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Cosa è successo a Fukushima

Questo breve articolo si propone di descrivere in maniera abbastanza tecnica quello che è accaduto alla centrale di Fukushima in seguito al sisma di Tohoku dell'11 marzo 2011 e delle sue conseguenze generali. Si tratta naturalmente di una elaborazione a posteriori fatta sintetizzando tutte le informazioni raccolte fino a oggi, per questo tutto sembra evidente e in alcuni casi ovvio. Non è così, e chi ha seguito la vicenda dai primi istanti sa bene che la situazione nei primi mesi è stata molto confusa. Va reso quindi comunque onore a tutte quelle persone che sin dai primi momenti si sono prodigate per evitare un vero disastro nucleare, lavorando in un ambiente proibitivo e in pratica alla cieca per l'assenza di strumentazione affidabile.


 

1. Il contesto

L'11 marzo 2011 alle 14:46 ora locale giapponese, una delle scosse di terremoto più forti mai registrate nella storia scuote tutto il Giappone nord-orientale. L'USGS ci dice che si tratta di una scossa di magnitudine 9 della scala Richter, il più potente mai registrato in Giappone e il quarto fra i terremoti più forti in assoluto. Gran parte delle strutture del paese, comprese quelle elettriche, vanno in tilt.
Ma la tragedia non è ancora finita: il terremoto è localizzato in una zona a largo delle coste, quindi scatta l'allerta tsunami. L'altezza dell'onda attesa non è prevista con precisione, ma si sa che sarà molto alta. Lo tsunami raggiunge infatti l'altezza di 15 metri circa, causando l'inondazione di 520 kmq di terreno, circa 18.000 morti, 26.000 feriti e 3.000 dispersi, secondo le stime più recenti.
Il Giappone è una grande potenza industriale e provvede al 30% circa del suo fabbisogno energetico attraverso reattori nucleari a fissione, che producono 48 GW di potenza elettrica. Molti dei suoi siti nucleari sono lungo le coste e quattro in particolare sono quelli più interessati dal terremoto: Fukushima Dai-ichi, Fukushima Dai-ni, Onagawa e Tokai. Questi siti sono rappresentati nella cartina seguente.

 

Nell'immagine, che si riferisce alla situazione immediatamente precedete l'11 marzo, si vedono i reattori in funzione (quadratini), quelli in costruzione (triangoli), quelli programmati (cerchi) e quelli in fase di disattivazione (crocette). I colori rappresentano invece le diverse tecnologie di questi reattori: in rosso i PWR (reattori ad acqua in pressione), in giallo i PWR avanzati, in verde i BWR (rattori ad acqua bollente) e in blu i BWR avanzati. I 6 reattori in attività alla centrale di Fukushima Dai-ichi sono di tipo BWR, costruiti a cavallo tra gli anni 60 e 70 e che hanno raggiunto la prima criticità negli anni 70. Il numero 1 è un BWR-3 ed è il più vecchio: è in esercizio dal 1971 ed era previsto il suo arresto proprio nel marzo 2011. Gli altri 5 sono dei BWR-4, dei modelli appena più recenti del primo.

 


L'onda e il terremoto lasciano sostanzialmente intatti i reattori di Fulushima Dai-ni, Onagawa e Tokai. Questi reattori si spengono correttamente in accordo alle procedure di emergenza e in definitiva non preoccupano più di tanto. Il sito di Fukushima Dai-ichi invece è investito in pieno dall'onda anomala: le barriere costruite a protezione della centrale sono progettate per altezze massime di 5.7 metri, mentre l'onda reale sfiora i 15 metri. La conseguenza è evidente quanto drammatica: la centrale è investita in pieno dall'onda che tracima la protezione.


 

2. Concetti base di una centrale nucleare

Prima di proseguire e capire bene cosa è successo alla centrale, bisogna spendere due parole sul funzionamento di una centrale nucleare del tipo di quelle in esercizio a Fukushima Dai-ichi. Questa descrizione non è assolutamente esaustiva, naturalmente, e rimandiamo per alcuni approfondimenti ai vari link segnalati nel corso dell'articolo.
Come le centrali a carbone, a gas e geotermiche, una centrale nucleare produce energia elettrica trasformando una riserva di acqua in vapore, che viene fatto passare attraverso delle turbine che permettono di produrre elettricità. Nelle centrali nucleari, il calore necessario a riscaldare l'acqua proviene dalla fissione nucleare: quando un nucleo di uranio viene colpito da un neutrone, questo si scinde in due nuclei più leggeri liberando una certa quantità di energia sotto forma di energia cinetica dei prodotti di fissione, più una media di 2.5 neutroni per reazione. Questi neutroni, colpendo altri nuclei di uranio, permettono alla reazione di sostenersi. La reazione viene controllata inserendo delle barre di controllo, fatte di un materiale che assorbe i neutroni e che quindi tendono a spegnere la reazione (ma non è certo questo l'unico modo di controllo!).

Il combustible nucleare è fatto da piccole pastiglie (pellet) composte generalmente da diossido di uranio e prodotte in una sorta di materiale ceramico. Questi pellet sono inseriti in lunghe barre di zircaloy, a sua volte assemblate in moduli (gli elementi di combustibile).

