Passi avanti per il nucleare del futuro

Ripubblichiamo due articoli dedicati ai recenti sviluppi nei progetti di ricerca per la realizzazione di una nuova generazione di reattori nucleari da fissione.
Gli articoli originali sono disponibili qui e qui.


Terrapower ci riprova: progetto NATRIUM

Terrapower, l’azienda creata da Bill Gates con lo scopo di fornire soluzioni avanzate al problema del riscaldamento globale, ha appena rivelato un nuovo progetto basato sul nucleare.
Secondo quanto descritto sul sito e dai principali media USA (ad esempio Reuters e NYT), la compagnia, in team con GE-Hitachi, vuole proporre un SMR che, dalle info rilasciate, sembrerebbe basato sulla tecnologia del PRISM di General Electric. Quindi un reattore veloce raffreddato a sodio liquido (da cui il nome NATRIUM), scalata ad una potenza di 345 MWe.
PRISM è un reattore di 4° generazione, dotato di sicurezza intrinseca, alimentato da combustibile metallico invece che ossido, come nei convenzionali reattori PWR/BWR. E’ quindi capace di riciclare combustibile usato e funzionare da “burner” per ridurre la quantità di “rifiuti” della filiera.
La particolarità del progetto sarebbe nell’accoppiata con un sistema di storage termico a sali fusi. Questo lo renderebbe particolarmente interessante in un ecosistema nel quale sia presente una quota elevata di fonti intermittenti.
I nostri lettori ricorderanno che questa caratteristica è ad esempio presente anche nel progetto MOLTEX.
Seguiremo questo progetto e vi terremo informati degli sviluppi, sperando abbia maggior fortuna dello sfortunato TWR.

NuScale al traguardo della certificazione del design, ma la strada è ancora in salita

NuScale Power è la prima azienda, e per ora l’unica, ad ottenere da parte della Nuclear Regulatory Commission (NRC) statunitense la certificazione del proprio design di Small Modular Reactor. Tale certificazione, ottenuta al termine di un esame di tutte le specifiche di sicurezza del concetto di reattore proposto, ha durata di 15 anni (rinnovabile) e sostanzialmente apre le porte alla commercializzazione dei reattori modulari NuScale.

Il parere positivo ottenuto dall’Advisory Committee on Reactor Safeguards (ACRS) non è tuttavia senza ombre. In particolare è stato rilevato un possibile difetto nell’impianto di raffreddamento del nocciolo, nel quale acqua addizionata di boro circola più volte attraverso cicli di evaporazione e condensazione. Tuttavia, la fase di evaporazione priverebbe l’acqua del boro, riducendone la capacità di assorbire neutroni, dunque di interrompere la reazione a catena.

NuScale avrebbe già risolto questo potenziale problema, malgrado ciò l’ACRS ha chiesto un’ulteriore valutazione di questo meccanismo di sicurezza e del rischio connesso all’immissione accidentale nel circuito di acqua priva o povera di boro, richiesta fatta propria dalla NRC.

Tali approfondimenti saranno dunque oggetto d’esame al momento della richiesta di licenza operativa per uno o più reattori NuScale.

L’importante traguardo della certificazione del design è ulteriormente offuscato dai tentennamenti del primo cliente annunciato di NuScale, la Utah Associated Municipal Power System (UAMPS): l’utility elettrica ha infatti in progetto la realizzazione di una centrale NuScale da 12 moduli di potenza complessiva pari a 720 MW la cui costruzione dovrebbe cominciare nel 2023, per essere operativa nel 2026. Tuttavia, citando l’aumento dei costi attesi e l’intervenuta contrarietà al progetto di alcune municipalità che aderiscono all’utility, UAMPS avrebbe espresso a NuScale l’intenzione di rimandare il progetto di 3 anni.

La posizione più cauta di UAMPS potrebbe essere dovuta anche ad una campagna stampa fortemente ostativa al progetto, montata da alcuni media locali anche ad opera di organizzazioni ambientaliste, come The Union of Concerned Scientists e Uranium Watch, da sempre su posizioni critiche o del tutto contrarie al nucleare.

Gli sforzi di NuScale per far percepire i reattori modulari intrinsecamente sicuri, tanto da postulare la riduzione quasi a zero dell’attuale area di emergenza (di 32 km di diametro) prevista per la loro installazione, non sembrano per ora aver fatto presa, almeno nel pubblico.

Secondo i detrattori, il design che ha ottenuto la certificazione prevede moduli di potenza pari a 50 MW ciascuno, mentre la centrale dello Utah vedrebbe moduli di 60 MW di potenza, che dunque richiederebbero una nuova valutazione. Dal canto suo NuScale replica che l’aumento di potenza del 20% ricade negli ampi margini di sicurezza del design e non ha implicazioni di sicurezza rilevanti. Inoltre la licenza dello specifico impianto avverrebbe in seguito ad un altro esame approfondito da parte della NRC, come da prassi.

Sul fronte dei costi, a chi obietta che il progetto sia troppo costoso per una utility privata, UAMPS risponde che i costi previsti sono pari a 55 $ al MWh, competitivi quindi con altre fonti di produzione elettrica, quali il gas naturale e le rinnovabili.

Come abbiamo già avuto modo di sottolineare in un precedente articolo sui reattori modulari, molta della fortuna di questi progetti dipenderà però non soltanto dalla loro capacità di mantenere le promesse, ma anche dall’apertura mentale degli organismi regolatori e dalla loro capacità di evolvere al pari della tecnologia e, per quanto riguarda la riduzione dei tempi e dei costi di costruzione, dalla capacità di armonizzare a livello internazionale i requisiti normativi.

Rendering di un modulo di potenza NuScale (foto NuScale via World Nuclear News)

Qualche chilo di Uranio per trasferirsi su Marte

di Martina Gallarati

Una missione spaziale è un viaggio unico nel suo genere, che per sua natura deve essere programmato nei minimi dettagli. Sonde inviate per indagare pianeti e corpi celesti lontani, satelliti che orbitano attorno alla terra per raccogliere dati, o navicelle che prevedono la presenza di un equipaggio per condurre ricerche e sperimentazioni: in ognuno di questi casi è necessario che ogni strumento scientifico funzioni correttamente…e che disponga di sufficiente energia elettrica per farlo!

Quando il Sole non basta.

Per alimentare gli strumenti e gli apparati di bordo in uso durante una missione spaziale, tipicamente si utilizzano grandi pannelli fotovoltaici, che convertono l’energia proveniente dai raggi solari in energia elettrica. In aggiunta a questi, sono sempre presenti dei sistemi di accumulo dell’energia prodotta, come ad esempio delle batterie, che alimentano la navicella quando i pannelli fotovoltaici non sono direttamente esposti ai raggi solari. Sappiamo tutti, però, che le batterie hanno un’autonomia limitata nel tempo e che prima o poi si scaricano: a chi di noi non è mai capitato che la batteria del cellulare o dell’auto si scaricasse nei momenti meno opportuni? Supponiamo quindi che la nostra sonda si trovi in una posizione per cui i raggi solari che vi incidono sono troppo deboli. In questo caso entreranno in gioco le batterie, che erogheranno energia elettrica finché anche loro non saranno più utilizzabili. A questo punto, la domanda sorge spontanea: gli scienziati hanno pensato ad un piano C? Naturalmente! La navicella può essere dotata di una massa variabile, a seconda degli utilizzi, di elementi radioattivi. La peculiarità di un elemento radioattivo è che incorre in un processo di decadimento che, tra i suoi effetti, ha anche quello di produrre calore. Questo è l’aspetto sul quale ci concentriamo: il calore prodotto dal decadimento può essere convertito in elettricità. L’indiscutibile vantaggio di questa tecnica è che produce energia continuativamente nel tempo, perché gli elementi radioattivi scelti per questa applicazione hanno una emivita molto lunga e si “consumano” molto lentamente. Questo significa che possono funzionare per tantissimi anni (più di una vita umana!) senza bisogno di alcun intervento di sostituzione o manutenzione, indipendentemente dalla presenza o assenza dell’esposizione ai raggi solari. Si capisce quindi perché l’implementazione di questi elementi radioattivi sia di fondamentale importanza: in questo modo si ha sempre a disposizione dell’energia durante una missione, anche quando i raggi solari sono schermati e le batterie scariche. Se poi immaginiamo che la sonda sia stata lanciata nello spazio per esplorare corpi celesti lontani, troppo distanti dal Sole, allora questa soluzione diventa automaticamente il piano A.

