle radiazioni penetranti, è molto radiotossico e richiede dunque severe precauzioni nel trattamento e nello smaltimento. Ad oggi applicazioni pratiche di soluzioni realmente definitive non sono ancora state realizzate e collaudate dal tempo. Un altro problema del combustibile nucleare utilizzato (le scorie radioattive comunemente dette) è il decadimento radioattivo che produce energia attraverso l'emissione di raggi beta (decadimento beta), motivo per il quale è importante raffreddare le barre di combustibile nucleare dopo lo spegnimento di un reattore o quando diventano non più utilizzabili per produrre energia. 2

3 Cosa è accaduto a Fukushima? Alle 14:46 ora locale dell 11 marzo 2011 si è verificato nel nord del Giappone un terremoto di magnitudo 9,0 della scala Richter con epicentro localizzato nel Pacifico, 130 km a est della costa dell isola di Honshu. L evento è stato seguito da uno sciame sismico di assestamento che ha coinvolto tutta la regione settentrionale giapponese con scosse di rilevante intensità, spesso al di sopra di magnitudo 6 della scala Richter. All'evento principale ha fatto seguito uno tsunami, che ha raggiunto un'altezza massima misurata di 7,2 m. I tempi di arrivo delle onde dello tsunami sono stati da 30 a 50 min dall evento sismico e, quindi, dall allarme. In seguito all evento sismico principale, i sistemi di protezione normalmente presenti in tutte le centrali nucleari hanno comandato lo spegnimento automatico di 11 dei 54 reattori installati in Giappone. La reazione di fissione a catena è stata dunque interrotta in tutti i reattori interessati dal sisma e tale è rimasta anche nelle successive fasi. La centrale di Fukushima-I (Daiichi) (reattori n. 1, 2, 3) - le altre 3 unità (n. 4, 5 e 6) della centrale di Fukushima-Daiichi al momento del sisma erano in arresto freddo per ispezioni periodiche programmate- e la centrale di Fukushima-II (Daini) (reattori n. 1, 2, 3, 4) si sono fermate al momento del sisma. Si tratta in entrambi i casi di reattori ad acqua bollente. L acqua di raffreddamento estraendo il calore prodotto nel nocciolo (core) bolle e produce vapore che viene separato dall acqua in un separatore posto sopra il core stesso. Il vapore è quindi convogliato tramite una linea vapore alla 3

4 turbina in cui espandendosi rilascia l energia che viene trasformata in energia elettrica. Il vapore ritorna liquido nel condensatore grazie ad uno scambio termico con acqua esterna proveniente da una sorgente fredda (acqua di raffreddamento). L'acqua condensata viene opportunamente riscaldata e ripompata nel vessel del reattore per ripetere il ciclo. Il flusso di acqua attraverso il nocciolo è garantito da pompe di ricircolo, le quali permettono anche il controllo della potenza del reattore attraverso la regolazione della portata. In caso di comportamento anormale del reattore le barre di controllo vengono tutte automaticamente ed immediatamente inserite e la potenza del reattore diminuisce fino a raggiungere - in poche decine di secondi - la potenza di decadimento. I reattori in questione, sebbene progettati e realizzati negli anni 60 e 70, applicano il principio basilare della sicurezza nucleare, ovvero quello della predisposizione di barriere multiple consecutive per scongiurare o ridurre il più possibile il rilascio di radioattività all ambiente esterno. In particolare nell architettura d impianto sono previste, partendo dall esterno, le seguenti barriere: - l edificio di contenimento secondario - il contenimento primario - il vessel - i tubi (guaine) in materiale metallico che contengono le pastiglie del combustibile nucleare - la matrice ceramica delle pastiglie di combustibile. I contenimenti più esterni servono sia per proteggere l ambiente dall impianto in caso di incidente con rilascio di prodotti radioattivi, sia l impianto dall ambiente in caso di attentati, terremoti e altri eventi naturali. Questo approccio ingegneristico di sicurezza, se non si verifica un incidente severo, garantisce una totale assenza di rilasci radioattivi all esterno. La degradazione di barriere successive comporta il rilascio di materiale radioattivo sempre più verso l esterno. Fusione del nocciolo Il problema principale una volta che l'impianto è messo in sicurezza è dato dal materiale del nocciolo che continua a riscaldarsi per il calore di decadimento che continua a prodursi. È necessario quindi assicurare il raffreddamento del nocciolo facendo circolare l'acqua (o altro fluido termovettore di raffreddamento) tra le barre tramite grosse pompe elettriche. Non producendo più elettricità ed essendo distaccata dalla rete elettrica, la centrale viene alimentata da generatori di emergenza (di solito a gasolio), che partono anch'essi in modo automatico per tenere in funzione tutti i sistemi di 4

