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Tecnologie d’avanguardia nella gestione dei rifiuti radioattivi e
nella decontaminazione ambientale
Risultati da un recente Convegno Internazionale
‘Gestione dei rifiuti radioattivi: dalla trasmutazione alla biorimediazione’
organizzato dall'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) il 23 aprile scorso
a Frascati su tecnologie innovative per il trattamento delle scorie nucleari e radioattive
e la decontaminazione ambientale con particolare attenzione alle potenzialità
in questo settore delle macchine acceleratrici di particelle
Fonte: Special Eurobarometer 324, Marzo 2010
L’opinione pubblica in Europa e ilproblema delle scorie nucleari e radioattivePercepito come uno dei più graviQuello su cui si hanno più dubbi e si desidera più informazione
Nel mondo ci sono 368 reattori nucleari industriali attivi (USA- 104; Francia-58, Giappone-58, Russia-33, S.Corea-21, Ukraina-15); 63 – in costruzione, 138 – chiusi. Nel mondo ci sono più di 200.000 t di combustibile esaurito (scorie di alto livello) e se ne producono 15 000 t/anno.Inoltre in ogni reattore ci sono migliaia di t di acqua altamente radioattiva (più di 1 milione di t nel mondo). Inoltre nel mondo ci sono più di 10 milioni di t scorie a bassa attività.
I SITI NUCLEARI IN ITALIA
Le scorie nucleari e radioattive
Inoltre c’è la contaminazione ambientale, di tipo LLW e MILW
• Funzionamento e Manutenzione di centrali ed impianti: effluenti liquidi ed aeriformi
• Decommissioning di centrali ed impianti: rifiuti solidi (in Italia soltanto 25 + 11 mila m3), liquidi ed aeriformi
• Radionuclidi rilasciati a seguito d’incidenti nucleari: contaminazione di suoli e acque
I rifiuti nucleari si classificano in base alla
• Sotto i livelli imposti dalle (ICRP 90 e D.Lgs 230/95)
• Rifiuti a basso livello circa il 90% in volume ma solo 1% della radioattività totale
• Rifiuti di livello medio circa il 7% in volume e 4% della radioattività
• Rifiuti di alto livello oltre il 90% della radioattività totale
Attività nr. decadimenti nucl.per unità di tempo 1 Bq =1 dis/secDose assorbita energia rilasciata per unità di massa 1 Gy =1 J/kgDose equivalente dose assorbita da un organo ‘pesata’ 1 Sv= 1 Gy/wr
Dose efficace somma dosi assorbite ‘pesata’ sui varii organi Sv
radioattività
normative
(LLW) (MILW)
(HLW)
generati da ospedali, laboratori, industrie
carta, oggetti, indumenti usa e getta, filtri e altri materiali debolmente
contaminati
Resine, filtri, liquami, componenti del reattore, materiali contaminati dallo smantellamento dei
reattori
combustibile esausto direttamente dalle centrali o dal riprocessa-mento, dalla produzione o smantellamento
degli arsenali nucleari
Campo di applicazione
Lavoratori esposti
Persone del pubblico
Dose efficace 20 mSv/anno 1 mSv/anno
Dose equivalente
al cristallino 150 mSv/anno 15 mSv/anno
alla pelle 500 mSv/anno 50 mSv/anno
alle estremità 500 mSv/anno
COSA SI FA ora E COSA SI POTREBBE FARE in futuro Principi generali del trattamento attuale
• Concentrare ed isolare i rifiuti in siti predisposti (non ancora pronti per gli HLW)
• Attesa fino a quando il livello di radioattività sia più gestibile (non per gli HLW)
• Diluizione e dispersione nell’ (sotto la soglia regolamentata o naturale)
• Decontaminazione ambientale: metodi chimico-fisici, ancora sperimentali
ambiente
Trattamento delle scorie HLW con il metodo P&T (Partitioning & Transmutation)
• Separare il materiale fissile (U +Pu), gli attinidi minori (MA= Np, Am, Cm,…), i prodotti di fissione (FP) a lunga emivita (99Tc, 129I, 93Zr, 135Cs, 107Pd, e 79Se)
• Avviare U +Pu al riprocessamento, oppure trasmutarli, insieme agli MA e FP, in reattori critici o subcritici pilotati da un Acceleratore di protoni (sistemi ADS, Accelerator Driven Systems)
Decontaminazione ambientale con l’uso di microorganismi e piante (Biorimediazione)
Basics and Objectives of P&T (cont’d)
Used fuel and HLW repository hazard vs. risk – Partitioning and Transmutation (P&T) objective reduction of long-
term hazard of used fuel or HLW repository by transforming long-lived radionuclides into short-lived or inactive elements
– “Conventional” waste management objective reduction of long-term radiological risk (combination of potential hazard and confining properties)
Hazard reduction (P&T objective) requires very different and much more fundamental measures as compared to risk reduction:
– Long-term hazard of spent fuel and HLW is associated with the radioactive source, i.e. the transuranics
– Short and long-term risks are due to the mobility of fission products in the geosphere and the possibility to enter the biosphere
Frascati, April 2012
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L’inventario radiotossicologico
Radiotossicità derivante da 1 tonnellata di combustibile nucleare esausto.Con un'efficienza di partizione del 99.9% dei prodotti a lunga vita dai rifiuti seguita da trasmutazione, il livello di radiotossicità di riferimento può essere raggiunto entro 700 anni!
