Il 26 aprile 1986, alle ore 1:23:44 a.m., esplode il reattore n. 4 della centrale nucleare Vladimir Ilych Lenin di Chernobyl, regione di Kiev, Ucraina. Lo scoppio libera una nube radioattiva che, nei giorni immediatamente successivi, transita a ovest su tutta l’Europa (esclusi solo Spagna e Portogallo) e a est fino all’Alaska.

La scia a livello globale

Scia radioattiva in Europa

Le autorità sovietiche renderanno pubblico l’incidente solo il 28 aprile, dopo i comunicati della centrale scandinava di Forsmark, i cui responsabili avevano registrato livelli anomali di radioattività e si erano accorti in un secondo tempo che la causa era da ricercare “probabilmente in Unione Sovietica”. L’incidente viene classificato di livello 7 (il massimo) secondo la scala INES relativa agli incidenti nucleari. In termini di contaminazione, il fall-out che ne consegue è stato stimato dall’IAEA (International Atomic Energy Agency) 400 volte più intenso di quello di Hiroshima.

L’Italia ne viene interessata il giorno 29 aprile.

Aprile 1986: dettagli tecnici e dinamica dell’incidente

Il reattore 4 prima dell’incidente

L’impianto nucleare V.I. Lenin è situato a pochi chilometri dalle cittadine di Chernobyl e Pripyat. È formato da quattro reattori modello RBMK-1000 (РБМК – Реактор Большой Мощности Канальный, ossia Reaktor Bolshoi Moshchnosty Kanalny, che significa ‘reattori a canali di potenza elevata’), e altri due sono in costruzione. Il direttore della centrale, Viktor Bryukhanov  non è qualificato per dirigere un impianto nucleare (è esperto di impianti a carbone), così come non lo sono Nikolai Fomin e Anatoliy Dyatlov, rispettivamente ingegnere capo e vice capo.

La foto è successiva al disastro: è presente il “sarcofago”

A sud-est dell’impianto, nella golena del fiume Pripyat, si trova un bacino artificiale della superficie di 22 km2 alimentato dal fiume; da esso viene prelevata l’acqua che serve per raffreddare i condensatori della centrale.

Fiume Prypiat

Il modello RBMK-1000 produce energia sfruttando reazioni controllate di fissione nucleare. Tale energia si sprigiona soprattutto sotto forma di calore. L’RBMK è composto da due sezioni gemelle, ciascuna collegata a un turbogeneratore: è quindi possibile fermare metà reattore, abbassandone la potenza al 50%.

Ogni unità RBMK è un sistema a uranio leggermente arricchito (circa il 2%), con barre di grafite come moderatore e sistema refrigerante ad acqua. Questo modello di reattore nucleare a fissione, utilizzato solo nell’URSS, era stato progettato per produrre elettricità ma anche plutonio a uso militare.

Struttura di reattore tipo RBNK

Il nucleo del reattore contiene:

Nucleo del reattore

• blocchi di grafite come moderatore di reazione (graphite moderator); senza moderatore, la velocità dei neutroni sarebbe eccessiva, col rischio di “mancare” gli atomi di uranio combustibile (fuel);
• tubi contenenti gli elementi di combustibile (uranio-235) inseriti nei blocchi di grafite (Uranium fuel rods);
• barre di controllo in metallo (control rods), che nel reattore in questione contengono boro;

un elevatore esterno al reattore per inserire o estrarre le barre, con lo scopo di rallentare o accelerare la reazione.
Durante il ciclo di funzionamento, il combustibile uranio si riscalda. Il calore viene “catturato” da acqua pompata sotto pressione che si trasforma in vapore, il quale aziona turbine dotate di generatori elettrici. Il vapore viene successivamente ricondensato in acqua.

RBMK: vantaggi e svantaggi

Il nocciolo degli RBMK è costituito da circa 2500 blocchi di grafite (oltre 1500 tonnellate) all’interno dei quali sono inseriti  tubi, che a loro volta contengono – disposti in due fasci di barre sovrapposti – gli elementi di combustibile. Come si è detto, il refrigerante è l’acqua. La tecnologia di tali reattori presenta, rispetto ad altre tipologie, una serie di vantaggi:

• Utilizzando acqua non pesante per il raffreddamento e grafite come moderatore è possibile adoperare l’uranio SEU – scarsamente arricchito (e non quello arricchito) come combustibile, abbassando notevolmente i costi.
• C’è la possibilità di aumentare la potenza della centrale con la semplice aggiunta di elementi modulari.
• Si può effettuare carico e scarico del combustibile con reattore funzionante e quindi migliorare la produzione.

