Effetti della radiolisi nei mezzi geologic

Nel campo prossimo dei depositi del combustibile esaurito, degli HLW e di alcune forme di alta attività ILW può esistere un campo significativo di radiazioni. La radiazione può causare la radiolisi di un certo numero di materiali nel campo prossimo, ad esempio cellulosa e bitume, ma è la radiolisi dell’acqua sotterranea che è la più significativa. La radiolisi dell’acqua consiste essenzialmente nella separazione della molecola d’acqua nelle componenti radicali cariche, per azione della radiazione. Durante la radiolisi dell’acqua vengono prodotte quantità uguali di ossidanti e riducenti.

7.5.1 La radiolisi

Questi prodotti primari possono reagire fra loro e con altre specie disciolte nel campo prossimo, la natura delle quali è fortemente dipendente dalla chimica del sistema delle barriere ingegneristiche. Molte analisi teoriche assumono che una produzione netta di ossidanti si verifica nel campo prossimo in quanto il riducente molecolare principale, H2, è relativamente

chimicamente inerte e migrerebbe rapidamente all’esterno del sistema a causa della sua elevata diffusività. Gli ossidanti, in contrasto, dovrebbero essere più reattivi ed avere una diffusività minore. Potrebbe di conseguenza crearsi un fronte redox (ossidante) in lento movimento che migra verso l’esterno dal rifiuto alle barriere ingegneristiche ed alla roccia ospite. L’entità della migrazione del fronte sarebbe controllata dal bilancio tra produzione e consumo (tamponamento) di ossidante da parte di materiali ricchi di ferro nelle barriere ingegneristiche e nella roccia. Un considerevole volume di lavoro teorico e di laboratorio tende a replicare e capire i processi attivi nella produzione di ossidanti radiolitici. La maggior parte è stata focalizzata sul combustibile

194 esaurito quale maggiore produttore potenziale di radiolisi. Gli stessi principi si applicano comunque ad altri tipi di rifiuti ad alta attività. Gran parte del lavoro ha preso in considerazione l’effetto degli ossidanti radiolitici per la corrosione dei canister, per la dissoluzione delle waste form e per la susseguente solubilità e speciazione dei radionuclidi.

7.5.2 I processi principali nella radiolisi delle acque sotterranee

Nell’ambiente del deposito, le acque interstiziali della bentonite vanno soggette a dosi di radiazioni varianti nel tempo e con la distanza dal wasteform. All’inizio, una volta che il materiale tampone circondante i canister intatti dei rifiuti sia stato saturato, l’acqua interstiziale viene esposta ad un lento trasferimento lineare di energia (LET) ad alta intensità gamma ed a flussi di neutroni. I maggiori effetti radiolitici si verificano alla parete del canister. Il calcolo dell’aumento degli ossidanti è problematico. In un deposito HLW con molti canister di acciaio, gli ossidanti ne intensificano la corrosione ma, nel processo, vengono anche consumati mantenendosi così le condizioni riducenti almeno fino a che l’acciaio non sia stato ossidato. In confronto, la corrosione del canister, se fatto di metallo non ferroso, viene interessata meno dalla produzione di ossidanti. In questo caso il canister può mantenere la propria integrità ma il campo prossimo diviene progressivamente più ossidante. In entrambi i casi, tuttavia, la radiolisi netta dell’acqua interstiziale della bentonite è trascurabile a questo stadio per la schermatura operata dal canister fino a che questo rimane intatto. Quando infine i canister saranno perforati, il rifiuto è esposto al contatto diretto con l’acqua interstiziale della bentonite. A questo stadio, oltre che ai flussi gamma e neutronici, l’acqua interstiziale è esposta ad un alto LET, a radiazione alfa e beta dai quali era in precedenza schermata dal canister. L’effetto della radiazione alfa è molto più importante di quello delle radiazioni beta, gamma o neutroniche. Le dosi di radiazioni alfa e beta alle acque interstiziali dipende da molti fattori che comprendono l’area superficiale esposta dalla wasteform e dalla durata del contenimento del canister. Una volta che il canister sia perforato, ogni acciaio presente consuma ancora ossidanti, contribuendo a mantenere riducente il campo prossimo. Un campo prossimo progressivamente ossidante può causare una più rapida dissoluzione del wasteform o incrementare la solubilità di alcuni importanti radionuclidi provenienti dal rifiuto. Per canister di metalli non ferriferi il campo prossimo può essere già ossidante quando i canister stessi siano perforati causando un’accelerazione maggiore di quanto potrebbe esserlo altrimenti. Quando gli ossidanti entrano in contatto con la wasteform, i riducenti più forti del sistema saranno ossidati per primi. Tale fatto lascia gli attinidi meno reattivi nello stato di ossidazione inzialmente posseduto nella wasteform. Dopo un certo tempo si forma uno strato protettivo di ossidi metallici sui riducenti più forti riducendone la capacità tampone redox, con possibile incremento della velocità di ossidazione degli attinidi. Con l’aumento progressivo della capacità ossidante del campo prossimo, aumenta la solubilità di molti radionuclidi chiave. Se la capacità tampone redox del canister viene superata, il fronte redox migra verso la roccia ospite. Tale fatto è improbabile in un deposito con canister di acciaio ma potrebbe verificarsi in configurazioni di deposito con minor quantità di acciaio, ad esempio con canister di rame (La descrizione di questo processo [2], presume che gli altri materiali e le rocce ospiti non abbiano capacità tampone redox. Ciò non è

195 strettamente vero, ad esempio la bentonite contiene tipicamente parecchie percentuali di ferro, ma l’estensione della capacità tampone redox posseduta da altri materiali viene progettata ed è specifica del sito).

