08-2011 | Attualità
PDF Stampa E-mail

La protezione degli impianti nucleari dai terremoti e dai maremoti

prof. ing. Alessandro Martelli* | dott. ing. Massimo Forni**

Fino dalle prime realizzazioni, il terremoto è stato giustamente considerato uno degli incidenti potenzialmente più pericolosi per gli impianti e per le strutture nucleari (reattori, piscine di decadimento del combustibile esausto, ecc.), contro i quali occorre proteggere sia la popolazione e gli operatori, sia (per l’elevato costo) gli impianti stessi. Si definirono così, in tutti i paesi ove si realizzavano impianti nucleari (inclusa l’Italia, allora attiva in questo settore), almeno due livelli di terremoto di progetto: il “Terremoto di Sicuro Spegnimento” (Safe Shutdown Earthquake o SSE), fino al quale occorre garantire la sicurezza della popolazione e degli operatori, che corrisponde ad un sisma più violento di quelli ritenuti possibili nel sito dell’impianto ed è, quindi, a bassissima probabilità di accadimento; il “Terremoto di Esercizio” (Operational Basis Earthquake od OBE), fino al quale occorre, invece, garantire il funzionamento dell’impianto in condizioni di sicurezza (con l’obiettivo di proteggere anche l’investimento costituito dall’impianto stesso), che corrisponde a terremoti meno intesi, con una significativa probabilità di verificarsi durante la “vita” dell’impianto.Più precisamente, fino al SSE deve essere possibile lo spegnimento rpido dei reattori nucleari (mediante l’inserimento delle barre di controllo, che usualmente avviene automaticamente) e, per tutti gli impianti nucleari, devono restare integri i componenti e le strutture che risultano essenziali ai fini della sicurezza, mentre fino all’OBE deve essere garantita l’integrità assoluta dei componenti e delle strutture degli impianti che sono necessari per il funzionamento in condizioni di sicurezza (senza che sia indispensabile lo spegnimento rapido dei reattori, sebbene questo sia di fatto attuato, usualmente, per sismi non superiori).

Ovviamente (anche se di ciò non si era del tutto consapevoli nelle prime applicazioni), le suddette condizioni di sicurezza devono essere garantite anche a fronte di repliche del terremoto (pure di forte entità) e della concomitanza di eventi da esso indotti, come (oltre ad incendi ed esplosioni) frane, alluvioni (ad esempio causate dal crollo di dighe per effetto del sisma) ed il maremoto. Il terremoto di Tohoku (detto anche Sendai) dell’11 marzo 2011 (di magnitudo M = 9,0, fra i più violenti mai registrati al mondo) e, soprattutto, il devastante maremoto da esso innescato (che, poco più di 1 ora dopo, ha investito le coste giapponesi, provocando la maggior parte delle vittime e dei danni) hanno portato drammaticamente all’attenzione dei governi e dell’opinione pubblica mondiale il problema della sicurezza sismica degli impianti nucleari.

Infatti, il livello del terremoto è stato tale da provocare lo spegnimento automatico di 11 dei 54 reattori nucleari esistenti in Giappone, fra i quali i 7 “Reattori ad Acqua Bollente” (Boiling Water Reactor o BWR) di seconda generazione che erano in esercizio a Fukushima (3 dei 6 già realizzati nel sito di Daiiki ed i 4 del sito di Daini, entrati in funzione, rispettivamente, negli anni ‘70 ed ‘80). Lo spegnimento dei reattori summenzionati risulta essere avvenuto regolarmente, con la conseguente interruzione della reazione nucleare di fissione a catena, tale rimasta anche nelle successive fasi; risultano anche essere correttamente entrati in funzione i generatori diesel di emergenza, che devono fornire l’alimentazione elettrica ai sistemi attivi di raffreddamento del nocciolo dei reattori per l’asportazione del calore residuo di decadimento.

