La modellazione della formazione dei materiali espulsi di "Tipo B" rivela le condizioni dell'Unità 1 del reattore durante il disastro nucleare di Fukushima Daiichi

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 3686 (2023) Citare questo articolo

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Per la prima volta, è stato sviluppato un modello per simulare il raffreddamento delle microparticelle contenenti radiocesio di "Tipo B" derivate dall'Unità 1 della centrale nucleare di Fukushima Daiichi, distribuite nell'ambiente durante la fusione nucleare del 2011. Stabilendo un'analogia tra CsMP di "tipo B" e piroclasti vulcanici, il modello presentato simula il rapido raffreddamento di un frammento fuso di silicato effervescente al rilascio nell'atmosfera. Il modello ha riprodotto con successo la distribuzione bimodale dei diametri dei vuoti interni osservati nei CsMP di "Tipo B", tuttavia, le discrepanze sono risultate principalmente dovute alla negligenza della tensione superficiale e della coalescenza dei vuoti interni. Il modello è stato successivamente utilizzato per stimare la temperatura all'interno dell'Unità del reattore 1 nell'istante precedente l'esplosione dell'idrogeno, tra 1900 e 1980 K. Tale modello dimostra l'accuratezza del piroclasto vulcanico, analogo del CsMP di "Tipo B", e conferma le variazioni radiali in velocità di raffreddamento come causa della struttura vescicolare dei materiali espulsi dell'Unità 1. I risultati presentati forniscono la possibilità di esplorare ulteriormente il confronto tra piroclasti vulcanici e CsMP di "tipo B" attraverso la sperimentazione, che fornirà una comprensione più profonda delle condizioni specifiche all'interno dell'unità del reattore 1 durante la catastrofica fusione presso l'impianto costiero giapponese.

L'11 marzo 2011, al largo della costa orientale del Giappone, si è verificato il grande terremoto di Tōhoku di magnitudo 9.0. Il conseguente tsunami ha inondato 560 km2 di territorio, distruggendo oltre un milione di edifici e uccidendo circa 19.000 persone1,2. Il danno economico è stato stimato in 235 miliardi di dollari, rendendolo il disastro ambientale più costoso della storia3. Situata a 180 km dall'epicentro del terremoto, la centrale nucleare di Fukushima Daiichi (FDNPP) comprendeva sei reattori ad acqua bollente, mostrati schematicamente nella Figura 1, gestiti dalla Tokyo Electric Power Company (TEPCO). Dopo il rilevamento del terremoto alle 14:46 Japan Standard Time (JST)4, tutti e tre i reattori operativi presso FDNPP, Unità 1, 2 e 3 (le Unità 4, 5, 6 erano offline in quel momento), si sono immediatamente spenti tramite l'inserimento di barre di controllo che inibiscono la fissione (note anche come barre di controllo di sicurezza con ascia - "SCRAM"). Anche se la stazione si è dimostrata solida dal punto di vista sismico, il terremoto ha danneggiato l’infrastruttura di trasmissione di energia esterna al sito, costringendo l’impianto a passare ai generatori diesel di emergenza. Questi fallirono 40 minuti dopo, quando l'intero sito fu inondato da un'onda di tsunami alta 15 m, con conseguente perdita di potenza in tutta la stazione5. Inoltre, le pompe dell'acqua di mare, i sistemi di rimozione del calore residuo e gli interruttori elettrici sono stati tutti distrutti dallo tsunami, disabilitando tutte le capacità di raffreddamento del nucleo dell'impianto. Un'ora dopo lo "SCRAM", i tre reattori operativi stavano ancora producendo circa l'1,5% della loro potenza termica nominale attraverso il decadimento dei prodotti di fissione2. Isolati dal loro dissipatore di calore finale, la temperatura e la pressione all'interno dei recipienti a pressione del reattore (RPV) aumentarono rapidamente, producendo grandi quantità di vapore. Inoltre, l’interazione esotermica del rivestimento di zirconio con questo vapore surriscaldato ha prodotto circa 130 kg di idrogeno nell’unità del reattore 16. Vari tentativi di alleviare la pressione crescente e raffreddare ciascuno dei nuclei del reattore fallirono progressivamente, culminando nella fusione dei nuclei. Il 12 e il 14 marzo si sono verificate esplosioni di idrogeno nelle unità 1 e 3 dell'FDNPP, rispettivamente, che hanno fatto saltare i tetti di entrambi gli edifici dei reattori. Anche l'Unità del reattore 4, nonostante non fosse in funzione, è esplosa a causa dell'afflusso di gas combustibile scaricato dalla vicina Unità del reattore 37. Sebbene l'edificio del reattore dell'Unità 2 non sia esploso, il 15 marzo si è sviluppato il suo recipiente di contenimento primario (PCV) una perdita2, che ha liberato il maggior contributo di contaminazione radioattiva terrestre8 dell'incidente.