Source: Physics & Safety of Transmutation Systems , NEA 6090NEA Rep. 2002
LA TRASMUtazione delle scorie HLW: I sistemi ads
Schema di principio di un ADS
Reattori ADS subcriticiUtilizzano qualsiasi tipo dicombustibile nucleareElevata efficienza, estrema sicurezzaAmplificatore di energia (Rubbia)Però ancora molta ricerca da fare:•Acceleratore•Bersaglio neutronico•Combustibile e suo ciclo•Reattore subcritico
Unico progetto europeo: MYRRHA in sviluppo presso SCK-CEN a Mol (Belgio). Partito nel 1997 ==> 2018-2023 Costo previsto ≈ 1 G€ di cui contributo UE < 10% FPVI 2001-2006 FPVII 2007-2012
Fusione Nucleare 824 1947Fissione Nucleare 209 287 centri (JRC) 319 517Totale M€ 1352 2751
MYRRHA: EXPERIMENTAL ACCELERATOR DRIVEN SYSTEM
A pan-European, innovative and unique facility
Time horizon: full operation ~ 2023 Costs: ~ EUR 960 million
A low power ADS based on enriched U fuel and solid Lead
Motivation• Availability of 70 MeV, 0.5 mA proton
cyclotron purchased by INFN as driver for SPES project on radioactive ion beams
• Collaboration with Ansaldo Nucleare, leader in technology for fast reactors based on Lead coolant (also, one of the proposed technologies in the EU)
• Choice of Pu-free fuel to minimize security issues UO2 w/ 20 % 235U
• Low thermal power 150-200 kW to limit safety issues but sufficient to study some aspects of dynamics
• Temperature < 300 Co solid Lead
matrix• keff 0.95 (limit for storage facil’s)• Relatively low beam energy Target:
Beryllium (weakly bound n)
Broad collaboration between INFN, Ansaldo Nucleare, ENEA,
Politecnico di Milano, Politecnico di Torino, LENA-Pavia
Project initiatied by INFN and University of Genova
GUENEVIERE (Mol) Subcritical prototype
P=0 kWth in operationMeasurement of keff,fluxes
MYRRHA (Mol) Critical and subcritical demonstrator
P=100MWth, approvedOptimized for medical radionuclides
ALFRED (Ansaldo Nucleare) Gen IV Research Reactor project
critical P=120MWePower Reactor with turbines
Lead Fast Reactors Development Road Map
INFN et al. (LNL) Subcritical prototype project
P200 kWthTests on kinetics and dynamics
CDR in preparation, funding not yet available
La radiocontaminazione
• I rifiuti radioattivi sono rimasti sottoterra per decenni. Tuttavia resta la preoccupazione che possano sfuggire e migrare nelle acque, nei suoli e nei sedimenti.
• Oltre ai depositi, le attività di operazione delle centrali, di funzionamento degl’impianti di trattamento del combustibile, di smantellamento degl’impianti e riqualificazione del territorio (Decommissioning) sono potenziali sorgenti d’inquinamento da radionuclidi
La biorimediazione
Tecnologia che usa microrganismi per ridurre, eliminare, contenere o trasformare in prodotti innocui i contaminanti presenti negl’impianti, nei suoli, nelle acque e nell’ariaPrimo uso del termine nella letteratura scientifica nel 1987!
Radionuclidi e Metalli presenti nei siti nucleari: U, Pu, Tc, Cs, Sr e Cr, Hg, Pb
Pila di compostaggio6000 anni a.C.impianto per liquami nel 1891 Sussex, UK
Come agiscono I batteri?