 

Lo zircaloy è una lega speciale che fra l'altro resiste agli stress termici, è trasparente ai neutroni e permette una buona conduzione del calore. Questa rappresenta la seconda barriera di separazione del combustibile dall'ambiente esterno (la prima è la struttura ceramica del pellet stesso), e fra i suoi scopi c'è quello di mantenere confinati i prodotti di fissione all'interno delle barre di combustibile, in particolare quelli gassosi. L'insieme dei vari elementi di combustibile formano il cosiddetto nucleo, chiamato anche nocciolo o core.
Il nocciolo è inserito in un contenitore di acciaio ermetico, nel quale viene iniettata l'acqua destinata a trasformarsi in vapore e che ha di fatto la funzione di raffreddare il nucleo stesso. In altri termini, raffreddando il nucleo questa massa di acqua porta via abbastanza calore da farla passare allo stato di vapore, ed è questo vapore che aziona le turbine. Questa parte del circuito idraulico prende il nome di circuito primario. Il contenitore di acciaio prende il nome di RPV (Reactor Pressure Vessel) ed è il terzo livello di contenimento rispetto al mondo esterno.
Il RPV e le sue strutture ausiliarie sono racchiuse a loro volta in un contenimento di calcestruzzo rinforzato da acciaio chiamato PCV (Pressure Containement Vessel) che ha lo scopo, fra le altre cose, di contenere la diffusione della contaminazione in caso di emergenza. Il PCV è suddiviso in due zone: una parte "asciutta", chiamata drywell e che contiene il RPV, e una parte "bagnata", chiamata wetwell. Il wetwell è chiamato così perché contiene una grande quantità di acqua (la suppression pool o piscina di soppressione) che permette di scaricare l'eventuale pressione in eccesso nel PCV. 

 

La configurazione adottata nei reattori BWR di Fukushima Dai-ichi è chiamata MARK-I, e prevede una caratteristica forma toroidale per la suppression pool (le parti indicate con un numero sono spiegate qui).

All'esterno di tutto questo, un ulteriore e ultimo livello di protezione è costituito dall'edificio stesso del reattore. Si tratta di una costruzione industriale che serve per proteggere dagli agenti esterni tutti i servizi del reattore esterni al PCV, le tubature, le valvole e le piscine del combustibile esausto o di stoccaggio. Queste ultime sono delle apposite piscine di circa 15 m x 15 m x 15 m in cui vengono conservati gli elementi di combustibile estratti dal nocciolo, che sono fortemente radioattivi a causa del loro contenuto di prodotti di fissione, per farli raffreddare prima di essere trasportati in un deposito di stoccaggio centralizzato.
Occorre infatti precisare che gli elementi di combustibile irraggiati, come sono anche quelli in un reattore fermo, continuano a emettere calore (calore residuo) a causa del decadimento dei nuclidi radioattivi prodotti dalla fissione. Al momento dello spegnimento di un reattore come quelli di Fukushima questo calore corrisponde a circa 100 MW e dopo un anno nel reattore c'è ancora ancora una potenza termica residua di qualche megawatt (un approfondimento su questo tema qui). Questo implica una cosa fondamentale: anche a reattore spento bisogna continuare a raffreddare il nocciolo per un certo periodo di tempo. Siccome in cold shutdown (come si chiama lo stato di reattore spento) non c'è il raffreddamento dovuto al circuito primario, esiste un sistema ausiliario che si occupa di questo chiamato RHR (Residual Heat Remover). Se questo raffreddamento viene meno, l'acqua nel nocciolo si riscalda fino a entrare in ebollizione, e una volta evaporata le barre di combustibile cominciano a fondere. Si tratta del cosiddetto meltdown. La stessa sorte attende le barre di combustibile depositate nelle piscine di stoccaggio se il raffreddamento garantito da un sistema analogo all'RHR viene meno. Il problema delle piscine è in realtà molto delicato, se si pensa che gli elementi di combustibile non sono all'interno del RPV come avviene per il nocciolo. Potete trovare un approfondimento sui sistemi di raffreddamento di un reattore BWR qui.
E' appena il caso di notare che tutti questi sistemi hanno bisogno di elettricità per funzionare. In caso di interruzione dell'alimentazione elettrica, i reattori non sono però certo abbandonati a sé stessi: esiste infatti un generatore elettrico di emergenza costituito da diverse grosse unità diesel, capaci di produrre la corrente necessaria a mantenere i sistemi di emergenza in funzione e permettere così il normale spegnimento dei reattori. Nel caso anche i generatori diesel fallissero, esiste un ulteriore sistema di backup a batterie in corrente continua. Questo sistema è l'ultima barriera prima dell'interruzione completa di elettricità ai sistemi ed è concepito per resistere una decina di ore circa, normalmente abbastanza da permettere agli operatori di ripristinare il funzionamento almeno dei diesel. Questo è un punto essenziale da ritenere per comprendere quanto accaduto a Fukushima Dai-ichi.
Due domande potrebbero ora sorgere spontanee:

  • Perché le barre di combustibile usato altamente radioattive e calde sono tenute così vicine al reattore? La risposta è perché le barre estratte dal nucleo, ad esempio dopo una ricarica di combustibile, sono talmente calde e radioattive che non possono essere esposte all'aria. Esse devono essere maneggiate sempre restando sotto l'acqua, che raffredda e scherma le radiazioni. Esiste infatti un sistema di gru e di compartimenti che permette di passare il combustibile esausto direttamente dal nocciolo alla piscina restando sommerso.
  • Perché le centrali erano lungo la costa? Perché le centrali hanno bisogno di grossi quantitativi di acqua per smaltire il calore in eccesso a valle delle turbine. Questo vapore deve essere condensato e rinviato nel circolo di raffreddamento primario verso il nocciolo (questo vale per reattori BWR come quelli di Fukushima. Altri tipi di reattori hanno una diversa configurazione, gli interessati troveranno qui una breve descrizione delle varie filiere). Il circuito che raffredda quest'acqua, fisicamente separato dal circuito primario, è quello che necessita di grandi bacini di acqua esterni per mantenere basse la temperatura in questa parte del circuito. Gli scarichi all'esterno di questo raffreddamento non possono infatti superare i circa 30°C per ragioni ambientali. Per questa ragione, le centrali nucleari devono essere costruite vicino grandi bacini, mare o laghi.

