Sachverhalt: A. Das Obergericht des Kantons Zürich sprach X._ am 23. September 2008 des versuchten Mordes, der Sachbeschädigung sowie des Raufhandels schuldig und ordnete die Rückversetzung in den Vollzug der mit obergerichtlichem Urteil vom 23. September 2004 ausgefällten Zuchthausstrafe von 3 Jahren und 3 Monaten wegen versuchter schwerer Körperverletzung an (X._ war am 9. Juli 2005 bedingt entlassen worden). Unter Einbezug der Reststrafe verurteilte ihn das Obergericht zu einer 15-jährigen Gesamtfreiheitsstrafe und verwahrte ihn. Das Kassationsgericht des Kantons Zürich hob am 6. September 2010 das obergerichtliche Urteil vom 23. September 2008 betreffend die Verwahrung sowie die Kosten- und Entschädigungsfolgen auf und wies die Sache zur Neubeurteilung an das Obergericht zurück. Das Obergericht überwies die Sache am 13. Januar 2011 zuständigkeitshalber an das Bezirksgericht Bülach. B. Das Bezirksgericht Bülach holte am 30. Dezember 2011 ein psychiatrisches Gutachten zur Frage der Therapierbarkeit und Legalprognose ein. Es ordnete am 8. Mai 2012 (in Ergänzung des obergerichtlichen Urteils vom 23. September 2008) die Verwahrung gemäss Art. 64 Abs. 1 StGB an. Mit Berufung an das Obergericht des Kantons Zürich beantragte X._, von der Verwahrung abzusehen und eine stationäre therapeutische Massnahme anzuordnen. Das Obergericht bestätigte am 8. Januar 2013 den bezirksgerichtlichen Verwahrungsentscheid. C. X._ erhebt Beschwerde in Strafsachen mit den Anträgen, die Verwahrung aufzuheben und eine therapeutische Massnahme im Sinne von Art. 59 Ziff. 1 StGB anzuordnen. Es sei ihm die unentgeltliche Rechtspflege zu gewähren.