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Figura 1. I grandi pannelli fotovoltaici della Stazione Spaziale Internazionale. [NASA]

Dai decadimenti radioattivi all’elettricità

Sulla base di questo principio, sono stati realizzati diversi sistemi adatti all’utilizzo nello spazio. Tra questi, i più utilizzati sono senza dubbio i generatori termoelettrici a radioisotopi. Non lasciamoci intimorire dal nome complicato: il funzionamento è esattamente quello descritto precedentemente. Si tratta di dispositivi che contengono una massa di elementi radioattivi a vita lunga; il calore prodotto dal loro decadimento radioattivo viene continuativamente convertito in elettricità. Normalmente sono utilizzati a questo fine il Plutonio 238, l’Americio 241 e, in misura minore, il Polonio 210. Questi generatori sono stati ampiamente utilizzati durante le missioni spaziali. Per riportare solo un esempio, sono stati utilizzati 33 kg di ossido di Plutonio 238 per alimentare la sondadella missione spaziale Cassini-Huygens, una missione frutto della collaborazione tra NASA, ESA ed ASI e avente come oggetto lo studio di Saturno e del suo satellite Titano. I risultati scientifici raccolti durante questa missione stanno permettendo di approfondire la conoscenza della composizione e della struttura del sistema planetario di uno dei più complessi pianeti gassosi.

Riscaldamento nucleare

Una seconda classe di dispositivi è rappresentata dalle unità di riscaldamento a radioisotopi. Questi strumenti funzionano come quelli precedenti, l’unica differenza è che il calore prodotto dal decadimento non è convertito in elettricità bensì utilizzato direttamente. Più precisamente, il calore prodotto viene impiegato per tenere caldi gli strumenti scientifici, così da garantirne il corretto funzionamento. Anche di questo aspetto abbiamo sicuramente fatto esperienza: in inverno, quando fa particolarmente freddo, la batteria del cellulare ha vita molto breve e tende a scaricarsi rapidamente. Per mantenere gli strumenti utilizzati nello spazio alla loro temperatura operativa ideale possono essere sufficienti alcuni grammi di isotopo radioattivo, tipicamente quelli visti precedentemente. Per riportare un esempio di questa applicazione possiamo tornare indietro alla storica missione lunare Apollo 11 che portò l’uomo sulla Luna per la prima volta: il sismometro, posizionato sul Mare della Tranquillità per misurare eventi sismici lunari, era provvisto di alcuni grammi di Plutonio 238. Le unità di riscaldamento a radioisotopi hanno trovato applicazione specialmente sulla Luna, per via della sua fredda e lunga notte, della durata di due settimane.

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Figura 4. Buzz Aldrin trasporta due componenti importanti per l’acquisizione di alcuni dati lunari: il Passive Seismic Experiments Package (sismometro) a sinistra, e il Laser Ranging Retro-Reflector a destra. [NASA]

Centrali nucleari volanti.

Gli elementi radioattivi non sono gli unici strumenti di natura nucleare che si utilizzano per queste applicazioni. L’ultima categoria di dispositivi è rappresentata da veri e propri reattori nucleari, di dimensioni molto più compatte rispetto a quelli presenti sulla Terra. Il principio fisico che ne governa il funzionamento, tuttavia, è analogo: i reattori nucleari sono in grado di fornire elettricità convertendo il calore prodotto dalle reazioni di fissione dell’uranio. Rispetto al caso precedente, quindi, il calore è prodotto da reazioni nucleari sull’uranio anziché dal processo di decadimento. I piccoli reattori nucleari per la produzione di elettricità a bordo sono in grado di fornirne molta di più dei generatori a radioisotopi citati precedentemente e sono quindi pensati per scopi più ambiziosi. In questo senso, la NASA sta portando avanti un progetto di ricerca molto importante che mira alla realizzazione di Kilopower, un reattore nucleare piccolo e leggero, che dovrebbe contenere circa 44 kg di Uranio 235 e che sarebbe in grado di fornire continuativamente fino a 10 kW di potenza elettrica. Per avere un’idea, il reattore sarebbe in grado di alimentare diverse abitazioni medie per almeno 10 anni! Kilopower avrà il principale obiettivo di alimentare missioni di lunga durata con equipaggio sulla Luna, su Marte e verso altre destinazioni. L’utilizzo di 4 Kilopower potrebbe garantire la fornitura di potenza per alimentare un avamposto umano sulla Luna o su Marte.

La ricerca e lo sviluppo di soluzioni sempre più innovative fanno sì che il fondamentale contributo della fonte nucleare all’ambito spaziale sia senza dubbio destinato ad evolversi e a crescere. Nel frattempo, iniziamo a sognare una vacanza su Marte!

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Figura 5. Prototipo del reattore Kilopower, sviluppato presso il Glenn Research Centre della NASA. Il reattore è costituito da un nocciolo che ospita l’uranio in basso, dai condotti per il trasferimento del calore al centro e infine dai motori Stirling in alto. [NASA]
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Figura 6. Immagine futurista del network di reattori Kilopower che garantirebbero l’alimentazione di una postazione su Marte. [NASA]

Per saperne di più:

Immagini:

1. https://www.nasa.gov/archive/content/solar-arrays-on-the-international-space-station

2. https://www.jpl.nasa.gov/missions/cassini-huygens/

3. https://www.nasa.gov/directorates/heo/scan/images/history/December2004.html

4. https://www.nasa.gov/content/buzz-aldrin-deploys-apollo-11-experiments

5. https://aerospaceamerica.aiaa.org/departments/space-nuclear-power-seriously/

6. https://aerospaceamerica.aiaa.org/departments/space-nuclear-power-seriously/

Quarto aperitivo nucleare in vista

La produzione di energia da fissione nucleare in Italia è sempre stata proibita? No! Abbiamo costruito ed operato centrali e la Nazione era pronta ad un grande balzo in avanti. Poi è arrivato il grande stop dal referendum post Černobyl.
Ricostruiremo insieme una panoramica della storia del nucleare in Italia fino ai due referendum, per poi ripartire dalla situazione del presente e del futuro delle centrali, cioè il decommissioning e lo stoccaggio dei rifiuti radioattivi, provenienti non solo dalle centrali in smantellamento.

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Razzi Nucleari

di Pasquale Barbato

Dal momento in cui l’uomo ha compreso che nel nucleo atomico è contenuta una grande quantità di energia e che questa energia può essere recuperata e utilizzata, tante applicazioni sono state pensate e realizzate.

L’idea di sfruttare questa nuova fonte energetica per scopi propulsivi attirò da subito l’attenzione delle superpotenze, degli Stati Uniti in particolare, che misero in atto importanti piani di ricerca e sviluppo per dare vita a questa sconosciuta tipologia di tecnologie. Con questo spirito nel 1955 iniziò le prove in mare il Nautilus, capostipite di quella che senza dubbio è stata la più felice applicazione dei reattori propulsivi: la filiera dei sottomarini.

L’adattamento alle esigenze dell’aerospazio fu invece più complicato ed è bene, prima di addentrarci in questo mondo, fare un’importante premessa: nessun razzo nucleare termico costruito dall’uomo ha mai volato. Non che questo tolga dignità alle altre applicazioni che l’energia nucleare ha avuto nel settore spaziale: i generatori termoelettrici a radioisotopi hanno fornito energia elettrica a numerose missioni, a partire dalle missioni Apollo che hanno portato l’uomo sulla Luna. Quello di cui vogliamo parlare però è qualcosa di diverso, ovvero l’utilizzo di un piccolo reattore nucleare a fissione per riscaldare un fluido da espandere poi in un ugello ed espulso per fornire una spinta. Il principio è lo stesso di qualunque tipo di razzo (tecnicamente, endoreattore) che solitamente sfrutta una reazione chimica per produrre energia termica.

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Schema di funzionamento del motore nucleare

In questo schema è rappresentato un reattore nucleare adattato per il volo. In questo caso il fluido propulsivo è idrogeno che riceve energia direttamente dal reattore fungendo anche da refrigerante. È bene osservare che molti dispositivi non erano ancora tecnologicamente maturi a sufficienza quando, negli anni ’60, cominciarono i test su questi tipi di reattore. Per esempio, non erano disponibili turbopompe adeguate alle portate di idrogeno necessarie ad evitare la fusione del nocciolo.


Per capire l’interesse suscitato dall’alternativa nucleare basta considerare la cosiddetta velocità efficace di uscita, parametro che rappresenta la spinta per unità di portata di propellente. I più performanti endoreattori chimici a propellenti liquidi criogenici raggiungono velocità efficaci di 4500 m/s, mentre quella di un razzo nucleare è stimabile come almeno il doppio. D’altra parte, oltre alle varie problematiche tecniche, spedire oggetti nello spazio ha un costo, e questo costo lo si calcola in termini di peso. Dopo la Seconda guerra mondiale un reattore completo era così pesante che si dubitava di poter raggiungere un rapporto spinta/peso 1/1. Oggi si è arrivati ad ipotizzare rapporti di 7/1, ben lontani comunque dal 70/1 raggiungibile con un reattore chimico.

Nonostante questo, la costruzione di un razzo nucleare non è rimasta soltanto una fantasiosa idea come forse può apparire, al contrario: un motore nucleare è stato realizzato e preso in considerazione come stadio per il Saturn, il razzo che ha portato l’uomo sulla luna.