Ciò indica, almeno per questi aspetti, un’adeguata progettazione sismica, nonostante si tratti di impianti assai “vecchi” e sebbene l’entità del terremoto di Tohoku risulti esser stata alquanto sottovalutata (si è stimato che le accelerazioni massime del terreno siano state di 3,3-6,4 m/s2, contro i valori previsti di 2,4-3,2 m/s2). Purtroppo, però, erano stati pure sottovalutati sia la pericolosità del maremoto (essendo stata sottostimata quella del sisma) che il rischio conseguente, che è notevole anche a causa della vicinanza degli impianti di Fukushima all’oceano: infatti, è stato a causadi danneggiamenti dovuti al maremoto che, dopo circa 1 ora, i diesel di emergenza di Fukushima Daiiki, installati verosimilmente ad una quota troppo bassa (6 m), hanno cessato di funzionare (risulta che sia venuto a mancare il combustibile di alimentazione deimotori), si è resa indisponibile rete di distribuzione elettrica e sonodivenute impraticabili le vie di comunicazione al sito.

Ciò ha provocatol’ormai nota sequenza incidentale negli impianti di Fukushima Daiiki (a Fukushima Daini, invece, risulta che la rete elettrica sia stata presto ripristinata e che i reattori siano stati posti in sicurezza).Come è sottolineato nel sito internet dell’ENEA (da cui si attinge ampiamente nel seguito), i reattori di Fukushima Daiichi furono progettati per resistere a terremoti di progetto che si rifacevano alle conoscenze ingegneristiche del tempo, quando non si erano ancora verificati incidenti di rilevante importanza, ai fini dell’accrescimento della cultura della sicurezza, come quelli di Three Mile Island e di Chernobyl. Quando, nel 1979,avvenne il primo (classificato di livello 5 nella scala INES), che provocò un’estesa fusione degli elementi di combustibile del nocciolo, gli addetti ai lavori furono chiamati a rivedere le scelte fatte in precedenza, a fronte delle nuove lezioni apprese.

Da quel momento il mondo della ricerca e dell’industria ha focalizzato l’attenzione sulla sicurezza del sistema, cercando di capire come migliorare gli impianti esistenti e come progettarne di nuovi in grado di resistere ad incidenti fino a quel momento ritenuti altamente improbabili, se addirittura non impossibili.Quegli intensi anni di lavoro diedero vita alla progettazione concettuale degli impianti di terza generazione, in particolare all’EPR (European Pressurized Reactor od Evolutionary Power Reactor) francese, all’AP1000 americano e all’ABWR (Advanced Boiling Water Reactor) giapponese (della stessa tipologia di quelli di Fukushima, ma di tecnologia ben più progredita); anche le centrali di seconda generazione giapponesi più moderne, cioè quelle costruite dopo l’incidente di Three Mile Island, furono progettate per resistere all’evento combinato terremoto/maremoto, così da evitare fuoriuscite di materiale radio-tossico.

Gli impianti nucleari di terza generazione avanzata sono dotati di dispositivi e barriere multiple di sicurezza, non immaginabili all’epoca della costruzione dei reattori BWR della centrale di Fukushima. Nei nuovi reattori, alla base del progetto vi sono edifici di contenimento dotati di doppia parete e sistemi di emergenza che possono intervenire anche senza l’intervento dell’uomo e senza nessuna fonte di alimentazione elettrica, sistemi catalitici ad elevato contenuto tecnologico che possono prevenire le esplosioni di idrogeno, anche per rilasci massicci e violenti. Inoltre, per quanto riguarda la gestione post-incidentale, nell’eventualità che si verifichi una fusione del nocciolo, questi tipi di reattori dispongono di sistemi in grado di raccogliere e convogliare il materiale da essi fuoriuscente in un’area appositamente adibita e di raffreddarlo per tutto il tempo necessario prima dell’intervento in sicurezza da parte dell’uomo.

In Giappone, inoltre, sono già in esercizio due ABWR di III generazione. Nei pressi della centrale nucleare di KashiwazakiKariwa, in cui essi sono ospitati, il 16 luglio 2007 si rilevò l’epicentro del più forte terremoto (di M = 6,6) che avesse mai colpito un impianto nucleare prima dell’11 marzo 2011. Anche questo sisma sollecitò l’impianto (che aveva 4 reattori su 7 in funzione) oltre i limiti di progetto: pertanto, si avviò subito un procedimento di arresto per ispezione, che indicò la necessità di effettuare ulteriori prove e verifiche prima di rimettere i reattori in esercizio. Secondo quanto rilevato dal gestore degli impianti e riportato dall’IAEA (International Atomic Energy Agency), le oscillazioni indotte dal sisma del luglio 2007 determinarono lo sversamento in mare di circa 1,2 m3 di acqua da una piscina di stoccaggio del combustibile esausto, con un rilascio totale di radioattività di appena 60 kBq; inoltre, uno degli impianti di ventilazione rilasciò particolato composto da più radioisotopi, per un totale stimato di 400 MBq di iodio e 2 MBq di altre sostanze. Non si registrarono, però, conseguenze sanitarie od ambientali e l’evento fu classificato come non radiologicamente rilevante dall’IAEA, talché, in agosto 2010, 3 dei 7 reattori (tra cui i 2 ABWR), risultavano normalmente riavviati.