Phytoremediation
Content
What is phytoremediation?Areas of applicability PhytoextractionRhizofiltrationPhytostabilisationAlternative land use
Summary
Phytoextractionmore myth than reality
Rhizofiltrationfeasible but detailed investigation
Phytostabilization: more information required on effect of vegetation cover on RN dispersion and RN cyclingphytostabilisation vs other remedial options
Alternative land useneed for holistic approach
Transmutation of radioactive waste in biological systems
(history, models, experiments, perspectives)
V.I. Vysotskii, Kiev Shevchenko University, Kiev, Ukraine
Isotope Half-life Activity (in relation to Pu239) Main decay modeSr90 28.5 years Q=230 -Zr95 64 days Q = 5800 -Nb95 35 days Q = 5700 -Mo99 66 hours Q = 6100 -Ru103 39 days Q = 3800 -Ru106 373 days Q = 860 -Sb125 2.8 years Q = 150 ` -I131 8 days Q = 3100 -Cs134 2 years Q = 170 -Cs137 30.03 years Q = 260 - (and )Ce144 285 days Q = 3900 -
Eu154 8.8 years Q = 14 -Pu238 87.7 year Q = 1.3 Pu239 24000 years Q = 1 Pu240 6550 years Q = 1.5 Pu241 14.4 years Q = 180 Am241 432 years Q = 0.16
The typical components of high-level radioactive reactor waste
Contents1. Prehistory2. Experiments on controlled transmutation of nuclear isotopes in
growing microbiological cultures3. Experiments on controlled decontamination of active isotopes
in biological cells4. Biophysical reasons of isotope transmutation in biological
systems5. The possible physical mechanism of isotope transmutation in
growing biological systems
The report presents the results of combined examinations of stable and active isotope transmutation processes in growing microbiological cultures.
0 500 1000 1500 E, KeV
Spectrum of gamma-radiation of distilled water from first contour of water-water atomic reactor of Kiev Institute for Nuclear Research (10th day after extraction from the active zone).
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
0 5 10 15 20 25 30
t, days after extraction of water from the active zone of the nuclear reactor
Time of internal adaptation of microbe
syntrophin associations to action of irradiation
Qcontrol (decay of La140 (and Ba140) in pure reactor water)
Qcultures (decay of Ba140 and La140 in pure water with presence of metabolically active microorganisms)
Q(t)/Q(0)
Qcontrol and Qcultures (decay of Co60 in both pure water and in the water with presence of metabolically active microorganisms)
Change of activity Q(t) of the same reactor Ba140, La140 and Co60 isotopes in the experiment on transmutation (activity Qcultures in pure reactor water with presence of metabolically active microorganisms) and in the control one (activity Qcontrol in the same pure reactor water without microorganisms)
Metabolizzazione dell’Arsenico
Published Online December 2 2010 Science 3 June 2011: Vol. 332 no. 6034 pp. 1163-1166 DOI: 10.1126/science.1197258
Mono Lake, Est California
due specie di batteri Frascatani
Ralstonia e stenotrophomas detusculanense Batteri estremofili aggregatoridi metalli scoperti a Frascati (2000)Ricerche interrotte per mancanza difondi e di supporto tecnico da parte dell’INFN, e riprese per conto della soc. spagnola ENDESA* per l’utilizzo comebioconcentratori di radionuclidi* International Microbiology 8 (2005)
223-230
Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
Ente pubblico che promuove, coordina ed effettua la ricerca scientifica nel campo della fisica subnucleare, nucleare ed astroparticellare nonché la ricerca e lo sviluppo tecnologico necessari alle attività in tali settori, con particolare riguardo agli acceleratori e rivelatori di particelle elementari, che sono di fondamentale importanza anche per la ricerca nucleare finalizzata alla produzione di energia. Perché con gli acceleratori si possono anche realizzare i due obbiettivi di ricerca:
•Frazionamento e Trasmutazione delle scorie di elevata radiotossicità attraverso l'uso di reattori subcritici pilotati da un acceleratore di protoni (ADS)
•Biorimediazione della contaminazione ambientale attraverso l'uso di piante e soprattutto di microorganismi, per la cui caratterizzazione le sorgenti di Luce di Sincrotrone (SR) sono di cruciale importanza
Occorre quindi adottare un visione interdisciplinare della ricerca scientifica.
E per questo occorre un cambio di mentalitá!