5 sicurezza e raffreddamento. Smaltendo il calore del nocciolo, lo stesso, dopo qualche tempo, si raffredda a sufficienza. Se invece per un motivo qualsiasi tale smaltimento non può avvenire le barre si surriscaldano: superati gli 800º l'acqua di raffreddamento, già allo stato di vapore, comincia a scindersi in idrogeno e ossigeno. L'elevata temperatura porterebbe alla rottura del contenitore di acciaio speciale sigillato (il vessel): ciò costringe i tecnici a far fuoriuscire in maniera controllata, aprendo delle valvole, il vapore prodotto, misto ai gas di cui sopra; il vapore a contatto con la parete di contenimento di cemento armato della centrale condensa nuovamente in acqua (fortemente radioattiva), contaminando l'interno della centrale, mentre i gas, più leggeri dell'aria, si raccolgono sotto il soffitto. L'idrogeno è altamente esplosivo e basta una piccola scintilla per farlo scoppiare (è quello che è successo a Fukushima dove l'esplosione ha provocato la rottura del soffitto della centrale). Una volta fatto uscire parte del vapore dal vessel, il nocciolo, non più coperto totalmente dall'acqua, si riscalda molto più rapidamente fino a raggiungere i 1800º. A tale temperatura lo zirconio comincia a fondere, per cui il materiale fissile, ormai già fuso cola lungo le barre e si raccoglie sul fondo del vessel; aumentando la massa rispetto a quella contenuta in una singola barra, la fissione riprende vigore portando rapidamente alla totale evaporazione dell'acqua residua e alla necessità di ulteriori fuoriuscite volontarie di vapore per ridurre l'elevatissima pressione. La quantità di materiale fissile presente nel nocciolo e il suo grado di arricchimento in nessun caso potrebbero portare a una esplosione nucleare, ma un ulteriore innalzamento della temperatura potrebbe produrre la fusione del vessel e la conseguente diffusione del materiale fissile sul basamento di cemento armato refrattario della centrale e nell'ambiente nel caso in cui il contenitore di cemento fosse stato danneggiato dalle esplosioni dell'idrogeno di cui sopra. Per scongiurare tale evento a Fukushima si è gettata acqua di mare dal tetto ormai rotto, provocando il completo allagamento della centrale fino a che non si è riusciti a riavviare i sistemi di pompaggio messi fuori uso dallo tsunami. Nonostante questi tentativi, la fusione del nocciolo è avvenuta nei reattori 1, 2 e 3. Radiazioni Le radiazioni ionizzanti producono lesioni principalmente attraverso danni ai cromosomi. Dato che il materiale genetico costituisce una parte molto piccola della massa di una cellula, il danno si verifica raramente dall'impatto diretto delle radiazioni ionizzanti su una molecola genetica. Il danno è invece causato dalla rottura da parte della radiazione di altre molecole che formano radicali liberi chimicamente reattivi o composti instabili. Queste specie chimiche reattive poi danneggiano il DNA e disturbano la chimica cellulare in altri modi che producono effetti immediati 5

