Sono in corso lo smantellamento e la bonifica della centrale nucleare di Fukushima Daiichi (FDNPP); tuttavia, molti problemi difficili rimangono irrisolti. Il principale tra questi problemi è il recupero e la gestione dei detriti di carburante. Detriti di combustibile è il nome dato alla miscela solidificata di combustibile nucleare fuso e altri materiali che ora giacciono alla base di ciascuno dei reattori danneggiati (unità reattore 1-3). Questo materiale è altamente radioattivo e ha il potenziale per generare abbastanza neutroni per innescare successive reazioni di fissione nucleare (l'uranio-235 si rompe in due elementi dopo aver catturato neutroni, emettendo enormi quantità di energia, radiazioni e più neutroni). Le successive reazioni di fissione presenterebbero un serio rischio per la sicurezza e la gestione dei materiali.

Uno dei materiali nei reattori nucleari che può ridurre il numero di neutroni che interagiscono con l'uranio-235 è il carburo di boro (B₄ C). Questo è stato utilizzato come materiale della barra di controllo nei reattori FDNPP e ora potrebbe rimanere all'interno dei detriti di carburante. In tal caso, potrebbe limitare gli eventi di fissione all'interno dei detriti di carburante.

I detriti di carburante possono essere rimossi in sicurezza?

L'11 marzo 2011 le barre di controllo sono state inserite nei reattori FDNPP per fermare le reazioni di fissione subito dopo il terremoto, ma il successivo tsunami ha distrutto i sistemi di raffreddamento del reattore. Le temperature del carburante divennero presto abbastanza elevate (>2000 °C) da causare la fusione del reattore. Attualmente, il materiale detritico di combustibile proveniente da ciascun reattore è raffreddato e stabile; tuttavia, è necessaria un'attenta valutazione di questi materiali, compresi non solo i loro inventari di elementi radioattivi, ma anche il loro contenuto di boro, un assorbitore di neutroni, per accertare se potrebbero verificarsi reazioni di fissione successive e flusso di neutroni associato nei detriti di combustibile durante la sua rimozione. Rimangono molte domande importanti:il boro delle barre di controllo è stato perso ad alta temperatura durante la fusione? In tal caso, nei detriti di combustibile rimane abbastanza boro per limitare le successive reazioni di fissione all'interno di questo materiale? È necessario rispondere a queste domande per supportare una disattivazione sicura.

Lo studio mostra prove dirette della volatilizzazione delle barre di controllo durante l'incidente.

Nonostante l'importanza di questo argomento, lo stato e la stabilità del materiale dell'asta di controllo FDNPP è rimasto sconosciuto fino ad ora. Tuttavia, lavoro appena pubblicato nel Journal of Hazardous Materials ora fornisce prove vitali che indicano che la maggior parte del boro della barra di controllo rimane in almeno due dei reattori FDNPP danneggiati (unità 2 e/o 3).

Lo studio è stato uno sforzo internazionale che ha coinvolto scienziati provenienti da Giappone, Finlandia, Francia e Stati Uniti. Il dottor Satoshi Utsunomiya e lo studente laureato Kazuki Fueda dell'Università di Kyushu hanno condotto lo studio. Utilizzando la microscopia elettronica e la spettrometria di massa di ioni secondari (SIMS), il team è stato in grado di riportare le prime misurazioni in assoluto della chimica del boro e del litio da microparticelle radioattive ricche di Cs (CsMP). I CsMP si sono formati all'interno delle unità del reattore FDNPP 2 e/o 3 durante i crolli. Queste particelle microscopiche sono state quindi emesse nell'ambiente e le particelle contengono indizi vitali sull'entità e sui tipi di processi di fusione. I nuovi risultati del team sui rapporti isotopici boro-11/boro-10 (~4,2) indicano chiaramente che la maggior parte del boro all'interno dei CsMP deriva dalle barre di controllo FDNPP e non da altre fonti (ad es. boro dall'acqua di mare che è stata utilizzata per raffreddare i reattori). Il Dr. Utsunomiya afferma che la presenza di boro nei CsMP "fornisce prove dirette della volatilizzazione delle barre di controllo, indicando che sono state gravemente danneggiate durante i crolli".

È probabile che nei reattori rimanga molto boro, ma sono necessarie ulteriori ricerche

Nello studio il team ha anche combinato i nuovi dati con le conoscenze passate sulle emissioni di CsMP. Da questo, sono stati in grado di stimare che la quantità totale di boro rilasciata dai reattori FDNPP fosse probabilmente molto piccola:0,024–62 g.

Il prof. Gareth Law, coautore dell'Università di Helsinki, ha sottolineato che questa "è una piccola frazione dell'inventario di boro complessivo del reattore, e questo può significare che essenzialmente tutto il boro della barra di controllo rimane all'interno dei reattori". Il team spera che ciò prevenga reazioni di fissione eccessive nei detriti di carburante. Utsunomiya sottolinea che "la disattivazione dell'FDNPP, e in particolare la rimozione dei detriti di carburante, deve essere pianificata in modo che non si verifichino le estese reazioni di fissione. Il nostro team internazionale ha fornito con successo la prima prova diretta della volatilizzazione di B₄ C durante la fusione dell'FDNPP, ma in modo critico, i nostri nuovi dati hanno indicato che grandi quantità di boro, che adsorbe i neutroni, probabilmente rimangono all'interno dei detriti di combustibile."

Il Prof. Rod Ewing, un coautore della Stanford University, ha riconosciuto l'importanza di queste nuove scoperte, ma ha evidenziato che le misurazioni del team devono ora essere "estese in studi di follow-up, in cui la presenza e la distribuzione delle specie di boro dovrebbero essere caratterizzate attraverso un vasta gamma di frammenti di detriti".

Il Prof. emerito Bernd Grambow, coautore dello studio di SUBATECH, Nantes, Francia, sottolinea che il lavoro "apre la strada per migliorare la valutazione della sicurezza del recupero dei detriti durante lo smantellamento presso FDNPP", con i metodi del team "che forniscono un modello per ulteriori studi». Utsunomiya conclude che "sono passati quasi 11 anni dal disastro dell'FDNPP. Oltre agli instancabili sforzi degli ingegneri dell'FDNPP, i contributi scientifici stanno diventando sempre più importanti come strumenti per affrontare le principali difficoltà che si dovranno affrontare durante la disattivazione".