Il corium, a cui talvolta ci si riferisce con le sigle FCM () e LFCM (lava-like fuel containing material, ), è un materiale simile alla lava che si viene a creare nel nocciolo di un reattore nucleare durante una fusione del nocciolo.
Il corium consiste quindi in una miscela di combustibile nucleare, prodotti di fissione, barre di moderazione, materiali strutturali provenienti dalle parti fuse del reattore, prodotti della loro reazione con l'aria, acqua e vapore, e, nell'eventualità che il contenitore del reattore si sia spaccato, di calcestruzzo fuso proveniente dal basamento della sala del reattore.
Composizione e formazione Il calore generato dalla fusione del reattore può avere origine dalla reazione nucleare a catena ma, più comunemente, la sua principale fonte è il calore di decadimento dei prodotti di fissione contenuti nelle barre di combustibile. Poiché la maggior parte della produzione di calore da decadimento radioattivo è dovuta agli isotopi a emivita breve, comunque, essa si riduce abbastanza velocemente. Una fonte ulteriore di tale calore può essere poi la reazione chimica che avviene tra i metalli fusi e l'ossigeno o il vapore.
La temperatura del corium dipende dalle dinamiche di generazione del suo calore interno: le quantità e i tipi di isotopi che danno origine al calore di decadimento, la diluizione dovuta ad altri materiali fusi, le perdite di calore dovute alla configurazione fisica del corium e quelle dovute invece all'ambiente circostante. Riguardo alle perdite, si sa che una massa di corium compatta perde meno calore rispetto ad una massa più dispersa. Inoltre, una massa di corium solidificata può nuovamente fondere se la sua perdita di calore diminuisce, magari a causa di una intervenuta copertura di detriti isolanti.
Sulla massa di corium si può venire a formare una crosta che agisce come isolante termico, ostacolando quindi le perdite termiche del materiale, mentre la distribuzione del calore attraverso la massa di corium è influenzata dalle diverse conducibilità termiche dei metalli e degli ossidi fusi che compongono il materiale.
Durante la fusione, inoltre, il nocciolo del reattore rilascia tutta una serie di composti ed elementi volatili, i quali possono essere in fase gassosa, come lo iodio molecolare e i gas nobili, o in forma di particelle di aerosol, le quali si vengono a condensare una volta lasciata la regione a più alta temperatura (in particolare, un'alta produzione di tali particelle ha origine dalle barre di moderazione del reattore) con i composti gassosi che possono essere adsorbiti sulla superficie di queste particelle in sospensione.
Composizione e reazioni del corium La composizione del corium dipende dal tipo di reattore da cui è stato generato e specificatamente dai materiali utilizzati nelle barre di moderazione e da quelli utilizzati come raffreddanti e nella costruzione del contenitore del reattore. Esistono quindi delle differenze tra il corium generato, ad esempio, da un reattore nucleare ad acqua pressurizzata (PWR) e quello generato da un reattore nucleare ad acqua bollente (BWR).
Prendendo il caso di un raffreddamento di emergenza, a contatto con l'acqua, il carburo di boro caldo utilizzato nelle barre di moderazione di un reattore BWR forma come prima cosa metano e ossido di boro e quindi acido borico, mentre lo zirconio proveniente dalle leghe formate con altri metalli e utilizzate come rivestimento delle barre di combustibile, invece, reagendo con l'acqua forma diossido di zirconio e idrogeno, uno dei maggiori pericoli negli incidenti di reattori. Tra zirconio e vapore avviene poi una reazione esotermica che può produrre abbastanza calore da autosostenersi senza bisogno del calore da decadimento radioattivo, con un rilascio di idrogeno pari a circa 0,5 m3 (in condizioni normali di temperatura/pressione) per ogni chilogrammo di zircaloy ossidato.
Il rapporto tra il carattere ossidante e riducente dell'ambiente chimico e la proporzione tra vapore acqueo e idrogeno in esso presenti influenzano molto la formazione dei composti chimici, la cui volatilità influenza naturalmente il rapporto tra elementi rilasciati e non rilasciati. Ad esempio, mentre in un ambiente inerte, la lega di argento-indio-cadmio utilizzata nelle barre di moderazione rilascia praticamente solo il cadmio, in presenza di vapore acqueo, l'indio forma i volatili ossido di indio(I) e idrossido di indio(I), che possono evaporare e formare un aerosol di ossido di indio(III), cosa che invece non accade in presenza di un'atmosfera ricca di idrogeno, la quale inibisce l'ossidazione dell'indio e quindi abbassa il rilascio di quest'elemento. Nei materiali del reattore può anche intervenire un infragilimento da idrogeno, meccanismo che si innesca quando atomi isolati di idrogeno diffondono nel metallo, con un conseguente rilascio di prodotti di fissione volatili dalle barre di combustibile danneggiate.
Durante una fusione, con l'aumentare della temperatura delle barre di combustibile, esse possono deformarsi attorno a un valore che, nel caso di barre con rivestimento in lega di zirconio, si aggira attorno a 700-900 °C (-). In caso di una pressione del reattore sufficientemente bassa, l'alta pressione all'interno della barre di combustibile può fratturare il rivestimento di zircaloy, mentre, in condizioni di alta pressione, il rivestimento viene spinto contro il combustibile interno, portando alla formazione di un eutettico diossido di uranio-zirconio avente un punto di fusione di circa - (-).
