Nota del redattore: questa storia è stata aggiornata lunedì 10 giugno alle 16:45 E.D.T.
Nella nuova miniserie della HBO "Chernobyl", gli scienziati russi scoprono il motivo di un'esplosione nel reattore 4 nella centrale nucleare di Chernobyl, che ha diffuso materiale radioattivo in tutto il nord Europa.
Quel reattore, un progetto chiamato RBMK-1000, fu scoperto essere fondamentalmente difettoso dopo l'incidente di Chernobyl. Eppure ci sono ancora 10 dello stesso tipo di reattore in funzione in Russia. Come facciamo a sapere se sono al sicuro?
La risposta breve è che non lo facciamo. Questi reattori sono stati modificati per ridurre il rischio di un altro disastro in stile Chernobyl, dicono gli esperti, ma non sono ancora sicuri come la maggior parte dei reattori in stile occidentale. E non esistono garanzie internazionali che impedirebbero la costruzione di nuovi impianti con difetti simili.
"Ci sono un numero intero di diversi tipi di reattori che sono attualmente considerati in vari paesi che sono significativamente diversi dal reattore ad acqua leggera standard e molti di loro hanno difetti di sicurezza che i progettisti stanno minimizzando", ha affermato Edwin Lyman, un scienziato senior e direttore di recitazione del Nuclear Safety Project presso Union of Concerned Scientists.
"Più le cose cambiano", ha detto Lyman a Live Science, "più rimangono le stesse".
Reattore 4
Al centro del disastro di Chernobyl c'era il reattore RBMK-1000, un progetto usato solo in Unione Sovietica. Il reattore era diverso dalla maggior parte dei reattori nucleari ad acqua leggera, il design standard utilizzato nella maggior parte delle nazioni occidentali. (Alcuni primi reattori statunitensi nel sito di Hanford nello stato di Washington avevano un design simile con difetti simili, ma furono riparati a metà degli anni '60).
I reattori ad acqua leggera sono costituiti da un grande contenitore a pressione contenente materiale nucleare (il nucleo), che viene raffreddato da un flusso d'acqua circolante. Nella fissione nucleare, un atomo (l'uranio, in questo caso), si divide, creando calore e neutroni liberi, che si sintonizzano in altri atomi, provocando la loro divisione e il rilascio di calore e più neutroni. Il calore trasforma l'acqua in circolazione in vapore, che poi trasforma una turbina, generando elettricità.
Nei reattori ad acqua leggera, l'acqua funge anche da moderatore per aiutare a controllare la fissione nucleare in corso all'interno del nucleo. Un moderatore rallenta i neuroni liberi in modo che abbiano maggiori probabilità di continuare la reazione di fissione, rendendo la reazione più efficiente. Quando il reattore si riscalda, più acqua si trasforma in vapore e meno è disponibile per svolgere questo ruolo di moderatore. Di conseguenza, la reazione di fissione rallenta. Quel circuito di feedback negativo è una caratteristica di sicurezza chiave che aiuta a evitare il surriscaldamento dei reattori.
L'RBMK-1000 è diverso. Ha anche usato l'acqua come refrigerante, ma con blocchi di grafite come moderatore. Le variazioni nella progettazione del reattore gli hanno permesso di utilizzare carburante meno arricchito del solito e di essere rifornito di carburante durante il funzionamento. Ma con i ruoli di refrigerante e moderatore separati, il circuito di feedback negativo di "più vapore, meno reattività" è stato interrotto. Invece, i reattori RBMK hanno quello che viene chiamato un "coefficiente di vuoto positivo".
Quando un reattore ha un coefficiente di vuoto positivo, la reazione di fissione accelera quando l'acqua di raffreddamento si trasforma in vapore, piuttosto che rallentare. Questo perché l'ebollizione apre bolle o vuoti nell'acqua, rendendo più facile per i neutroni il viaggio diretto al moderatore della grafite che migliora la fissione, ha affermato Lars-Erik De Geer, un fisico nucleare che si è ritirato dall'agenzia di ricerca sulla difesa svedese.
Da lì, ha detto a Live Science, il problema si sviluppa: la fissione diventa più efficiente, il reattore si riscalda, l'acqua diventa più vellutata, la fissione diventa ancora più efficiente e il processo continua.
