Una “chiacchierata” sull’ incidente nucleare di Fukushima (Giappone)

1. Seminari della sezione INFN di Bologna - 5/4/2011 Una “chiacchierata” sull’ incidente nucleare di Fukushima (Giappone) G. Cambi Associato di ricerca senior – INFN Bologna 11 marzo 2011 Ore 14.46 Centrale di Fukushima I (Daiichi – TEPCO) Boiling Water Reactor BWR Reactor concept

2. Argomenti della “chiacchierata” • L’inizio: il sisma e lo tsunami • Il ”parco” di centrali nucleari giapponesi • Le centrali coinvolte (fortemente) dal sisma • La centrale di Fukushima-I (Daiichii) • Le centrali di tipo BWR (come quelle di Fukushima) • Centrali nucleari di tipo Pressurized Water Reactor PWR • (un breve cenno) • I reattori nucleari di Fukushima – Daiichi • (alcuni giorni dopo l’evento sismico) • Alcuni documenti che descrivono l’incidente, la sua evoluzione • e le principali conseguenze radiologiche • Situazione reattori Fukushima-IDaiichi al 3 aprile 2011 • I limiti di dose (pubblico e persone professionalmente esposte) • CONCLUSIONI (??) Gilio Cambi - Una “chiacchierata” sull’incidente nucleare di Fukushima Seminari della sezione INFN di Bologna - 5/4/2011

3. L’inizio : ilsisma e lo tsunami Alle 14:46 ora locale (06:46 ora di Roma) dell’11 marzo 2011 si è verificato nel nord del Giappone un terremoto di magnitudo 9,0 della scala Richter (30.000 volte più potente di quello che rase al suolo L’Aquila), con epicentro localizzato nel Pacifico, 130 km a est della costa dell’isola di Honshu. L’evento è stato seguito da uno sciame sismico di assestamento che ha coinvolto tutta la regione settentrionale giapponese con scosse di rilevante intensità, spesso al di sopra di magnitudo 6 della scala Richter. All'evento principale ha fatto seguito uno tsunami, che raggiunto un'altezza massima misurata di 7,2 m. I tempi di arrivo delle onde dello tsunami sono stati da 30 a 50 min dall’evento sismico e, quindi, dall’allarme. In seguito all’evento sismico principale, i sistemi di protezione normalmente presenti in tutte le centrali nucleari hanno comandato lo spegnimento automatico di 11 dei 54 reattori installati in Giappone. La reazione di fissione a catena è stata dunque interrotta in tutti i reattori interessati dal sisma e tale è rimasta anche nelle successive fasi. Gilio Cambi - Una “chiacchierata” sull’incidente nucleare di Fukushima Seminari della sezione INFN di Bologna - 5/4/2011

4. Il ”parco” di centrali nucleari giapponesi L'attuale flotta di reattori nucleari di potenza giapponese si colloca per potenza installata al terzo posto su base mondiale, dopo Stati Uniti e Francia. La localizzazione degli reattori di potenza giapponesi è indicata nella mappa. Con 54 reattori in esercizio per una potenza totale installata di 48,8 GWe, il Giappone produce, da fonte nucleare, circa il 28% del proprio fabbisogno di energia elettrica. Il piano di sviluppo nucleare prevede di raggiungere il 40% di generazione elettronucleare nel 2020 e il 50% nel 2030, con due reattori attualmente in costruzione per una potenza di 2,7 GWe ed altri 12 reattori già programmati, per ulteriori 16,6 GWe. Epicentro del sisma Gilio Cambi - Una “chiacchierata” sull’incidente nucleare di Fukushima Seminari della sezione INFN di Bologna - 5/4/2011