Però un impianto di questo tipo è instabile, per vari motivi:

• Sistema di refrigerazione: è costituito da due circuiti indipendenti, attivi in parallelo, ciascuno in grado di raffreddare una metà del nocciolo.  L’acqua ha funzione solo di refrigerante (non anche di moderatore come nel caso dei reattori PWR o BWR): in caso mancanza della stessa, per black out elettrico o altri motivi, la potenza del reattore invece che azzerarsi si impenna fino a conseguenze estreme.
• Instabilità a bassa potenza: la caratteristica principale di questo tipo di reattore è la sua instabilità a bassa potenza: a valori inferiori al 20% di quella massima è suscettibile di sbalzi improvvisi. Questo sarà il fattore tecnico principale che provocherà l’incidente.
• Possibilità, come è successo, del formarsi di un coefficiente di vuoto positivo, legato al vapore.
• Calore di decadimento: deve essere rimosso in misura uguale a quanto ne viene prodotto, o il reattore vede aumentare la propria temperatura e può arrivare alla fusione del nocciolo. Nel RBMK, il sistema di rimozione è definito attivo, cioè risponde a un segnale d’innesco (dipende dall’azione dell’uomo), e richiede una sorgente di energia, a differenza dei sistemi passivi e intrinseci (la combinazione ideale sarebbe un mix dei tre sistemi). In sostanza, regolazione e controllo dell’impianto sono in alta percentuale dipendenti dagli interventi del “fattore umano”, i tecnici.
• Instabilità dinamica del nocciolo, che tende a vibrare.
• Limitata efficacia del sistema di protezione (insufficiente rapidità di inserzione delle barre di controllo) ed eccessiva complessità dei sistemi di controllo.
• Insufficienti caratteristiche della refrigerazione di emergenza.
• Struttura di contenimento assente: solo una parte dei circuiti primari è in compartimenti a tenuta, ed è presente solo un sistema di confinamento compartimentato, da cui resta fuori il nocciolo.
• incompatibilità chimica dei materiali presenti nel nocciolo (grafite-acqua, con possibile produzione di idrogeno).

Il test

Il nocciolo del reattore visto dalla superficie di carico

“Lo scopo era quello di verificare se, in caso di caduta dell’alimentazione
elettrica nell’impianto, il gruppo turbina-alternatore fosse in grado,
durante il moto inerziale di arresto, di produrre una potenza elettrica
sufficiente a garantire il funzionamento dei sistemi di emergenza e ad
azionare alcune delle pompe di circolazione del refrigerante nel nocciolo
fino all’intervento dei motori diesel che azionano i generatori di
emergenza”.

L’unità 4 viene scelta per un test di controllo sicurezza, scopo del quale è osservare il funzionamento del sistema a potenza limitata. Il reattore 4 lavora al 50% poiché una delle due sezioni è inattiva per ordinaria manutenzione. I tecnici decidono di sfruttare questa situazione per effettuare l’esperimento, e il 25 aprile, alle ore 1.00, iniziano le manovre di riduzione di potenza, inizialmente pari a 3.200 MWt, per arrivare a 700-1.000 MWt, il livello previsto per il test. Da notare che i tubi di combustibile sono quasi esauriti, e quindi pieni di scorie contaminate da prodotti di fissione (isotopi radioattivi) e Xenon, il cui accumulo impedisce comunque una rapida rimessa in moto del reattore.

Dopo dodici ore, la potenza del reattore è ridotta a 1.600 MWt. A questo punto è commesso il primo errore: il sistema di refrigerazione di emergenza del nocciolo viene intenzionalmente isolato, per evitare che entri in funzione automaticamente durante l’esperimento. Da questo momento il reattore n. 4 continua ad operare a metà della potenza nominale senza questo fondamentale sistema di sicurezza. 

La potenza, invece di arrestarsi al 30%, scende all’1% (200 MWt). Si cerca di ripristinare velocemente i valori utili per il test, ma la presenza di xenon impedisce di superare il livello del 12%. Vengono sollevate tutte le barre di controllo tranne sei, in completa violazione delle procedure che ne prevedono un minimo di trenta (secondo errore); sono azionate altre due pompe per il raffreddamento di sicurezza del nocciolo, ma a queste condizioni il nocciolo e le pompe sono attraversati da portate d’acqua eccedenti i limiti previsti dalle norme di esercizio (terzo errore). Il nocciolo dell’RBMK si riempie d’acqua e vapore, diventando sempre più instabile. Il coefficente di vuoto diventa positivo.