Per semplificare la discussione, qui troverete un link agli acronimi più comuni utilizzati nel campo.


 

3. I danni alla centrale

 


(Queste foto sono stare prese dal sito http://cryptome.org/nppw-series.htm che ha pubblicato una ottima serie di foto riguardanti la centrale di Fukushima. Una visita a questo sito è d'obbligo.)



Siamo ora in grado di capire bene quello che è accaduto alla centrale di Fukushima.
Al momento della scossa di terremoto, i 14 reattori dei 4 siti maggiormente coinvolti si sono correttamente spenti secondo la procedura di emergenza detta SCRAM, che consiste sostanzialmente nell'inserire di colpo tutte le barre di controllo forzando così lo spegnimento istantaneo del reattore. I sistemi di raffreddamento di emergenza sono entrati correttamente in funzione ed i reattori anche se non in uno stato di esercizio normale, sono sotto controllo e spenti secondo procedure note e collaudate. Le strutture, naturalmente antisismiche, resistono in fin dei conti bene e i reattori sono in buono stato.
All'arrivo dell'onda di tsunami, le barriere dei tre siti di Fukushima Dai-ni, Onagawa e Tokai resistono abbastanza da non creare problemi alle centrali. Queste rimangono quindi nello stato di cold shutdown alimentato dai diesel di emergenza. Nella centrale di Fukushima Dai-ichi l'onda anomala supera invece le barriere e si riversa nel perimetro della centrale. L'acqua invade gli edifici e le strutture e, per la particolare configurazione, si riversa nella sala turbine, allagando nello stesso tempo i circuiti di raffreddamento a acqua dei diesel di emergenza, le sale con i pannelli elettrici e i diesel stessi collocati nel basamento del locale turbine.


(ancora dal sito http://cryptome.org/nppw-series.htm)


Infatti, come si vede dalle planimetrie, gli edifici turbine si trovano al di sopra del livello del mare, ma al di sotto della barriera di protezione. Entrambi sono dal lato mare dei reattori.

 

Tutto viene spazzato via, tubature, strutture, serbatoi di gasolio; diesel e pannelli elettrici vanno fuori uso e il sistema di alimentazione a batteria entra in funzione. Per avere un'idea delle condizioni in cui si sono trovati a lavorare gli operatori nei primi giorni, basta guardare queste due foto:

 
(ancora dal sito http://cryptome.org/nppw-series.htm)



Gli operatori sanno da subito che dovranno fronteggiare seri problemi nell'immediato futuro, ma a causa del terremoto c'è poco che si possa fare in questo momento: le batterie si esauriscono e dei 13 diesel presenti sul sito, solo uno si è salvato permettendo ai reattori 5 e 6 di proseguire lo shutdown correttamente. Si tratta dell'unico generatore diesel raffreddato ad aria e posto su una piccola altura a fiano dei reattori 5 e 6, che si trovano in una zona separata dagli altri 4.
Come abbiamo visto, sul sito sono presenti 6 reattori. Di questi, l'1, il 2 e il 3 erano in funzione, il 4 era in manutenzione - quindi con il pieno carico di combustibile nella piscina di stoccaggio - mentre il 5 e 6 erano spenti. I primi 3 reattori sono quelli che subiscono i maggiori danni, mentre è la piscina di stoccaggio del numero 4 a preoccupare maggiormente.
Non ci sono strumenti di misura funzionanti o affidabili, quindi non si conosce con esattezza il livello dell'acqua nei reattori. Nei primi tempi le stime sono piuttosto ottimistiche, però è evidente da subito la pressione nei RPV aumenta. Bisogna quindi trovare uno sfogo prima che le conseguenze siano catastrofiche: se la pressione è troppo elevata, neanche i sistemi antincendio possono funzionare. Quando la pressione supera ormai i limiti di progetto si decide di ventilare. Ventilare non è un'operazione banale, oltre a dover lavorare in un ambiente già contaminato occorre aprire una valvola di sicurezza che faccia passare il vapore in sovrapressione nella piscina di soppressione, in pratica a mano perché i servomeccanismi non hanno sufficiente corrente. Da questa piscina si fa poi ventilare tramite altre valvole e tubazioni verso l'esterno, attraverso quelle strutture a forma di camino che si vedono a fianco ai reattori nelle fotografie.

Questa operazione salva il contenimento primario, ma richiede il suo prezzo:

  • Una parte del vapore si riversa nell'edificio del reattore evidentemente a causa di alcune perdite nelle tubazioni, e questo vapore è ricco di idrogeno. L'idrogeno viene dalla reazione chimica dello zircaloy con l'acqua a temperature superiori ai 1200°C circa, e quando supera una certa percentuale nell'aria dà origine ad una miscela esplosiva. Infatti, tre esplosioni arrecano seri danni agli edifici esterni dei reattori. Nel caso del reattore 1 e 3 l'esplosione si è avuta nella parte alta dell'edificio, mentre per il reattore 2 l'esplosione si è originata verosimilmente nella parte bassa, danneggiando la Suppression Pool e causando una perdita di acqua contaminata. Questa è stata la prima e maggiore causa che ha dato origine alla contaminazione marina.
  • Il vapore che è stato ventilato nell'atmosfera è stato evidentemente a contatto diretto con il combustibile perché la guaina protettiva di zircaloy si è deteriorata, e quindi è radioattivo. Fra i due mali si è dovuto scegliere il minore: si è salvato il PCV, ma al prezzo di liberare nell'atmosfera una parte di vapore radioattivo. Questo ha dato origine alla contaminazione atmosferica e, in seguito alla deposizione delle particelle sul suolo, a quella terrestre.