Verso il disastro
Quando l'impianto di Chernobyl funzionava a pieno regime, questo non era un grosso problema, ha detto Lyman. Alle alte temperature, il combustibile all'uranio che alimenta la reazione di fissione tende ad assorbire più neutroni, rendendolo meno reattivo.
A bassa potenza, tuttavia, i reattori RBMK-1000 diventano molto instabili. Nel periodo precedente all'incidente di Chernobyl del 26 aprile 1986, gli operatori stavano facendo un test per vedere se la turbina dell'impianto poteva far funzionare le apparecchiature di emergenza durante un'interruzione di corrente. Questo test ha richiesto il funzionamento dell'impianto a potenza ridotta. Mentre il potere è stato ridotto, gli operatori sono stati incaricati dalle autorità di potere di Kiev di mettere in pausa il processo. Un impianto convenzionale era andato offline e la generazione di energia di Chernobyl era necessaria.
"Questo è stato il motivo principale per cui alla fine è successo tutto", ha dichiarato De Geer.
L'impianto ha funzionato a potenza parziale per 9 ore. Quando gli operatori hanno ottenuto il via libera per alimentare la maggior parte del resto, si è verificato un accumulo di xeno assorbente i neutroni nel reattore e non sono stati in grado di mantenere il livello adeguato di fissione. Il potere è sceso quasi a nulla. Cercando di potenziarlo, gli operatori hanno rimosso la maggior parte delle aste di controllo, che sono realizzate in carburo di boro che assorbe neutroni e vengono utilizzate per rallentare la reazione di fissione. Gli operatori hanno anche ridotto il flusso di acqua attraverso il reattore. Ciò ha esacerbato il problema del coefficiente di vuoto positivo, secondo l'Agenzia per l'energia nucleare. Improvvisamente, la reazione divenne davvero molto intensa. In pochi secondi, la potenza è salita a 100 volte quella che il reattore è stato progettato per resistere.
Ci sono stati altri difetti di progettazione che hanno reso difficile riprendere il controllo della situazione una volta iniziata. Ad esempio, le barre di controllo erano dotate di grafite, afferma De Geer. Quando gli operatori hanno visto che il reattore stava iniziando a andare in tilt e hanno cercato di abbassare le aste di controllo, si sono bloccati. L'effetto immediato non fu di rallentare la fissione, ma di migliorarla localmente, perché la grafite aggiuntiva sulle punte inizialmente aumentava l'efficienza della reazione di fissione nelle vicinanze. Seguirono rapidamente due esplosioni. Gli scienziati discutono ancora esattamente ciò che ha causato ogni esplosione. Entrambi potrebbero essere stati esplosioni di vapore dal rapido aumento della pressione nel sistema di circolazione, oppure uno potrebbe essere stato vapore e il secondo un'esplosione di idrogeno causata da reazioni chimiche nel reattore in avaria. Basato sul rilevamento di isotopi allo xeno a Cherepovets, 230 miglia (370 chilometri) a nord di Mosca dopo l'esplosione, De Geer ritiene che la prima esplosione sia stata in realtà un getto di gas nucleare che ha sparato nell'atmosfera per diversi chilometri.
Modifiche apportate
Le conseguenze immediate dell'incidente sono state "un periodo molto snervante" nell'Unione Sovietica, ha affermato Jonathan Coopersmith, storico della tecnologia presso la Texas A&M University che era a Mosca nel 1986. Inizialmente, le autorità sovietiche tenevano le informazioni vicine; la stampa statale ha seppellito la storia e la fabbrica di voci ha preso il sopravvento. Ma molto lontano in Svezia, De Geer e i suoi colleghi scienziati stavano già rilevando insoliti isotopi radioattivi. La comunità internazionale avrebbe presto saputo la verità.
Il 14 maggio, il leader sovietico Mikhail Gorbachev ha tenuto un discorso televisivo in cui si è aperto su ciò che era accaduto. Fu una svolta nella storia sovietica, ha detto Coopersmith a Live Science.
"Ha reso la glasnost reale", ha detto Coopersmith, riferendosi alla nascente politica di trasparenza nell'Unione Sovietica.