6 sul metabolismo attivo e sui processi di replica, ed effetti a lungo termine a causa di danni latenti alla struttura genetica. Le cellule sono in grado di riparare una grande quantità di danni genetici, ma le riparazioni richiedono tempo e i meccanismi di riparazione possono essere sopraffatti da danni rapidi e frequenti. Se una cellula cerca di dividersi prima che una riparazione sufficiente si sia verificata, la divisione cellulare fallirà e entrambe le cellule moriranno. Di conseguenza, i tessuti che sono più sensibili al danno di radiazione sono quelli che subiscono una rapida divisione. Un altro risultato è che gli effetti di lesioni da radiazioni dipendono in parte dal rateo di esposizione. Gli effetti dell'esposizione alle radiazioni sono divisi di solito in effetti acuti e latenti. Gli effetti acuti derivano tipicamente da esposizioni rapide, gli effetti appaiono da poche ore a settimane dopo che una dose sufficiente è stata assorbita. Gli effetti latenti richiederanno anni per comparire, anche dopo il termine dell'esposizione. Poiché gli effetti latenti di esposizione alle radiazioni sono cumulativi, e non sembra esistere alcuna soglia di esposizione al di sotto della quale non c'è alcun rischio, gli standard di sicurezza dalle radiazioni sono scelti in modo da ridurre al minimo l'esposizione alle radiazioni nel tempo. I tessuti di gran lunga più sensibili sono il midollo osseo e i tessuti linfatici - il sangue e gli organi che formano il sistema immunitario del corpo. I tessuti meno sensibili alle radiazioni sono quelli che non subiscono la divisione cellulare (cioè il sistema nervoso). Questo significa anche che i bambini e i neonati sono più sensibili al danno rispetto agli adulti, e che il feto è il più sensibile di tutti. Se la persona sopravvive, la maggior parte dei danni ai cromosomi sono riparati ed i sintomi della malattia da radiazione scompaiono. La riparazione non è però perfetta. Difetti latenti possono presentarsi anni o decenni dopo nei loro effetti sulle cellule riproduttive e nella forma di cancro. 6

7 Cancro La conseguenza più grave a lungo termine da esposizione alle radiazioni è l'aumento del rischio di cancro. Le stime della cancerogenicità delle radiazioni, soprattutto a bassa esposizione, hanno avuto la tendenza ad aumentare man mano che i dati epidemiologici si accumulavano. Come regola generale, sembra che il rischio di cancro è più o meno proporzionale all'esposizione totale a radiazioni, a prescindere dal rateo, dalla quantità o dalla durata. Si verificano deviazioni significative dalla norma di proporzionalità per l'esposizione totale. In particolare, le dosi basse (per il quale il rischio è comunque piccolo) ricevute per un lungo periodo di tempo sono molto meno cancerogene (di circa un fattore 2) rispetto alla stessa dose ricevuta tutta in una volta. Il rischio di cancro per esposizione alle radiazioni può essere espresso come l'aumento della probabilità durante l'arco di vita di contrarre un cancro fatale per unità di radiazione. Lo studio dell organizzione The Who sui rischi per la salute a seguito dell incidente nucleare del 2011 ha stimato il rischo di un aumento nelle patologie cancerose per la popolazione della prefettura di Fukushima, del resto del Giappone e di tutto il mondo. Lo studio, basato sull età, il sesso e la vicinanza alla zona contaminata, ha evidenziato un aumento nel rischio di insorgenza di cancro secondo specifiche tipologie di quest ultimo: - tutti i tipi di cancro - intorno al 4% nelle donne esposte da bambine - cancro al seno - intorno al 6% nelle donne esposte da bambine - leucemia - intorno al 7% negli uomini esposti da bambini - cancro alla tiroide - fino al 70% nelle donne esposte da bambine (il normale tasso di rischio di cancro alla tiroide nelle donne nell arco della vita è di 0,75%) Lo studio inoltre stima che 2/3 degli uomini che hanno lavorato nella centrale dopo l emergenza presentano un rischio di manifestare il cancro pari al resto della popolazione, mentre 1/3 di essi è destinato a vederne un aumento di rischio. Esposizione della tiroide La breve durata del radioisotopo di iodio-131 (tempo di dimezzamento 8 giorni) presenta un rischio dovuto alla tendenza dello iodio ingerito a concentrarsi nella tiroide. Lo Iodio-131 entra di solito nel corpo attraverso il consumo di latte contaminato, che a sua volta proviene dalla mungitura di mucche che consumano foraggio contaminato. Se lo I-131 è consumato tramite alimenti contaminati, circa un terzo dello iodio ingerito viene depositato nella ghiandola tiroide, che pesa circa 20 g negli adulti, e 2 g nei bambini. Ciò può portare a dosi molto elevate nella ghiandola, con 7