Sala controllo del reattore quattro

Sala controllo dopo l’esplosione

Alle ore 1:23:04 del 26 aprile inizia l’esperimento vero e proprio: vengono chiuse le valvole d’emergenza del turbogeneratore, scollegando quindi la turbina dal vapore.

L’incidente

La sequenza degli avvenimenti successivi può essere sintetizzata in questo modo:

1. Il turbogeneratore inizia a decelerare e cala anche il suo rendimento elettrico.
2. il vapore, scollegato dalla turbina, resta nel nocciolo formando bolle nell’acqua di refrigerazione.
3. la temperatura aumenta assieme alla pressione del vapore.
4. le quattro pompe di refrigerazione rimaste in funzione sono sottoalimentate a causa del rallentamento del turbogeneratore, quindi la loro attività è ridotta.
5. la potenza del reattore comincia a crescere in condizioni di elevata instabilità;
   dopo 36 secondi dall’inizio dell’esperimento, scattano le sirene d’allarme: vengono abbassate le barre in boro (alle ore 01:23:40 gli operatori azionano il tasto AZ-5, Rapid Emergency Defense 5, che esegue il cosiddetto “SCRAM”, cioè l’arresto di emergenza del reattore che inserisce tutte le barre di controllo incluse quelle manuali incautamente estratte), ma inutilmente, anche a causa della lentezza dell’operazione che nella centrale di Chernobyl richiede 20 secondi.
6. le barre in boro hanno la parte terminale in grafite; a causa delle altissime temperature che si stanno sviluppando nel nocciolo, esse fondono il combustibile deformando i canali di scorrimento e bloccandosi a metà discesa.
7. la potenza del reattore in 3 secondi aumenta vertiginosamente; i tubi del sistema di refrigerazione e quelli del combustibile si rompono, l’acqua di raffreddamento comincia a circolare tra detriti di combustibile surriscaldati.
8. il contatto combustibile/acqua provoca una violenta esplosione di vapore, che scoperchia il reattore; il coperchio, circa 2000 t di acciaio, ricade di taglio sulla costruzione muraria provocando danni devastanti a strutture e impianti(ore 1:23:44).
9. dopo pochi secondi si verificano altre esplosioni a catena, molto più potenti, causate dall’idrogeno prodotto da reazioni chimiche tra i vari componenti delle strutture del reattore, i carburanti e il vapore; le lesioni del tetto facilitano una vera e propria eruzione di grafite incandescente, pezzi di combustibile e detriti vari in fiamme, che ricadono a terra estendendo l’incendio a tutto il corpo del reattore.
10. si libera una colonna di fumi radioattivi alta circa 1 km, origine del successivo fall-out.
11. il nocciolo sprofonda nel terreno e fonde a causa della temperatura che continua a salire (meltdown), ma la reazione nucleare a catena non si arresta, perché è ancora presente una quantità di combustibile (uranio-235) e di moderatore.
12. si iniziano operazioni frenetiche per spegnere la grafite e impedire che gli incendi raggiungano gli altri settori funzionanti; le conseguenze in quel caso sarebbero catastrofiche, date le enormi quantità di uranio, plutonio e prodotti di fissione presenti nella centrale. 

Aprile 1986: interventi immediati

Sul luogo del disastro si attiva immediatamente il corpo militare antincendio. Anatoli Zakharov rimane a presidiare il camion dei pompieri mentre il tenente Vladimir Pravik con gli altri vigili della squadra sale sul tetto per spegnere il fuoco. E’ l’ultima volta che Zakharov vede i suoi colleghi vivi: i detriti radioattivi si erano fusi con il bitume incendiato e, spento il fuoco, i pompieri cominciarono a spostare e togliere a mani nude i pezzi di copertura per poter procedere verso il cuore dell’incendio.

i pompieri di Chernobyl

Nel frattempo,al comando del luogotenente Leonid Telyatnikov sono arrivati da Pripyat i mezzi di soccorso e tutte le squadre di pompieri disponibili, per “un incendio causato da corto circuito”. Il loro equipaggiamento era costituito da normali maschere antigas, badili e stivali di gomma.