Le strutture di contenimento dei reattori sono state quindi salvate, ma si pone ancora il problema del raffreddamento. Visto che i sistemi sono danneggiati o impossibilitati a funzionare per mancanza di corrente, si decide di ricorrere all'acqua di mare. E' stata una decisione brutale, meditata, ma necessaria. Usare l'acqua di mare significa rinunciare definitivamente alla centrale. L'alto contenuto di sali minerali, infatti, produce incrostazioni ovunque, per di più fortemente radioattive, e rende del tutto irrecuperabili vari sistemi del reattore. Può sembrare strano che si sia aspettato prima di prendere questa decisione, ma bisogna considerare che in quel momento la reale estensione dei danni tecnici al reattore non era ben nota e forse rimaneva una remota speranza di salvare qualcosa. La decisione viene in ogni caso presa e l'acqua di mare viene pompata nel circuito di raffreddamento primario modificato per l'occorrenza. Questa decisione permette di raffreddare il nucleo, ma crea un problema collaterale. Al principio questo circuito non era chiuso, quindi l'acqua che è stata direttamente a contatto con l'uranio del combustibile veniva stoccata sul posto in attesa di essere decontaminata. Rapidamente la quantità di acqua accumulata è divenuta ingestibile (si tratta di decine di migliaia di tonnellate), e una volta riempite tutte le cisterne di deposito si è dovuto prendere un'altra decisione sofferta: riversare in mare una parte dell'acqua meno contaminata. Questo è stata la seconda causa della contaminazione marina.
Successivamente è stato messo in piedi un sistema di ricircolo chiuso che, filtrando e decontaminando l'acqua, permette di utilizzare sempre la stessa, in maniera simile al sistema di raffreddamento originale. E' sempre necessario stoccare enormi quantità di acqua, ma la procedura tiene la strada. Per avere un'idea delle quantità gioco, ecco le ultime stime datate alla prima settimana di marzo 2012:

  Settimana
Precedente		 Previsione per
questa Settimana		 Settimana
Presente		 Previsione per la
settimana successiva
Acqua nei
reattori + turbine		 77 200 78 000 78 200 78 800
Acqua nello
stoccaggio		 15 500 17 650 19 480 22 520
Totale 92 700 95 560 97 680 101 320
Quantitativi di acqua contaminata da trattare alla prima settimana di marzo 2012, in metri cubi


I quantitativi previsti sono in genere inferiori a quelli reali a causa di una serie di piccoli problemi quotidiani che richiedono analisi e tempo. Questa fase dell'emergenza si rivela infatti la più "fastidiosa" potremmo dire, perché costellata di tanti piccoli incidenti: perdite localizzate nelle tubature di fortuna, cattive giunzioni, crepe causate dal gelo invernale. In ogni caso, il sistema tiene e riesce a funzionare adeguatamente. La procedura attuale di trattamento di queste acque è ben illustrata in questo schema:

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Per migliorare ulteriormente il raffreddamento dei reattori, il drywell è stato inondato a metà di acqua, in modo da immergerci il RPV. Nel caso ci sia un sospetto di criticità accidentale, viene generalmente aggiunto dell'acido borico nell'acqua di raffreddamento. Viene inoltre pompato azoto nel PCV per evitare ulteriori dispersioni di idrogeno.
L'esitazione dei primi istanti e il tempo necessario a mettere in piedi un minimo di raffreddamento è stato comunque sufficiente a provocare un meltdown parziale dei nuclei. Analisi successive effettuate in base agli strumenti rimessi in funzione e grazie a diverse simulazioni numeriche hanno permesso di stabilire che già dalle prime ore la temperatura nel core era salita abbastanza da provocare la fusione degli elementi di combustibile in una percentuale variabile dal 30% al 70%. Non ci sono indizi per pensare che questo corium sia fuoriuscito dal PCV, però è stata indentificata con sufficiente certezza la presenza di alcuni fori di qualche centimetro nei RPV, dovuti alle complesse reazioni chimiche innescate dal combustibile fuso a contatto con l'acciaio. La situazione più probabile è che il combustibile fuso si sia accumulato sul fondo del RPV e eventualmente fuoriuscito in parte dai fori di cui abbiamo parlato, rimanendo tuttavia confinato nella zona al di sotto del vessel nel drywell. Non ci sono neanche motivi di credere a criticità accidentali nel combustibile fuso e la situazione appare ormai sostanzialmente statica. Nel mese di dicembre si è potuto dichiarare così il "cold shutdown" dei reattori, un uso un po' improprio del termine che non ha mancato di suscitare qualche polemica. Certo non possiamo parlare propriamente di shutdown, ma i parametri che permettono di definire questo stato - temperatura inferiore ai 100°C e pressione 1 atm - sono stati raggiunti stabilmente.
I problemi non riguardano solo il core dei 3 reattori. Mentre il reattore 4 non ha destato preoccupazione (era vuoto, ricordiamo), la sua piscina è apparsa subito in gravi condizioni. La parte superiore dell'edificio del reattore è praticamente scomparsa a causa di una esplosione dovuta al riflusso di idrogeno al momento della ventilazione del reattore 3 in una conduttura comune al 3 e 4 e non c'è un sistema di raffreddamento adeguato. Inoltre, proprio perché il reattore 4 era in manutenzione, la piscina è a pieno carico.


(ancora dal sito http://cryptome.org/nppw-series.htm)


La struttura verde nella foto è la gru che permette di spostare gli elementi di combustibile e il fumo proviene dall'acqua a 90°C della piscina. Quest'acqua può andare rapidamente in ebollizione e prosciugarsi, lasciando allo scoperto le barre che possono così emettere gas radioattivi direttamente nell'atmosfera, e effettivamente è probabile che almeno la sommità di queste barre sia rimasta scoperta per un certo periodo di tempo. Dopo un primo tentativo di gettare acqua tramite elicotteri, viene deciso di utilizzare le pompe per le gittate di cemento per gettare invece acqua. Non è un'idea banale, e si rivela vincente.