8 esposizioni trascurabili al resto del corpo. A causa delle ghiandole più piccole e del loro elevato consumo di latticini, neonati e bambini sono particolarmente vulnerabili alle lesioni della tiroide. Cesio-137 Questo metallo alcalino è chimicamente simile al potassio. Di conseguenza, è facilmente assorbito dalle piante alimentari e dai tessuti animali. Una volta consumato il cesio si distribuisce abbastanza uniformemente attraverso il corpo, il che significa che l'assorbimento di Cs- 137 provoca l'esposizione del corpo intero (un fatto ulteriormente aiutato dalla natura penetrante della sua emissione gamma). Il cesio ha un tempo di moderata residenza nel corpo, l'emivita di residenza è circa di giorni, in questo modo il corpo sarà ripulito dall'isotopo una volta cessato il consumo di materiale contaminato nel giro di alcuni mesi ad alcuni anni. Stronzio-90 e Stronzio-89 Lo stronzio è chimicamente simile al calcio e si deposita nelle ossa insieme al calcio. La maggior parte dello stronzio ingerito tuttavia non finisce nelle ossa, in quanto esso ha una emivita biologica di soli 40 giorni. Un pò meno del 10% viene mantenuto nelle ossa, ma ha un tempo di dimezzamento biologico di 50 anni. Dal momento che il midollo osseo è uno dei tessuti più sensibili del corpo alle radiazioni, questo crea un pericolo molto serio. Lo Sr-90 (28,1 anni di dimezzamento) può così causare danni a lungo termine, mentre lo Sr-89 (52 giorni) può causare notevoli danni a breve termine. Contaminazione marina ed alimentare Di sicuro tra i più disastrosi incidenti nucleari della storia, Fukushima è stato anche il primo a causare una forte contaminazione dell'ambiente marino, se si escludono le contaminazioni avvenute a seguito delle esplosioni di armamenti militari a scopo di test e dimostrazione. Quanto questa contaminazione sia importante per l'ecosistema e come potrà influenzare la catena alimentare è stato il fulcro di un documento dell IRSN (Istituto Francese per la Sicurezza Nucleare). Questo inquinamento proviene sia dalle ricadute nell oceano di una parte dei nuclidi presenti nell'emissione atmosferica dispersa dopo l incidente, che dal versamento di acqua contaminate dalla centrale. I radionuclidi che si fissano sulle particelle in sospensioni sull acqua o nei sedimenti in fondo al mare generano una contaminazione sedimentaria, specie in prossimità del litorale della centrale. L inquinamento radioattivo dell acqua di mare crea una contaminazione delle specie vegetali e animali che vi sono esposte. E così diverse specie di pesci sbarcati nei porti a sud della zona di Fukushima, hanno presentato concentrazioni di radionuclidi fino a 25 volte il livello massimo ammesso per 8

