Capitolo 3 LA RADIOATTIVITA AMBIENTALE

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1 Capitolo 3 LA RADIOATTIVITA AMBIENTALE La radioattività (o decadimento radioattivo) Ogni elemento X viene rappresentato dal numero atomico Z, pari al numero di protoni, e dal numero di massa A, uguale alla somma del numero di protoni e il numero di neutroni: A ZX Esempio: 12 6 C, 14 N 7 Le radiazioni ionizzanti sono particelle e radiazioni elettromagnetiche ad alta energia in grado di ionizzare la materia con la quale interagiscono. Nel caso dei tessuti biologici tale interazione può portare a un possibile danneggiamento delle cellule. I differenti tipi di radioattività sono: radioattività α, radioattività β e radioattività γ. Radioattività α l decadimento α si osserva in atomi che emettono una radiazione alfa, costituita da un nucleo 4 di elio, He, (due protoni + due neutroni: He): Th + α 92U Le radiazioni alfa sono poco penetranti e possono essere bloccate da un semplice foglio di carta. Invece, se ingerite, nell organismo hanno effetti devastanti. Radioattività β Atomi instabili decadono emettendo un elettrone (particella β ) oppure un positrone (particella β + con la massa dell elettrone ma carica positiva), oppure catturando un elettrone interno (cattura K): C 7N + β + h Nella cattura di un elettrone si ha l emissione di un neutrino, : protone + e = neutrone + Le radiazioni beta sono più penetranti di quelle alfa, ma possono essere completamente bloccate da piccoli spessori di materiali metallici (ad esempio, pochi millimetri di alluminio). Radioattività γ Alcuni elementi emettono una radiazione γ, onda elettromagnetica molto energetica, come i raggi X. La radiazione gamma accompagna solitamente una radiazione alfa o una radiazione beta. Al contrario delle radiazioni alfa e beta, le radiazioni gamma sono molto penetranti, e per bloccarle occorrono rilevanti spessori di materiali ad elevata densità come il piombo Co 28Ni + e + γ

2 Tempo di decadimento (o di dimezzamento) t1/2 Tempo necessario per far decadere la metà dei nuclei presenti. 3H(β): 12,33 anni 14C(β): 5730 anni 222Rn(α ): 3,82 giorni 235U(α): 7, anni 238U(α): 4, anni Unità di misura dell energia su scala atomica. Elettronvolt (ev): E l energia che un elettrone acquista tra una differenza di potenziale di 1 Volt (1 ev = 1, Coulomb 1 Volt = 1, Joule) Unità di misura della radioattività Unità di misura di disintegrazioni nucleari Il Curie (Ci) corrisponde al numero di disintegrazioni per secondo che avvengono in 1 g di radio. Corrisponde a 3, disintegrazioni nucleari per secondo. Nel sistema SI (Sistema internazionale di misura) l'unità è il Becquerel (Bq), che corrisponde ad 1 disintegrazione per secondo. Unità di misura dell esposizione Indica la quantità di radiazione assorbita dalla materia. Il Röentgen (R) è definito come la quantità di radiazione X o gamma che produce in un campione di aria di 1 cm 3 a 0 C e 1 Atm, una quantità di ioni corrispondente ad una carica elettrica di 1 unità elettrostatica (ues). Il Röentgen è riferito solo a radiazioni X e gamma. Nel sistema (SI), tale unità di misura è stata sostituita dal Coulomb/chilogrammo (C/kg). Il rad (radiation adsorbed dose) rappresenta la quantità di radiazione che deposita 100 erg di energia in un grammo di materia. Nel sistema (SI) si usa il Gray (Gy) dove 1 Gy = 1 Joule di energia assorbita da 1 kg di materiale esposto. Si ha che 1 Gy = 100 rad. Unità di misura dell effetto biologico Non tutte le radiazioni producono lo stesso danno biologico. Per tenere conto di queste differenze l'unità usata nel campo della protezione della radiazione è il rem (roentgen equivalent for man). Il dosaggio di un rem è equivalente a quello di un rad modificato per un fattore di qualità (FQ, o fattore di danno biologico): rem = (FQ dose assorbita) FQ varia da 1 per i raggi X, raggi gamma, elettroni, 10 per neutroni protoni e particelle alfa, 20 per gli ioni pesanti. Nel sistema (SI) la dose di radiazione si misura in Sievert, che è la dose in Gray moltiplicata per il fattore di qualità (FQ). 1 Sievert (Sv) è la dose assorbita che ha la stessa efficacia biologica di quella prodotta da una quantità di raggi X che depositano 1 Joule in 1 kg di sostanza irradiata (1 Sv = 100 rem). DL50: unità di misura che indica la quantità di radiazione necessaria per uccidere il 50% della popolazione. La dose annualmente assorbita da ogni individuo per effetto della radioattività naturale é mediamente di 2,4 msv/anno.