Il Progetto Rover

Gli Stati Uniti d’America lanciarono nel 1955 un programma per sviluppare un endoreattore nucleare termico sotto il nome di progetto ROVER affidandone la gestione alla Atomic Energy Commission (AEC) presso i laboratori di ricerca di Los Alamos (LASL). Quando nel 1958 venne fondata la NASA tutta la parte spaziale del progetto venne affidata a quest’ultima. Fu un problema manageriale non da poco la collaborazione di due grandi agenzie governative, a causa dell’impossibilità tecnica di separare lo sviluppo del reattore, affidato all’AEC, da quello del razzo vero e proprio, di cui si sarebbe dovuta occupare la NASA. Inizialmente si pensò di utilizzare questi endoreattori per la costruzione di missili intercontinentali, ma presto venne presa in considerazione la possibilità di sfruttarli come secondo stadio di una missione lunare e per un’eventuale missione su Marte.

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Il president John F. Kennedy in visita alla Nuclear Rocket Development Station

Nevada, 12 agosto 1962.

Per avere un’idea del clima che si respirava attorno al mondo nucleare, si leggano le parole di Kennedy al Congresso americano nel maggio del ‘61:

“I therefore ask the Congress, above and beyond the increases I have earlier requested for space activities, to provide the funds which are needed to meet the following national goals:
First, I believe that this nation should commit itself to achieving the goal, before this decade is out, of landing a man on the Moon and returning him safely to the Earth…
Secondly, …accelerate development of the Rover nuclear rocket. This gives promise of someday providing a means for even more exciting and ambitious exploration of space, perhaps beyond the Moon, perhaps to the very end of the solar system itself.
Third, … accelerating the use of space satellites for world-wide communications. “

Dei tre obiettivi, il primo e il terzo sono stati raggiunti con un impatto all’epoca inimmaginabile sulla vita di ognuno, mentre il secondo resta ancora da perseguire.


Il progetto si esplicitò in quattro segmenti principali: KIWI, NERVA, PHOEBUS e RIFT.

Il progetto KIWI fu un programma di ricerca in cui vennero sviluppati reattori non volanti (kiwi è il nome di una specie di uccello che non vola) al fine di sperimentare reattori alimentati ad idrogeno. Il KIWI A1 è stato il primo ad essere acceso nel luglio del 1959 e consisteva in una pila di piastre di ossido di uranio nella quale veniva fatto passare l’idrogeno. Il sistema era in grado di generare 70 MW di potenza. Dimostrata la fattibilità dell’idea, si lavorò sulla composizione del combustibile. I reattori della serie KIWI B erano alimentati da piccole sfere di biossido di uranio in una matrice di boro-grafite nella forma ormai riconoscibile di una barra di combustibile nella quale erano praticati dei fori per il passaggio dell’idrogeno.

A sinistra:
KIWI-A in transito prima di essere testato
Los Alamos, giugno 1960.

“A test device for our own education in order to get us the first information on an integral system which has some of the characteristics which we are looking for in actual propulsion engines. The relationship between this and a flyable device is pretty tenuous.” -Dr. Raemer E. Schreiber, responsabile del programma ROVER.

Da queste parole emerge tutta la difficoltà dell’impresa: costruire qualcosa di tecnologicamente avanzato e completamente nuovo. Nonostante gli enormi progressi fatti in meno di quindici anni non si riuscirà mai a coprire la distanza tra il reattore sperimentale e il mezzo volante.

A destra:
Esplosione di un motore KIWI
Nuclear Rocket Development Station in Jackass Flats, Nevada, gennaio 1965.

Tra i vari test effettuati un motore KIWI venne fatto esplodere dagli scienziati attraverso un improvviso aumento di potenza. L’esperimento dimostrò che un eventuale caduta da grandi altezze non avrebbe comportato rilascio di materiale fissile.


Il sottoprogramma PHOEBUS, al quale il LASL lavorò nel periodo 1965-1968 portò alla produzione di reattori molto più grandi migliorati soprattutto dal punto di vista dei materiali grazie alla cooperazione con il centro di ricerche dell’Argonne National Laboratory, che portò ad un più efficiente utilizzo della grafite e all’introduzione del rivestimento delle barre. Tre reattori videro la luce dei test, l’ultimo dei quali generò una spinta di 890000 N e una potenza di 4200 MW, per una durata di 12 minuti.

Il progetto NERVA iniziò nel 1961 con l’obiettivo dichiarato di costruire un reattore nucleare implementabile su un veicolo volante (NERVA è l’acronimo di Nuclear Engine for Rocket Vehicle Applications) in grado di produrre una spinta di 890000 – 1112500 N, obiettivo che nel 1968 venne ridimensionato per esigenze di budget. Sfruttando l’esperienza acquisita con i reattori KIWI, negli anni compresi tra il 1964 e il 1968 numerosi test vennero condotti risolvendo diverse problematiche e dimostrando la completa fattibilità del veicolo nucleare. Purtroppo però era troppo tardi. Nel frattempo il mondo era cambiato e con esso gli interessi del governo americano che, impegnato nella guerra in Vietnam, cancellò nei primi anni ‘70 molti programmi della NASA, progetto NERVA compreso.

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Foto del razzo NERVA

L’ultimo segmento del programma, denominato RIFT (Reactor In-Flight Test), prevedeva la costruzione di un veicolo sul quale alloggiare il motore NERVA. Nel 1961 alla NASA, che era la sola responsabile di questo progetto, erano in molti a pensare che il vettore Saturn in grado di portare l’uomo sulla luna dovesse prevedere uno stadio nucleare. In particolare si pensò di sostituire lo stadio S-IVB proprio con il RIFT, quando il motore NERVA fosse stato giudicato pronto per il volo. Venne pertanto affidata alla Lockheed la costruzione di uno stadio di 10.06 m di diametro, pesante 19958 kg e in grado di trasportarne altri 70762. Questo progetto tuttavia non vide mai la luce del sole: già nel 1963 venne rinviato a causa di due incidenti di espulsione del combustibile durante le prove del KIWI B4A e KIWI B1B, per poi venir cancellato definitivamente.

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Cronologia dei test effettuati nell’ambito del programma ROVER

Il progetto ROVER non fu l’unica strada intrapresa. Gli Stati Uniti lavorarono parallelamente ad altri progetti, alcuni dei quali videro la luce mentre altri non trovarono le condizioni adatte per arrivare ai banchi di prova.

Tra questi vanno ricordati il progetto Orione, precedente al Rover, nel quale voleva essere implementata la propulsione nucleare a impulso (il razzo doveva essere spinto da vere e proprie piccole bombe atomiche espulse nel vuoto – il progetto venne abbandonato proprio per motivi di natura etica); il progetto Dedalo, che sfruttando la fusione nucleare potrebbe raggiungere un decimo della velocità della luce; il Progetto Longshot; VISTA; Medusa; Mag Orion e Mini Mag Orion. Con questi ultimi siamo arrivati ai primi anni duemila ed è evidente che ancora oggi l’idea che il nucleare possa portare l’uomo in giro nello spazio resta attuale.

NERVA non ha mai volato. Dagli anni ’60 ad oggi molta strada è stata fatta ed impensabili avanzamenti tecnologici hanno rivoluzionato il mondo e ampliato considerevolmente le possibilità di esplorazione spaziale. Il nucleare come fonte di energia propulsiva era una strada praticabile già all’epoca del progetto Rover e a maggior ragione è praticabile oggi. Una strada praticabile, sì, ma impervia. Il ridotto retroterra tecnologico rende spesso sconveniente anche solo pensare a un programma che porti al lancio di un reattore, considerando i costi esorbitanti dell’industria spaziale. Nonostante questo i benefici che se ne trarrebbero potrebbero essere, a detta di molti, ancora più grandi. I limiti intrinseci dei reattori chimici rendono alquanto difficile sperare che un giorno l’uomo possa esplorare il sistema solare senza un netto passo in avanti nel sistema propulsivo e l’idea di veicoli pluristadio in grado di sfruttare la più sicura energia chimica in atmosfera e quella nucleare nel vuoto dello spazio potrebbe avvicinare considerevolmente mete ora lontane.

La realtà però è diversa e sembra che, almeno per adesso, questa idea debba restare con i piedi per terra. Come il kiwi, l’uccello incapace di volare.

Fonti e approfondimenti

Per le generalità sul funzionamento degli endoreattori e delle applicazioni nucleari, si rimanda a

Informazioni sul progetto ROVER sono disponibili in

In particolare, si rimanda al seguente autore per l’elenco completo dei test eseguiti nell’ambito del progetto

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Centrali vs. Bombe

di Massimo Burbi

Un reattore nucleare può esplodere come una bomba? La risposta è ovvia per chi la sa, ma se nessuno te la spiega c’è il rischio di cadere vittima di luoghi comuni e associazioni mentali spericolate, cosa che in questo caso è fin troppo facile: centrale nucleare e arma nucleare hanno entrambe la parola “nucleare” nel nome, e in assenza di conoscenze specifiche le parole contano.

