SCORIE NUCLEARI 1 – i fenomeni

Questo articolo si occupa unicamente delle scorie ad alta radioattività (HLW, High Level Waste), che sono gli elementi di combustibile esauriti dei reattori nucleari.

Sono da distinguere due gruppi di elementi radioattivi nel combustibile esaurito:

  • Prodotti di fissione
  • Transuranici

Prodotti di fissione

Nella fissione nucleare i nuclei di uranio 235, plutonio 239 o uranio 233 (attualmente non in uso, nasce dal torio 232) si spezzano in due in maniera caotica. Nascono oltre 80 nuclei diversi con masse da 73 a 159 unità atomiche. Questi nuclei contengono troppi neutroni per essere stabili. Al loro interno quindi i neutroni di troppo si trasformano in protoni, con l’emissione di un elettrone e un antineutrino, questi nuclei fanno un decadimento beta per ogni neutrone di troppo, fino a circa otto. Il tipo di radioattività dei prodotti di fissione, cioè dei frammenti, è di tipo beta meno. Con un’eccezione: Capita che all’inizio di questa catena di decadimenti un nucleo che nasce è talmente eccitato che può emettere un neutrone. Ci vuole un’energia di eccitazione da 8 MeV in su. Ma questo dopo tre secondi dalla fissione è finito. Questi “neutroni ritardati”, che sono lo 0,6% dei neutroni creati dalle fissioni, non si trovano nelle scorie, ma sono essenziali per il controllo dei reattori nucleari. Reattori nucleari diventano critici solo con i neutroni ritardati. Questo li distingue da una bomba, che è critica senza neutroni ritardati e fa quindi una reazione a catena veloce.

I decadimenti beta di solito non portano allo stato fondamentale del nucleo figlio, ma a livelli eccitati, che decadono con l’emissione di raggi gamma in livelli più bassi.

L’energia degli elettroni dai decadimenti beta e l’energia dei raggi gamma successivi fanno incirca il 5% della potenza di un reattore nucleare. Questo 5% di potenza resta attivo anche quando si spegne il reattore. L’elevatissima radioattività beta e gamma del combustibile nucleare esaurito rende necessario un raffreddamento prolungato dopo l’estrazione dal reattore. Il combustibile esaurito va raffreddato in vasche di acqua per 6 mesi. Quest’acqua contiene acido borico, che assorbe neutroni per evitare che possano ancora nascere reazioni di fissione a catena.

Circa il tre percento dell’energia prodotta dalla fissione nucleare va via con gli antineutrini dei decadimenti beta. Per una centrale di 1 Gigawatt elettrica questo è qualcosa come 100 000 kW. Non si conosce alcuna conseguenza di questa radiazione di antineutrini. Tentativi di spiegare l’aumentata frequenza di leucemie infantili nella vicinanza dei reattori con l’emissione degli antineutrini falliscono. Le reazioni indotte (sarebbe il fosforo nelle ossa) succedono con una frequenza totalmente trascurabile.

In un incidente nucleare come quello di Cernobyl si trovano nell’ambiente anche gli elementi beta instabili di vita breve come lo iodio 131, con una semivita di 8 giorni. Causa tumori alla tiroide.

Per le scorie nucleari dobbiamo preoccuparci dei nuclei beta-instabili di media longevità. Ci sono due che sono importanti:

  • Il Cesio 137
  • Lo stronzio 90

Il cesio nasce nel 6,337 % dei casi di fissione dell’uranio 235. Una delle percentuali più alte. Ha una semivita di 30,23 anni. Questo significa che tra 300 anni possiamo finire di preoccuparci. Fa raggi beta e gamma di alta energia. Il cesio 137 attualmente è la maggior causa di pericolo intorno a Cernobyl. Dopo l’incidente di Cernobyl l’inquinamento medio da cesio 137 in Germania era da 2000 a 4000 Becquerel al metro quadro (1 Becquerel = 1 decadimento nucleare al secondo). Il cesio è chimicamente simile al potassio. Va dappertutto, soprattutto nei muscoli. Il corpo se ne libera con una semivita di 70 giorni (semivita biologica). Dopo due anni non c’è più.