5. Le centrali coinvolte (fortemente) dal sisma • Le centrali che si sono automaticamente fermate sono: • centrale di Onagawa (reattori n. 1, 2, 3) • centrale di Fukushima-I (Daiichi) (reattori n. 1, 2, 3) - Le altre 3 unità (n. 4, 5 e 6) della centrale di Fukushima-Daiichi al momento del sisma erano in arresto freddo per ispezioni periodiche programmate. • centrale di Fukushima-II (Daini) (reattori n. 1, 2, 3, 4) • centrale di Tokai (reattore unico). Gli altri reattori giapponesi in aree lontane dal sisma hanno conservato lo stato (esercizio o fermata) in cui si trovavano immediatamente prima del sisma, in quanto l’accelerazione al suolo a livello locale non è stata tale da comandarne lo spegnimento automatico. Gilio Cambi - Una “chiacchierata” sull’incidente nucleare di Fukushima Seminari della sezione INFN di Bologna - 5/4/2011

6. Caratteristichedegliimpiantinuclearigiapponesiinteressatidall’eventosismico del 11 marzo 2011 Gilio Cambi - Una “chiacchierata” sull’incidente nucleare di Fukushima Seminari della sezione INFN di Bologna - 5/4/2011

7. Centrale di Fukushima-I (Daiichii) 4 3 2 1 5 6 Gilio Cambi - Una “chiacchierata” sull’incidente nucleare di Fukushima Seminari della sezione INFN di Bologna - 5/4/2011

8. Il reattore dell’unità 1 di Fukushima-Daiichi è un reattore ad acqua bollente del tipo BWR/3 di GeneralElectric costruito nel 1967 ed entrato in funzione nel 1971. Ha una potenza di 460 MW elettrici. Nel sito di Fukushima-Daiichi ed in quello di Fukushima-Daini sono presenti altri 9 reattori ad acqua bollente di tipo più recente BWR/4 e BWR/5 che si differenziano dal precedente per il diverso contenimento e per i sistemi di emergenza. Le caratteristiche di funzionamento di questi reattori sono, comunque, sostanzialmente simili. I reattori della centrale nucleare di FukushimaDaiichi sono sei, tutti di tipo BWR (Reattori ad Acqua Bollente) di seconda generazione. Spaccato di una unità reattore della centrale di Fukushima-Daiichi. Sono visibili: il vessel del reattore (in marrone) che contiene il nocciolo; il contenimento primario a tenuta; il sistema di controllo della pressione nel contenimento primario (TORUS) e l’edifico di contenimento secondario Gilio Cambi - Una “chiacchierata” sull’incidente nucleare di Fukushima Seminari della sezione INFN di Bologna - 5/4/2011

9. Le centrali di tipo BWR (come quelle di Fukushima) La caratteristica principale dei reattori nucleari ad acqua bollente (BWR), sviluppati inizialmente dalla GeneralElectric (USA) a partire dagli anni '50, è di avere condizioni di flusso bifase (acqua + vapore) nella parte superiore del nocciolo. In questi reattori, quindi, è presente un solo circuito (primario) e non è previsto un circuito secondario per la produzione di vapore, come invece avviene per i reattori ad acqua pressurizzata (PWR). L’acqua di raffreddamento estraendo il calore prodotto nel nocciolo (core) bolle e produce vapore che viene separato dall’acqua in un separatore posto sopra il core stesso. Il vapore è quindi convogliato tramite una linea vapore alla turbina in cui espandendosi rilascia l’energia che viene trasformata in energia elettrica. Il vapore ritorna liquido nel condensatore grazie ad uno scambio termico con acqua esterna proveniente da una sorgente fredda (acqua di raffreddamento). L'acqua condensata viene opportunamente riscaldata e ripompata nel vessel del reattore per ripetere il ciclo. Il flusso di acqua attraverso il nocciolo è garantito da pompe di ricircolo, le quali permettono anche il controllo della potenza del reattore attraverso la regolazione della portata. In caso di comportamento anormale del reattore le barre di controllo (in basso in figura ) vengono tutte automaticamente ed immediatamente inserite e la potenza del reattore diminuisce fino a raggiungere - in poche decine di secondi - la potenza di decadimento (6-7% del valore nominale). Schema di impianto di un tipico BWR commerciale Gilio Cambi - Una “chiacchierata” sull’incidente nucleare di Fukushima Seminari della sezione INFN di Bologna - 5/4/2011

10. Centralinucleari di tipo Boiling Water Reactor BWR Schema di principio di impianto BWR Gilio Cambi - Una “chiacchierata” sull’incidente nucleare di Fukushima Seminari della sezione INFN di Bologna - 5/4/2011