Un esempio? A fine febbraio la CNN rese noto un sondaggio [1] in cui il 38% dei bevitori di birra intervistati dichiarava che per nessuna ragione avrebbe comprato birra “Corona” a causa dell’epidemia in corso di Coronavirus (che ancora negli USA doveva iniziare a mietere vittime).

Nel caso di bombe e centrali nucleari il collegamento è meno fantasioso, ma le centrali non sono bombe: entrambe usano Uranio, ma l’Uranio non è tutto uguale.
L’Uranio si trova in natura, nel suolo, nelle rocce, nel cibo, nell’acqua, e quindi anche nel nostro corpo. Una persona in media ingerisce 2 microgrammi di Uranio tutti i giorni [2].

L’Uranio naturale è al 99.28% Uranio 238, per lo 0.71% Uranio 235 e il pochissimo che resta è Uranio 234. L’Uranio 238 è fissionabile: se bombardato con neutroni veloci si divide in frammenti più leggeri, ma questo non basta, il solo membro della “famiglia” che quando si fissiona produce un flusso di neutroni capace di provocare ulteriori fissioni e sostenere autonomamente una reazione a catena è l’Uranio 235. Un materiale del genere si dice fissile.

Facendola molto breve, l’Uranio naturale contiene troppo poco U235 e solo portando questa percentuale al 3-5% l’Uranio diventa un “combustibile” adatto per una centrale nucleare [3], in quel caso abbiamo Uranio debolmente arricchito.

E qui c’è una delle differenze tra un reattore è una bomba, perché se un arricchimento al 3-5% è sufficiente per produrre energia in un reattore, per scatenare un’esplosione nucleare servono tipicamente arricchimenti dell’ordine dell’80% e oltre (Uranio altamente arricchito) [4]. Per questo ed altri motivi un reattore per la produzione di energia elettrica non può esplodere come una bomba atomica.

Questo non vuol dire che in una centrale nucleare non possano verificarsi esplosioni, ma si tratta di comuni esplosioni chimiche. Certo, se un’esplosione chimica avviene in un impianto che contiene materiale radioattivo questo materiale può essere diffuso all’esterno, ma qualunque cosa abbiate letto sugli incidenti di Chernobyl o Fukushima, in nessuno dei due ci sono state esplosioni nucleari.

Le uniche esplosioni nucleari causate dall’uomo sono state quelle delle bombe fatte detonare dal 1945 in poi. Non tutti sanno che, oltre a quelli di Hiroshima e Nagasaki, più di 500 ordigni nucleari sono stati fatti detonare in atmosfera in test in varie parti del mondo [5].

Oggi la somma delle esposizioni dovute a test nucleari, produzione di energia nucleare e relativi incidenti contribuisce alla dose individuale media annua della popolazione mondiale per lo 0.2% circa [6], ma volendo guardare dentro a questo 0.2% è stato stimato che il fallout da test nucleari sia responsabile dei 9/10 della radioattività da Cesio 137 del pianeta [7], mentre Chernobyl ha contribuito per circa 1/30, e secondo un documento dell’IAEA i test di ordigni atomici condotti nel mondo tra gli anni ’50 e ’60 hanno immesso in atmosfera da 100 a 1000 volte la quantità di materiale radioattivo disperso dai reattori di Chernobyl [8].

First Nuclear Test 0.025 Sec
L’esplosione di Trinity 0.025 secondi dopo la detonazione

Il primo di questi test avvenne alle 5:29 del mattino del 16 Luglio del 1945 in un sito del deserto di Jornada del Muerto nel New Mexico, nome in codice “Trinity”, dove venne fatta detonare la prima bomba atomica della storia, come prova generale di quello che sarebbe avvenuto in Giappone poche settimane dopo. L’intenso calore dell’esplosione fuse la sabbia del deserto che ricadde a terra allo stato liquido per poi solidificare sotto forma di una materia vetrosa di colore verde olivastro mai vista prima, a cui venne dato il nome di Trinitite. Oggi il sito è stato interamente ricoperto e Trinity è diventata una meta turistica. E’ illegale per i visitatori prendere materiale da terra e portarselo a casa, ma i campioni raccolti tra la fine degli anni ’40 e i primi anni ’50 sono ancora disponibili sul mercato (insieme a molti falsi).

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Un campione di Trinitite che è stato esposto ad un flusso di neutroni particolarmente intenso e deve quindi essersi trovato molto vicino al punto dell’esplosione.

Non sorprenderà nessuno sapere che ho diversi campioni di Trinitite. Rischio la vita maneggiando oggetti del genere? Per la risposta rimando al video abbinato a questo articolo.

In realtà il problema della Trinitite è che l’emissione gamma residua è talmente debole che non è facile ricavarne uno spettro decente, e infatti prima di trovare il campione giusto ho dovuto testarne sette. Il risultato è riportato di seguito e ha tutte le firme che un campione di Trinitite deve avere.

Per ricavarlo è stata necessaria una misura di 28 giorni, con sottrazione dell’ambiente, all’interno di una camera scudata con circa 2 cm di piombo, 8 mm di peltro, un millimetro di rame e 5 mm di plastica.

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Lo spettro gamma in fase di acquisizione. Il campione di Trinitite si trova all’interno della camera scudata.

La bomba di Trinity era un ordigno al Plutonio, e infatti si vedono chiaramente i picchi dell’Americio 241, prodotto dal Plutonio 239 attraverso doppia cattura neutronica e successivo decadimento beta. La sabbia del sito di Trinity era ricca di Europio, in particolare dei suoi isotopi stabili, l’Europio 151 e 153, che sono stati attivati dell’intenso flusso di neutroni seguito all’esplosione diventando Eu152 ed Eu154, entrambi radioattivi. Immancabile il Cesio 137, prodotto di fissione per eccellenza. Pare esserci (con qualche riserva, perché siamo nella zona di fluorescenza dello scudo) perfino un picco di Bario 133, originato dalla lente esplosiva della bomba che conteneva un materiale chiamato Baratol a base di Bario 132, isotopo stabile anche lui attivato dal flusso di neutroni.

Riuscire a misurare picchi del genere a distanza di quasi 75 anni è un indizio che questo campione doveva essere estremamente vicino al punto dell’esplosione.

06 - Trinitite T5@Contact - ID - 336 Hours - BG Subtraction - Counts x Bin - Shield V2-2 - 0.036 Clean - 11-06_25-06-20
Lo spettro gamma al termine di una misura di 28 giorni durante il quale il campione ha fornito in media circa 10 conteggi gamma al secondo. L’ambiente della stanza in cui la misura è stata condotta dà, con lo stesso strumento, circa 255 conteggi al secondo.

Per fondere e vetrificare la sabbia sono necessarie temperature di migliaia di gradi, questo ci dà un’idea di cosa voglia dire trovarsi coinvolti in un’esplosione nucleare. E ricordiamoci che l’ordigno di Trinity, così come quelli sganciati in Giappone, erano “giocattoli” rispetto alle bombe termonucleari a fusione testate fino all’inizio degli Anni ’60, capaci di liberare un’energia fino a 2500 volte maggiore.

E’ un bene per tutti che di cose simili non si senta più parlare.

Se vogliamo trovare un collegamento tra bombe atomiche e reattori nucleari per uso civile possiamo parlare del progetto “Megatons to Megawatts”, grazie al quale 500 tonnellate di Uranio altamente arricchito, proveniente dall’arsenale bellico ex sovietico, vennero convertite in 15,000 tonnellate di combustibile per centrali nucleari, dando elettricità a un decimo delle case americane nell’arco di 20 anni e liberando il mondo da qualcosa come 20,000 testate nucleari che sarebbero servite a tutt’altro [9,10].

Le cose sono buone o cattive a seconda dell’uso che ne facciamo, vale anche per l’Uranio.

Note e riferimenti:

[1] https://twitter.com/cnni/status/1233393636672446464?fbclid=IwAR3CUc_CP7mCuFPGmaP2yF5X4rOBoSK08WeFlcQ4_ZMlDhTiDF1YE3L2bcw

[2] https://hps.org/publicinformation/ate/faqs/faqradbods.html

[3] Con qualche eccezione https://it.wikipedia.org/wiki/Reattore_nucleare_ad_acqua_pesante_pressurizzata

[4] https://it.wikipedia.org/wiki/Uranio_arricchito

[5] https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_weapons_testing

[6] http://www.fisicaweb.org/doc/radioattivita/geiger%20muller/taratura.pdf?fbclid=IwAR1gf3IU-pm4Da2w6a31ogjZ3aEzeaTFltHpKfI7qg973-Q_cmZj_OG3Y5w

[7] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4165831/

[8] https://inis.iaea.org/collection/NCLCollectionStore/_Public/28/058/28058918.pdf

[9]https://en.wikipedia.org/wiki/Megatons_to_Megawatts_Program

[10]https://nucleareeragione.org/2014/03/12/dai-megaton-ai-megawatt/

Tre Sistemi Avanzati di reattori da tenere d’occhio per il 2030

[traduzione dell’articolo pubblicato originariamente sul sito del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti]

Fate largo, millennials: sta arrivando una nuova generazione, e farà la sua prima apparizione entro il 2030.

