Otto mesi dopo l'incidente nucleare dell'aprile 1986 presso la centrale nucleare di Chernobyl in Ucraina, i lavoratori che entrarono in un corridoio sotto il reattore n. 4 danneggiato scoprirono un fenomeno sorprendente:lava nera che fuoriusciva dal nocciolo del reattore, come se fosse stata una specie di sorta di vulcano artificiale. Una delle masse indurite era particolarmente sorprendente e l'equipaggio la soprannominò il piede dell'elefante perché somigliava al piede dell'enorme mammifero.
I sensori hanno detto ai lavoratori che la formazione di lava era così altamente radioattiva che ci sarebbero voluti cinque minuti prima che una persona ottenesse una quantità letale di esposizione, come ha spiegato Kyle Hill in questo articolo del 2013 per la rivista scientifica Nautilus.
Un decennio dopo, il Progetto internazionale per la sicurezza nucleare del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, che raccolse centinaia di immagini di Chernobyl, ottenne diverse immagini della zampa di elefante, che si stima pesasse 2,2 tonnellate (2 tonnellate).
Da allora, il piede dell'elefante, noto come materiale contenente combustibile simile alla lava (LFCM), è rimasto un macabro oggetto di fascino. Ma di cosa si tratta, in realtà?
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Poiché il piede dell'elefante era così radioattivo, gli scienziati dell'epoca usarono una macchina fotografica su una ruota per fotografarlo. Alcuni ricercatori si sono avvicinati abbastanza per prelevare campioni da analizzare. Ciò che scoprirono fu che il piede d'elefante non era costituito dai resti del combustibile nucleare.
Gli esperti nucleari spiegano invece che il piede dell'elefante è composto da una sostanza rara chiamata corium, che viene prodotta in un incidente nucleare quando il combustibile nucleare e parti delle strutture del nucleo del reattore si surriscaldano e si fondono, formando una miscela. Il Corium si è formato naturalmente solo cinque volte nella storia:una volta durante l'incidente di Three Mile Island in Pennsylvania nel 1979, una volta a Chernobyl e tre volte in occasione del disastro dell'impianto di Fukushima Daiichi in Giappone nel 2011.
"Se non è possibile terminare la fusione del nocciolo, alla fine la massa fusa scorrerà verso il basso verso il fondo del recipiente del reattore e si scioglierà (con un contributo di materiali fusi aggiuntivi), cadendo sul fondo del contenitore," Edwin Lyman, direttore della sicurezza dell'energia nucleare per l'Unione degli scienziati interessati, spiega in un'e-mail.
"La massa fusa calda reagirà quindi con il pavimento di cemento del contenitore (se presente), modificando nuovamente la composizione della massa fusa", continua Lyman. "A seconda del tipo di reattore, la massa fusa può diffondersi e sciogliersi attraverso le pareti di contenimento o continuare a sciogliersi attraverso il pavimento, eventualmente infiltrandosi nelle acque sotterranee (questo è quello che è successo a Fukushima). Quando la massa fusa si sarà raffreddata a sufficienza, si indurirà fino a diventare una massa dura. , minerale simile alla roccia."
Mitchell T. Farmer, un ingegnere nucleare veterano e direttore del programma presso l'Argonne National Laboratory, afferma via e-mail che il corium assomiglia "molto alla lava, un materiale di ossido nerastro che diventa molto viscoso quando si raffredda, scorrendo come vetro fuso appiccicoso. Questo è quello che è successo a Chernobyl con la Zampa d'Elefante."
L'esatta composizione di un particolare flusso di corion, come quello che costituisce il piede d'elefante di Chernobyl, può variare. Farmer, il cui team ha simulato incidenti di fusione dei nuclei nucleari nel corso della ricerca, afferma che la tonalità brunastra del piede dell'elefante ricorda il corium "in cui la massa fusa è stata erosa trasformandosi in cemento contenente un alto grado di silice (SiO2), che è fondamentalmente vetro. contengono molta silice sono chiamati silicei, e questo è il tipo di cemento utilizzato per costruire gli impianti di Chernobyl."
Ciò ha senso perché inizialmente, dopo che il nucleo si scioglie, il corium sarà costituito dai materiali di cui solitamente è costituito il nucleo. Una parte di esso è anche combustibile a base di ossido di uranio. Altri ingredienti includono il rivestimento del carburante, in genere una lega di zirconio chiamata Zircaloy, e materiali strutturali, che per lo più sono acciaio inossidabile composto da ferro, spiega Farmer.
"A seconda di quando l'acqua viene rifornita per raffreddare il corium, la composizione del corium può evolversi nel tempo", afferma Farmer. "Quando il vapore bolle, il vapore può reagire con i metalli nel corium (zirconio e acciaio) per produrre idrogeno gassoso, i cui effetti avete visto durante gli incidenti al reattore di Fukushima Daiichi. I metalli ossidati nel corium vengono convertiti in ossidi, causando la modifica della composizione."
