Un’occhiata dentro ai reattori

I reattori nucleari hanno una struttura complessa, al centro della quale è presente il nocciolo, dove avvengono le reazioni di fissione a catena. Tutto questo avviene all’interno del contenitore dove risiede il reattore, dietro una struttura in calcestruzzo, che funge da ulteriore schermo per le radiazioni. L’energia termica prodotta viene trasferita all’esterno e convertita, con meccanismi di efficienza più elevata possibile, in elettricità.

Si tratta di un sistema tecnologicamente molto complesso.

Ma come facciamo a dare un’occhiata al suo interno?

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Non è così semplice, soprattutto nelle situazioni in cui l’attività del reattore è interrotta o la struttura non permette un controllo rapido delle sue funzionalità.

Un metodo per effettuare una scansione della struttura interna di oggetti con dimensioni e densità elevate ha avuto origine negli anni ’50, con applicazioni in particolare in ambito vulcanologico ed archeologico.

ImageFig. 1: Nel caso in cui non sia possibile l’accesso all’interno della struttura della quale si vuole effettuare la misura, sono necessari dei meccanismi che permettono la ricostruzione di quanto scansionato mediante l’analisi di dati acquisiti all’esterno. In figura la planimetria dei dispositivi per il rilevamento dei muoni e dell’edificio del reattore di Tokai (Giappone), secondo lo schema dell’esperimento condotto dal gruppo di lavoro inter-universitario della High Energy Accelerator Research Organization, sotto la direzione di Atsuto Suzuki.

Questa tecnica prende il nome di muon scattering radiography (tomografia muonica) ed è stata negli ultimi anni ulteriormente sviluppata in numerosi centri di ricerca, tra cui il Los Alamos National Laboratory (LANL), che l’ha impiegata per l’analisi di oggetti all’interno di grossi contenitori. Il principio di questa tecnica è molto semplice ed è attualmente utilizzato in svariati settori e con diverse tipologie di materiali.

La tecnica di imaging con muoni è basata sull’impiego di muoni di origine cosmica, i quali avendo una massa a riposo circa 200 volte superiore a quella degli elettroni (105.6 MeV/c2), subiscono un’ accelerazione meno intensa al passaggio attraverso campi elettromagnetici generati dagli atomi di cui la materia è composta. Ciò si riflette in una capacità di penetrazione nei materiali molto maggiore.

La scansione viene effettuata utilizzando due rivelatori di muoni, posti alle due estremità della regione da analizzare. Le particelle, attraversando i materiali all’interno della zona sotto scansione, subiscono delle deviazioni nella loro traiettoria, con una dipendenza dalla tipologia di materiale attraversato.

ImageFig. 2: Schema di funzionamento per radiografie a diffusione di muoni. La traiettoria del muone di origine cosmica, in viola, viene misurata del sensore all’ingresso (upper detector) e all’uscita (lower detector). Come viene rappresentato dall’immagine, la traiettoria dei muoni subisce una deviazione dipendente dal materiale che la genera.

Nello specifico, la tomografia a muoni si basa sullo studio dello scattering (diffusione) multiplo, in cui la distribuzione angolare delle particelle è data dalla risultante della sequenza delle singole deviazioni cui le particelle sono soggette nell’attraversamento della materia. La qualità di questa tecnica aumenta con il crescere dello spessore dell’oggetto analizzato, in quanto, con un maggior numero di interazioni, la dispersione angolare può essere modellizzata come una distribuzione gaussiana. Le variabili che entrano in gioco sono gli angoli di traiettoria dei raggi incidenti e dei raggi uscenti, che a loro volta dipendono da lunghezza e dal peso atomico del materiale attraversato. Misurando, quindi, i raggi entranti ed uscenti, è possibile ricostruire la struttura interna dell’oggetto analizzato.

Questa tecnica tomografica può risultare particolarmente efficace nel caso si renda necessaria l’analisi di un reattore nucleare che ha subito dei danni interni che non possono essere visionati tramite un accesso fisico, come nel caso del reattore 4 della centrale di Fukushima. Si otterrebbe in tal modo una misura della situazione interna del reattore, rilevando eventuali fusioni e relative fuoriuscite di portata elevata, facilitando e soprattutto velocizzando le procedure di rimozione dei detriti.

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Fig. 3: Il possibile risultato di una tomografia muonica. Le linee nere mostrano la struttura circostante la zona dove si trova il materiale con maggiore peso atomico/molecolare, in verde-azzurro, come Uranio o Plutonio.

Ciò che complica nella pratica l’applicazione della tomografia muonica allo studio dell’incidente nella centrale di Fukushima è dovuto ad una ancora non consolidata esperienza dell’impiego di questa tecnologia in questo specifico ambito applicativo [1].