I reattori nucleari di IV generazione sono in fase di sviluppo attraverso una cooperazione internazionale di 14 nazioni, inclusi gli Stati Uniti [1].

Il Dipartimento di Energia degli Stati Uniti ed i suoi laboratori nazionali stanno supportando la ricerca e lo sviluppo di un’ampia gamma di nuove tecnologie avanzate per i reattori, che potrebbero rappresentare una svolta per l’industria nucleare. Questi sistemi innovativi saranno più puliti, più sicuri e più efficienti rispetto alle generazioni precedenti.

Curiosi?

Ecco tre dei progetti su cui stiamo attualmente lavorando con partner del settore per aiutare a soddisfare le nostre future esigenze energetiche in modo competitivo in termini di costi.

Reattore veloce raffreddato a sodio

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Figura 1 Gli SFR sono progettati per la gestione di rifiuti ad alto livello di radioattività e, in particolare, per la gestione del plutonio e di altri attinidi. Idaho National Laboratory

Il reattore veloce raffreddato a sodio (SFR, dall’inglese “Sodium-cooled Fast Reactor”) usa metallo liquido (sodio) come refrigerante invece dell’acqua che viene normalmente utilizzata nelle centrali elettriche commerciali statunitensi. Ciò consente al liquido di raffreddamento di funzionare a temperature più elevate e a pressioni molto minori rispetto ai reattori attuali, migliorando l’efficienza e la sicurezza del sistema.

L’SFR utilizza anche uno spettro di neutroni veloce, il che significa che i neutroni possono causare fissione senza essere prima rallentati come nei reattori attuali. Ciò potrebbe consentire agli SFR di utilizzare sia materiale fissile che combustibile esaurito dagli attuali reattori per produrre elettricità.

Reattore ad altissima temperatura

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Figura 2 I VHTR offrono una vasta gamma di applicazioni per il calore di processo e una possibilità di produzione di elettricità ad alta efficienza. Idaho National Laboratory.

Il reattore ad altissima temperatura (VHTR dall’inglese “Very High Temperature Reactor”) è raffreddato da un afflusso di gas ed è progettato per funzionare a temperature elevate, producendo elettricità in modo estremamente efficiente. Il gas ad alta temperatura potrebbe anche essere utilizzato in processi ad alta intensità energetica che attualmente si basano su combustibili fossili, come produzione di idrogeno, dissalazione, teleriscaldamento, raffinazione del petrolio e produzione di ammoniaca. I reattori ad altissima temperatura offrono notevoli caratteristiche di sicurezza e possono essere facili da costruire e convenienti da mantenere.

Reattore a sali fusi

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Figura 3 I MSR hanno un ciclo di carburante chiuso che può essere personalizzato per un’efficiente combustione di plutonio e attinidi minori. Idaho National Laboratory

I reattori a sale fuso (MSR dall’inglese “Molten Salt Reactor”) usano fluoro fuso o sali di cloruro come refrigerante. Il refrigerante può fluire su combustibile solido come in altri reattori oppure i materiali fissili possono essere disciolti direttamente nel refrigerante primario in modo che la fissione riscaldi direttamente il sale.

Gli MSR sono progettati per utilizzare meno carburante e produrre rifiuti radioattivi di più breve durata rispetto ad altri tipi di reattori. Hanno il potenziale per cambiare in modo significativo la sicurezza e i costi della produzione di energia nucleare processando carburante in tempo reale, rimuovendo prodotti di scarto e aggiungendo carburante fresco senza lunghe interruzioni di rifornimento.

Il loro funzionamento può essere adattato per ottenere un’efficace combustione di plutonio e attinidi minori, cosa che potrebbe consentire agli MSR di consumare rifiuti nucleari prodotti da altri reattori.

Il sistema può essere utilizzato anche per la produzione di elettricità o idrogeno.

Note e riferimenti:

[1]L’Italia partecipa al consorzio in quanto membro della Comunità europea dell’energia atomica (Euratom).

Reattori veloci raffreddati al sodio:

https://factsheets.inl.gov/FactSheets/sodium-cooled-fast-reactor.pdf

Reattori ad altissima temperatura:

https://factsheets.inl.gov/FactSheets/very-high-temperature-reactor.pdf

Reattori a sali fusi:
https://factsheets.inl.gov/FactSheets/molten-salt-reactor.pdf

Aperitivi Nucleari: primo brindisi il 29 Maggio

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Aperitivi Nucleari: primo brindisi il 29 Maggio

UN REATTORE PER ACCENDERE UNA STELLA
Relatore: Alessandro Maffini
Diretta sui nostri canali
FBYoutube
https://www.facebook.com/nucleareeragione/
https://www.youtube.com/channel/UCWXXLCqQHTyGh_fEmoEijIA

Nel tempo che impiegherete a leggere queste righe il nostro Sole avrà rilasciato nello spazio una quantità di energia pari a circa 50 milioni di volte il consumo energetico degli Stati Uniti in un intero anno.

Lo fa da quasi 5 miliardi di anni, e continuerà per altri 5 miliardi.

Chi tiene acceso il Sole e le altre stelle sono le reazioni di Fusione Nucleare.

Non stupisce che Scienziati e Ingegneri stiano provando da più di sessant’anni a sfruttarle qui sulla terra per ottenere una fonte di energia pulita e inesauribile.

Le sfide da affrontare per poter imbrigliare la potenza delle stelle in un reattore sono tante eppure mai come oggi ci siamo avvicinati a questo ambizioso traguardo.

Ne parleremo in questo viaggio che dall’infinitamente piccolo dei nuclei atomici ci porterà a parlare di ciambelle di plasma, enormi magneti e laser potentissimi, fino ad affacciarci sul futuro energetico dell’umanità.

Scarica il documento!

Nuclear week 2020

[Divulgazione scientifica ai tempi del CoVid-19]

La pagina Facebook Amo la Chimica ha lanciato, durante la prima metà del mese di maggio 2020, l’iniziativa denominata “Nuclear Week“.  Si è trattato  di un evento nato per parlare di energia nucleare assieme agli utenti dei principali social networks, rispondendo ai vari quesiti che via via venivano posti e approfondendo tutti gli aspetti più interessati, noti e meno noti, su questa fonte di energia e le sue potenzialità nell’ambito della lotta ai cambiamenti climatici.
Come Comitato Nucleare e Ragione abbiamo aderito con entusiasmo a questo evento, pubblicando sulle nostra pagina Facebook, su quella di Amo la Chimica e sui rispettivi canali Instagram una sequenza di infografiche e partecipando al confronto – sempre costruttivo e ricco di spunti – con i lettori.
Il tutto si è concluso con una diretta di oltre un’ora, trasmessa il 14 maggio, a cui hanno partecipato l’ideatore dell’evento, François Burgay, e i nostri soci Davide Loiacono e Pierluigi Totaro.

Ringraziamo Amo La Chimica e tutti quelli che ci hanno seguito. Qui di seguito trovate la registrazione della diretta finale e tutte le infografiche pubblicate nel corso dell’evento.

Ma non finisce qui! Seguiteci sui nostri canali di informazione, perchè stiamo mettendo in calendario altre iniziative interessanti, alcune esclusive per i soci, altre aperte a tutto il pubblico.

 

efficienzematerialiUranio_v2scoriescorie_v2centrali_inquinamentomortiemissionirinnovabili_lowcarbongatesbalzani

Dagli Small Modular Reactors l’impulso al futuro del nucleare

Reattori modulari?
L’Associazione Italiana Nucleare
fa il punto in questo articolo,
che ripubblichiamo integralmente.

Cresce l’interesse per i reattori modulari di piccola taglia (SMR) e con esso le probabilità che la produzione di energia da fonte nucleare possa ritrovare impulso nel medio-lungo periodo. Sono decine i progetti, portati avanti da altrettante compagini industriali in tutto il mondo. Diverse sono anche le taglie, perché c’è piccolo e piccolo. Si va dai microreattori, ad esempio Westinghouse Evinci (0.6 MWt) e Oklo Aurora (1.5 MWt), alle taglie intermedie come Nuscale (160 MWt) e KLT-40S di Afrikantov OKBM (150 MWt), fino alle taglie “forti” quali l’IMSR di Terrestrial Energy (400 MWt)1. Molteplici anche le destinazioni d’uso: produzione di calore, elettricità o entrambe, connessi alla rete o no, in quest’ultimo caso per servire comunità isolate o basi militari.