Se il corium non viene raffreddato, si sposterà attraverso il contenitore del reattore, fondendo più acciaio strutturale lungo il percorso, il che causerà ulteriori cambiamenti nella sua composizione, afferma Farmer. "Se ancora sottoraffreddato, il corium può eventualmente sciogliersi attraverso il recipiente in acciaio del reattore e cadere sul pavimento di cemento del contenitore", spiega. "Questo è successo in tutti e tre i reattori di Fukushima Daiichi." Il calcestruzzo che entra in contatto con il corium alla fine si surriscalda e inizia a sciogliersi.
Una volta che il calcestruzzo si scioglie, vengono introdotti nella massa fusa gli ossidi di calcestruzzo (tipicamente noti come "scorie"), che fanno sì che la composizione si evolva ulteriormente, spiega Farmer. Il calcestruzzo fuso rilascia anche vapore e anidride carbonica, che continuano a reagire con i metalli nella fusione per produrre idrogeno (e monossido di carbonio), causando ulteriori cambiamenti nella composizione del corium.
Il caos risultante che ha creato Piede d'Elefante è estremamente pericoloso. In generale, afferma Lyman, il corium è molto più pericoloso del combustibile esaurito non danneggiato perché si trova in uno stato potenzialmente instabile che è più difficile da maneggiare, imballare e immagazzinare.
"Nella misura in cui il corium conserva prodotti di fissione altamente radioattivi, plutonio e materiali del nucleo che sono diventati radioattivi, il corium avrà un tasso di dose elevato e rimarrà estremamente pericoloso per molti decenni o addirittura secoli a venire", spiega Lyman.
Il corion solidificato molto duro, come quello del piede dell'elefante, dovrebbe essere frantumato per rimuoverlo dai reattori danneggiati. "[Ciò] genererà polvere radioattiva e aumenterà i rischi per i lavoratori e forse per l'ambiente", afferma Lyman.
Ma ciò che è ancora più preoccupante è che gli scienziati non sanno come potrebbe comportarsi il corium a lungo termine, come quando viene immagazzinato in un deposito di scorie nucleari. Quello che sanno è che il corion del piede dell'elefante probabilmente non è più attivo come prima e che si sta raffreddando da solo e continuerà a raffreddarsi. Ma si sta ancora sciogliendo e rimane altamente radioattivo.
Nel 2016, il New Safe Confinement (NSC) è stato fatto scivolare su Chernobyl per prevenire ulteriori fughe di radiazioni dalla centrale nucleare. Un'altra struttura in acciaio è stata costruita all'interno dello scudo di contenimento per sostenere il sarcofago di cemento in decomposizione nel reattore n. 4 di Chernobyl. L'NSC dovrebbe - idealmente - aiutare a prevenire la dispersione nell'aria di un'enorme nuvola di polvere di uranio in caso di esplosione nella stanza 305/ 2. La stanza 305/2 si trovava direttamente sotto il nocciolo del reattore n. 4 e mostra segni di aumento delle emissioni di neutroni dal 2016. È totalmente inaccessibile agli esseri umani a causa dei livelli di radiazioni mortali.
Nessuno vuole vedere un altro Zampa d'Elefante. Farmer ha trascorso gran parte della sua carriera studiando incidenti nucleari e lavorando con il corium nel tentativo di sviluppare modalità con cui gli operatori degli impianti possano porre fine a un incidente:quanta acqua iniettare e dove iniettarla, e quanto velocemente l'acqua può raffreddare il corium e stabilizzarlo. .
"Facciamo grandi esperimenti in cui produciamo 'corium' con i materiali reali, ma usiamo il riscaldamento elettrico per simulare il calore di decadimento invece del riscaldamento di decadimento stesso," dice Farmer, spiegando che la simulazione rende gli esperimenti più facili da fare.
"Abbiamo concentrato la maggior parte del nostro lavoro sullo studio dell'efficienza dell'aggiunta di acqua durante la tempra e il raffreddamento del corium per varie composizioni. Pertanto, stiamo facendo ricerche sulla mitigazione degli incidenti. L'altro aspetto è la prevenzione degli incidenti, e questo è l'obiettivo principale settore dell'industria nucleare."
Ora è spaventosoI ricercatori dell'Argonne National Laboratory hanno creato questo video, che mostra una pozza fusa di ossido di uranio a 3.600 gradi Fahrenheit (2.000 gradi Celsius). I loro esperimenti hanno simulato il modo in cui un tale flusso di lava eroderebbe il pavimento di cemento di un edificio di contenimento di un reattore nucleare.
