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Come la barriera di ghiaccio di Fukushima bloccherà le acque sotterranee radioattive
I funzionari giapponesi che cercano disperatamente di contenere una crisi sempre crescente presso la centrale nucleare di Fukushima stanno cercando di utilizzare il permafrost artificiale per fermare la fuoriuscita di acqua radioattiva. L'idea è quella di costruire un muro di terra ghiacciata lungo un miglio attorno agli edifici del reattore tossico di Fukushima per arginare la contaminazione delle acque sotterranee; gli specialisti più esperti nel campo dicono che il piano dovrebbe funzionare.
Celle frigorifere: Un muro di congelamento creato per un progetto di costruzione dalla società SoilFreeze.
Le aziende giapponesi coinvolte sembrano adottare un approccio autonomo. Due settimane fa, un alto funzionario della Tokyo Electric Power (Tepco) ha segnalato che l'utility dietro il disastro di Fukushima avrebbe cercato assistenza internazionale per la crisi di contaminazione dell'acqua di Fukushima. Ma gli esperti delle aziende con sede negli Stati Uniti e dei laboratori nazionali dietro i più grandi sistemi di congelamento al mondo - e l'unico dimostrato nel contenere la contaminazione nucleare - non sono stati contattati né dalla Tepco né dal suo appaltatore, la società di ingegneria e costruzione giapponese Kajima Corp.
Uno di questi esperti è Elizabeth Phillips, che ha gestito l'installazione di un muro di congelamento lungo 300 piedi e profondo 30 piedi per isolare i rifiuti radioattivi presso l'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti nel Tennessee nel 1996 e 1997. Mentre il congelamento i muri sono comunemente usati per trattenere le acque sotterranee per facilitare gli scavi nei cantieri e nelle miniere, questo caso richiede competenze specializzate, dice. Devi assicurarti che chiunque lo stia facendo analizzi tutto ciò che può andare storto, afferma Phillips. Dovresti andare con qualcuno che l'ha già fatto.
Ogni giorno circa 400 tonnellate di acque sotterranee che scendono dalle montagne vicine entrano nelle fessure degli edifici del reattore danneggiati dai crolli e dalle esplosioni di Fukushima nel 2011, secondo un documento informativo Tepco di aprile 2013 . L'acqua che fuoriesce dagli edifici inquina le falde acquifere a valle e alla fine si riversa in mare. I livelli di contaminanti sono pericolosamente alti. Il mese scorso Tepco ha prelevato acqua da un pozzo di campionamento a valle degli edifici contenente livelli di radiazioni di ordini di grandezza superiori ai livelli ritenuti sicuri dalla Autorità di regolamentazione nucleare giapponese .
Gli sforzi di Tepco per prevenire tale diffusione finora sono stati inefficaci, rischiosi e, in definitiva, insostenibili. La sua risposta principale è stata quella di pompare acque sotterranee contaminate in serbatoi di raccolta, aggiungendo alle oltre 300.000 tonnellate di acqua radioattiva già immagazzinate a Fukushima in serbatoi assemblati in fretta che sono vulnerabili a futuri terremoti. Alcuni sono già trapelati. La scorsa settimana l'Autorità per la regolamentazione nucleare del Giappone ha registrato una recente perdita di 300 tonnellate come incidente di livello 3, il primo incidente a Fukushima che ha valutato sulla scala degli eventi nucleari internazionali dal 2011.
Il muro di congelamento sarebbe un approccio più definitivo alla gestione delle acque sotterranee. Come proposto da Kajima ad aprile e approvato a maggio da un gruppo di esperti dell'Autorità per la regolamentazione nucleare, correrebbe per 1,4 chilometri e circonderebbe i quattro reattori distrutti del sito. I tubi verticali devono essere perforati o piantati nel terreno a intervalli di un metro, creando quella che sembra una serie di pali di recinzione nel sottosuolo. Quattordici impianti di refrigerazione da 400 kilowatt pomperebbero da -20 °C a -40 °C di refrigerante lungo ciascun tubo per assorbire il calore dal terreno, producendo un cilindro in espansione di terra ghiacciata.