(ancora dal sito http://cryptome.org/nppw-series.htm)


La struttura stessa della piscina di stoccaggio appare poco solida, è stata quindi puntellata con dei travi di acciaio.

Dopo queste operazioni, si è entrati in una sorta di "regime dell'emergenza" e la strada sarà molto lunga e piena di insidie. La più importante per le sue conseguenze è stata la scoperta nel mese di aprile di una perdita di acqua che da un pozzo di servizio si incanalava nelle gallerie tecniche al di sotto della centrale, fino ad arrivare a mare. Quest'acqua veniva quasi certamente dalla suppression pool danneggiata del reattore 2.

 


(ancora dal sito http://cryptome.org/nppw-series.htm)


Dopo lunghe ricerche la falla è stata alla fine tappata, ma lo sversamento in mare è stata la causa principale della contaminazione di questo ambiente. In seguito a questo evento, l'area davanti alla centrale è stata sbarrata per impedire l'ulteriore diffondersi della contaminazione in mare aperto e cosparsa di un tipo di zeolite particolarmente adatta all'assorbimento di cesio e stronzio.
Molto interessante è il fatto che per la prima volta si è fatto uso di robot per penetrare nelle zone della centrale proibite per gli esseri umani a causa delle radiazioni. Questi robot, di cui un esemplare è mostrato nella foto seguente:

 


(ancora dal sito http://cryptome.org/nppw-series.htm)


sono penetrati a più riprese negli edifici dei reattori, nel drywell e nelle zone ad alto rateo di radioattività permettendo di effettuare misure di dose e prendere foto e video per valutare l'esatta situazione all'interno dei reattori. In questo modo, si è potuto vedere l'interno del PCV del reattore 2 (qui). Attualmente, però, nessun robot è potuto ancora penetrare nelle zona al di sotto del RCV per ispezionare direttamente lo stato del combustibile. Sicuramente, non sarà una cosa che si potrà fare a breve.
Lo stato dei reattori è seguito costantemente sul sito unico-lab.blogspot.com, ed è disponibile una WebApp per monitorare quotidianamente i parametri dei quattro reattori e delle quattro piscine.


 

4. La cosiddetta Roadmap e la situazione attuale

Il piano di recupero totale del sito si estende su circa 30-40 anni. Questo lungo percorso, ormai noto con il termine inglese roadmap usato nei rapporti della TEPCO (la società elettrica proprietaria del sito), è stato suddiviso in tre fasi: a breve, medio e lungo termine. La fase breve comprendeva tutte le operazioni di prima emergenza che abbiamo descritto sopra, fino al raggiungimento dello stato di cold shutdown. Si può quindi considerare conclusa nel mese di dicembre, sostanzialmente in accordo con le previsioni. Le fasi a medio e lungo termine comprendono diverse altre operazioni:

  • stabilizzazione e miglioramento dei sistemi di emergenza installati,
  • rimozione dei detriti,
  • rimozione e gestione dei rifiuti radioattivi presenti sul sito,
  • rimozione del contenuto delle piscine di stoccaggio (entro 2 anni) e del combustibile nei noccioli dei reattori (entro 10 anni),
  • smantellamento totale degli edifici,
  • probabilmente, una bonifica totale del sito


Nella fase a medio termine occorrerà quindi rimuovere tutti i detriti delle esplosioni e ricostruire la copertura agli edifici dei reattori, seguita dall'installazione dei carroponte e delle gru per la rimozione in fusti sigillati del combustibile nelle piscine.


Lo stato attuale delle piscine di stoccaggio 3 e 4 è ben visibile in questi due video (una raccolta completa di video riguardanti la centrale potete trovarla su questo canale YouTube):

 


Contemporaneamente, si dovrà procedere alla rimozione del combustibile fuso all'interno del RPV. Per fare questo occorrerà individuare tutte le perdite nei vessel e nei sistemi annessi e poi allagarli. Si potrà quindi procedere all'apertura dei contenimenti e alla rimozione del combustibile fuso, la cui reale condizione è per il momento del tutto sconosciuta. Tutte queste operazioni dovrannno essere svolte sott'acqua, secondo procedure che dovranno essere immaginate in corso di opera. I detriti saranno poi temporaneamente stoccati nelle piscine del combustibile esausto, che saranno in quel momento vuote.

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si potrà quindi passare, non prima di 25 anni, alla demolizione degli edifici, cominciando dalle parti più attivate e contaminate, ovvero i contenitori di pressione e le turbine. Nella fase di demolizione delle ultime strutture, si dovrà fare inoltre particolare attenzione a non alzare troppa polvere per evitare la ridispersione nell'ambiente di particelle contaminate.


Tutte le informazioni riguardanti la roadmap possono essere ritrovate a questo link.


 

5. La contaminazione

Mettere i valori di contaminazione nel giusto contesto

Prima di discutere di contaminazione, i valori devono essere messi nel giusto contesto. Innanzitutto, è sempre una buona regola stabilire dei riferimenti con qualcosa di noto. Nei documenti ufficiali le unità di misura che compaiono più spesso sono i sottomultipli del Sievert (mSv/h et µSv/h, si tratta di una unità di misura degli effetti della radiazione) e i Bequerel/kg (una misura dell'attività di un nuclide, un Bequerel corrisponde a un decadimento per secondo). Un approfondimento di questo argomento potete trovarlo qui.
Iniziamo quindi fornendo i valori di dose cumulata per alcune attività comuni.

