Otto mesi dopo l' incidente nucleare dell'aprile 1986 alla centrale nucleare di Chernobyl in Ucraina, i lavoratori che entrarono in un corridoio sotto il reattore n. 4 danneggiato scoprirono un fenomeno sorprendente: lava nera che era sgorgata dal nocciolo del reattore, come se fosse una sorta di vulcano artificiale. Una delle masse indurite era particolarmente sorprendente e l'equipaggio l'ha soprannominata la zampa di elefante perché assomigliava al piede dell'enorme mammifero.
I sensori hanno detto ai lavoratori che la formazione di lava era così altamente radioattiva che una persona avrebbe impiegato cinque minuti per ottenere una quantità letale di esposizione, come ha spiegato Kyle Hill in questo articolo del 2013 per la rivista scientifica Nautilus.
Un decennio dopo, il progetto internazionale per la sicurezza nucleare del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti , che ha raccolto centinaia di immagini di Chernobyl, ha ottenuto diverse immagini del piede di elefante, che si stima pesasse 2,2 tonnellate (2 tonnellate ).
Da allora, il piede di elefante, noto come materiale contenente combustibile simile alla lava (LFCM), è rimasto un macabro oggetto di fascino. Ma che cos'è, in realtà?
Cos'è il piede dell'elefante di Chernobyl?
Poiché Elephant's Foot era così radioattivo, gli scienziati dell'epoca usarono una macchina fotografica su una ruota per fotografarlo. Alcuni ricercatori si sono avvicinati abbastanza da prelevare campioni per l'analisi. Quello che hanno scoperto è che Elephant's Foot non erano i resti del combustibile nucleare.
Invece, gli esperti nucleari spiegano che il piede di elefante è composto da una sostanza rara chiamata corium, che viene prodotta in un incidente nucleare quando il combustibile nucleare e parti delle strutture del nocciolo del reattore si surriscaldano e si fondono, formando una miscela. Il Corium si è formato naturalmente solo cinque volte nella storia: una volta durante l' incidente di Three Mile Island in Pennsylvania nel 1979, una volta a Chernobyl e tre volte nel disastro dell'impianto di Fukushima Daiichi in Giappone nel 2011.
"Se non è possibile interrompere una fusione del nucleo, alla fine la massa fusa scorrerà verso il basso fino al fondo del recipiente del reattore e si scioglierà (con un contributo di materiali fusi aggiuntivi), cadendo sul pavimento del contenimento", Edwin Lyman , direttore della sicurezza dell'energia nucleare per l' Unione degli scienziati interessati , spiega in una e-mail.
"La massa fusa calda reagirà quindi con il pavimento di cemento del contenimento (se ce n'è uno), cambiando nuovamente la composizione della fusione", continua Lyman. "A seconda del tipo di reattore, la fusione può diffondersi e sciogliersi attraverso le pareti di contenimento o continuare a sciogliersi attraverso il pavimento, eventualmente infiltrandosi nelle acque sotterranee (questo è ciò che è accaduto a Fukushima). Quando la fusione si raffredda a sufficienza, si indurirà in un duro , minerale simile alla roccia."
Mitchell T. Farmer , un veterano ingegnere nucleare e responsabile del programma presso l' Argonne National Laboratory, afferma via e-mail che il corium assomiglia "molto alla lava, un materiale di ossido nerastro che diventa molto viscoso quando si raffredda, scorrendo come vetro fuso appiccicoso. Questo è quello che è successo a Chernobyl con il piede di elefante".
Cos'è il Corium?
L'esatta composizione di un particolare flusso di corium come quello che costituisce il piede di elefante di Chernobyl può variare. Farmer, il cui team ha simulato incidenti di fusione del nucleo nucleare nella ricerca, afferma che la tonalità brunastra del piede di elefante assomiglia al corium "in cui la fusione si è erosa in calcestruzzo contenente un alto grado di silice (SiO2), che è fondamentalmente vetro. Calcestruzzi che contengono molta silice sono chiamati silicei, e questo è il tipo di calcestruzzo utilizzato per costruire gli impianti di Chernobyl".
Ciò ha senso perché inizialmente dopo che il nucleo si scioglie , il corium sarà costituito dai materiali di cui solitamente è composto il nucleo. Parte di esso è anche combustibile a base di ossido di uranio. Altri ingredienti includono il rivestimento del carburante, in genere una lega di zirconio chiamata Zircaloy, e materiali strutturali, che per lo più sono acciaio inossidabile composto da ferro, spiega Farmer.