Alcuni test preliminari sono stati effettuati proprio nei laboratori del LANL e successivamente nel reattore nucleare attivo presso l’università del Nuovo Messico. Ulteriori studi sono stati quindi condotti presso i laboratori della Toshiba, finalizzati alla realizzazione di un tomografo a muoni di larga portata, applicabile alla centrale di Fukushima.

Le difficoltà ancora da risolvere sono solo di livello pratico, legate alle macchine da utilizzare per le scansioni (in particolare: risoluzione delle immagini prodotte ed algoritmi necessari per la sua ricostruzione), al loro utilizzo in zone ad alta esposizione per gli utenti, al controllo delle emissioni in prossimità del reattore. I vantaggi sono la capacità dei raggi cosmici di penetrare significativi strati di copertura e l’assenza di ogni dose aggiuntiva erogata in fase di raccolta dati oltre al flusso naturale dei raggi cosmici.

Note:

[1] La tecnica di tomografia muonica è stata incentivata nell’ultimo decennio dall’Unione Europea con il progetto Mu-Steel, basato su un metodo testato precedentemente dall’ Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN):

Link all’articolo – Nuclear Instruments and Methods in Physics Research – Inglese

Link alla presentazione – IPRD Siena

Un progetto attivo dell’Università del Studi di Padova e della locale sezione dell’INFN si chiama CMT(p) – Cosmic Muon Tomography (project) / (progetto su) Tomografia a Muoni Cosmici.

Dal sito http://mutomweb.pd.infn.it:5210/?page_id=258:

The most immediate application is to assess or exclude the presence of high density objects. This could allow the detection of hidden, shielded radioactive sources inside scrap metal headed to a melting facility.

(L’applicazione più rapida [della tomografia a muoni cosmici] è il rilievo della presenza/assenza di oggetti di alta densità [atomica]. Questo permette la rivelazione di sorgenti radioattive nascoste e protette all’interno di rottami di metallo diretti ad un impianto di fusione.)

Ecco un esempio attuale di utilizzo a livello industriale:

http://www.mermecgroup.com/news-e-events/press-releases/482/1/muon-tomography-to-improve-safety-in-steel-plants.php

http://crete13.org/presentations/8-2_Bonomi%20muSteel.pdf

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Quando si dice “stress test”

Apprendiamo dalla rivista Radwaste Solutions [1] che il cask modello HI-STAR 180, fabbricato dalla Holtec Int.l ed adibito al trasporto di combustibile nucleare, è stato sottoposto ad uno stress test molto particolare, che ha avuto luogo il 28/08/2013 presso i terreni di prova dell’esercito statunitense ad Aberdeen, Pensilvania.

Un missile di circa 494 kg, in poliuretano, lungo cinque metri e mezzo, riempito di materiale non-esplosivo e lanciato alla velocità di 974 km/h ha impattato su di un campione in scala del recipiente suddetto. Secondo quanto riportato dalla Holtec, il modello ha resistito all’impatto meglio del previsto e con ampi margini di prestazione.

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Fig. 1 A sinistra: il missile, pronto a partire, sul binario che lo vincola alla traiettoria. A destra: il bersaglio, prima del test e con alle spalle il “ricevitore”, ossia la struttura adibita ad accogliere il campione sbalzato dall’urto.

Il test è stato condotto per conto della Axpo Power AG, che sta cercando di ottenere la certificazione di questo tipo di dispositivi da parte degli enti regolatori svizzeri. Ingegneri, tecnici ed ispettori vari dell’Ispettorato Federale Svizzero per la Sicurezza Nucleare (ENSI) e dell’Associazione Svizzera per le Ispezioni Tecniche (SVTI) hanno assistito all’evento. In conformità con i requisiti dell’ENSI, il test è stato progettato per simulare l’impatto di un aereo che intenzionalmente o accidentalmente si schianti su di un HI-STAR in uso per lo stoccaggio e/o trasporto del combustibile nucleare esausto.

ImageFig. 2 Due fotogrammi ripresi ad alta velocità dove si vede il missile in procinto di colpire il modello in scala di un cask HI-STAR 180.

Nell’ispezione post-impatto i controllori della SVTI hanno confermato che il tasso delle perdite di elio da eventuali fessure/spaccature è risultato 1000 volte inferiore ai criteri stabiliti [2]. Inoltre, tutti i bulloni hanno mantenuto le loro proprietà elastiche ed in generale non si è verificata alcuna rottura nella struttura di contenimento.

Sul sito internet della Holtec Int.l sono disponibili alcuni video clip dove l’esperimento è ripreso da diverse angolazioni: www.holtecinternational.com/news/videos/.