9 la loro commercializzazione. Una stima teorica e indicativa delle concentrazioni attese nei pesci, eseguita a partire dai valori misurati in acqua di mare, indica che questo livello massimo ammissibile potrebbe essere stato sorpassato fino a parecchie centinaia di chilometri dalla centrale. Fukushima e Chernobyl a confronto La scala internazionale di valutazione degli incidenti nucleari e radiologici INES (International Nuclear Event Scale INES) classifica avvenimenti rilevanti per la sicurezza negli impianti nucleari su una scala da 1 a 7. L incidente di Chernobyl del 26 aprile 1986 è stato a lungo l unico attribuito al livello più elevato 7. In seguito anche all incidente della centrale nucleare Fukushima-Daiichi dell 11 marzo 2011 è stato attribuito al livello INES 7 dalle autorità competenti. Si impone quindi un confronto tra i due avvenimenti per quel che concerne la causa e le conseguenze. Una differenza sostanziale tra i due incidenti è il tipo di costruzione dei reattori. Il reattore di Chernobyl era costruito in modo tale che in determinate circostanze non fosse del tutto scongiurato il rischio di una reazione a catena incontrollata. Ed è proprio quello che successe il 26 aprile 1986 nel corso di un test: nell arco di qualche secondo il reattore superò di diverse centinaia di volte la potenza massima prevista. L acqua del circuito di raffreddamento e altro materiale evaporò di colpo provocando un esplosione, che distrusse il 9

10 reattore e l edificio del reattore. A questo si aggiunse il fatto che, a causa della costruzione, il reattore conteneva grandi quantitativi di grafite che si incendiarono. In questo tipo di reattore la grafite ha la funzione di moderatore di neutroni necessario per mantenere la reazione a catena. L incendio della grafite durò diversi giorni, il calore sprigionatosi trasportò nell atmosfera notevoli quantità di radioattività fuoriuscita, provocando una diffusione molto estesa delle sostanze radioattive. Nel caso di Chernobyl, molto rapidamente dopo l inizio dell incidente fuoriuscì una quantità notevole di radioattività. In questo modo non si poté organizzare un evacuazione tempestiva e non solo il personale della centrale sul posto, ma anche la popolazione delle zone circostanti venne esposta a forti dosi di radiazioni. Nei giorni e nelle settimane successive si evacuarono inizialmente poco più di persone in un raggio di 30 km dalla centrale, negli anni seguenti altre La nuvola radioattiva trasportata in seguito all esplosione e all incendio in alta quota contaminò in misura diversa parte dell Ucraina, della Bielorussia e della Russia e anche estese regioni europee. Per far fronte all incidente, in particolare per evitare ulteriori emissioni di radioattive, si cercò di racchiudere il reattore dell incidente in un cosiddetto sarcofago e per questo si fecero intervenire centinaia di migliaia di lavoratori ( liquidatori ). Soprattutto le persone intervenute immediatamente dopo l incidente ricevettero dosi di radiazioni estremamente elevate. Secondo una stima delle autorità giapponesi la radioattività emessa sino a oggi nel sito di Fukushima è un decimo di quella di Chernobyl. A Fukushima la radioattività si diffuse più debolmente tramite l atmosfera, per cui la contaminazione non ha avuto la gravità di allargamento geografico che ha avuto Chernobyl. Nel caso di Fukushima, attualmente è ancora difficile valutare le conseguenze a medio e a lungo termine per l uomo e l ambiente. Globalmente si può però presumere che le conseguenze radiologiche dell incidente di Fukushima siano notevolmente meno gravi di quelle di Chernobyl. Intorno a Chernobyl è stato vietato l accesso ad una zona di 4000 chilometri quadrati e questa situazione si protrarrà ancora per molti anni. Attualmente non si può ancora affermare per quanto tempo sarà vietata la zona di rispetto con raggio di 20 chilometri dal sito di Fukushima-Daiichi. A parte le conseguenze radiologiche, non va dimenticato un ulteriore importante fattore: le conseguenze psichiche della paura delle radiazioni e dello sradicamento delle persone evacuate. 10

11 Sitografia Impact_accident_Fukushima_sur_milieu%20marin_ pdf dex.html