Capire il plutonio per smaltire le scorie nucleari

SCOPERTE – Il plutonio è stato per lungo tempo il “protagonista” delle strategie per la produzione di energia nucleare di molti Paesi, ma finora il suo comportamento e molte delle sue caratteristiche chimiche sono rimaste un mistero. Riuscire a comprendere e svelare la sua natura rappresenta un’importante sfida per lo smaltimento delle scorie nucleari, uno dei grandi problemi del nostro secolo. Un nuovo studio condotto dal professor Thomas Albrecht-Schmitt della Florida State University ha dimostrato che questo elemento della tavola periodica non funziona esattamente come gli scienziati avevano ipotizzato.

Da oltre 20 anni il professor Albrecht-Schimitt studia insieme al suo gruppo di ricercatori il comportamento chimico del plutonio, simbolo Pu nella tavola periodica, un elemento chimico che non esiste in natura e che si forma nel nocciolo di un reattore nucleare quando un nucleo di uranio 238 assorbe un neutrone. Le emissioni radioattive del plutonio possono essere facilmente schermate, ma c’è un particolare che rende il suo smaltimento particolarmente complicato: il tempo di dimezzamento delle sue emissioni, cioè il tempo in cui perde la sua radioattività, è di 24 000 anni.

Come trattare le scorie nucleari del plutonio in tutto questo tempo? In Italia oggi i rifiuti radioattivi sono classificati in tre categorie a seconda del grado di pericolosità radiologica, che viene meno quando i livelli di emissioni radioattive diventano pari a quelli del fondo naturale, cioè delle emissioni che si trovano nell’ambiente in assenza di materiali radioattivi. I rifiuti di I Categoria hanno tempi di dimezzamento dell’ordine di mesi o al massimo qualche anno, si pensi ai rifiuti radioattivi utilizzati in medicina o nella ricerca scientifica. Quelli di II Categoria invece hanno una vita breve, con tempi di decadimento dell’ordine di qualche secolo, mentre i rifiuti di III Categoria sono quelli a vita lunga, che richiedono tempi di dimezzamento delle emissioni dalle migliaia alle centinaia di migliaia di anni.

Il plutonio appartiene ai rifiuti radioattivi di III Categoria e il suo smaltimento, data la particolare pericolosità, deve avvenire in sicurezza e prevede due fasi. Prima il materiale viene sottoposto a “condizionamento”, cioè viene convertito in una forma solida, stabile e duratura che permetta a scienziati e tecnici di manipolarlo e trasportarlo senza rischi. In genere la scoria radioattiva viene inglobata in un materiale inerte, come il vetro o il cemento, e posto in un contenitore d’acciaio.

Una volta che il condizionamento è andato a buon fine, la scoria viene trasportata in depositi completamente isolati dalla popolazione e dall’ambiente fino a quando, per effetto del decadimento, la radioattività non raggiunga valori paragonabili a quelli del fondo ambientale. Il tempo di dimezzamento di elementi pesanti come il plutonio però è di decine di migliaia di anni e per lo smaltimento non ci si può affidare a barriere artificiali, ma si deve ricorrere a barriere naturali, come per esempio pozzi e giacimenti di salgemma o granito, che presentano le caratteristiche di stabilità e impermeabilità richiesta per evitare disastri ambientali. L’unico impianto operativo al momento è WIPP, Waste Isolation Pilot Plant, un deposito di smaltimento geologico in funzione negli Stati Uniti dal marzo 1999, riservato ai rifiuti contenenti plutonio di produzione militare.

Gli scienziati però non conoscono ancora tutte le proprietà chimiche di questo elemento e così il gruppo di Albrecht-Schmitt ha deciso di confrontare il comportamento chimico del plutonio con quello di elementi più leggeri, come il ferro o il nickel. I ricercatori hanno così creato un composto ibrido organico al plutonio, che ha mostrato un comportamento inatteso rispetto alle previsioni. I risultati della ricerca sono stati pubblicati sulla rivista Nature Chemistry.

Il composto ibrido organico realizzato ha mostrato un comportamento simile a quello di composti analoghi creati con elementi più leggeri, smontando una ad una tutte le previsioni dei ricercatori, che si aspettavano di osservare un materiale altamente tossico e dal comportamento complicato.

Il materiale così ottenuto in laboratorio invece si è rivelato estremamente semplice e ha posto le basi per la creazione di composti ibridi organici con altri elementi pesanti, come l’uranio o il berkelio, per capire se anche in questo caso il comportamento chimico si rivelerà più semplice di quanto ipotizzato. L’effetto osservato dai ricercatori riguarda il comportamento elettronico del composto ottenuto. Dati due differenti ioni di plutonio, gli elettroni si muovevano tra l’uno e l’altro facendo la spola avanti e indietro. Il movimento degli elettroni tra i due ioni positivi è un’azione che tipicamente avviene tra ioni di elementi più leggeri, come il ferro, che è l’elemento più leggero usato spesso in biologia per realizzare le reazioni chimiche.

Un comportamento così inusuale, sottolinea Albrecht-Schmitt, che era però prevedibile già ad una prima vista del composto ottenuto per i suoi colori bizzarri: “Il plutonio è caratterizzato da colori selvaggi e vibranti, può essere viola o di magnifici rosa o ancora super scuro, come un blu-nero. Il composto però era marrone, un bellissimo marrone color cioccolata. Quando abbiamo osservato questo colore, abbiamo capito che qualcosa di elettronicamente inaspettato stava avvenendo nel composto”.

La nuova proprietà elettronica scoperta dai ricercatori rappresenta un importante risultato per il gruppo di Albrecht-Schmitt, che ha ricevuto nel 2016 un finanziamento da 10 milioni di dollari dal Dipartimento di Energia degli Stati Uniti per fondare il nuovo Energy Frontier Research Center. L’obiettivo del centro è quello di accelerare lo sviluppo di tecnologie che permettano lo smaltimento dei rifiuti nucleari, come ha spiegato il ricercatore: “Per poter sviluppare materiali che intrappolino il plutonio, prima devi comprendere al livello più elementare le proprietà elettroniche di questo elemento. Questo significa creare dei composti molto semplici, caratterizzarli fin nei minimi dettagli e comprendere tutte le proprietà che si osservano sia da un punto di vista sperimentale che teorico”.

Capire dunque come funziona il plutonio, e altri elementi come il californio e il berkelio, potrà aiutare gli scienziati a individuare i materiali migliori per il condizionamento e lo smaltimento delle scorie radioattive.

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