Le strumentazioni delle squadre dosimetriche mostravano un livello di radioattività estremamente elevato, tuttavia per domare gli incendi c’era a disposizione della semplice acqua. Né civili né soldati possedevano tute antiradiazioni, respiratori o un numero adeguato di dosimetri, per cui è stato difficile calcolare la quantità esatta di radioattività da loro ricevuta. Dopo circa mezz’ora di lavoro i membri di ogni squadra cominciarono ad accusare sintomi di avvelenamento. Per diverse ore, i feriti contaminati furono assistiti da un solo medico giunto da Pripyat, successivamente ricoverato a sua volta per sindrome da radiazioni.

Sopra il reattore

Telyatnikov fu sottoposto ad analisi del sangue, che rivelarono un assorbimento pari a 4 gray (Gy). Dopo una settimana di ospedale, lui e i suoi uomini cominciarono a manifestare ustioni da radiazioni su tutto il corpo. Sei di loro morirono entro breve tempo, come Vladimir Pravik e Nikolai Titenok .

Gli incendi (almeno trenta) vennero definitivamente spenti dopo poche ore, tranne quello che interessava la grafite, con la quale infatti non è possibile usare acqua: le due sostanze reagirebbero formando monossido di carbonio, infiammabile. Fu deciso di seppellire la grafite in combustione sotto materiali di varia natura, ciascuno dei quali adibito a soffocare le diverse manifestazioni dell’incendio e le specifiche emissioni radioattive: tra il 27 aprile e il 2 maggio, 1800 elicotteri gettarono nel cratere carburo di boro (assorbimento neutroni e prevenzione di altre reazioni a catena), piombo (assorbimento radiazioni), sabbia e argilla (prevenzione della dispersione del particolato), dolomia (dispersione di calore e produzione di CO2 per soffocare il fuoco), fosfato di sodio e polimeri liquidi come il Bu93 (contenimento delle fiamme) per una quantità complessiva di circa cinquemila tonnellate.

Questo materiale provocò un “effetto serra” sul nocciolo danneggiato, con conseguente aumento della temperatura e ulteriore rilascio di radionuclidi. La grafite smise di bruciare dopo nove giorni. Nel frattempo una quantità enorme di isotopi radioattivi era stata liberata nell’atmosfera, mentre sotto le macerie la reazione a catena continuava, con il rischio di nuove esplosioni.

Fu deciso di coprire il ground zero con un sarcofago di cemento e metallo, per limitare al massimo le emissioni, mentre un’apposita spedizione di scienziati, coadiuvata dall’esercito dell’Armata Rossa e da robot-scavatori, cercava di localizzare il residuo di nocciolo ancora attivo. I robot vennero presto sostituiti da “bio-robot” (umani), perchè il livello di radiazione rendeva impossibile l’uso di macchinari.

Sotto il contenimento

Valvola intasata dalla chernobylite

Si scoprì in seguito che le grosse quantità di sabbia sistemate attorno al reattore avevano raffreddato il combustibile fuso e colato verso il basso, formando con esso una sostanza vetrosa (chernobylite) e limitando i successivi rischi. Da precisare che parlare di meltdown, ovvero la fusione del nucleo, non è linguaggio figurato: i materiali radioattivi utilizzati come combustibile diventano sempre più caldi a causa della loro emissione unstinting di particelle ad alta energia, fino a quando non si sciolgono letteralmente, trasformandosi in qualcosa di simile alla lava. e solidificano in formazioni tipo stalattiti e stalagmiti, intasando le valvole del vapore e formando la grande massa di chernobylite che sarà soprannominata “Zampa d’Elefante”. La “Zampa d’Elefante”fu individuata nell’autunno del 1986: la radioattività rilevata, in quel momento, sebbene non si trattasse di carburante fissile puro, era in dose letale dopo un’esposizione di 300 secondi. Dopo dieci anni, l’esposizione letale era poco più di un’ora.

la chernobylite, detta anche zampa d’elefante. Si intravedono le sagome di due operatori

Nel 1989, un gruppo di scienziati russi comunicò ufficialmente che il combustibile mancante all’appello dopo l’incidente si era trasformato tutto in chernobylite. Se così non fosse, se fossero ancora presenti le condizioni opportune in ciò che resta del nocciolo del reattore, la fissione potrebbe non essersi arrestata.

[… continua]