Gli effetti della migrazione del fronte redox e le conseguenze derivanti per il trasporto dei radionuclidi sono qui discussi in dettaglio in immediata successione.

In un esercizio di modellazione per un deposito di combustibile esaurito [11] sono proposti due meccanismi associati ad un canister perforato e che dovrebbero limitare la produzione di ossidanti di parecchi ordini di grandezza.

Figura 7.9 – Processi di radiolisi dell’acqua nell’interspazio tra il combustibile esaurito ed il canister quando quest’ultimo sia perforato

196 Una volta perforato il canister l’acqua (eventualmente presente o disponibile) fluisce attraverso il foro e riempie lo spazio tra il canister ed il rifiuto. Nelle prime descrizioni teoriche della radiolisi nel campo prossimo, si presumeva che, una volta perforato, il canister non avrebbe dovuto svolgere nessuna funzione ulteriore. Questo assunto è eccessivamente conservativo. Infatti la corrosione anche di solo quantità minori di ferro in un canister di acciaio può agire come tampone redox significativo. Una volta iniziata la decomposizione, i prodotti di corrosione si accumulano rapidamente nell’interspazio tra il canister e il rifiuto. I prodotti della corrosione hanno densità maggiore dell’acqua e assorbono le radiazioni alfa più velocemente. Insieme alla riduzione in volume dell’acqua adiacente al rifiuto, tale fatto determina una minore radiolisi

Un secondo meccanismo non correlato può agire nel limitare la radiolisi. L’idrogeno radiolitico prodotto nei primi stadi della radiolisi può formare una discreta fase gassosa nell’interspazio fra rifiuto e canister. Parte di questo gas può dissolversi e diffondersi fuori dal sistema ma, a causa dell’alta capillarità della bentonite, si può determinare una sovrapressione di gas, che previene un maggiore flusso di acqua nell’interspazio a compensare quello perduto per radiolisi L’effetto di entrambi questi processi dipende dalla dimensione delle perforazioni nel canister e non è facilmente quantificabile. E’ probabile tuttavia che le perforazioni iniziali siano piccole e che la riduzione in radiolisi sia massima al momento in cui gli effetti radiolitici dovrebbero essere più critici, quando cioè la radioattività è alta.

Il numero relativamente ridotto di studi di analoghi su questo argomento riflette probabilmente il fatto che la radiolisi non sia stata considerata di alta priorità nella maggior parte dei programmi di sviluppo dei depositi, tranne che in Svezia ed in Finlandia, ed anche a causa della identificazione di uno scarso numero di siti di analoghi affidabili.

Gli argomenti di maggiore rilevanza per la radiolisi indirizzati, attualmente o potenzialmente per studi di analoghi, sono:

i processi comportati nella radiolisi delle acque sotterranee; quanto sia comune la radiolisi in natura;

la capacità tampone potenziale delle fasi di corrosione del ferro ridotto delle barriere ingegneristiche.

7.5.3 Conclusioni sul fenomeno della radiolisi

La radiolisi delle acque sotterranee appare realmente presente in natura in una serie di ambienti geologici nei quali possono esistere minerali radioattivi. Processi simili di radiolisi possono quindi essere presenti nel campo prossimo di un deposito, ma a velocità controllata dall’attività del rifiuto. Modelli di radiolisi nell’ambiente del campo prossimo assumono che l’idrogeno esca rapidamente dal campo prossimo del deposito e che il fronte redox risultante migri dal canister verso l’esterno in tutte le direzioni in una maniera semplice. Il modello non spiega l’ambiente redox osservato ad Oklo dove, sebbene la radiolisi sia avvenuta,l’idrogeno non è completamente

197 sfuggito al sistema, apparentemente restava e manteneva “tasche” di condizioni riducenti. Ciò ha importanti ripercussioni per la verifica delle prestazioni di un deposito in quanto, se l’idrogeno qui si comportasse alla stessa maniera, allora i modelli potrebbero essere eccessivamente conservativi. Non è tuttavia chiaro se le condizioni redox ad Oklo risultino da condizioni fisico- chimiche specifiche, ad esempio per temperature estreme, non rappresentative dell’ambiente del deposito. Se ciò è vero allora i modelli teorici possono descrivere accuratamente lo sviluppo radiolitico nel campo prossimo. Studi sperimentali sul materiale di Cigar Lake confermano che l’ossidazione dello UO2 può verificarsi. A causa delle incertezze, necessiterebbero ulteriori studi di

analoghi naturali in ambienti geologici rilevanti.