Lo stronzio 90 nasce nel 5,835% delle fissioni dell’uranio 235. Fa due decadimenti beta con successivi decadimenti gamma. I decadimenti gamma sono trascurabili, i decadimenti beta sono robusti. Un grammo di stronzio 90 sviluppa 0,94 W di energia termica e può essere usato per generatori termici di energia elettrica. E’ chimicamente simile al calcio. I corpo lo mette nell’osso invece del calcio. Lo preferisce, tanto che lo stronzio naturale, non radioattivo (soprattutto Sr 88) viene usato con successo nella terapia dell’osteoporosi.

Prima degli esperimenti e incidenti nucleari le ossa non erano radioattive. La radioattività naturale del corpo umano, causata soprattutto dal potassio 40 (4000 decadimenti al secondo in un corpo umano) non si trovava nelle ossa. Non contengono potassio. All’interno delle ossa c’è il midollo, che produce sangue. Tempo fa questo era protetto dalla radioattività, l’osso faceva da schermo e non era radioattivo. Era. Adesso non è più così. Tutti hanno stronzio 90 nelle ossa. La conseguenza: Tumori ossei e leucemie sono aumentati.

Non ci sono frammenti di fissione con semivite da 100 fino a 200 000 anni. Ce ne sono con semivite più lunghe, ma quelli preoccupano poco.

Transuranici

I transuranici sono il vero problema di stoccaggio a lungo termine per i reattori all’uranio 235 e al plutonio 239. Il problema è praticamente assente nei reattori al torio 232.

I transuranici nascono da reazioni con neutroni sia dell’uranio 235 sia dell’uranio 238. L’uranio 235, dopo l’assorbimento di un neutrone termico, cioè lento, si rompe in due, fa una fissione nell’82% dei casi. Nel 18% dei casi l’uranio 236 che nasce dall’assorbimento del neutrone non si spacca, ma emette radiazione gamma, liberandosi dall’energia di eccitazione. Nel suo stato fondamentale l’uranio 236 è radioattivo, decade con l’emissione di una particella alfa con una semivita di 23 milioni di anni in torio 232. All’interno del reattori, esposto a un intenso flusso di neutroni l’uranio 236 si trasforma in uranio 237, che è decisamente instabile. Con una semivita di 6,75 giorni, con l’emissione di un elettrone e un antineutrino, cioè un decadimento beta meno, si trasforma in nettunio 237.

Il nettunio 237 è uno dei transuranici più pericolosi. Ha una semivita di 2,144 milioni di anni. Il nettunio fa facilmente ioni molto solubili, migra, va dappertutto. Se andasse nell’acqua potabile sarebbe causa di tumori al fegato, ai reni e altro.

Il problema dei transuranici è molto più accentuato di quello causato dai frammenti di fissione. Perché?

I transuranici per i quali il nettunio è un esempio, ma che sono tanti, sono tutti radioattivi. Il modo dominante di decadimento è l’emissione di una particella alfa. L’energia della particelle alfa, tipicamente intorno ai 5 MeV, è molto più alta di quello dei decadimenti beta, tipicamente intorno a un MeV. Se ingeriti, i nuclei con decadimenti alfa sono fisiologicamente molto più pericolosi. Per la valutazione del danno biologico (nella trasformazione dai Gray ai Sievert) la loro energia va moltiplicata con un fattore di 20. Poi sono tutti quanti capostipiti di lunghe catene di decadimenti, prevalentemente di tipo alfa. La catena dei decadimenti del nettunio 237 si presenta così, gli altri transuranici si comportano in maniera simile:

Np 237 ? Pa 233 + alfa + 4,7 MeV (Pa = Protattinio) semivita 2 144 000 anni

Pa 233 ? U 233 + elettrone + antineutrino + 0,6 Mev semivita 27 giorni

U 233 ? Th 229 + alfa + 4,7 MeV semivita 159 200 anni

Th 229 ? Ra 225 + alfa + 4,6 MeV (Ra = Radio) semivita 75 400 anni

Ra 225 ? Ac 225 + elettrone + antineutrino + 0,4 MeV semivita 14,8 giorni

Ac 225 ? Fr 221 + alfa + 5,83 MeV semivita 10,0 giorni

Fr 221 ? At 217 + alfa + 6,34 MeV semivita 4,9 minuti

At 217 ? Bi 213 + alfa + 7,07 MeV semivita 32,3 millisecondi

Bi 213 ? Po 213 + elettroni + antineutrino + 1,3 Mev semivita 45,59 minuti

Po 213 ? Pb 209 + alfa + 8,38 MeV semivita 4,2 microsecondi

Pb 209 ? Bi 209 + elettrone + antineutrino + 0,6 MeV semivita 3,253 ore

Bi 209 ? è stabile

I decadimenti sono normalmente accompagnati da emissioni gamma robuste.

