Galleria di immagini del terremoto e dello tsunami in Giappone La centrale nucleare di Fukushima II Dai Ni dopo un terremoto e uno tsunami di magnitudo 8,9. Un terremoto di magnitudo 8,9 sulla scala Richter ha colpito la costa nord-orientale del Giappone l'11 marzo. 2011. Guarda altre foto delle conseguenze del terremoto e dello tsunami. Foto di DigitalGlobe tramite Getty Images Persone diverse hanno opinioni diverse sull'industria dell'energia nucleare. Alcuni vedono l'energia nucleare come un'importante tecnologia verde che non emette anidride carbonica mentre produce enormi quantità di elettricità affidabile. Indicano un ammirevole record di sicurezza che abbraccia più di due decenni.
Altri vedono l'energia nucleare come una tecnologia intrinsecamente pericolosa che rappresenta una minaccia per qualsiasi comunità situata vicino a una centrale nucleare. Indicano incidenti come l'incidente di Three Mile Island e l'esplosione di Chernobyl come prova di quanto le cose possano andare storte.
In ogni caso, i reattori nucleari commerciali sono un dato di fatto in molte parti del mondo sviluppato. Poiché fanno uso di una fonte di combustibile radioattivo, questi reattori sono progettati e costruiti secondo i più alti standard della professione di ingegnere, con la capacità percepita di gestire quasi tutto ciò che la natura o l'umanità possono elargire. Terremoti? Nessun problema. uragani? Nessun problema. Attacchi diretti di jumbo jet? Nessun problema. Attacco terroristico? Nessun problema. La forza è incorporata, e livelli di ridondanza sono pensati per gestire qualsiasi anomalia operativa.
Poco dopo che un terremoto ha colpito il Giappone l'11 marzo 2011, però, quelle percezioni di sicurezza cominciarono a cambiare rapidamente. Le esplosioni hanno scosso diversi reattori in Giappone, anche se i primi rapporti indicavano che non c'erano problemi a causa del terremoto stesso. Gli incendi sono scoppiati nello stabilimento di Onagawa, e ci sono state esplosioni nell'impianto di Fukushima Daiichi.
Allora cosa è andato storto? Come può un tale ben progettato, sistemi altamente ridondanti falliscono in modo così catastrofico? Diamo un'occhiata.
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Questo diagramma mostra tutte le parti di un reattore nucleare. © 2011 HowStuffWorks.com Se hai letto Come funzionano i reattori nucleari, conosci l'idea alla base di una centrale nucleare. Ad alto livello, queste piante sono abbastanza semplici. Combustibile nucleare, che nelle moderne centrali nucleari commerciali si presenta sotto forma di uranio arricchito, produce naturalmente calore quando gli atomi di uranio si dividono (vedi la sezione sulla fissione nucleare di Come funzionano le bombe nucleari per i dettagli). Il calore viene utilizzato per far bollire l'acqua e produrre vapore. Il vapore aziona una turbina a vapore, che fa girare un generatore per creare elettricità. Questi impianti sono grandi e generalmente in grado di produrre qualcosa dell'ordine di un gigawatt di elettricità a piena potenza.
Affinché la potenza di una centrale nucleare sia regolabile, il combustibile di uranio è formato in pellet delle dimensioni approssimativamente di un Tootsie Roll. Questi pellet sono impilati end-on-end in lunghi tubi metallici chiamati barre di combustibile. Le aste sono disposte in fasci, e fasci sono disposti nel nocciolo del reattore. Le barre di controllo si inseriscono tra le barre di combustibile e sono in grado di assorbire neutroni. Se le aste di comando sono completamente inserite nel nucleo, si dice che il reattore sia spento. L'uranio produrrà la minor quantità di calore possibile (ma produrrà comunque calore). Se le aste di comando vengono estratte il più possibile dall'anima, il nucleo produce il suo massimo calore. Pensa al calore prodotto da una lampadina a incandescenza da 100 watt. Queste lampadine diventano piuttosto calde, abbastanza calde da cuocere un cupcake in un forno Easy Bake. Ora immagina un 1, 000, 000, Lampadina da 000 watt. Questo è il tipo di calore che esce dal nocciolo di un reattore a piena potenza.
