lunedì, marzo 28, 2011

Combustibile nucleare MOX, ovvero perché il reattore Fukushima 3 fa più paura

Scritto da

Domenico Coiante


Osserviamo il grafico qui a lato. Esso riporta il prezzo dell’uranio-naturale (U3O8) in funzione del tempo. Teniamo presente che l’indice 100 corrisponde al prezzo di circa 10 $/lb del 2002. A parte la questione del collegamento o meno con il costo del petrolio suggerito nella figura, il prezzo si è risvegliato dalla stasi ultradecennale, iniziando decisamente a salire nei primi anni 2000 in corrispondenza della ripresa d’interesse per l’energia nucleare da parte di alcuni paesi, soprattutto della Cina e degli USA.


I provvedimenti incentivanti emanati dall’Amministrazione Bush hanno prodotto un tentativo di nuovi ordinativi di centrali nucleari ed il mercato del combustibile ha subito risposto con un aumento progressivo del prezzo dell’uranio, aumento che si è fatto esponenziale fino a raggiungere un picco di 137 $/lb nel 2007. La spiegazione di questa grande crescita è stata indicata nella carenza sul mercato di uranio a pronta consegna e nella rarefazione del minerale estraibile a basso costo. Poi, come sempre avviene, il sistema produttivo ha risposto con un aumento dell’offerta, che ha determinato l’abbassamento del prezzo fino a circa 45 $/lb a metà 2010. Da allora il prezzo ha ripreso a salire portandosi oggi ad oltre 70 $/lb. Questa risalita è interpretata dagli analisti come una conferma del progressivo esaurimento del minerale estraibile a basso costo e, quindi, il passaggio all’estrazione di uranio a costi più alti. Ad abbassare il prezzo, ha contribuito la recente immissione sul mercato del combustibile riciclato, detto MOX, acronimo di Mixed Oxide.


Vediamo che cosa significa. Gli elementi di combustibile UO2 bruciato contengono ancora uranio-235 per una quota pari a circa 6 – 7 grammi per kg. Come si dice, l’uranio arricchito a circa il 4% è divenuto dopo la combustione uranio “depleto”, cioè impoverito allo 0,7%. Questo materiale può essere sottoposto ad un nuovo processo di arricchimento per poterlo parzialmente recuperare come combustibile per i reattori. Tuttavia, le analisi economiche hanno dimostrato che questa operazione non è conveniente fino a che il costo del minerale si mantiene nei limiti attuali, aumenti attuali di prezzo compresi. Dall’altra parte abbiamo che gli elementi di combustibile bruciato contengono anche una piccola quantità di plutonio, in ragione di circa 6 g per kg di UO2, plutonio che si è formato per trasmutazione dell’uranio. Questo elemento è a sua volta fissile e quindi potrebbe alimentare la reazione nucleare. Naturalmente il tenore dello 0,6% contenuto nel combustibile bruciato non è in grado di mantenere la reazione a catena e quindi, per poterlo utilizzare, occorre sottoporre il materiale a un nuovo processo di arricchimento fino a portare il tenore di plutonio almeno al 5-6%. Anche in questo caso, l’analisi economica dimostra che il gioco non vale la candela.


Però……… Si dà il caso che gli USA, il Regno Unito, la Russia e la Francia possiedano uno stock notevole di plutonio sotto forma chimica di biossido (PuO2). Bisogna ricordare che il plutonio è l’elemento ideale per realizzare le bombe atomiche, cosiddette tattiche, cioè quelle montate sui proiettili d’artiglieria e sulle testate dei missili. Durante il periodo della guerra fredda, c’è stata una corsa ad estrarre il plutonio (che non esiste in natura) dagli elementi di combustibile bruciato nei reattori nucleari. I vari governi, oltre a produrre direttamente il plutonio in appositi reattori militari detti plutonigeni, hanno comprato dai gestori dei reattori nucleari “pacifici” tutto il plutonio che essi producevano alla bella cifra di circa 30 $/g ($ 1960). Per inciso, questa circostanza ha fatto diventare in quegli anni il kWh elettrico quasi come fosse un byproduct dei reattori ed ha creato la leggenda dell’energia nucleare a “così basso costo da non poterlo misurare” (Lewis Strauss, Discorso all’Associazione Nazionale USA degli Scrittori Scientifici, New York 16/9/1954).