Sorgente Dose
Una banana 0.1 µSv
Radiografia ai denti 5 µSv
Volo alta quota 40 µSv
Vivere in un edificio in pietra 70 µSv/anno
K-40 naturale nel corpo 390 µSv/anno
Mammografia 400 µSv
Fondo naturale italiano 3.5 mSv/anno
Tomografia al torace 7 mSv
Fondo naturale medio a Ramsar 10.2 mSv/anno
Dose ricevuta dai lavoratori di Fukushima 180 mSv


La questione se esista un limite al di sotto del quale l'effetto delle radiazioni sia nullo è estremamente controversa, tuttavia è possibile dire che al di sotto di 100 mSv/anno non esiste alcuna certezza epidemiologica riguardo l'effetto delle radiazioni. Per questo motivo non è possibile determinare con sicurezza l'andamento dell'aumento del rischio di cancro al di sotto di questo valore. Vari approcci utilizzano diverse estrapolazioni (concave, convesse, lineari,...), ma quella che pare mettere d'accordo la maggior parte degli studiosi è l'approccio lineare (noto come LNT).

 


E' importante notare che a queste dosi gli effetti non sono lineari: l'effetto di una dose di 30 mSv non è 5 volte più pesante di 6 mSv. E' la probabilità di contrarre la malattia che aumenta, e non necessariamente di 5 volte. Naturalmente, nella pratica bisogna codificare il rischio di contrarre una malattia radioindotta in un sistema di leggi e controlli. Imponendo quindi in base a una valutazione probabilistica LNT che la probabilità in morti/anno sia di 0.001 per i lavoratori e 0.0001 per la popolazione, se ne derivano i limiti legali rispettivamente di 20 mSv/anno e 1 mSv/anno. Qualsiasi attività che rispetti questi limiti è considerata legalmente sicura, ma superare i limiti arrivando a circa 30 mSv per la popolazione non significa automaticamente maggiori casi di cancro, ma solo un superamento dei limiti previsti dalla legge.

5.1 La contaminazione del terreno

Occorre subito dire che la contaminazione del terreno al di fuori del perimetro è risultata in fin dei conti inferiore alle aspettative. Nella mappa riportata qui sotto si mostrano come esempio i risultati delle misure effettuate sul terreno in data 20 marzo 2011. Per ogni punto è riportato un identificativo del posto di misura (il primo numero in alto, fra parentesi quadre), poi il valore della misura in µSv/h e il valore delle misure precedenti se disponibili. I cerchi indicano la zona di evacuazione a 20 e 30 km dalla centrale.

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Come si vede i valori più alti si riscontrano nell'area immediatamente a Nort-Ovest della centrale. Il più alto come è logico aspettarsi si trova al limite della zona di evacuazione ed è pari a circa 60 µSv/h. Si tratta di un valore senz'altro consistente (proiettato su un anno darebbe circa 520 mSv, una dose che causa già i primi effetti biologici reversibili). Questi valori non sono comunque rimasti costanti, ma si sono registrati solo nei primi tempi e successivamente sono rapidamente diminuiti. La stima della dose totale integrata su un anno assorbita dalla popolazione di queste aree, che tiene conto del decadimento dello I-131 (che ha dato un grosso contributo iniziale, rapidamente scomparso), di quello parziale del Cs-134 e dei vari fenomeni di dilavamento è riportata nella figura seguente, frutto di due lavori: uno di misurazione in quota effettuato dal DOE (Departement Of Energy degli U.S.A.) e uno di modellistica fatta dall'IRSN (Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire) a partire da queste misure.

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Come si vede, queste stime sono in effetti ragionevolmente basse e rimangono parecchio al di sotto della soglia di 100 mSv/anno.
In alcune aree più vicine alla centrale si dovrà in ogni caso provvedere alla rimozione di alcuni centimetri di terreno, ad esempio vicino alcune scuole della prefettura di Fukushima dove il livello di radioattività ha comunque superato i limiti stabiliti per le attività all'aperto.
Misure a tappeto in diverse città permettono di indentificare di tanto in tanto degli hot spot ovvero dei punti isolati molto limitati spazialmente in cui la radiazione è parecchio più elevata del fondo: si tratta in genere o di punti che per la particolare configurazione permettono la raccolta e la concentrazione del pulviscolo radioattivo, ad esempio gli scoli delle grondaie, o punti caldi che per qualche motivo erano già presenti prima dell'incidente, ma di cui non se ne conosceva l'esistenza.
Diverso naturalmente il discorso che riguarda il perimetro della centrale e in particolare per quello che riguarda l'interno degli edifici dei reattori, dove si sono registrati valori alti fino a alcuni Sv/h all'interno del PCV (valori che è stato possibile misurare solo grazie ai robot). Per dare un esempio, ecco il prospetto delle misure riferite all'8 febbraio 2012. Da notare che in questo caso di parla di mSv/h.

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Come si vede, vicino al reattore 2 si arriva a ben 100 mSv/h. Si tratta di un valore di tutto rispetto perché lavorare cinque ore al giorno per tre giorni fa accumulare una dose di ben 1.5 Sv, un valore a cui i sintomi tipici dell'esposizione diventano evidenti. Anche diversi altri valori sono vicini a questa cifra o più alti. Un approfondimento sull'effetto delle radiazioni sul corpo umano può essere trovato a questo link.

