L’energia nucleare è considerata uno dei modi per ridurre la dipendenza dai combustibili fossili, ma una delle questioni che la circondano è come gestire i prodotti delle scorie nucleari. I prodotti di scarto radioattivi possono essere trasformati in elementi più stabili, ma questo processo non è ancora praticabile su larga scala.
Una nuova ricerca condotta dai fisici dell’Università di Tokyo rivela un metodo per misurare, prevedere e modellare in modo più accurato una parte fondamentale del processo per rendere le scorie nucleari più stabili. Ciò potrebbe portare a migliori impianti di trattamento dei rifiuti nucleari e anche a nuove teorie su come si sono formati alcuni elementi più pesanti nell'universo.
La stessa parola "nucleare" può fungere da fattore scatenante per alcune persone, comprensibilmente in Giappone, dove la bomba atomica e il disastro di Fukushima rappresentano alcuni dei momenti cruciali della sua storia moderna. Tuttavia, data la relativa scarsità di spazi adeguati in Giappone per forme di energia rinnovabile come quella solare o eolica, l'energia nucleare è considerata una parte fondamentale dello sforzo di decarbonizzazione del settore energetico.
Per questo motivo, i ricercatori lavorano duramente cercando di migliorare la sicurezza, l’efficienza e altre questioni relative all’energia nucleare. Il professore associato Nobuaki Imai del Centro per gli studi nucleari dell'Università di Tokyo e i suoi colleghi pensano di poter contribuire a migliorare un aspetto chiave dell'energia nucleare, il trattamento dei rifiuti.
"In generale, l'energia nucleare funziona facendo bollire l'acqua utilizzando reazioni di decadimento nucleare autosufficienti. Gli elementi instabili si rompono e decadono, rilasciando calore, che fa bollire l'acqua, facendo funzionare le turbine. Ma questo processo alla fine lascia dietro di sé rifiuti inutilizzabili che sono ancora radioattivi", ha affermato Non importa.
"Questi rifiuti possono rimanere radioattivi per centinaia di migliaia di anni, quindi di solito vengono sepolti in profondità nel sottosuolo. Ma c'è un desiderio crescente di esplorare un altro modo, un modo in cui i rifiuti radioattivi instabili possano essere resi più stabili, evitando il loro decadimento radioattivo e rendendolo molto più sicuro da affrontare. Si chiama trasmutazione."
La trasmutazione è come l'opposto del decadimento nucleare; invece di un elemento che si rompe e rilascia radiazioni, un neutrone può essere aggiunto a un elemento instabile trasformandolo in una versione leggermente più pesante di se stesso. A seconda della sostanza iniziale, questa nuova forma può essere sufficientemente stabile da essere considerata sicura.
Il problema è che, sebbene questo processo sia generalmente noto da tempo, è stato impossibile quantificarlo con sufficiente precisione per portare l'idea alla fase successiva e, idealmente, produrre prototipi di impianti di gestione dei rifiuti di nuova generazione.
"L'idea in realtà è venuta da una fonte sorprendente:stelle in collisione, in particolare stelle di neutroni", ha detto Imai. "In seguito alle recenti osservazioni delle onde gravitazionali emanate dalle fusioni di stelle di neutroni, i ricercatori sono stati in grado di comprendere meglio il modo in cui i neutroni interagiscono e la loro capacità di modificare altri elementi."
"Sulla base di ciò, abbiamo utilizzato una serie di strumenti per restringere la nostra attenzione su come l'elemento selenio, un comune prodotto di scarto nucleare, si comporta quando bombardato da neutroni. La nostra tecnica ci consente di prevedere come i materiali assorbono i neutroni e subiscono la trasmutazione. Questa conoscenza può contribuire alla progettazione di impianti di trasmutazione dei rifiuti nucleari."
È difficile per i ricercatori fare questo tipo di osservazioni; infatti non sono in grado di osservare direttamente gli atti di trasmutazione. Piuttosto, il team può osservare quanta parte di un campione non si trasmuta e, effettuando letture per sapere che la trasmutazione ha effettivamente avuto luogo, può stimare, anche se in modo molto accurato, quanta parte del campione si è trasmutata.
"Siamo fiduciosi che le nostre misurazioni riflettano accuratamente il tasso reale di trasmutazione del selenio instabile in una forma più stabile", ha affermato Imai. "Stiamo ora pianificando di misurare questo valore per altri prodotti di scorie nucleari. Speriamo che questa conoscenza si combini con altre aree necessarie per realizzare impianti di trattamento dei rifiuti nucleari, e potremmo vederli nei prossimi decenni."
"Anche se i nostri obiettivi sono quelli di migliorare la sicurezza nucleare, trovo interessante che ci sia una relazione bidirezionale tra questa ricerca e l'astrofisica. Siamo stati ispirati dalla collisione di stelle di neutroni, e la nostra ricerca può influenzare il modo in cui gli astrofisici cercano segni di sintesi nucleare, la creazione degli elementi nelle stelle, per comprendere meglio come sono stati formati gli elementi più pesanti del ferro, compresi quelli essenziali per la vita."
Il lavoro è pubblicato sulla rivista Physics Letters B .
Ulteriori informazioni: N. Imai et al, Sezione trasversale della reazione di cattura dei neutroni del 79Se attraverso la reazione del 79Se(d,p) nella cinematica inversa, Lettere fisiche B (2024). DOI:10.1016/j.physletb.2024.138470
Fornito dall'Università di Tokyo