Fra i e i (-), la lega argento-indio-cadmio utilizzata nella barre di moderazione inizia a fondere e quindi a fluire, il tutto assieme all'evaporazione del rivestimento delle stesse barre. Attorno ai (), anche gli ossidi di rivestimento fondono e iniziano a fluire. A - (-) l'ossido di uranio delle barre di combustibile fonde e struttura e geometria del reattore collassano, cosa che può avvenire anche a temperature più basse se si è venuto a formare l'eutettico ossido di uranio-zirconio citato poc'anzi. A quel punto, il corium è virtualmente privo di componenti volatili che non siano chimicamente legati, dando come risultato una più bassa produzione di calore.
Nelle prime ore seguenti una fusione, la temperatura del corium può arrivare a () e potenzialmente può arrivare anche sopra i (). L'innaffiamento della massa di corium con acqua o il gocciolamento del corium in una vasca d'acqua, possono portare a un picco di temperatura, dato che una gran quantità di calore viene rilasciata dalla reazione dei metalli (in particolare dallo zirconio), e alla produzione di una gran quantità di idrogeno, il che può portare a sua volta a un forte incremento della pressione nella vasca di contenimento, pressione che può essere innalzata anche dalla combustione del suddetto idrogeno. L'esplosione di vapore derivante da tale improvviso contatto corium-acqua può portare a una dispersione di materiale e formare proiettili che possono danneggiare il contenitore.
Una breve ri-criticità, ossia la ripresa di una fissione neutroni-indotta, in parti del corium è una possibilità teorica ma remota nel caso del combustibile utilizzato nei reattori commerciali, a causa del basso arricchimento di questo. Nel caso, comunque, questa condizione può essere rilevata dalla presenza di prodotti di fissione a breve vita molto tempo dopo la fusione, in quantità troppo alte per essere dovute alla fissione spontanea degli attinidi creatisi nel reattore.
Rottura del contenitore del reattore In assenza di un adeguato raffreddamento, i materiali all'interno del contenitore del reattore si sovrariscaldano e si deformano, andando incontro a un'espansione termica, il tutto finché la struttura del reattore collassa una volta che la temperatura raggiunge il punto di fusione dei materiali strutturali. Il corium fuso, a questo punto, si accumula sul fondo del recipiente e, in caso di un adeguato raffreddamento, esso può essere fatto solidificare, limitando l'estensione del danno al solo reattore. In alternativa, il corium può fondere il fondo del contenitore del reattore e fluire attraverso di esso se non essere addirittura espulso sotto forma di getto fuso in presenza di un'alta pressione all'interno del contenitore. In quest'ultimo caso, nella prima fase viene espulso il corium fuso mentre in un secondo tempo a uscire dal contenitore del reattore sono sia materiale fuso che gas, con una conseguente diminuzione di pressione all'interno del contenitore. Per quanto riguarda la quantità espulsa, se il foro si trova all'incirca al centro del contenitore, il corium può essere espulso nella sua totalità, in un processo che va da poche decine di minuti a qualche ora, mentre se il contenitore è stato spaccato in una parte laterale del fondo, una parte del corium può restare all'interno del contenitore del reattore.
Dopo l'apertura di una breccia sul fondo del contenitore, la produzione di gas è governata dalle condizioni della cavità del reattore sottostante al nocciolo. Se è presente acqua saranno prodotti idrogeno e vapore acqueo, mentre se sul fondo della cavità il calcestruzzo è asciutto si ha la produzione di anidride carbonica e di piccole quantità di vapore.
Interazioni corium-calcestruzzo Sul fondo della cavità del reattore avvengono molte reazioni tra il calcestruzzo e il corium fuso. La decomposizione termica del calcestruzzo produce vapore acqueo e biossido di carbonio, quest'ultimo prodotto, assieme all'ossido di calcio, dalla decomposizione del carbonato di calcio, i quali penetrano nella massa di corium fuso reagendo con i metalli presenti in esso, ossidandoli esotermicamente e portando alla formazione di idrogeno e monossido di carbonio. Tale decomposizione e la conseguente volatilizzazione dei componenti alcalini del calcestruzzo, sono reazioni endotermiche durante la prima fase delle quali sono rilasciate, sotto forma di aerosol, sostanze chimiche derivanti principalmente dai silicati presenti nel calcestruzzo. A questo punto, la fase ossidata dei prodotti di fissione non volatili presenti nel corium può stabilizzare la temperatura del fuso sui - per un considerevole periodo di tempo. Talvolta può essere presente anche uno strato di metallo fuso più denso contenente meno radioisotopi (rutenio, tecnezio, palladio, ecc... facenti in origine parte delle leghe di zirconio, cromo, nichel, manganese, ecc... usate come materiali da costruzione o prodotti di fissione metallici) dello strato di ossido (in cui si concentrano invece stronzio, bario, lantanio, antimonio, stagno, niobio, molibdeno, ecc... e che è in origine principalmente composto da diossido di zirconio e da diossido di uranio con piccole quantità di ossido di ferro e di boro), il quale può formare un'interfaccia tra gli ossidi e il calcestruzzo facendo rallentare la penetrazione nel corium e solidificando in poche ore. Lo strato di ossidi produce calore principalmente in virtù del decadimento radioattivo, mentre la fonte di calore principale dello strato metallico è la reazione esotermica che avviene con l'acqua rilasciata dal calcestruzzo. Gran parte di questo calore è consumata, come detto, dalle due principali reazioni endotermiche che avvengono in questo processo, ossia la decomposizione del calcestruzzo e la volatilizzazione del composti alcalini. Durante una seconda fase, quando ormai i primi aerosol si stanno depositando, l'avanzare dell'interazione tra corium e calcestruzzo, producendo calore e innalzando quindi la temperatura del fuso, può portare anche alla formazione di aerosol di elementi meno volatili come bario, cerio, lantanio e stronzio, grazie anche al fatto che bolle di gas, fluendo attraverso il fuso, promuovono proprio la formazione di aerosol.