Alcuni anni fa, diversi reattori nucleari negli Stati Uniti stavano affrontando la possibilità di arresti imprevisti a seguito del disastro della centrale elettrica giapponese di Fukushima Daiichi. L'incidente del 2011 ha indotto il controllo mondiale della sicurezza dell'energia nucleare, in particolare per quanto riguarda i reattori ad acqua bollente, o BWR.

Negli Stati Uniti., dove i BWR costituiscono quasi un terzo dei reattori, i regolatori hanno preso in considerazione nuovi miglioramenti della sicurezza per evitare un altro scenario come Fukushima, dove un terremoto e uno tsunami hanno provocato una serie di guasti al carburante che hanno provocato perdite radioattive. Ma per gli operatori BWR, alcuni dei nuovi requisiti previsti avrebbero comportato la chiusura di diversi reattori e costi enormi per il mantenimento in funzione degli altri impianti.

Infine, è emersa una terza via, informato da una ricerca condotta presso l'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE). I dati di anni di test ad Argonne hanno supportato un approccio che potrebbe sia preservare la sicurezza che evitare spese paralizzanti di 1 miliardo di dollari per gli operatori dell'impianto.

Prima della curva di sicurezza

I reattori nucleari sono protetti da un edificio di contenimento rivestito in acciaio rinforzato con cemento sia all'interno che all'esterno. In un incidente, la sfida è prevenire il corium, il materiale simile alla lava che si forma quando le barre di combustibile di uranio nel nocciolo del reattore si sciolgono, insieme al loro rivestimento protettivo in metallo, dall'entrare nell'ambiente se il corium fuoriesce dal recipiente del reattore ed erode il pavimento di cemento sottostante. Negli stabilimenti di Fukushima Daiichi, si pensa che questo tipo di evento abbia contribuito alla fuoriuscita di materiale altamente radioattivo che ha contaminato il suolo vicino e si è riversato nell'Oceano Pacifico.

Gli operatori delle centrali nucleari avevano bisogno di un modo per garantire che le emissioni radioattive fossero ridotte al minimo per proteggere le persone e l'ambiente in caso di incidente. Un'opzione prevedeva l'installazione di grandi filtri sulle prese d'aria per questi impianti, una soluzione così costosa, fino a 50 milioni di dollari per impianto, che in alcuni casi sarebbe stato più pratico un arresto dell'impianto.

Poiché un team di settore noto come BWR Owners Group ha esplorato come affrontare questi problemi, hanno appreso delle ricerche in corso ad Argonne da decenni. Personale del laboratorio, che ha una lunga storia di scienza dell'energia nucleare, supportavano anche il DOE nella loro risposta agli incidenti di Daiichi.

Gli esperimenti guidano il percorso in avanti

In risposta al crollo parziale del 1979 nella centrale elettrica di Three Mile Island in Pennsylvania, I ricercatori di Argonne stavano simulando il processo di fusione del nocciolo di un reattore. Hanno studiato come il corium risultante interagisce con il calcestruzzo, e come tale interazione può essere interrotta allagando con l'acqua. Gli esperimenti sono stati tra i più grandi del loro genere al mondo, e le società di energia nucleare li hanno co-sponsorizzati per supportare miglioramenti della sicurezza nei loro impianti.

"In pratica stavamo concludendo questo lavoro, e poi gli incidenti sono avvenuti a Fukushima Daiichi, ", ha affermato l'ingegnere nucleare di Argonne Mitch Farmer, che ha condotto analisi ed esperimenti sugli incidenti gravi in ​​laboratorio dal 1988. "A quel punto, c'era un rinnovato interesse per il lavoro che stavamo facendo, in particolare come poteva supportare gli sforzi del settore per affrontare i nuovi requisiti normativi".

La Commissione di regolamentazione nucleare degli Stati Uniti (NRC) voleva che gli operatori BWR assicurassero che i rilasci radioattivi da un impianto durante un grave incidente potessero essere evitati o ridotti al minimo.

Ma la ricerca di Argonne aveva dimostrato che se il corium dovesse migrare fuori dal recipiente del reattore, potrebbe essere efficacemente raffreddato iniettando acqua attraverso la nave mantenendo il materiale radioattivo all'interno dell'edificio di contenimento, un approccio che non richiederebbe nuove attrezzature o modifiche agli impianti.

La ricerca ha anche aiutato a stabilire parametri per determinare quando il corium si fosse raffreddato adeguatamente, un altro elemento chiave per prevenire la confusione riscontrata tra gli operatori dell'impianto a Fukushima.

"Esattamente importante quanto il raffreddamento dei detriti di corium è essere in grado di riconoscere di averlo stabilizzato, "ha detto Bill Williamson, uno specialista in reattori presso lo stabilimento Browns Ferry della Tennessee Valley Authority in Alabama, che è anche presidente delle procedure di emergenza per il BWR Owners Group. "La ricerca di Argonne ci ha aiutato a capire che cosa dovremmo cercare e cosa dovremmo aspettarci".

La svolta da 1 miliardo di dollari

La capacità di informare la strategia di sicurezza con una migliore comprensione delle interazioni del corium è stata un importante passo avanti sia per l'industria che per il paese, dato che le centrali nucleari forniscono circa un quinto dell'elettricità degli Stati Uniti senza produrre emissioni di gas serra.

L'Istituto per l'Energia Nucleare, un'associazione di categoria, ha accreditato i ricercatori di Argonne con il risparmio della flotta complessiva di BWR di oltre $ 1 miliardo in potenziali costi di modifica.

"Il team di Argonne ha aiutato a prevenire la chiusura di diversi reattori BWR, " ha detto Phillip Ellison, un project manager con il BWR Owner's Group (gestito da General Electric-Hitachi). "Siamo stati in grado di identificare una strategia che ha funzionato sia per gli operatori che per i regolatori, e il lavoro di Argonne è stato essenziale per questo."

Il lavoro in quest'area ad Argonne è stato storicamente sostenuto dall'NRC, l'Istituto di ricerca sull'energia elettrica (EPRI), e operatori di impianti statunitensi, così come partner internazionali. A seguito degli incidenti di Daiichi, il supporto tecnico che Argonne è stato in grado di fornire all'industria nell'affrontare i requisiti normativi in ​​evoluzione è stato fornito attraverso il programma di sostenibilità del reattore ad acqua leggera all'interno dell'Ufficio per l'energia nucleare del DOE. La ricerca in questo settore continua ad essere condotta ad Argonne con il sostegno dell'NRC, EPRI, e partner internazionali per informare ulteriormente gli operatori degli impianti sulle migliori azioni da intraprendere durante un incidente grave.