Ha inoltre aperto una nuova era in collaborazione per la sicurezza nucleare. Nell'agosto 1986, l'Agenzia internazionale per l'energia atomica ha tenuto un vertice post-incidente a Vienna, e gli scienziati sovietici si sono avvicinati ad esso con un senso di apertura senza precedenti, ha detto De Geer, che ha partecipato.
"È stato incredibile quanto ci hanno detto", ha detto.
Tra i cambiamenti in risposta a Chernobyl vi furono modifiche agli altri reattori RBMK-1000 in funzione, 17 all'epoca. Secondo la World Nuclear Association, che promuove l'energia nucleare, questi cambiamenti includevano l'aggiunta di inibitori al nucleo per prevenire reazioni in fuga a bassa potenza, un aumento del numero di barre di controllo utilizzate durante il funzionamento e un aumento dell'arricchimento del carburante. Anche le aste di controllo sono state adattate in modo tale che la grafite non si muoverà in una posizione che aumenterebbe la reattività.
Gli altri tre reattori di Chernobyl hanno funzionato fino al 2000 ma da allora hanno chiuso, così come altri due RBMK in Lituania, che sono stati chiusi come requisito per l'ingresso di quel paese nell'Unione Europea. Ci sono quattro reattori RBMK che operano a Kursk, tre a Smolensk e tre a San Pietroburgo (un quarto è stato ritirato a dicembre 2018).
Questi reattori "non sono buoni come i nostri", ha detto De Geer, "ma sono migliori di prima."
"C'erano aspetti fondamentali del design che non potevano essere riparati, qualunque cosa facessero", ha detto Lyman. "Non direi che sono stati in grado di aumentare la sicurezza dell'RBMK in generale allo standard che ci si aspetterebbe da un reattore ad acqua leggera di tipo occidentale."
Inoltre, ha sottolineato De Geer, i reattori non sono stati costruiti con sistemi di contenimento completi come quelli dei reattori di tipo occidentale. I sistemi di contenimento sono schermi di piombo o acciaio destinati a contenere gas radioattivo o vapore che fuoriescono nell'atmosfera in caso di incidente.
Sorveglianza trascurata?
Nonostante gli effetti potenzialmente internazionali di un incidente di una centrale nucleare, non esiste un accordo internazionale vincolante su ciò che costituisce una pianta "sicura", ha affermato Lyman.
La Convenzione sulla sicurezza nucleare impone ai paesi di essere trasparenti in merito alle loro misure di sicurezza e consente la revisione paritaria degli impianti, ha affermato, ma non esistono meccanismi di applicazione o sanzioni. I singoli paesi hanno le proprie agenzie di regolamentazione, che sono indipendenti solo quanto i governi locali consentono loro di essere, ha detto Lyman.
"Nei paesi in cui vi è una corruzione dilagante e mancanza di buon governo, come ci si può aspettare che qualsiasi agenzia di regolamentazione indipendente sarà in grado di funzionare?" Disse Lyman.
Sebbene nessuno oltre all'Unione Sovietica abbia realizzato reattori RBMK-1000, alcuni nuovi progetti di reattori proposti implicano un coefficiente di vuoto positivo, ha detto Lyman. Ad esempio, i reattori ad allevamento rapido, che sono reattori che generano più materiale fissile man mano che generano energia, hanno un coefficiente di vuoto positivo. Russia, Cina, India e Giappone hanno tutti costruito tali reattori, anche se il Giappone non è operativo ed è pianificato per la disattivazione e l'India è in ritardo di 10 anni per l'apertura. (Esistono anche reattori con piccoli coefficienti di vuoto positivi che operano in Canada.)
"I designer sostengono che se si prende tutto in considerazione, nel complesso sono al sicuro, quindi non importa molto", ha detto Lyman. Ma i progettisti non dovrebbero essere troppo fiduciosi nei loro sistemi, ha detto.
"Questo tipo di pensiero è ciò che ha messo i sovietici nei guai", ha detto. "Ed è ciò che può metterci nei guai, non rispettando ciò che non sappiamo."
Nota del redattore: questa storia è stata aggiornata per notare che la maggior parte, ma non tutte, delle barre di controllo sono state rimosse dal reattore e che alcuni primi reattori negli Stati Uniti avevano anche un coefficiente di vuoto positivo, sebbene i loro difetti di progettazione fossero stati corretti .