È poi da sottolineare che nella maggior parte dei progetti di nuovi impianti nucleari (Figura 1) è contemplata l’installazione di sistemi d’isolamento sismico, che permettono di ridurre drasticamente le forze trasmesse dal terremoto ad ogni tipologia di struttura e, per gli impianti nucleari, di semplificarne la progettazione ed il lay-out, aumentandone nettamente l’affidabilità e la sicurezza complessiva. D’altra parte, tali sistemi, applicati ad impianti e strutture nucleari sino dagli anni ‘60-’70 (ad esempio nel “Reattore ad Acqua Pressurizzata” – Pressurized Water Reactor o PWR – di Cruas in Francia, mostrato in Figura 2, ed in quello di Koeberg in Sud Africa, nonché, nuovamente in Francia, in 3 piscine di decadimento del combustibile esausto a La Hague), sono stati installati all’inizio degli anni 2000, in Giappone nella Nuclear Fuel Related Facility e, di recente, in Francia, nel Jules Horowitz Reactor, in costruzione a Cadarache: tale sito è destinato ad ospitare anche la macchina per la fusione nucleare ITER, che sarà pure protetta da un sistema d’isolamento sismico, sviluppato nell’ambito di un progetto che ha visto una rilevante partecipazione italiana. Ovviamente, per le nuove applicazioni dell’isolamento sismico in campo nucleare, i criteri di progetto e di verifica saranno assai più stringenti di quelli adottati per le opere civili.

Ad esempio, si prevede di qualificare sperimentalmente prototipi degli isolatori in scala piena, anche con eccitazioni sismiche tridirezionali simultanee; inoltre, dato che l’approccio probabilistico (Probabilistic Seismic Hazard Assessment o PSHA) usualmente utilizzato per definire la pericolosità sismica, tendendo a trascurare gli eventi rari, l’ha alquanto sottostimata in occasione di numerosi terremoti violenti recenti (non solo di quello di Tohoku), si prevede di affiancare al PSHA approcci deterministici: questi ultimi, tra l’altro, sono i soli in grado di fornire stime accurate dello spostamento di progetto, parametro fondamentale per le costruzioni isolate sismicamente. Da ultimo, ci preme sottolineare che quelli nucleari non sono gli unici impianti a rischio di incidente rilevante che occorre proteggere dal terremoto: lo sono anche numerose tipologie di impianti e componenti chimici, di cui un numero significativo ha già riportato gravi danni in occasione di eventi sismici (incluso quello di Tohoku) e che, fra l’altro, sono già presenti anche in Italia, pure in aree alquanto sismiche.

Anche per nuove realizzazioni od interventi di adeguamento in questo settore, l’isolamento sismico si presenta spesso come una tecnica di agevole applicazione e di grande efficacia.

* Direttore del Centro Ricerche di Bologna dell’ ENEA e coordinatore degli interventi di promozione, trasferimento e sviluppo tecnologico delle attività svolte dai Centri ENEA del Nord Italia, Bologna; docente di Costruzioni in Zona Sismica alla Facoltà di Architettura dell’Università degli Studi di Ferrara e-mail: Questo indirizzo e-mail è protetto dallo spam bot. Abilita Javascript per vederlo. .

** Responsabile dell’Unità Tecnica Ingegneria Sismica, Centro Ricerche ENEA di Bologna, segretario generale del GLIS e dell’ASSISi; e-mail: Questo indirizzo e-mail è protetto dallo spam bot. Abilita Javascript per vederlo.

 

Usiamo i cookies per darti un'esperienza pratica e senza soluzione di continuità sul nostro sito. Continuando a navigare in questo sito, concordi con la nostra politica sui cookies. Scopri di più sui cookies nella nostra pagina dedicata alla Politica sui Cookies.

Accetto e proseguo la navigazione del sito