Si può concludere che un atomo transuranico è biologicamente circa 500 volte più pericoloso di un frammento di fissione.

Il nettunio 237 resta di concentrazione effettivamente invariata nelle scorie nucleari per un milione di anni. Quello che sparisce per decadimento viene reintegrato dal decadimento alfa dell’americio 241, un altro transuranico presente nelle scorie.

Il decadimento alfa del nettunio 237 però non è l’unico modo di trasformazione. L’altro modo, e questo è comune a tutti i transuranici: Fissione spontanea. Il nucleo si spezza in due in maniera spontanea. L’energia liberata è incirca 5 volte superiore a quella di tutti gli altri decadimenti dello stesso nucleo insieme. La fissione spontanea è seguito da un’emissione di due o tre neutroni e da una quindicina di decadimenti beta con successiva forte emissioni di raggi gamma. I neutroni sono difficilmente schermabili e rendono l’ambiente radioattivo. La pericolosità biologica della fissioni spontanea è circa 10 volte superiore a quella degli altri decadimenti insieme.

La maggior parte dei transuranici nasce dopo l’assorbimento di un neutrone da parte di un nucleo di uranio 238. L’uranio 238 con un neutrone termico non è fissile, diventa uranio 239. L’uranio 239 fa un decadimento beta meno con una semivita di 23,5 minuti e diventa nettunio 239. Questo fa un altro decadimento beta meno e diventa plutonio 239. Semivita del nettunio 239: 2,335 giorni.

Il plutonio 239 è fissile. Può essere usato in reattori nucleari e in bombe a fissione (la bomba che ha distrutto Nagasaki era al plutonio 239). I reattori attuali ricavano circa il 40% della loro potenza dalla fissione del plutonio 239.

Sono stati concepiti reattori che producono più plutonio 239 di quello che consumano. Sono chiamati “reattori autofertilizzanti”. A Grenoble erano in funzione due reattori di questo tipo, il Phoenix e il Superphoenix. Sono stati spenti a causa di pericolosità eccessiva. La Germania ha costruito uno: Il “Kalkar”, che non è stato acceso. Un tribunale l’ha proibito a causa di pericolosità eccessiva.

Il plutonio 239 è un nucleo fissile abbastanza cattivo. Fa la fissione solo in circa due terzi dei casi di assorbimento di un neutrone termico. Un terzo diventa plutonio 240. Questo è un potente veleno per i reattori. Assorbe neutroni senza fare fissioni. Rovina il bilancio di neutroni. L’accumulo di plutonio 240 nei reattori determina la fine dell’utilizzo degli elementi combustibile. Non è l’esaurimento del uranio 235. Negli elementi di combustibile nucleare esauriti c’è ancora più del 20% dell’uranio 235 iniziale, che non è più utilizzabile a causa della presenza del plutonio 240.

Ci sono reattori che servono per la produzione di plutonio 239 a scopi militari, per bombe a fissione. In questo caso il contenuto di plutonio 240 dev’essere basso, altrimenti le bombe non funzionano. Si espone l’uranio 238 al flusso dei neutroni in nel reattore solo per un tempo breve per evitare la formazione del plutonio 240. Le bombe nucleari a bordo di sommergibili sono di plutonio 239 molto puro. Sono quelli che danneggiano di meno le persone a bordo.

Normalmente il plutonio negli elementi di combustibile nucleare esauriti non è usabile per la costruzione di bombe. E’ troppo avvelenato. Questo è importante per la non proliferazione delle armi nucleari. Ma non tiene all’infinito. Il Plutonio 240 ha la vita più breve del plutonio 239. Tra migliaia di anni il plutonio troppo avvelenato diventa usabile per bombe nucleari. Basta una separazione chimica.

Il plutonio chimicamente è simile al calcio e viene depositato nelle ossa. Lì resta e fa danni. Soprattutto leucemie e tumori ossei.

