Nuovi materiali potenzialmente in grado di rendere l’energia nucleare più sicura e sostenibile
L’11 marzo 2011 il Giappone è stato colpito da un terremoto di magnitudo 9.0 e da uno tsunami che ha causato un grave incidente nucleare alla centrale nucleare di Fukushima Dai-ichi. È stato l’incidente nucleare più catastrofico dai tempi di Chernobyl, e l’unico ad essere classificato come Livello 7 secondo la scala internazionale degli eventi nucleari. Una delle cause del disastro è stata la mancanza di un’adeguata protezione del rivestimento del combustibile primario del reattore, che ha subito danni catastrofici durante il terremoto. Per evitare che simili incidenti si verifichino in Europa, il progetto PLASTICERA, finanziato dall’UE, sta sviluppando un nuovo rivestimento nanoceramico. La soluzione ha il potenziale di ridurre drasticamente le possibilità di un incidente in un reattore nucleare ad acqua leggera (LWR) di tipo convenzionale. Secondo il coordinatore del progetto PLASTICERA, Fabio Di Fonzo, l’energia nucleare è fra le tecnologie scalabili centrali per combattere i cambiamenti climatici. «Ma prima di poter sfruttare questa tecnologia, dobbiamo creare modi più sicuri e sostenibili per produrre energia nucleare», sostiene. «PLASTICERA rappresenta un importante passo verso il raggiungimento di questo obiettivo». Di Fonzo, ingegnere e capogruppo del Laboratorio Nanomateriali per l’Energia e l’Ambiente presso il Centro per la nanoscienza e la tecnologia dell’Istituto Italiano di Tecnologia, ha presieduto il lavoro di Erkka Frankberg, astro nascente della ricerca sulle scienze dei materiali e borsista del programma Marie Skłodowska-Curie. La ricerca è stata intrapresa con il supporto delle Azioni Marie Skłodowska-Curie.
Dalla concezione alla realtà
PLASTICERA è un concetto ancora sulla carta. Utilizza pellicole sottili di ossido amorfo per proteggere il rivestimento del combustibile primario dai danni causati da un incidente nucleare. «L’idea è che il film sottile di ossido possa fornire una combinazione unica di una forte barriera di diffusione dell’ossigeno con la capacità di accogliere la deformazione plastica originata dalla dilatazione termica della barra di combustibile», spiega Frankberg. Questo rivestimento funzionale dovrebbe quindi ritardare significativamente l’inizio della decomposizione incontrollabile del rivestimento primario del carburante. «Ciò consentirebbe un tempestivo raffreddamento d’emergenza e una drastica riduzione della produzione di idrogeno gassoso esplosivo all’interno del reattore. La produzione di tale gas è la principale minaccia per qualsiasi centrale nucleare che utilizzi l’acqua come refrigerante e zirconio come rivestimento del combustibile», aggiunge Di Fonzo. Con il sostegno dei finanziamenti dell’UE, Di Fonzo e Frankberg hanno voluto trasformare in realtà questo concetto. Utilizzando una serie di tecnologie rivoluzionarie nella produzione di materiali, hanno iniziato a produrre materiali ceramici come gli ossidi amorfi, fondamentali per la plasticità a bassa temperatura. Hanno poi testato le proprietà meccaniche e di corrosione di questi materiali in una simulazione con LWR, che unisce sia condizioni operative normali che quelle di emergenza.
La ricerca continua
Secondo Di Fonzo, i ricercatori potrebbero aver trovato il Santo Graal della scienza dei materiali: una ceramica duttile amorfa, nota anche come vetro duttile. «Anche se non abbiamo ancora trovato una soluzione definitiva ai problemi legati al LWR, abbiamo dimostrato la possibilità di fabbricare materiali nanoceramici con proprietà meccaniche senza precedenti, come la plasticità», osserva. «Di particolare importanza è la nostra dimostrazione che i vetri in allumina sono duttili in fase di tensione, una novità assoluta per la ceramica». Tuttavia, poiché l’allumina si dissolve in condizioni di LWR, la ricerca di PLASTICERA continua. «Attualmente stiamo lavorando su altre nanoceramiche e ceramiche amorfe che offrono le stesse proprietà meccaniche dell’allumina, ma che possono resistere alle dure condizioni del LWR», conclude Frankberg.
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