I punti di forza comuni sono, seppur con diverse sfumature e per molti progetti ancora da dimostrare, la riduzione dei costi, la maggior flessibilità (load following) anche in una rete dove abbondino le rinnovabili intermittenti e caratteristiche di sicurezza intrinseche senza precedenti.

L’idea di fondo non è nuova, dal momento che reattori di piccola taglia si trovano a bordo delle imbarcazioni a propulsione nucleare. Ciò che alcuni di questi progetti promettono, e l’innovazione principale sta qui, è di rivoluzionare il processo di costruzione, spostandolo dal sito alla fabbrica, dove i reattori modulari verrebbero prodotti in massa e con caratteristiche standard, con conseguente riduzione dei tempi e dei costi. Inoltre, la riduzione della taglia e la presenza di misure di sicurezza intrinseche (ovvero senza la necessità d’intervento umano o di alimentazione esterna), potrebbero potenzialmente rivoluzionare la regolamentazione, ad esempio riducendo o addirittura eliminando le zone di sicurezza intorno alle centrali, consentendone la costruzione ad esempio in aree industriali o comunque urbanizzate (ciò in definitiva dipenderà soprattutto dagli enti regolatori).

Alcuni di questi reattori sono già operativi, altri in costruzione, mentre altri ancora sono ancora in fase di studio, ma potrebbero essere connessi per la prima volta alla rete entro i prossimi 5-6 anni.

Il KLT-40S di Afrikantov OKBM ad esempio è già operativo. Ha preso il nome di centrale Akademik Lomonosovconnessa alla rete il 19 dicembre 20192 nella remota regione di Chukotka, in Siberia. Si tratta della versione modificata del KLT-40 originariamente pensato per propellere la flotta di rompighiaccio russi. Si tratta quindi di una centrale galleggiante, che può produrre elettricità e calore per una potenza complessiva di 70 MWe per 26000 ore continuative senza rifornimento di combustibile. La Akademik Lomonosov sostituisce il reattore numero 1 della centrale di Bilibino (LWGR) nel servire la locale comunità mineraria.

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La centrale Akademik Lomonosov (foto Rosatom)3.

CAREM è un progetto argentino attualmente in costruzione4. Si tratta di un reattore ad acqua leggera (LWR) di potenza nominale pari a 100 MWt e pensato per servire regioni con scarsa domanda di elettricità oppure per la desalinizzazione dell’acqua marina. Le sue caratteristiche di sicurezza annoverano sistemi totalmente passivi e raffreddamento del nocciolo a circolazione naturale, oltre ad una significativa semplificazione del design e riduzione degli elementi sensibili. Il primo prototipo potrebbe essere operativo nel 2022, fatti salvi ulteriori ritardi nei lavori dovuti alla situazione economica e politica in Argentina.

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Il sito di costruzione del reattore CAREM, in Argentina (foto Wikipedia).

Un altro progetto ormai vicinissimo alla fase operativa commerciale è il cinese HTR-PM. Si tratta di un reattore ad ala temperatura raffreddato a gas della potenza nominale di 250 MWt. Ogni modulo è composto di due reattori. La versione di test (HTR-10) è operativa dal 2003 ed ha dimostrato molte caratteristiche di sicurezza tipiche dei reattori modulari. La centrale commerciale è in costruzione dal 2013 a Rongcheng, nella provincia di Shandong, dove si prevede l’installazione di 10 moduli. Gran parte dei lavori sono ultimati5 e la centrale dovrebbe divenire presto operativa.

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Il recipiente del nocciolo HTR arriva alla centrale di Rongcheng (foto CHNG via World Nuclear News)5.

Tra i reattori in fase di sviluppo forse uno dei più promettenti è quello progettato dall’americana Nuscale Power. Reattori modulari capaci di produrre elettricità o calore pari a 50 MWe ciascuno, da assemblare in numero variabile, fino a 12 unità, in base alle esigenze del cliente. Si tratta di reattori ad acqua pressurizzata (PWR) interamente assemblati in fabbrica con raffreddamento a circolazione naturale in tutti gli stati operativi e capacità di raffreddarsi autonomamente senza apporto di energia elettrica dall’esterno e senza necessità d’intervento umano in caso di incidente o di apporto d’acqua. Analisi probabilistiche mostrano che il livello di sicurezza sarebbe di un ordine di grandezza superiore alle centrali esistenti. Anche l’impronta ecologica sarebbe molto limitata, la centrale infatti occuperebbe circa 0.14 km2, un decimo delle già compatte centrali nucleari tradizionali. Ogni modulo è operato indipendentemente dagli altri, aumentando la flessibilità di potenza erogata ed eliminando i tempi morti necessari al rifornimento del combustibile.

L’SMR di NuScale è alla seconda fase di autorizzazione normativa. La prima centrale commerciale dovrebbe essere condotta a partire dal 2026 nell’Idaho dalla Utah Associated Municipal Power Systems. Molti Paesi, tra cui Ucraina, Romania, Giordania, Canada e Repubblica Ceca hanno firmato accordi6 con NuScale per esplorare lo sviluppo di SMR nei rispettivi territori.

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Come sarà una centrale SMR Nuscale (foto Nuscale)6.

Questa incompleta panoramica dello stato di sviluppo dei reattori modulari ha l’intento primario di evidenziare come una rivoluzione dell’industria nucleare per la produzione di energia potrebbe essere alle porte, aprendo scenari completamente nuovi per quanto riguarda l’accettazione pubblica di questa tecnologia spesso incompresa dalle masse e stereotipizzata dai media mainstream.

Molta della fortuna di questi progetti dipenderà però non soltanto dalla loro capacità di mantenere le promesse, ma anche dall’apertura mentale degli organismi regolatori e dalla loro capacità di evolvere al pari della tecnologia. Per quanto riguarda la riduzione dei tempi e dei costi di costruzione degli SMR, molto dipenderà dalla capacità di armonizzare a livello internazionale i requisiti normativi, come auspicato recentemente7 dalla Presidente della Canadian Nuclear Safety CommissionRumina Velshi.

Per approfondire:

IAEA, Advances In Small Modular Reactor Technology Developments, 2018 Ed.

https://www.world-nuclear.org/information-library/nuclear-fuel-cycle/nuclear-power-reactors/small-nuclear-power-reactors.aspx

Note:

1] Esempi di microreattori
Evinci: https://www.westinghousenuclear.com/new-plants/evinci-micro-reactor
Oklo Aurora: https://oklo.com/
Nuscale https://www.nuscalepower.com/
Afrikantov OKBM: http://www.okbm.nnov.ru/en/
Terrestrial Energy: https://www.terrestrialenergy.com/

2] Connessione alla rete della centrale Akademik Lomonosov https://www.world-nuclear-news.org/Articles/Russia-connects-floating-plant-to-grid

3] https://www.maritime-executive.com/editorials/russia-s-floating-nuclear-plant-plugged-in-at-pevek

4] CAREM 25
https://www.argentina.gob.ar/produccion/energia/electrica/nuclear/carem

5] Processo d’installazione della Centrale di Rongcheng
https://www.world-nuclear-news.org/NN-Reactor-vessel-delivered-for-Chinas-first-HTR-1503164.html

6] Valutazione per NuScale SMR in Ucraina
https://world-nuclear-news.org/Articles/MoU-starts-evaluation-of-NuScale-SMR-for-Ukraine

7] Requisiti normativi per SMR
https://www.world-nuclear-news.org/Articles/Speech-Regulatory-harmonisation-for-SMRs

A Day in Fukushima

By Massimo Burbi

This article was originally published in Italian here

Prologue

Fukushima is not a city, it’s a Japanese prefecture in the Tōhoku region where nearly two million people live. Fukushima city is its administrative capital, but the name is synonymous with disaster because of what happened about 60 km away from it, where Japan borders with the Pacific Ocean to the east.

On March 11, 2011, a magnitude 9.0 earthquake occurred off the Japanese coast, It was the most powerful ever recorded in Japan and the fourth most powerful in the world since 1900.

Magnitude 9.0 might just sound like a number until you have something to compare it to. Italy still remembers the devastation brought by the 2009 earthquake in L’Aquila: 309 deaths, 65000 evacuees. That was a magnitude 5.9 (Richter) quake. Logarithmic scale might give the impression the two events were not so different after all, but a difference in magnitude of 3.0 is equivalent to a factor of roughly 30000 in the energy released [1].

And to make matters worse, the earthquake triggered a massive tsunami, with waves in excess of 10 meters that traveled at 700 km/h for up to 10 km inland resulting in 16000 deaths, 6000 injured, 2500 people missing (searches still continue for them, albeit with little hope to cling to), 120000 buildings completely collapsed, entire towns obliterated and 340000 evacuees.

The Fukushima Daiichi (meaning number one) Nuclear Power Plant was built on that coast, it withstood the earthquake and automatically shut down. It was the electricity supply that  failed because of the quake, leaving  the coolant system entirely dependent on the emergency diesel generators.  