11. A seguito dello spegnimento automatico del reattore, deve essere garantita la rimozione del calore di decadimento dal nocciolo (anche in situazioni incidentali) Schema di principio del sistema di rimozione del calore di decadimento (Decay Heat Removal system) Gilio Cambi - Una “chiacchierata” sull’incidente nucleare di Fukushima Seminari della sezione INFN di Bologna - 5/4/2011

12. Piscinacombustibileesausto Nocciolo del reattore (core) Contenimentoprimario Edificio di contenimentosecondario Sistema di controllo della pressione nel contenimento primario (TORUS) Strutturadell’edificioreattore (BWR-3 General Electric – Mark I containment) Gilio Cambi - Una “chiacchierata” sull’incidente nucleare di Fukushima Seminari della sezione INFN di Bologna - 5/4/2011

13. Un brevissimocennosu Centralinucleari di tipo Pressurized Water Reactor PWR Schema di principio di impianto PWR In un reattore di tipo PWR il raffreddamento del combustibile è operato da acqua “liquida” che cede poi il calore asportato ad un fluido refrigerante secondario (acqua) all’interno di uno scambiatore di calore dove si genera il vapore che va infine in turbina Gilio Cambi - Una “chiacchierata” sull’incidente nucleare di Fukushima Seminari della sezione INFN di Bologna - 5/4/2011

14. I reattorinucleari di Fukushima – Daiichi alcunigiornidopol’eventosismico Unità 5 Unità 6 Unità 4 Unità 3 Unità 2 Unità 1 Gilio Cambi - Una “chiacchierata” sull’incidente nucleare di Fukushima Seminari della sezione INFN di Bologna - 5/4/2011

15. Anche i reattori in questione, sebbene progettati e realizzati negli anni ’60 e ’70, applicano il principio basilare della sicurezza nucleare ovvero quello della predisposizione di barriere multiple consecutive per scongiurare o ridurre il più possibile il rilascio di radioattività all’ambiente esterno. In particolare nell’architettura d’impianto sono previste, partendo dall’esterno, le seguenti barriere: • l’edificio di contenimento secondario • il contenimento primario • il vessel • i tubi (guaine) in materiale metallico che contengono • le pastiglie del combustibile nucleare • (non visibili in figura); • la matrice ceramica delle pastiglie di combustibile. • I contenimenti più esterni servono sia per proteggere l’ambiente dall’impianto in caso di incidente con rilascio di prodotti radioattivi, sia l’impianto dall’ambiente in caso di attentati, terremoti e altri eventi naturali. Questo approccio ingegneristico di sicurezza, se non si verifica un incidente severo, garantisce una totale assenza di rilasci radioattivi all’esterno. La degradazione di barriere successive comporta il rilascio di materiale radioattivo sempre più verso l’esterno. Gilio Cambi - Una “chiacchierata” sull’incidente nucleare di Fukushima Seminari della sezione INFN di Bologna - 5/4/2011

16. Gilio Cambi - Una “chiacchierata” sull’incidente nucleare di Fukushima Seminari della sezione INFN di Bologna - 5/4/2011

17. Alcuni documenti (principalmente estratti dalla rete) che descrivono l’incidente, la sua evoluzione e le principali conseguenze radiologiche Descrizione AREVA della sequenzaincidentale riguardante la centrale di Fukushima - Daiichi Dr. Matthias Braun AREVA Gilio Cambi - Una “chiacchierata” sull’incidente nucleare di Fukushima Seminari della sezione INFN di Bologna - 5/4/2011

18. Incidentenucleareallacentraledi Fukushima – Daiichi Dalsito ENEA http://www.enea.it/ Ipotesidisequenzaincidentale Sull’ impattoradiologico Gilio Cambi - Una “chiacchierata” sull’incidente nucleare di Fukushima Seminari della sezione INFN di Bologna - 5/4/2011