I reattori che hanno fallito in Giappone sono i reattori ad acqua bollente Mark 1 progettati da General Electric negli anni '60. Questo è uno dei primi progetti di reattori, in cui il combustibile di uranio fa bollire l'acqua che aziona direttamente la turbina a vapore. Questo design è stato successivamente sostituito da reattori ad acqua pressurizzata a causa di problemi di sicurezza che circondano il design Mark 1. Come abbiamo visto, quei problemi di sicurezza si sono trasformati in fallimenti di sicurezza in Giappone. Diamo un'occhiata al difetto fatale che ha portato al disastro.
Un reattore ad acqua bollente ha un tallone d'Achille - un difetto fatale - che è invisibile in condizioni operative normali e nella maggior parte degli scenari di guasto. Il difetto ha a che fare con il sistema di raffreddamento.
Un reattore ad acqua bollente fa bollire l'acqua:è abbastanza ovvio e semplice. È una tecnologia che risale a più di un secolo fa, ai primi motori a vapore. Mentre l'acqua bolle, crea un'enorme quantità di pressione, la pressione che verrà utilizzata per far girare la turbina a vapore. L'acqua bollente mantiene anche il nocciolo del reattore a una temperatura sicura. Quando esce dalla turbina a vapore, il vapore viene raffreddato e condensato per essere riutilizzato più e più volte in un circuito chiuso. Il ricircolo dell'acqua avviene tramite l'impianto con elettropompe.
La vulnerabilità del design entra in gioco se le elettropompe perdono potenza. Senza acqua fresca in caldaia, l'acqua continua a bollire, e il livello dell'acqua inizia a scendere. Se viene fuori acqua a sufficienza, le barre di combustibile sono esposte e si surriscaldano. Ad un certo punto, anche con le aste di comando completamente inserite, c'è abbastanza calore per fondere il combustibile nucleare. Da qui deriva il termine crollo. Tonnellate di uranio in fusione fluiscono sul fondo del recipiente a pressione. A quel punto, è catastrofico. Nel peggiore dei casi, il combustibile fuso penetra nel recipiente a pressione viene rilasciato nell'ambiente.
A causa di questa vulnerabilità nota, c'è un'enorme ridondanza intorno alle pompe e alla loro fornitura di elettricità. Esistono diversi set di pompe ridondanti, e ci sono alimentatori ridondanti. L'energia può provenire dalla rete elettrica. Se fallisce, ci sono diversi livelli di generatori diesel di backup. Se falliscono, c'è un sistema di batteria di backup. Con tutta questa ridondanza, sembra che la vulnerabilità sia completamente coperta. Non c'è modo per il difetto fatale di essere mai scoperto.
Sfortunatamente, poco dopo il terremoto, si è verificato lo scenario peggiore.
Lo scenario peggiore nella crisi nucleare giapponese sarebbe una fusione e un massiccio rilascio di radiazioni nucleari nell'ambiente. © iStockphoto.com/caracterdesign Le centrali nucleari in Giappone hanno resistito al terremoto stesso senza difficoltà. I quattro impianti più vicini all'epicentro del terremoto si sono spenti automaticamente, il che significa che le barre di controllo sono state completamente inserite nei loro nuclei del reattore e gli impianti hanno smesso di produrre energia. Questa è la normale procedura operativa per questi impianti, ma significava che la prima fonte di elettricità per le pompe di raffreddamento era scomparsa. Non è un problema perché l'impianto potrebbe ricevere energia dalla rete elettrica per far funzionare le pompe.
Però, la rete elettrica è diventata instabile e si è spenta. La seconda fonte di elettricità per le pompe di raffreddamento era sparita. Ciò ha portato in gioco i generatori diesel di riserva. I generatori diesel sono un modo robusto e collaudato per generare elettricità, quindi non c'erano preoccupazioni.
Ma poi è arrivato lo tsunami. E sfortunatamente, lo tsunami è stato molto più grande di quanto chiunque avesse pianificato. Se i generatori diesel di riserva fossero stati più in alto da terra, progettato per funzionare mentre è immerso in acqua o protetto in qualche modo da acque profonde, la crisi poteva essere evitata. Sfortunatamente, i livelli imprevisti dell'acqua dello tsunami hanno causato il guasto dei generatori.
Questo ha lasciato l'ultimo strato di ridondanza - batterie - per far funzionare le pompe. Le batterie hanno funzionato come previsto, ma erano dimensionati per durare solo poche ore. L'ipotesi, apparentemente, era che l'elettricità sarebbe diventata disponibile da un'altra fonte abbastanza rapidamente.