5.2 La contaminazione alimentare

L'incidente di Fukushima ha avuto un notevole impatto sulla contaminazione alimentare. Questa è dovuta essenzialmente a tre nuclidi: lo I-131 (tempo di dimezzamento di circa 7 giorni), il Cs-137 (circa 30 anni) e il Cs-134 (circa 2 anni). Bisogna però distinguere diversi aspetti, in particolare la contaminazione marina da quella terrestre.
La contaminazione terrestre è dovuta essenzialmente ai rilasci atmosferici che sono ricaduti sul suolo sotto forma di pulviscolo, fenomeno che è stato accentuato dalle piogge e dalla neve. Fortunatamente, per la maggior parte del tempo il vento ha spirato verso il mare aperto, per cui una buona parte di questa componente è stata dispersa sugli oceani dove ha potuto diluirsi fino a diventare irrilevante. La parte che si è depositata sul suolo ha provocato, a parte una iniziale contaminazione superficiale della verdura a foglia larga per la quale è sufficiente un accurato lavaggio, una contaminazione importante di alcuni alimenti che si sono rivelati forti concentratori di cesio, in particolare i funghi e sicuramente buona parte del sottobosco. Il deposito della radioattività in ambienti selvatici e questi alimenti concentratori di cesio hanno quindi provocato a loro volta la contaminazione di alcuni animali selvatici. Si tratta in particolare della carne di cinghiale e di cervo e in maniera meno appariscente di orso.
Per quanto riguarda i vegetali, poche sono le specie che presentano una certa contaminazione e tutte, a parte i funghi, sono abbondantemente al di sotto dei livelli massimi previsti dalla legge. Un discorso a parte merita la carne bovina. Nel mese di luglio 2011 scoppia quello che potremmo chiamare "scandalo della carne bovina". E' accaduto che alcune partite di fieno contaminato proveniente dalla prefettura di Fukushima, evidentemente sfuggite ai controlli sanitari, sono state distribuite a diversi allevatori di altre prefetture (ricordiamo che è stato istituito una sorta di embargo sui prodotti della prefettura di Fukushima) producendo una contaminazione della carne bovina parecchio estesa e a macchia di leopardo. Il governo ha quindi immediatamente deciso di riacquistare a prezzo di mercato tutta la carne in commercio e i capi di bestiame con contaminazine superiore ai limiti di legge. A partire da questo istante, la campagna di misure si estende a dismisura e nulla più sfugge ai controlli, che diventano molto più stretti.
Alla data attuale, non è stata riscontrata alcuna contaminazione per quanto riguarda il pollame, le uova e la carne suina, deboli tracce invece per il latte. Questa è senz'altro una conferma del fatto che i controlli funzionano bene.
Per quanto riguarda la contaminazione marina, a parte il problema iniziale dello I-131 concentrato nelle alghe (alimento caratteristico del Giappone) e rapidamente scomparso, la contaminazione rimanente riguarda essenzialmente il Cs-137 e il Cs-134, che hanno tempi di dimezzamento decisamente più lunghi. La contaminazione marina risulta varia, anche se si notano alcune tendenze caratteristiche: una maggiore concentrazione nei pesci piatti e di fondale e in alcune specie di salmone e ayu, con valori che possono abbastanza facilmente superare i valori di legge. In generale si nota una certa tendenza alla diminuzione della contaminazione, dovuta probabilmente a fenomeni di sedimentazione.
Per chi volesse approfondire quest'argomento complesso, segnaliamo un paio di studi, uno condotto dall'IRSN, tradotto qui per il sito unico-lab.blogspot.com e uno condotto in proprio dal sito che troverete qui.L'andamento della contaminazione alimentare è inoltre seguito costantemente sempre su questo sito (link all'ultimo aggiornamento diponibile qui), dove è disponibile anche una WebApp per potersi orientare nelle circa 130.000 misure effettuate finora dal Ministero della Salute.
Le ultime parole per sottolineare che la contaminazione alimentare appare sostanzialmente limitata alla prefettura di Fukushima, con impatti minori nelle prefetture vicine di Miyagi, Ibaraki, Iwate e Tochigi e praticamente inesistente altrove.
In linea generale, possiamo dire che il governo giapponese ha applicato dei limiti abbastanza conservativi per la commercializzazione dei prodotti, limiti tali da permettere un'assunzione di dose di massimo 5 mSV/anno, dimostrando quindi interesse per la salute della popolazione.


 

6. La lezione da imparare

L'incidente alla centrale di Fukushima Dai-ichi è stato senz'altro uno dei più importanti, insieme a quello di Chernobyl (sebbene, diciamolo, parecchio diverso da questo per cause e entità della contaminazione) e quello di Three Miles Island. Come in tutti gli incidenti, l'importante è essere in grado di imparare una lezione da mettere a frutto nel futuro per evitare il ripetersi di incidenti di queste proporzioni. Diamo quindi uno sguardo veloce a quello che potremmo apprendere da questo incidente.