A 2008 study (ignored by Tepco, the company running the power plant) warned that a massive tsunami with waves in excess of 10 meters high could occur in that area. In March 2011 the plant’s seawall was just little more than half that height. When a 14 meters high tsunami wave hit the coast it easily overwhelmed the seawall and completely flooded the emergency diesel generators room (culpably located in the basement). This resulted in a total loss of power in the plant, causing the coolant system to become inoperative which started the chain of events leading in the next days to the (chemical, not nuclear) explosions in reactors 1-3 and in the reactor 4’s building, which in turn triggered the release of radioactive material in the atmosphere and into the sea.

The next day more than 150000 people living within 20 km from the nuclear power plant were evacuated [2].

 

Arrival in Namie Town

It’s 11 o’clock in the morning when we arrive in Namie. It’s been more than eight and half years since the earthquake, but in many ways time seems to have stopped here.

Namie town was among the places most affected by the release of radioactive material from the Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant, which is just 8 km away as the crow flies. For six years Namie has been a ghost town, only in the spring of 2017 people were allowed to come back, but only few of them did. “20000 people used to live here, only about 5% returned” explains Fumie, from Fukushima City, who acts as a guide and translator for the day.

The evacuation zone was progressively reduced overtime, right now it extends for 2.7% of the area of the Prefecture and about 30000 people still live as evacuees outside its border [2].

We step down the car near the railway station. Trains only go north from here, but works are in progress to restore the railway to Tomioka Town, some 20 km to the south. A cafe has just opened by the station, a taxi service has recently been resumed, and not far away from where we stand the dentist is back. Tentative signs of reconstruction, both material and human, in a scenario full of uncertainties.

Walking the streets of the town radioactivity is extremely low, rarely exceeding 0.15 µSv/h, less than in many areas of Italy. You can measure 0.30 µSv/h in Rome, and here and there in Orvieto city center readings in the region of 0.70 µSv/h are not uncommon.

What used to be one of Namie Town’s busiest streets, where several buildings have been demolished.

But in spite of radioactivity being low fear is still very much an issue here, and it should not be taken for granted that people who spent years settling elsewhere would be willing to go through another difficult transition to return to their native towns.

No radiation-induced deaths have been recorded in Fukushima so far [3], a study estimated the external dose in the first four months after the accident (when the exposure was at its highest) for nearly half a million residents and reported it was below 3 mSv for 99.4% of them [4]. The Italian per capita average dose is about 4.5 mSv per year [5].

However, about 2000 residents still died in a disorganized evacuation, where people were rushed out of hospitals suffering interruption of medical care and evacuation and relocation stress caused depression, alcoholism and suicides [6].

Fear, anxiety and lack of information on radiation killed more people than the tsunami in the prefecture [7].

Some are of the opinion that evacuation lasted for too long anyway. Shunichi Yamashita (Nagasaki University) who spent two years at the head of Fukushima prefecture’s survey to understand the health effects of the accident on population, claims people could have returned after a month [8].

In Namie the earthquake caused such severe damage that many buildings still standing had to be demolished. Several others will be soon. You can tell them by a small red sticker on the windows.

This red sticker identifies buildings about to be demolished.

We keep on walking until we reach the local school, all but abandoned now. Poignantly from one of the windows we see a shoe rack, with dozens of shoes neatly put in it.

“They belong to the school’s kids” Fumie tells me “they took them off in the morning as they always did, and when the earthquake struck, in the early afternoon, they ran away and left them behind”.

The town was evacuated the very next day. Eight and a half years later and they are still there.

The inside of Namie’s school as seen by the nearby street.

In the streets of the city center we walk by a number of buildings looking reasonably good from a distance, but a closer inspection through the broken windows reveals the desolation and the destruction brought by a monster earthquake followed by years of neglect.

So far we didn’t encounter any pedestrian, only cars. A few hundred meters down the road the picture suddenly changes: gazebos, tables, there’s a small festival going on. Apparently this happens every second Saturday of the month to cheer up those who came back. The entertainment doesn’t look exactly memorable, but people seem to enjoy it. The dose rate is less than 0.10 µSv/h.

The area is surrounded by small temporary stores, about to be moved elsewhere in the town. As soon as we enter one of them we are offered tea and biscuits. All products for sale are local and people don’t miss a chance to tell you that. It’s the same in every store we go.

You can tell that those who came back strongly wants to rebuild their communities. Farmers want to farm and sell their products, but it’s easier said than done. People here have very little trust in the government, which didn’t do a particularly good job in dealing with the emergency and the aftermath. Taking it upon themselves schools, markets and local communities independently started to test for radioactivity in meat, fish, vegetables and all sort of food you can put on the table. Probably nowhere else in the world is food as closely monitored as here, and local people know they are not running radiation-related risks by eating it. Some resident goes as far as saying he wouldn’t buy food from anywhere else, not being as tested as the one from Fukushima.

But even if food meets the standard limit of 100 Bq/kg of Cesium (which is more strict than standards in both the EU and the USA [9]), elsewhere in Japan, as well as in foreign countries, many people are too afraid of contamination to eat food from this region, despite there being no real danger.

Entertainment in Namie Town.

The stigma from the name “Fukushima” is among the biggest obstacles to this battered region’s recovery.

“It happens with people too” Fumie tells me. “Local people who went to live outside the Prefecture are often discriminated against for fear of contamination”. Being exposed to radioactivity doesn’t make you radioactive. Radioactivity is not contagious, but fear, particularly when combined with lack of information, is.

We leave Namie Town heading north west.

In the process of decontaminating the area, 5-10 cm of weakly radioactive superficial soil have been removed and put into plastic bags. But what to do with them is yet to be decided, since nobody takes the responsibility. So for the time being they stay where they are. We see hundreds of them along the road. You wonder what happens to them in the typhoon season.

We take a country road. Immediately after the accident at the Nuclear Power Plant the government ordered to kill cattle in the evacuation zone, but here there’s a man who disregarded the order. We arrive at his ranch at lunch time, he’s waiting for us. He tells us his cows can no longer be sold, therefore they’ll die of old age. “They are fat and happy” he adds.

As he tells us his story it doesn’t take long for his anger against the government and Tepco to become apparent, a state of mind that made him very critical of nuclear power. The debate on the matter ends before it even starts, time is ticking away and we still have many stops ahead of us, we must go.

Leaving the farm the dosimeter and the spectrometer come alive for the first time. At the roadside I measure a dose rate of 0.70-0.80 µSv/h, far from worrying, but enough to take the first significant measurement of the day.

Plastic bags full of weakly radioactive soil at roadside in Namie’s area.

I therefore decide to stop in order to record a gamma spectrum to check that what I am detecting is Cesium released from the Power Plant. Gamma spectroscopy is based on the fact that when a radionuclide undergoes alpha or beta decay, its nucleus is left in an excited state, and can only reach its ground state by emitting a gamma ray.

Every different radionuclide emits gamma-rays of a specific energy which become its signature. Analysing a gamma spectrum allows you not just to tell how much radioactivity there is, but what causes it as well.

The gamma spectrum confirms the presence of Cesium 137 and Cesium 134, the two main radionuclides released in the atmosphere after the accident, together with Iodine 131, the most aggressive of the three in the short term, but long gone by now, its half-life time being just 8 days, and therefore becoming harmless in a month or so.

Cesium 134 halved four times since 2011, and it’s reduced to roughly 6% of its original activity, while Cesium 137, having a 30 years half-life, will take much longer to decay away.

 

Ukedo and the No-Go Zone

We head towards the ocean and to a place called Ukedo, where formerly about 2000 people lived. The tsunami wiped it all out, killing one in ten people. The few remaining buildings were so damaged, they were torn down soon after. Looking around it’s hard to believe there used to be a small town here.

A desolate landscape. This is where Ukedo used to be.

Nothing remained, the only exception being the elementary school. Its clock hasn’t run since the day of the earthquake, it’s still stuck at the time the tsunami hit the coast. About 80 kids were in the school that day, among so much destruction they were all saved by their teachers who took them to the nearby hills after the tsunami warning was issued. From there they watched the town where they lived being erased from existence, together with the lives of many of their parents.

From here we are about 6 km away from the nuclear power plant and, looking south, we can clearly see it. The dose rate is the lowest so far, below 0.05 µSv/h.

Ukedo school’s clock.
Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant as seen from Ukedo.

We leave the coast and take the National Route n.6, which goes through the No-Go Zone, where you can drive but you are not allowed to stop or even open the window, let alone stepping down.

The dose rate goes up, but keeps pretty low: for a second or two I read 0.50 µSv/h, but it quickly goes down to 0.30 µSv/h and stays there.

We stop at a gas station. We are still well into the No-Go Zone but inside the service area you can get out of the car without anybody complaining about it. I take the chance to record another gamma spectrum. Our stop is longer than it typically takes to fill the tank, I accumulate data for little more than 15 minutes.

