Studio del comportamento meccanico dell'MCCI di Fukushima utilizzando la tomografia a raggi X di sincrotrone e la correlazione del volume digitale

npj Materiali Degradazione volume 6, Numero articolo: 55 (2022) Citare questo articolo

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Uno degli obiettivi principali delle operazioni di bonifica del disastro di Fukushima è il recupero dei prodotti MCCI (Molen Core-Concrete Interaction), che attualmente risiedono nel seminterrato delle unità 1-3 del reattore nucleare danneggiato. MCCI è una fusione di materiali, composta sia dal rivestimento del combustibile nucleare che dai componenti strutturali vicini. Determinare le proprietà fisiche e meccaniche attualmente sconosciute dell'MCCI è essenziale per un recupero tempestivo e di successo. In questo articolo, miriamo a quantificare sperimentalmente le proprietà meccaniche di un materiale fabbricato per assomigliare a MCCI. Un campione rappresentativo su piccola scala è stato testato meccanicamente utilizzando il caricamento graduale dell'indentazione hertziana. La tomografia computerizzata a raggi X di sincrotrone è stata condotta in diverse fasi di carico per rivelare la microstruttura del campione e il degrado meccanico. I tomogrammi acquisiti sono stati analizzati mediante correlazione digitale del volume per misurare gli spostamenti e le deformazioni a pieno campo sviluppati all'interno del volume del campione. Il modulo di Young e il rapporto di Poisson sono stati determinati tramite questa metodologia combinata.

Nel 2011, uno tsunami ha travolto la centrale nucleare di Fukushima Daiichi (FDNPP) e ha provocato una perdita di refrigerante che ha parzialmente sciolto le unità 1–3 del reattore ad acqua bollente. Nonostante l’iniezione di acqua di mare ad alta salinità nei noccioli del reattore per il raffreddamento di emergenza, le temperature del reattore sono aumentate fino a oltre 2000 °C, sciogliendo pellet di combustibile UO2, rivestimento di zirconio e componenti, come l’acciaio del recipiente di contenimento e il cemento1. Dopo che la temperatura nel reattore si è stabilizzata al di sotto di 100 °C, la miscela si è solidificata in un vetro-ceramica, noto come Molten Core-Concrete Interaction (MCCI). Anche adesso, sono necessari quasi 400 m3 di acqua al giorno per raffreddare i contenitori del reattore danneggiati, dove è incorporato l'MCCI, a causa del calore generato dal decadimento radioattivo delle scorte di 137Cs e 90Sr2. L'interazione chimica tra l'acqua di raffreddamento e l'MCCI porta alla dissoluzione dei radionuclidi. L'acqua di raffreddamento contaminata, che fuoriesce dal nocciolo del reattore danneggiato, viene raccolta in strutture vicine per il ritrattamento e la bonifica. Tuttavia, persistono ancora i rischi legati alle perdite dai serbatoi di acqua contaminata, mentre vengono periodicamente segnalati eventi di perdita di 137C radioattivo nell'ambiente2. È quindi fondamentale smantellare completamente l’impianto estraendo i rifiuti altamente radioattivi e immagazzinandoli in modo sicuro. Si prevede che lo smantellamento completo del FDNPP richiederà decenni, sollevando preoccupazioni sui rischi ambientali associati all’intero processo di bonifica3.

L’ambiente a dose estremamente elevata nei contenitori del reattore FDNPP danneggiato richiede la progettazione e la produzione di apparecchiature robotiche a tecnologia avanzata per recuperare l’MCCI incorporato. Lo smantellamento sicuro ed efficace è direttamente associato a un'interruzione quasi trascurabile dell'integrità del materiale durante le operazioni di sollevamento. Il potenziale mancato raggiungimento di questo obiettivo potrebbe portare alla dispersione di materiale altamente radioattivo nell’ambiente circostante, comportando gravi rischi radiologici per la salute. Pertanto, una valutazione precisa delle proprietà fisiche, chimiche e, soprattutto, meccaniche del materiale incorporato nei noccioli del reattore è vitale per il successo del recupero. È di fondamentale importanza concentrarsi sugli effetti dell’interazione a lungo termine dell’MCCI residente nei reattori danneggiati con l’acqua di mare e l’acqua di raffreddamento. L'alterazione chimica del materiale inizialmente formato può influenzarne drasticamente il comportamento meccanico. Una serie di studi, che discutono i meccanismi di dissoluzione e la formazione di nuove fasi durante l'invecchiamento delle “lave” di Chernobyl4,5,6, possono indicare che la composizione dell'MCCI di Fukushima, quindi il suo comportamento di degradazione, dipende anche dal tempo.

A causa dell’elevata radioattività, è quasi impossibile eseguire test meccanici standard su questi materiali ed estrarre le proprietà necessarie per progettare sistemi robotici di recupero. I livelli di complessità aumentano poiché la microstruttura del materiale è notevolmente eterogenea.

200 µm) were not detected in MCCI-simulant. In contrast, the ‘lavas’ exhibited a considerable number of larger pores, which are probably the key factor to affect the stiffness and load-bearing capacity of the material. The material segmentation analysis performed on the MCCI-simulant revealed a lower percentage of uranium-rich and iron-rich phases than in the Chernobyl ‘lava’ simulants. Conversely, this means that the matrix in the MCCI-simulant (rich in SiO2), which was considerably higher in proportion than in Chernobyl ‘lava’ simulants, dominates the mechanical strength of the materials. It is also interesting to note that, according to Ding et al.20, a range of crystalline silicate phases, including anorthite and wollastonite, as well as zircon-related cristobalite and percleveite, had formed while analysing the composition of MCCI-simulant. Such observations were not reported for the Chernobyl ‘lava’ simulants. It is probable that these crystalline silicate phases contribute to the enhanced mechanical properties noted for MCCI-simulant, if compared with Chernobyl ‘lavas’. Corroborating the previous hypothesis, wollastonite presence in concrete mixes has proven to increase the material strength39./p>