"A seconda di quando l'acqua viene rifornita per raffreddare il corium, la composizione del corium può evolvere nel tempo", afferma Farmer. "Quando il vapore evapora, il vapore può reagire con i metalli nel corium (zirconio e acciaio) per produrre gas idrogeno, i cui effetti hai visto durante gli incidenti del reattore di Fukushima Daiichi. I metalli ossidati nel corium vengono convertiti in ossidi, causando la modifica della composizione."
Se il corium non viene raffreddato, si sposterà verso il basso attraverso il recipiente del reattore, fondendo più acciaio strutturale lungo il percorso, il che provoca ancora più cambiamenti nella sua composizione, afferma Farmer. "Se ancora sottoraffreddato, il corium può eventualmente fondersi attraverso il recipiente del reattore in acciaio e cadere sul pavimento di cemento del contenimento", spiega. "Questo è successo in tutti e tre i reattori di Fukushima Daiichi". Il cemento che entra in contatto con il corium alla fine si surriscalda e inizia a sciogliersi.
Una volta che il calcestruzzo si scioglie, gli ossidi di cemento (tipicamente noti come "scorie") vengono introdotti nella fusione, il che fa evolvere ulteriormente la composizione, spiega Farmer. Il calcestruzzo fuso rilascia anche vapore e anidride carbonica, che continuano a reagire con i metalli nel fuso per produrre idrogeno (e monossido di carbonio), causando ancora più cambiamenti nella composizione del corium.
Quanto è pericoloso il piede di elefante?
Il caos risultante che ha creato Elephant's Foot è estremamente pericoloso. In generale, dice Lyman, il corium è molto più pericoloso del combustibile esaurito intatto perché si trova in uno stato potenzialmente instabile che è più difficile da maneggiare, imballare e immagazzinare.
"Nella misura in cui il corium conserva prodotti di fissione altamente radioattivi, plutonio e materiali del nucleo che sono diventati radioattivi, il corium avrà un alto tasso di dose e rimarrà estremamente pericoloso per molti decenni o addirittura secoli a venire", spiega Lyman.
Il corium solidificato molto duro, come quello del piede di elefante, dovrebbe essere frantumato per rimuoverlo dai reattori danneggiati. "[Questo] genererà polvere radioattiva e aumenterà i rischi per i lavoratori e forse per l'ambiente", afferma Lyman.
Ma ciò che è ancora più preoccupante è che gli scienziati non sanno come potrebbe comportarsi il corium a lungo termine, come quando viene immagazzinato in un deposito di scorie nucleari . Quello che sanno è che il corium del piede di elefante probabilmente non è attivo come prima e che si sta raffreddando da solo e continuerà a raffreddarsi. Ma si sta ancora sciogliendo e rimane altamente radioattivo.
Nel 2016, il New Safe Confinement (NSC) è stato fatto scivolare su Chernobyl per prevenire ulteriori perdite di radiazioni dalla centrale nucleare. Un'altra struttura in acciaio è stata costruita all'interno dello scudo di contenimento per supportare il sarcofago di cemento in decomposizione nel reattore n. 4 di Chernobyl. 2. La stanza 305/2 era direttamente sotto il nocciolo del reattore n. 4 e ha mostrato segni di aumento delle emissioni di neutroni dal 2016. È totalmente inaccessibile agli umani a causa dei livelli di radiazioni mortali.
Studiare Corium
Nessuno vuole vedere un altro piede di elefante. Farmer ha trascorso la maggior parte della sua carriera studiando gli incidenti nucleari e lavorando con il corium nel tentativo di sviluppare modi per consentire agli operatori di impianti di porre fine a un incidente: quanta acqua iniettare e dove iniettarla e quanto velocemente l'acqua può raffreddare il corium e stabilizzarlo .
"Facciamo grandi esperimenti in cui produciamo 'corium' con i materiali reali, ma usiamo il riscaldamento elettrico per simulare il calore di decadimento invece del riscaldamento di decadimento stesso", dice Farmer, spiegando che la simulazione rende gli esperimenti più facili da fare.
"Abbiamo concentrato la maggior parte del nostro lavoro sullo studio dell'efficienza dell'aggiunta di acqua nella tempra e nel raffreddamento del corium per varie composizioni di corium. Pertanto, stiamo svolgendo ricerche sulla mitigazione degli incidenti. L'altra estremità è la prevenzione degli incidenti, e questo è un obiettivo principale area per l'industria nucleare."
Ora è spaventoso
I ricercatori dell'Argonne National Laboratory hanno creato questo video , che mostra un pool fuso di ossido di uranio a 3.600 gradi Fahrenheit (2.000 gradi Celsius). I loro esperimenti hanno simulato come un tale flusso di lava eroderebbe il pavimento di cemento di un edificio di contenimento di un reattore nucleare.