Gas station on the National Route n.6, inside the No-Go Zone.
Dose rate in the service area of a gas station inside the No-Go Zone (Futaba’s area).

“How’s the radioactivity here?” Fumie asks me. I tell her we’re slightly above 0.30 µSv/h, lower than what you get in Saint Peter’s Square in Vatican City. The signature is still the same: Cesium 137 and Cesium 134.

We go back in the car and we move south on the National Route n.6 in the Futaba area. At our closest approach to the Fukushima Daiichi nuclear power plant we are about 2 km away from it. We stop on a side street. The power plant is right in front of us but we can’t get any closer than that and we don’t have much time to look around, after a couple of minutes a policeman tells us, kindly but firmly, that we need to move on. The dose rate is below 0.30 µSv/h.

A view of Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant from a 2 km distance.

Continuing South, we run into the only real hot spot of the day. I read 3-4 µSv/h, but it’s short-lived, a minute later the dose rate is already reduced by more than a half and it keeps on going down. In order to record a clear spectrum I need more time where radiation is higher (the level is not dangerous) so I ask to turn around and go back north.

You cannot stop the car inside the No-Go Zone, but nothing prevents you from going back and forth. I am not sure the driver understands why we are doing this but he doesn’t complain, we go back towards the power plant.

Our itinerary in the No-Go Zone near the Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant. The dosimeter records a datapoint on the GPS map every 30 seconds.

I accumulate data for little less than 20 minutes. Unsurprisingly it’s the smoothest spectrum of the day, but as expected the result doesn’t change: Cesium 137 and Cesium 134. Average dose rate 1.29 µSv/h.

Gamma spectrum recorded in the No-Go Zone, on the National Route n.6, at the closest approach to Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant.

 

Tomioka Town, divided city.

With a good spectrum finally under the belt we turn around again and we head to Tomioka Town, about 10 km to the south. The city is cut in two by a road which currently is the boundary of the No-Go Zone and this makes for a pretty surreal view: people can live on one side of the road but can’t even set a food on the opposite side. You look to your left and you see a reasonable normality, but if you look to your right there’s nothing but tall grass and total neglect.

The road dividing the habitable zone from the No-Go zone in Tomioka Town.

“I don’t understand why they left the cars behind” Fumie tells me pointing at the cars permanently parked in front of the abandoned houses. “Now they all have broken windows and flat tyres, but a year ago they still looked perfect”.

We go ahead on foot from here. Right in front of the no trespassing fence the dose rate measured by the instruments is in the region of 0.35 µSv/h. A sign not far from there tells us inside the No-Go Zone it’s 0.48 µSv/h, slightly higher but far from dangerous, and elsewhere in the town it’s much lower than that. Still, fear of radiation is among the main reasons why many people didn’t come back.

Dose rate measured near the limit of the No-Go Zone in Tomioka Town.
The dose rate measured inside the No-Go Zone is displayed by the street.
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Beyond the guardrail there’s nothing but tall grass and total neglect.

It’s getting darker as we enter Tomioka’s railway station. “Everything’s being rebuilt from scratch here” explains Fumie, “the tsunami washed out everything away”. Just like in Namie, works are in progress to restore the railway connecting the two towns.

Looking up we see a sign reading “Tomioka will never die!”. We don’t know who put it there. We stare at it for a moment without saying a word. Then I look at my dosimeter, the dose rate is less than 0.10 µSv/h.

The sun has already set and a strong wind is blowing when we reach the coast for the last stop of the day. The other nuclear power plant of Fukushima, the number 2 (Daini), is a km away from where we stand.

The Fukushima Daini Nuclear Power Plant as seen from the coast near Tomioka Town.

We skipped lunch, and Tokyo is more than three hours away. A supermarket just reopened at Tomioka and we decide that having dinner there is the best thing to do.

The supermarket is not exactly crowded, but it works, the shelves are full of products and people have a place in town where they can find what they need. Rebuilding is not just about bricks, it’s about a social and economic fabric that was torn apart.

At the dinner table I take my laptop out and download the GPS map with all the datapoints recorded. We look at it as we finally eat, it’s a way to go through our journey again.

Total accumulated dose during more than seven hours spent in the Fukushima Prefecture, including a couple of stops inside the No-Go Zone: 1.60 µSv. “It means the average dose rate was 0.22 µSv/h, less than what you get walking the streets of Rome’s city center” I say while me and Fumie enjoy a very good sushi.

And now it’s time to go back. 250 km later we are under the Yasukuni Dori’s lights in Tokyo (Shinjuku). In the long journey from Tomioka to Tokyo we talked about many things, but when we finally say goodbye Fumie has one last request: “share what you saw with your friends and family. Your action will support Fukushima people”.

Information is the best antidote to irrational panic and fear.

The accumulated dose in little more than seven hours is 1.60 µSv. The dosimeter shows Italian time, for the Japanese time add 8 hours.
Hourly average dose rate chart of my seven hours stay inside the Fukushima Prefecture. The highest value corresponds to the hour almost entirely spent inside the No-Go Zone and slightly exceeds 0.50 µSv/h.

 

Epilogue

Five days later I take off from Tokyo to go back to Europe. In little more than 11 hours of flight my dosimeter records an accumulated dose of 44.49 µSv, with a peak dose rate of 10 µSv/h and an average dose rate at cruise altitude between 4 and 5 µSv/h.

This is likely an underestimation [11], the dosimeter is designed for terrestrial gamma rays and the cosmic rays you find at 10-12 km altitude are mostly out of its range, but even believing the numbers I read in the display, as I step down the plane, I cannot help wondering how many of the people who shared that flight with me would have been too afraid of radiation to follow me and Fumie for a day in Fukushima, where they would have been exposed to a dose nearly 30 times lower.

Hourly average dose rate chart of the 11 hour flight from Tokyo Haneda to Munich. The increase in cruise altitude from 11500 to 12200 meters, after roughly 7 hours, results in a higher dose rate.

 

Notes

The instruments measure and record the dose and dose rate for external exposure which, according to the World Health Organization (WHO), was “by far the dominant pathway contributing to effective dose” in the most affected regions of Fukushima prefecture.

https://apps.who.int/iris/bitstream/handle/10665/44877/9789241503662_eng.pdf;jsessionid=B459B0A64292271AF1134F9AF763CCDA?sequence=1 (pages 41 and 51)

Units mentioned are µSv (microsievert) e mSv (millisievert) which measure the equivalent and effective dose, the biological effect of ionizing radiation. 1 millisievert corresponds to 1000 microsieverts.

The margin of error is in the region of 10-20%.

Instruments:

  • Spetcrometer: Mirion PDS 100G
  • Dosimeter: Tracerco PED+
  • Geiger Counter: SE International Radiation Alert Ranger

The dosimeter can be used in “personal dose” mode and in “survey meter” handheld mode. While accumulating the personal dose it’s been worn on the upper body for most of the time.

References and Suggestions for Further Readings

[1] https://www.scientificamerican.com/article/details-of-japan-earthquake/

http://www.protezionecivile.gov.it/attivita-rischi/rischio-sismico/emergenze/abruzzo-2009

http://www.tg1.rai.it/dl/tg1/2010/articoli/ContentItem-4836d49a-370b-4179-ac82-4160dce61984.html

[2] http://www.pref.fukushima.lg.jp/site/portal-english/en03-08.html?fbclid=IwAR3dFVamEFNd93lVUo_EaDmfztSBlAqiKsUL5WvgNbxaHfjOOvZ-CVJZ4Fc

[3] https://www.who.int/ionizing_radiation/a_e/fukushima/faqs-fukushima/en/

The first, and so far only, deaths that could be radiation-related was recorded in 2018.

https://www.bbc.com/news/world-asia-45423575

[4] https://www.niph.go.jp/journal/data/67-1/201867010003.pdf

[5] http://www.fisicaweb.org/doc/radioattivita/geiger%20muller/taratura.pdf?fbclid=IwAR2GMarmxt093hTPJWUvygCtjiTePRl6OEadUXyhTMUC1LEFsxYWawO713c

[6] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0936655516000054

https://www.ft.com/content/000f864e-22ba-11e8-add1-0e8958b189ea

[7] https://www.japantimes.co.jp/news/2014/02/20/national/post-quake-illnesses-kill-more-in-fukushima-than-2011-disaster#.Xe-D3Rt7m02

[8] https://www.newscientist.com/article/2125805-a-nuclear-ghost-town-in-japan-welcomes-back-residents-this-week/

[9] https://www.pref.fukushima.lg.jp/site/portal-it/it01-03.html

[10] https://www.japantimes.co.jp/news/2013/05/09/national/fukushima-activist-fights-fear-and-discrimination-based-on-radiation/#.XezovBt7lNA

[11] http://www.unscear.org/docs/reports/annexb.pdf