L’HI-STAR 180 è già stato autorizzato nel 2009 dalla Commissione per la Regolamentazione Nucleare degli Stati Uniti (U.S. N.R.C) al trasporto di combustibile ad elevato burn-up [3] per reattori ad acqua pressurizzata e di combustibile ad ossidi misti (MOX), ed è in linea con i requisiti della IAEA per i cask di tipo B(U)F [4].

Contenitori di questo tipo forniscono tutte le funzioni necessarie per la gestione di materiale altamente radioattivo: rimozione passiva del calore, schermatura, garanzia di integrità del combustibile, mantenimento della sottocriticità, contenimento della radioattività [5].

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Stress test inerenti la resistenza agli impatti su cask non sono una novità in ambito nucleare. In altri casi è stata verificata, per esempio, la tenuta della struttura a seguito di caduta dall’alto. Ed in ogni caso tipicamente questi contenitori sono forniti di limitatori di impatto, una sorta di ammortizzatori, che sono in grado di assorbire gli effetti dannosi di eventuali cadute, ruzzolamenti, tamponamenti o urti di vario genere, e che vengono posti alle due estremità, ossia sopra il coperchio secondario e sotto il fondo.

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Tutto questo permette di escludere completamente ogni rischio legato al trasporto/stoccaggio di materiale radioattivo? NO. Qualche pignolo potrebbe evidenziare il fatto che il missile di cui sopra non conteneva materiale esplosivo, o altro ancora … l’essenziale consta, però, nel fatto che il “RISCHIO ZERO” non esiste, per nessuna attività, a meno che non si precludano tutti i pericoli o, meglio, si eviti l’attività stessa. Test come quello qui sopra descritto mostrano che i rischi, per quanto inevitabili, possono anche essere molto bassi, ovvero ragionevolmente accettabili.

 

Note ed approfondimenti:

[1] Rivista pubblicata dall’American Nuclear Society, nella quale si discute in modo approfondito e con un approccio pratico di tutte le problematiche relative alla gestione dei rifiuti radioattivi e ai ripristini ambientali: trasporto, rimozione, trattamento, pulizia, stoccaggio dei rifiuti a basso/medio/alto livello di radioattività. Gli articoli sono per la maggior parte contributi di tecnici del settore con specializzazioni che vanno dalla medicina alla ricerca universitaria, dalla consulenza legale al lavoro in cantiere. Molto spazio è dedicato agli inserti pubblicitari di ditte che si occupano della fornitura di dispositivi e/o servizi. 

[2] Perché l’elio?

Nella “famiglia” di Mendeleev l’elio è, come dire, lo “smilzo” (in realtà con massa molecolare ancor più piccola ci sarebbe l’idrogeno, che, però, è decisamente più inquadrabile come “attaccabrighe”, considerate le sue caratteristiche chimico-fisiche). Da qui l’impiego nei controlli non distruttivi (NDT), in particolare in quelli di tenuta, in qualità di gas tracciante: l’elio, fluendo attraverso fessure, incrinature ed interfacce assai strette, dove particelle più grosse non passerebbero, permette di rilevare perdite anche minime (fino a 10-11 mbar-l/s). Inoltre è un gas nobile, quindi inerte: non interagisce né con altri gas né con il manufatto da testare. Non ha colore, odore o sapore; non è tossico e in caso di dispersione nell’ambiente non crea alcun problema. Infine, essendo presente in atmosfera in quantità molto bassa, circa (5 ppm), permette di avere strumenti atti ad individuare le perdite con un rumore di fondo molto basso.

[3] Cos’è il burn-up?

Senza entrare troppo nei dettagli: tale caratteristica fornisce una misura della resa del combustibile nel reattore ed è legata al numero di fissioni che vi avvengono. Utilizzare combustibile fissile ad elevato burnup (i.e. consumo) permette di avere un elevato fattore di carico dell’impianto (e.g. > 90% , salvo fermate non programmate), specialmente con i reattori ad acqua leggera.

[4] I cask sono grossi contenitori, tipicamente di forma cilidrica (letteralmente dei barili, grosso modo 5 m di lunghezza per 1.5 m di diametro esterno), strutturati con più livelli di contenimento/schermatura/isolamento e per un assemblaggio a geometria predifinita del materiale da stoccare/trasportare. Sotto l’involucro esterno, il componente principale è di solito costituito da una virola in acciaio.

Il codice “B(U)F” identifica una particolare categoria della classificazione IAEA

[http://www-pub.iaea.org/mtcd/publications/pdf/pub1194_web.pdf].

[5] Leader nel settore è l’azienda AREVA-TNI, che si avvale anche di alcuni fornitori italiani per la fabbricazione di parti o dei componenti completi.