In circa sei settimane, quei cilindri si fonderebbero insieme per formare una barriera continua che tiene fuori le acque sotterranee e i contaminanti. Il risultato sarebbe una solida barriera dalla superficie che si estende per circa 95 piedi verso il basso per incontrare uno strato di argilla e roccia a bassa permeabilità. E mentre richiederebbe un raffreddamento a lungo termine per resistere, il muro è immune a interruzioni di corrente che durano giorni o settimane. Ci vorrebbero mesi o anni per scongelare il muro, afferma Daniel Mageau, vicepresidente e ingegnere progettista per l'appaltatore SoilFreeze con sede a Seattle.
Diverse caratteristiche rendono le pareti antigelo migliori barriere rispetto a quelle realizzate in acciaio, cemento o argilla, alternative che il comitato dell'Autorità di regolamentazione nucleare ha considerato e respinto. Un vantaggio chiave citato da Phillips è la capacità di autoriparazione del muro di congelamento. Ad esempio, l'acqua che scorre nelle fessure causate da un terremoto, una minaccia sempre presente a Fukushima, si congelerebbe per ristabilire la barriera. È davvero una grande risorsa, afferma Phillips.
L'esperienza di Oak Ridge suggerisce che funzionerà a Fukushima, secondo Phillips e gli esperti degli appaltatori che hanno costruito il muro del laboratorio: Rockaway, appaltatore geotecnico con sede nel New Jersey piùtrench e basato sull'ancoraggio Fondamenti dell'Artico . Rimane l'unico progetto di muro di congelamento per il contenimento nucleare fino ad oggi, e uno che è stato erroneamente descritto come un esperimento nei rapporti di stampa. Non era un modello. Stava perforando terreni contaminati e impedendo ai materiali realmente contaminati radiologicamente di fuggire e attraversare un torrente, afferma l'ingegnere capo della Arctic Foundations Edward Yarmak.
Il muro di congelamento di Oak Ridge si è fuso nel gennaio 1998 e conteneva la stessa serie di elementi presenti a Fukushima per sei anni - la durata specificata per il muro di Fukushima dal pannello dell'Autorità per la regolamentazione nucleare - fino a quando i regolatori non hanno ordinato al Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti di bonificare il sito. Phillips è fiducioso che avrebbe funzionato oltre la sua vita di progettazione di 30 anni.
Joseph Sopko, direttore del congelamento del terreno presso Moretrench, afferma che la tempistica di un anno proposta da Kajima per l'installazione e il congelamento è ragionevole alla luce di un'installazione che ha gestito per una miniera d'oro nel nord dell'Ontario alla fine degli anni '90 che ha visto tubi per due miglia parete lunga installata in poco meno di un anno. La scala per il muro di Fukushima, nel frattempo, sembra decisamente piccola rispetto a un muro lungo cinque miglia proposto per un'operazione di sabbie bituminose in Alberta, per il quale Moretrench sta attualmente conducendo studi pilota.
Uno dei principali svantaggi, tuttavia, è il consumo di energia. Mentre le pareti impiegano mesi o anni per scongelarsi una volta congelate, e sono quindi immuni alle interruzioni di corrente, richiedono una refrigerazione a lungo termine per resistere. Tipicamente, la potenza frigorifera richiesta per la manutenzione è circa la metà di quella richiesta per formare il muro.
Tepco e Kajima potrebbero risparmiare energia se impiegassero una tecnica utilizzata a Oak Ridge. La sua parete incorporava dispositivi passivi noti come termosifoni che Arctic Foundations ha installato in tutta l'Alaska per rafforzare il permafrost che si scioglie sotto gli edifici e le infrastrutture. Un gas refrigerante scorre passivamente nei tubi ogni volta che il terreno è più caldo dell'aria sopra, assorbendo calore in basso bollendo, quindi scaricando quel calore in alto condensando e infine gocciolando indietro lungo la parete del tubo per ripetere il ciclo.
Grazie all'inclusione dei termosifoni, il sistema Oak Ridge consumava appena 100.000 chilowattora di energia all'anno, meno di 10 case che utilizzerebbero in un anno. È un sistema molto efficiente per spostare il calore contro la gravità. Non ci sono parti in movimento, dice Yarmak.
Tuttavia, anche se Yarmak vorrebbe esportare i termosifoni di Arctic Foundations in Giappone, afferma che il consumo di energia non è un problema critico per Fukushima. Anche con il più convenzionale sistema di pareti congelate proposto da Kajima, il cui consumo energetico sarebbe circa 250 volte maggiore rispetto a quello di Oak Ridge, il consumo di energia sembra ancora ridotto nel contesto. Per la portata del problema che ha il Giappone, non c'è molta energia, dice.