Elmar Pfletschinger

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47 pensieri su “SCORIE NUCLEARI 1 – i fenomeni

  1. … Perforare sotto il mare… infilare una barra…mettere un tappo.. perforare un po’ più in la … infilare un’altra barra… UFF…Che fadiga….. 8)

    Preferisco tanti bei mulini… ritorno al passato… In fondo gli Olandesi ci hanno prosciugato la loro terra, con quel metodo……

    Ciao
    Luca

      (Quote)  (Reply)

  2. nitopi :
    … Perforare sotto il mare… infilare una barra…mettere un tappo.. perforare un po’ più in la … infilare un’altra barra… UFF…Che fadiga…..
    Preferisco tanti bei mulini… ritorno al passato… In fondo gli Olandesi ci hanno prosciugato la loro terra, con quel metodo……
    Ciao
    Luca

    Putroppo non si tratta solo del futuro. Di casino ne abbiamo fatto già tanto che bisognerebbe preoccuparsi di sistemare le scorie già prodotte

      (Quote)  (Reply)

  3. @ elmar
    Per trovare qualcuno che possa confutare o perorare la tua tesi potresti provare a perlarne con Marco Delmastro (se già non lo conosci basta fare una ricerca googlando e lo trovi) . E’ un ricercatore del CERN che mi pare molto disponibile a nuove idee e proposte, ma è anche molto “pragmatico” … che sia la persona giusta ?
    Tra parentesi mi pare che abbia partecipato al progetto INFN “OPERA” tra CERN e Gransasso, ( il famoso cambio di stato dei neutrini)
    Ciao

      (Quote)  (Reply)

  4. elmar :
    Per la sicurezza dei depositi:
    In Germania avevano trovato due siti “sicuri”. Miniere di sale abbandonate. Geologi avevano assicurato che per un milione di anni erano sicuri contro infiltrazioni d’acqua. Dopo 10 anni l’acqua era dentro in tutt’e due. Il governo tedesco ha dichiarato che il problema del deposito delle scorie non è risolto.

    Dove posso trovare qualcosa a proposito di questi due siti tedeschi?
    Qualche tempo fa si parlava di un sito di deposito di scorie nucleari nella mia regione a Scanzano Ionico (vicino al mare…) ed è uno spunto che mi interessa.

      (Quote)  (Reply)

  5. Pietro :

    elmar :
    Per la sicurezza dei depositi:
    In Germania avevano trovato due siti “sicuri”. Miniere di sale abbandonate. Geologi avevano assicurato che per un milione di anni erano sicuri contro infiltrazioni d’acqua. Dopo 10 anni l’acqua era dentro in tutt’e due. Il governo tedesco ha dichiarato che il problema del deposito delle scorie non è risolto.

    Dove posso trovare qualcosa a proposito di questi due siti tedeschi?
    Qualche tempo fa si parlava di un sito di deposito di scorie nucleari nella mia regione a Scanzano Ionico (vicino al mare…) ed è uno spunto che mi interessa.

    ho trovato informazioni solo in lingua tedesca:

    http://www.atommuell-endlager.de/index.php?option=com_content&task=view&id=16&Itemid=31

    tra l’altro dice che materiale radioattivo non può essere stoccato nel sale, dato che la radiazione libera cloro. Conseguenza: Corrosione e esplosioni.

    Tra l’altro l’hanno chimato “cesso nucleare con sciacquone verso l’alto”. Volevano dire che il materiale radioattivo entrarà nella biosfera.

      (Quote)  (Reply)

  6. elmar :

    Pietro :

    elmar :
    Per la sicurezza dei depositi:
    In Germania avevano trovato due siti “sicuri”. Miniere di sale abbandonate. Geologi avevano assicurato che per un milione di anni erano sicuri contro infiltrazioni d’acqua. Dopo 10 anni l’acqua era dentro in tutt’e due. Il governo tedesco ha dichiarato che il problema del deposito delle scorie non è risolto.

    Dove posso trovare qualcosa a proposito di questi due siti tedeschi?
    Qualche tempo fa si parlava di un sito di deposito di scorie nucleari nella mia regione a Scanzano Ionico (vicino al mare…) ed è uno spunto che mi interessa.

    ho trovato informazioni solo in lingua tedesca:
    http://www.atommuell-endlager.de/index.php?option=com_content&task=view&id=16&Itemid=31
    tra l’altro dice che materiale radioattivo non può essere stoccato nel sale, dato che la radiazione libera cloro. Conseguenza: Corrosione e esplosioni.
    Tra l’altro l’hanno chimato “cesso nucleare con sciacquone verso l’alto”. Volevano dire che il materiale radioattivo entrarà nella biosfera.

    Questo è un sito che parla di Asse, l’altra miniera di sale andata male:

    http://www.atommuell-endlager.de/index.php

      (Quote)  (Reply)

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