Una soluzione vetrosa alle scorie nucleari

Il vetro antico non interessa solo gli storici e gli archeologi: potrebbe anche contenere la chiave per comprendere la durabilità delle scorie nucleari vetrificate. Rachel Brazil indaga

La maschera mortuaria dorata del faraone Tutankhamon è uno dei manufatti storici più famosi al mondo. Il volto splendente del giovane re risale al 1325 a.C. circa e presenta strisce blu che a volte vengono descritte come lapislazzuli. Tuttavia, anziché essere la pietra semipreziosa preferita nell'antico Egitto, la sorprendente decorazione è in realtà vetro colorato.

Materiale ambito e molto apprezzato, ritenuto degno di un re, il vetro un tempo era considerato alla pari delle pietre preziose, con esempi di vetro antico che risalivano addirittura a prima di Tutankhamon. In effetti, i campioni scavati e analizzati da archeologi e scienziati hanno consentito una migliore comprensione di come e dove è iniziata la produzione del vetro. Ma sorprendentemente, il vetro antico viene studiato anche da un altro gruppo di scienziati, quelli che stanno trovando modi sicuri per immagazzinare i rifiuti nucleari.

L’anno prossimo gli Stati Uniti inizieranno a vetrificare parti delle scorie nucleari attualmente conservate in 177 serbatoi sotterranei presso il sito di Hanford, una struttura dismessa nello stato di Washington che produceva plutonio per armi nucleari durante la Seconda Guerra Mondiale e la Guerra Fredda. Ma l’idea di trasformare le scorie nucleari in vetro, o vetrificarle, è stata sviluppata già negli anni ’70, come un modo per tenere sotto chiave gli elementi radioattivi e impedirne la fuoriuscita.

Le scorie nucleari sono generalmente classificate come di livello basso, intermedio o alto, a seconda della loro radioattività. Mentre alcuni paesi vetrificano i rifiuti a bassa e media attività, il metodo viene utilizzato principalmente per immobilizzare i rifiuti liquidi ad alta attività, che contengono prodotti di fissione ed elementi transuranici con lunga emivita generati nel nocciolo del reattore. Questo tipo di rifiuti richiede raffreddamento e schermatura attivi perché sono sufficientemente radioattivi da riscaldare in modo significativo sia se stessi che l'ambiente circostante.

Prima del processo di vetrificazione, i rifiuti liquidi vengono essiccati (o calcinati) per formare una polvere. Questo viene poi incorporato nel vetro fuso in enormi fonderie e versato in contenitori di acciaio inossidabile. Una volta che la miscela si è raffreddata e ha formato un vetro solido, i contenitori vengono saldati, chiusi e preparati per lo stoccaggio, che oggi avviene in strutture profonde e sotterranee. Ma il vetro non fornisce solo una barriera, secondo Clare Thorpe, ricercatrice presso l’Università di Sheffield, nel Regno Unito, che sta studiando la durabilità delle scorie nucleari vetrificate. "È meglio di così. I rifiuti diventano parte del vetro."

Il vetro non costituisce solo una barriera. È meglio di così. I rifiuti diventano parte del vetro

Tuttavia, ci sono sempre stati dubbi sulla stabilità a lungo termine di questi occhiali. Come possiamo, in altre parole, sapere se questi materiali rimarranno immobilizzati per migliaia di anni? Per comprendere meglio queste domande, i ricercatori sui rifiuti nucleari stanno lavorando con archeologi, curatori di musei e geologi per identificare analoghi del vetro che potrebbero aiutarci a capire come i rifiuti nucleari vetrificati cambieranno nel tempo.

I vetri più stabili sono costituiti da biossido di silicio puro (SiO2), ma vari additivi – come carbonato di sodio (Na2CO3), triossido di boro (B2O3) e ossido di alluminio (Al2O3) – vengono spesso incorporati per modificare le proprietà del vetro, come come viscosità e punto di fusione. Ad esempio, il vetro borosilicato (contenente B2O3) ha un coefficiente di dilatazione termica molto basso, quindi non si rompe a temperature estreme. "Il Regno Unito e altri paesi, tra cui Stati Uniti e Francia, hanno scelto di vetrificare i propri rifiuti in vetro borosilicato prima di immagazzinarli", spiega Thorpe.

Quando vengono inclusi elementi come quelli provenienti da additivi o scorie nucleari, diventano parte della struttura del vetro come formatori o modificatori della rete (figura 1). Gli ioni che formano reti agiscono come sostituti del silicio, diventando parte integrante della rete di legami chimici altamente reticolati (ad esempio boro e alluminio). Nel frattempo, i modificatori interrompono i legami tra l'ossigeno e gli elementi che formano il vetro legandosi liberamente agli atomi di ossigeno e provocando un ossigeno "non a ponte" (sodio, potassio e calcio si incorporano in questo modo). Questi ultimi causano un legame complessivamente più debole nel materiale, che può ridurre il punto di fusione, la tensione superficiale e la viscosità complessiva del vetro.