Questo quadro idilliaco è mutato radicalmente nel 1977 con gli accordi USA-URSS per il controllo degli armamenti nucleari e la conseguente proibizione di estrarre il plutonio dagli elementi di combustibile. Il plutonio non era più acquistato dai governi ed il nucleare entrò in crisi, sia per la mancata entrata economica, sia perché contemporaneamente il governo USA privatizzò il settore riducendo fortemente le altre incentivazioni (ad esempio la garanzia federale sui finanziamenti). Da quell’anno il plutonio immagazzinato nei depositi militari dei vari paesi è divenuto un preoccupante costo, per altro, in costante crescita a causa dell’aggiungersi del materiale proveniente dallo smantellamento delle testate nucleari in eccesso rispetto agli accordi internazionali.


Ho usato l’aggettivo preoccupante per definire eufemisticamente il costo di mantenimento in sicurezza dell’ossido di plutonio per due sostanziali motivi. Il primo riguarda la necessità di mantenere ben separate le quantità al di sotto della massa critica, pena l’esplosione atomica, ed il secondo attiene alla possibilità di furto da parte di terroristi di quantità relativamente piccole di materiale per costruire ordigni atomici e/o per avvelenare la popolazione.


A questo punto devo introdurre un altro elemento di preoccupazione con il dire che l’ossido di plutonio è fortemente tossico. Basta respirare un solo milligrammo di polvere per contrarre il cancro ai polmoni entro poco tempo. La sua ingestione, anche in piccole dosi, produce un accumulo nel fegato e nelle ossa, dove le radiazioni alfa emesse causano nel tempo l’insorgenza di tumori. Tutto ciò considerato, torno al combustibile MOX per i reattori nucleari. Esso è costituito da una miscela di ossido d’uranio, recuperato dagli elementi di combustibile, e ossido di plutonio, proveniente dallo smantellamento delle testate nucleari. Generalmente una miscela con il 93% di UO2 depleto e 7% di PuO2 equivale in energia al combustibile nucleare di uranio arricchito e può essere usata in sua vece nei reattori.


Come abbiamo visto nel grafico, l’aumento vertiginoso del prezzo dell’uranio ha reso economicamente conveniente l’offerta di combustibile MOX e la disponibilità sul mercato di questa alternativa ha indubbiamente contribuito a riportare il prezzo entro limiti accettabili. Non in tutti i tipi di reattore è possibile bruciare il MOX, ma in alcuni ciò è possibile, come ad esempio nel reattore n.3 di Fukushima, che appunto lo usava. Abbiamo adesso tutti gli elementi per chiudere il cerchio del nostro ragionamento. A distanza di 15 giorni dall’incidente, Fukushima 3 continua a vanificare gli sforzi per domarlo. Esso ha emesso e continua ad emettere iodio-131, cesio-137 ed altri pericolosi radioisotopi puntualmente rintracciati negli alimenti prodotti nella zona. L’allarme è alto e presumo che si stiano prendendo tutte le misure del caso.


Tuttavia qualcosa non torna. Stranamente nessun comunicato, almeno dei media televisivi, cita la presenza del plutonio-239 tra le sostanze radioattive emesse. Eppure il reattore andava a combustibile MOX, cioè a plutonio, e sicuramente nelle varie e ripetute fumate emesse dal reattore questo elemento doveva essere presente. Forse è per questo motivo che l’Agenzia Internazionale Energia Atomica e quella degli USA continuano a dirsi molto più preoccupati dello stesso governo giapponese. Fukushima 3 fa sicuramente più paura di tutti gli altri reattori danneggiati! E a ragione!