19. Incidentenucleareallecentralidi Fukushima (Daiichi e Daini) Descrizione del GRS dellasequenzaincidentale e unosguardoalleconseguenzeradiologiche (Dalsito GRS - GesellschaftfürReaktorsicherheit, Germania) Gilio Cambi - Una “chiacchierata” sull’incidente nucleare di Fukushima Seminari della sezione INFN di Bologna - 5/4/2011

20. Descrizione IAEA riguardantel’incidenteallecentrali di Fukushima (Daiichi e Daini) Situazione al 4-4-2011 Descrizionecomplessivadeglieventidal 11-3-2011 al 4-4-2011 (DalsitoIAEA, Vienna) Gilio Cambi - Una “chiacchierata” sull’incidente nucleare di Fukushima Seminari della sezione INFN di Bologna - 5/4/2011

21. Descrizione JAIF (Japan Atomic Industrial Forum) riguardantel’incidentedi Fukushima Earthquake report - JAIF April 4 2011 Fukushima plant status from JAIF on April 4 2011 (DalsitoJAIF, Giappone) Gilio Cambi - Una “chiacchierata” sull’incidente nucleare di Fukushima Seminari della sezione INFN di Bologna - 5/4/2011

22. Situazione reattori Fukushima-IDaiichi (unità 1÷6) al 3 aprile 2011 dal sito IAEA Gilio Cambi - Una “chiacchierata” sull’incidente nucleare di Fukushima Seminari della sezione INFN di Bologna - 5/4/2011

23. Gilio Cambi - Una “chiacchierata” sull’incidente nucleare di Fukushima Seminari della sezione INFN di Bologna - 5/4/2011

24. I limiti di dose per il pubblico e per le persone professionalmente esposte PUBLIC EXPOSURE Dose limits From IAEA Safety Series N° 115 INTERNATIONAL BASIC SAFETY STANDARDS FOR PROTECTION AGAINST IONIZING RADIATION AND FOR THE SAFETY OF RADIATION SOURCES The estimated average doses to the relevant critical groups of members of the public that are attributable to practices shall not exceed the following limits: an effective dose of 1 mSv in a year; In special circumstances, an effective dose up to 5 mSv in a single year provided that the average dose over five consecutive years does not exceed 1 mSv per year; (c) an equivalent dose to the lens of the eye of 15 mSv in a year; and (d) an equivalent dose to the skin of 50 mSv in a year. Gilio Cambi - Una “chiacchierata” sull’incidente nucleare di Fukushima Seminari della sezione INFN di Bologna - 5/4/2011

25. OCCUPATIONAL EXPOSURE Dose limits From IAEA Safety Series N° 115 INTERNATIONAL BASIC SAFETY STANDARDS FOR PROTECTION AGAINST IONIZING RADIATION AND FOR THE SAFETY OF RADIATION SOURCES The occupational exposure of any worker shall be so controlled that the following limits be not exceeded : an effective dose of 20 mSv per year averaged over five consecutive years; an effective dose of 50 mSv in any single year; an equivalent dose to the lens of the eye of 150 mSv in a year; and an equivalent dose to the extremities (hands and feets) or the skin of 500 mSv in a year. Gilio Cambi - Una “chiacchierata” sull’incidente nucleare di Fukushima Seminari della sezione INFN di Bologna - 5/4/2011

26. L'esposizione alle radiazioni ionizzanti nella vita quotidiana Gilio Cambi - Una “chiacchierata” sull’incidente nucleare di Fukushima Seminari della sezione INFN di Bologna - 5/4/2011

27. CONCLUSIONI Nessuna conseguenza radiologica (significativa) in Italia ed in Europa Incertezza sulle conseguenze radiologiche alla popolazione giapponese residente a distanze superiori ai 30 km dal sito di Daiichi Problemi radiologici per la popolazione giapponese che non ha abbandonato la zona consigliata per l’evacuazione, dovuti ad inalazione degli scarichi in atmosfera ed alla contaminazione del suolo e delle acque Problemi significativi per le acque marine della zona prossima al sito di Daiichi (conseguenze per il pescato  Sushi no grazie, per il momento) E per il resto, (futuro incluso), .… ?????? Gilio Cambi - Una “chiacchierata” sull’incidente nucleare di Fukushima Seminari della sezione INFN di Bologna - 5/4/2011