Sebbene gli operatori trasportassero nuovi generatori, non potevano essere collegati in tempo, e le pompe del liquido di raffreddamento hanno esaurito l'elettricità. Il difetto fatale nel design dell'acqua bollente - ritenuto impossibile da scoprire attraverso così tanti strati di ridondanza - era comunque stato scoperto. Con esso esposto, il passo successivo nel processo ha portato alla catastrofe.
Con le batterie scariche, le pompe del liquido di raffreddamento si sono guastate. Senza refrigerante fresco che scorre nel nocciolo del reattore, l'acqua che la manteneva fresca cominciò a bollire. Mentre l'acqua bolliva via, le parti superiori delle barre di combustibile erano esposte, e i tubi di metallo che contenevano i pellet di combustibile all'uranio si surriscaldarono e si incrinarono. Le crepe hanno permesso all'acqua di entrare nei tubi e raggiungere i pellet di combustibile, dove ha iniziato a generare gas idrogeno. Il processo si chiama termolisi -- se ottieni acqua abbastanza calda, si scompone nei suoi costituenti atomi di idrogeno e ossigeno.
L'idrogeno è un gas altamente esplosivo - ricorda l'esplosione di Hindenburg, in cui l'Hindenburg era pieno di gas idrogeno. Nelle centrali nucleari giapponesi, pressione dall'idrogeno accumulato, e il gas doveva essere scaricato. Sfortunatamente, così tanto idrogeno si è scaricato così rapidamente che è esploso all'interno dell'edificio del reattore. Questa stessa catena di eventi si è svolta in diversi reattori.
Le esplosioni non hanno rotto i recipienti a pressione che contenevano i nuclei nucleari, né hanno rilasciato quantità significative di radiazioni. Queste erano semplici esplosioni di idrogeno, non esplosioni nucleari. Le esplosioni hanno danneggiato gli edifici in cemento e acciaio che circondano i recipienti a pressione.
Le esplosioni hanno anche indicato che le cose erano andate fuori controllo. Se l'acqua dovesse continuare a bollire, un crollo sarebbe quasi assicurato.
Così gli operatori hanno deciso di inondare i reattori con acqua di mare. Questo è un ultimo disperato tentativo di controllare la situazione, poiché l'acqua di mare rovina completamente un reattore, ma è meglio di un crollo. Inoltre, l'acqua di mare è stata mescolata con boro per agire come una versione liquida delle barre di controllo. Il boro assorbe i neutroni ed è uno dei principali costituenti delle barre di controllo.
La centrale nucleare di Tricastin è una delle 59 centrali francesi che forniscono il 75% dell'elettricità del paese. David McGlynn/La scelta del fotografo RF/Getty Images Gli incidenti nucleari in Giappone sono descritti come eventi INES di livello 6 (International Nuclear and Radiological Event Scale). Three Mile Island era un evento di livello 5. Chernobyl era un evento di livello 7, e questo è il top della scala degli eventi [fonte:Reuters]. Ovviamente, è una situazione seria.
Il Giappone ha perso una parte significativa della sua capacità di generazione elettrica. Circa un terzo dell'elettricità del Giappone proviene da centrali nucleari, e circa la metà di quella capacità è andata persa (circa il 20 percento della capacità di generazione totale) [fonte:Izzo]. Tale capacità dovrà essere sostituita in qualche modo.
A 40 anni, questi reattori si stanno comunque avvicinando alla fine del loro ciclo di vita. Un'alternativa è semplicemente ricostruire le piante. I due problemi con questo approccio sono che sarà un processo molto lungo - forse un decennio o più - e il pubblico in generale in Giappone potrebbe non avere appetito per i nuovi reattori nucleari. È ancora presto per dirlo.
Ci sono un certo numero di reattori Mark 1 negli Stati Uniti. È certo che verranno dismessi o modificati per trarre vantaggio dalle lezioni apprese in Giappone. Anche altri reattori possono essere modificati secondo necessità.
L'industria nucleare sperava in una rinascita dell'energia nucleare negli Stati Uniti ora che sono trascorsi più di tre decenni da quando l'incidente di Three Mile Island ha interrotto la costruzione di nuove centrali nucleari negli Stati Uniti. Gli eventi in Giappone potrebbero fermare questa rinascita. Oppure possono stimolare la ricerca in altri, forse più sicuro, tecnologie nucleari.