Tutto ciò ha un inevitabile corollario. E’ un dato ormai, purtroppo, dimostrato dai fatti che l’uso del combustibile MOX aggiunge una ulteriore pericolosità a quella già grande del combustibile tradizionale a causa della tossicità del plutonio-239. L’uso di questa soluzione per calmierare il prezzo dell’uranio si sta dimostrando nei fatti impraticabile per la sua intrinseca maggiore nocività. Ho qualche dubbio che tutto possa procedere come prima dell’incidente di Fukushima e sicuramente la strada intrapresa per bruciare lo stock di plutonio dovrà essere modificata. Seguirà, pertanto, che il prezzo dell’uranio, già in risalita dal 2010, riprenderà a salire con un tasso di crescita maggiore.

7 commenti:

jumar ha detto...

Un altro eccellente articolo di Coiante che fa il punto tecnico-economico sulla questione nucleare. A proposito della possibilita' di furto di Pu, questa ipotesi fa immancabilmente venire in mente scenari alla James Bond, con pastiglie di Pu trafugate e scambiate dai cattivi della Spectre in improbabili scatolotti cilindrici... La mia domanda e': quanto e' effettivamente realistico questo scenario? Come e dove sarebbe possibile effettuare un furto di Ossido di Plutonio? La sua tossicita' non dovrebbe essere un deterrente che lo autoprotegge?
Grazie, saluti
Giuseppe Marone

Sergio ha detto...

Veramento il plutonio, come prodotto del decadimento radioattivo, è presente in tutti reattori nucleari, non solo in quelli che usano il MOX.
Certo è estremamente pericoloso se inalato, ma basta un foglio di alluminio o di carte spessa per renderlo innocuo, emette raggi alfa.
Data la sua massa critica di 16 chiilogrammi circa non desta preoccupazioni di sorta, come accumulo.
Ben differente è il discorso degli isotopi radiattivi dello iodio , come lo I 129 che si fissa nella tiroide, dello Stronzio 87 che data la sua affinità con il calcio si fissa nelle ossa ed altri.
Questi sono pericolosi e vanno costantemente monitorati, non il plutonio.
Altrimenti dovremmo monitorare il torio, il bismuto e così via.
Sulle questioni economiche non metto bocca, poco m'intendo e le tesi sono talmente disparate ed etereogene da perdere di significato.

Terenzio Longobardi ha detto...

Veramente nell'articolo non c'è scritto da nessuna parte che il plutonio sia presente solo nei reattori che utilizzano il MOX.

Sergio ha detto...

"Combustibile nucleare MOX, ovvero perché il reattore Fukushima 3 fa più paura" questo il titolo.
Allora non ho capito perchè fa più paura.

Gianni Comoretto ha detto...

Nel MOX il plutonio e' presente in quantità attorno al 7%. Nelle barre esaurite non so, ma credo almeno un ordine di grandezza meno.

Mi pongo un'altra domanda. Quando i "nostri" parlano di riserve inesauribili di uranio, si riferiscono implicitamente agli autofertilizzanti, cioè a reattori che producono quantità consistenti di plutonio, poi riciclato e riutilizzato come MOX. Alla luce di queste considerazioni, anche tralasciando i problemi tecnici di far funzionare questi reattori con rese maggiori di 1, quanto è realistico uno scenario del genere?

Terenzio Longobardi ha detto...