6.1 Il punto di vista tecnico

La prima domanda è sicuramente: era possibile prevedere un terremoto di questa potenza e progettare le centrali di conseguenza? La risposta a questa domanda è complessa ed esiste una disciplina a parte che si occupa di questo, il cosiddetto probabilistic risk assessment. Diciamo che in tutti i settori potenzialmente pericolosi si fanno delle valutazioni di rischio basate sugli eventi storici della regione. A posteriori è facile dire che si sarebbe dovuto progettare una centrale per resistere indenne ad un terremoto di magnitudo 9 e uno tsunami di 15 metri, ma chi ci garantisce che un domani non ci sia un terremoto di magnitudo 11 (mai registrato storicamente) e uno tsunami di 30 metri? La sicurezza al 100% per eventi naturali non può esistere, primo perché non è prevedibile un evento catastrofico che non si è mai verificato in precedenza e secondo perché può sempre verificarsi un evento maggiore di qualunque previsione. Quello che si fa nella pratica è valutare il rischio che una catastrofe naturale accada durante il periodo di attività della centrale e agire di conseguenza. Quando il rischio nell'arco di vita è ritenuto estremamente basso in rapporto al costo necessario per l'eventuale prevenzione, non si prende semplicemente in considerazione. E' così in tutte le attività umane, anche nelle ferrovie e negli ospedali ad esempio, ed è il meglio che si sa fare.
Detto questo, bisogna tuttavia evidenziare alcune cose. Innanzitutto, le centrali in esercizio erano obbiettivamente abbastanza vecchie. Centrali più moderne sono dotate di sistemi di sicurezza più robusti e quelle di futura III generazione saranno dotate anche di sistemi di sicurezza cosiddetti passivi, ovvero sistemi di emergenza che non hanno bisogno di corrente elettrica per garantire il raffreddamento del nocciolo perché si basano essenzialmente sulla convezione naturale. Centrali più moderne sono dotate anche di core catcher un dispositivo che permette di raccogliere il corium in caso di fuoriuscita dal RPV ed evitare tutti i rischi di una diffusione nel terreno. I vecchi modelli BWR di Fukushima non lo prevedono e sebbene a volte si facciano interventi a posteriori per aggiungere queste strutture, sono in genere interventi tecnicamente molto complessi e quindi costosi.
Nel caso più specifico di Fukushima Dai-ichi, ci si chiede perché i diesel di emergenza e tutti i quadri elettrici fossero proprio dove si trovavano, in una posizione che giudichiamo a priori rischiosa e per di più dal lato mare, e questo in una terra notoriamente sismica come il Giappone. I generatori diesel si sarebbero potuti installare più in alto, tanto più che a ridosso del lato interno della centrale dietro i reattori 1-4 esiste una piccola altura. I quadri elettrici potevano essere protetti meglio. Dobbiamo confessare che non abbiamo una risposta a queste domande, ma sicuramente forniranno una lezione importante per il futuro.
Un altro punto da cui trarre un importante insegnamento è l'assenza di procedure per un caso di emergenza come quello che si è verificato. Può sembrare strano, eppure diverse fonti dicono (e certe decisioni e ripensamenti durante l'emergenza ce lo fanno pensare) che non esistevano procedure per gestire emergenze di questo tipo. Semplicemente non si era mai immaginato che tutto potesse andare in tilt contemporaneamente: tutti i sistemi di emergenza, le linee elettriche, lo spegnimento di buona parte delle altre centrali elettriche, i collegamenti stradali e ferroviari interrotti. Siamo sicuri che anche questo ha fornito una lezione importante per il futuro e che gli esperti sono già al lavoro per produrre delle procedure e esercitazioni per far fronte a emergenze più gravi di quelle previste in passato.

6.2 Il punto di vista mediatico

Quello di Fukushima è stato anche il primo incidente di una certa gravità di cui si è avuto grande diffusione mediatica. Un'altra lezione importante da imparare riguarda il modo di comunicare con la gente e la stampa, e questa lezione si è appresa soprattutto a spese dell'azienda giapponese che gestiva la centrale. Ripetuti errori mediatici della TEPCO e del governo hanno provocato la perdita di fiducia della popolazione nello stato. Si è capito come la comunicazione in situazione di emergenza sia altrettanto importante della sua gestione e come sia fondamentale per il governo mantenere la fiducia dei propri cittadini.
Fra quelli che giudichiamo errori indichiamo:

  • aver effettuato delle simulazioni numeriche per studiare la diffusione della contaminazione e poi non renderle né pubbliche, né seguirle. Comprendiamo che queste simulazioni non erano affidabili al 100%, ma scoprire successivamente che la TEPCO aveva delle simulazioni che non ha reso pubbliche e che invece ha reso note alla base americana a Yokosuka, vicino Tokyo, non ha giocato a suo favore,
  • le evacuazioni avrebbero potuto essere decise in maniera più spedita, in particolare per Iitate, e soprattuto prendendo in considerazione i risultati delle simulazioni numeriche. Per l'assenza di comunicazione con i comuni e le province, alcune direttrici di fuga si sono quasi sovrapposte con la nube radioattiva, in particolare quelle verso Nord-Ovest,
  • una gestione non sempre comprensibile delle misure: si capisce la volontà di essere trasparenti al massimo, ma rilasciare grandi quantità di misure spesso organizzate male e incomprensibili al grande pubblico, misure di sensori poi giudicati guasti o palesemente rotti dal principio non fa che accrescere la diffidenza. Diffidenza che aumenta ancora di più quando ci sono annunci dati in maniera troppo frettolosa, ad esempio la comunicazione della presunta criticità nel reattore 2 a novembre, criticità che si è poi potuta escludere rapidamente con un minimo di analisi,
  • la cattiva gestione del fieno per l'alimentazione bovina, situazione che è decisamente sfuggita di mano al governo. E' vero che poi il governo stesso si è adoperato in maniera eccellente per riparare il danno, ma si sa che una perdita di fiducia nelle istituzioni è difficile da sanare, soprattutto se si parla di alimenti contaminati.
  • La decisione di ridurre ancora a partire dal 1 aprile 2012 il limite di legge per commercializzare i prodotti alimentari. Riteniamo che sia un errore per due motivi: in primo luogo, questa decisione non ha un reale fondamento tecnico, ma è di natura prevalentemente politica. In secondo luogo, alimenti che fino ad ora sono stati messi in vendita come buoni saranno vietati dall'oggi al domani, così come si creerà un conflitto con gli alimenti provenienti dagli altri paesi, dove i limiti rimarrano più alti. Crediamo che questo produrrà un'altra caduta di fiducia nel governo da parte della popolazione, che avrà l'impressione una volta di più di essere stata presa in giro, e che si rivelerà un boomerang come già accaduto in altre occasioni.

Valeriano Barassi, fisico


 

Referenze