Su richiesta dell'autore, posto la seguente risposta ai commenti precedenti:

Il plutonio è un tossico fisiologico come tutti gli elementi pesanti e quindi, se ingerito, non va sottovalutato.
E’ elemento radioattivo in tutti i suoi isotopi, 239, 240, 241. Emette particelle alfa di energia pari a circa 5,2 Mev che possono essere fermate da uno strato d’aria di 4-5 cm o da un sottile foglio di alluminio.
Il Pu-239 ha un tempo di dimezzamento di circa 25000 anni e l’isotopo 241 di circa 90 anni.
Contaminare un sito con plutonio significa renderlo impraticabile per decine di migliaia d’anni.
Inalare polvere di plutonio in ragione di 1 mg produce cancro ai polmoni entro un anno. Inalare 1 microgrammo produce cancro ai polmoni dopo 10-20 anni. Inalarne quantità ancora più piccole, ma per lungo tempo, produce effetti di accumulo nei polmoni ed il passaggio nel circolo sanguigno.
Una volta ingerito in piccola dose viene espulso con le feci per la maggior parte. Una piccola percentuale, però, passa nel circolo sanguigno e si va a fissare nel fegato e nel midollo osseo. A questo punto le radiazioni alfa, emesse di continuo e non schermate, iniziano a bombardare le cellule del tessuto, producendo mutagenesi. Ciò avviene per tutto il resto della vita.
Come sempre, un sistema immunitario forte contrasta le cellule mutate e tutto procede bene. Se la contaminazione è stata bassa, l’individuo vive statisticamente la sua vita normale.
Però, se la dose è stata alta, il plutonio fissato nel midollo osseo produce i suoi effetti dannosi sulle cellule emopoietiche e, nel tempo, produce l’indebolimento del sistema immunitario. Sia per questo, sia per qualunque altra causa di abbassamento delle difese che si può aggiungere nel corso della vita, le cellule mutate non trovano più contrasto e si diffondono nell’organismo causando leucemia o cancro anche dopo molti anni dalla contaminazione.
Il plutonio ha una reattività nucleare molto più alta dell’uranio. Per questo motivo la massa critica necessaria ad innescare una reazione esplosiva è di soli 16 kg, che possono divenire 10 se si usa uno schermo riflettore di neutroni. Una sfera di 10 kg ha un diametro di soli 10 cm. L’esplosione di 10 kg di plutonio equivale a 200 ktoni, cioè 10 volte l’esplosione di Hiroshima.
Per evitare l’esplosione occorre non permettere la formazione casuale di una massa di 16 kg, cioè bisogna separare il materiale in pezzi di piccola quantità in modo che non possa avvenire incidentalmente l’aggregazione della massa critica. Vista la sua tossicità, il suo maneggio avviene sempre in glove box depressurizzati fino a che non è stato confinato in recipienti sigillati. Questi possono poi essere movimentati con facilità perché le pareti del recipiente schermano le radiazioni alfa. In ogni caso però la geometria di stoccaggio tridimensionale dei recipienti deve essere studiata in modo da non realizzare mai la massa critica.
E’ vero: anche in tutti gli elementi di biossido d’uranio arricchito bruciato nei reattori si forma il plutonio nei suoi vari isotopi. Pertanto, il contatto dell’acqua con il combustibile per la rottura o fusione della guaina di zircalloy mette in giro, oltre agli altri pericolosi prodotti di fissione, anche polvere di biossido di plutonio. La percentuale di plutonio negli elementi bruciati è pari allo 0,7% in peso.
Molto diverso è il caso del combustibile MOX. Qui il plutonio è presente al 7% in peso, cioè in concentrazione 10 volte maggiore. Ecco perché il reattore Fukushima 3, che va a MOX, deve fare più paura.

Sergio ha detto...

"Molto diverso è il caso del combustibile MOX. Qui il plutonio è presente al 7% in peso, cioè in concentrazione 10 volte maggiore. Ecco perché il reattore Fukushima 3, che va a MOX, deve fare più paura. "
Questa sarebbe la spiegazione?
Ma chi scrive ha lontamamente idea dei processi radiochimici in corso oppure siamo al ragionamento "c'è ne di più quindi è più pericoloso"
Che va bene per un bambino di otto anni, non per fare informazione.
E non fate copia incolla da Wikipedia, si vede subito.