3 Principali radionuclidi ambientali Nell ambiente i radionuclidi più importanti sono: Emettitori α: 222 Rn, 238 U, 239 Pu Emettitori β: 3 H, 90 Sr, 14 C Emettitori γ: 137 Cs, 134 Cs, 131 I Il radon 222 Rn decade in alcuni isotopi del Bi, Pb e Po (isotopi 214 e 210, per ogni elemento). Tali elementi si chiamano prodotti di decadimento del radon. Si definisce: Attività alfa totale (gross alfa): attività degli emettitori alfa, escluso il radon ed i suoi prodotti di decadimento; Attività beta totale (gross beta): attività degli emettitori beta escluso gli emettitori a bassa energia ( 3 H, 14 C) ed i prodotti di decadimento del radon. Un livello di screening per le acque potabili viene raccomandato in 0,5 Bq/dm 3 per attività gross alfa e 1 Bq/dm 3 per attività gross beta ; se uno di questi due valori viene superato, allora occorre procedere ad analisi quali quantitative del campione. Trizio, 3 H: La principale sorgente di trizio è l atmosfera, dove si forma dall interazione della componente neutronica della radiazione cosmica con azoto e ossigeno atmosferico. Componenti artificiali di trizio derivano dai test nucleari effettuati nei primi anni 50 e dagli scarichi di impianti nucleari, sia in condizioni di esercizio che in situazioni incidentali. Circa il 90% del trizio viene convertito in acqua triziata (HTO) e partecipa al normale ciclo dell acqua; in questa forma è particolarmente mobile e facilmente misurabile nelle acque di falda giovani (minori di 30 anni). Carbonio 14, 14 C: Il nucleo 14 C, viene continuamente prodotto in una serie di reazioni indotte dai neutroni dei raggi cosmici e si trova in una condizione di equilibrio tra produzione e decadimento: n + 14 N 14 C + p Gli isotopi dell Uranio: Gli isotopi dell uranio presenti sulla terra sono: 238U: 99,3% 235U: 0,7% 234U: 0,005% L'uranio si estrae da due minerali: la Uraninite (detta anche Pechblenda) e la Carnotite. Gli isotopi dell'uranio vengono separati per aumentare la concentrazione di 235 U rispetto a 238 U; questo processo è chiamato arricchimento (fino al 3 7%). L'isotopo 235 U è importante sia per i reattori che per le armi nucleari perché è l'unico isotopo fissile esistente in natura in quantità apprezzabili. L'uranio trova applicazione, oltre come uranio arricchito anche come uranio impoverito. L uranio impoverito, a causa della sua elevata densità, veniva utilizzato per applicazioni in medicina (schermi per le radiazioni), aviazione (contrappesi e zavorre), mineralogia (apparecchiature per le scavatrici nei pozzi petroliferi), ed applicazioni militari (come corazza o blindatura, oppure nei proiettili garantisce una maggiore penetrazione, in grado di perforare le corazze dei mezzi blindati). Inoltre alcuni fertilizzanti fosfatici di origine minerale possono contenere quantità di uranio relativamente alte, se questo è presente come impurezza nei minerali di partenza.

4 Iodio 131, 131 I: Lo iodio 131 è un radioisotopo dello iodio. La sua emivita di decadimento radioattivo è di circa 8 giorni. E uno tra i più comuni radionuclidi prodotti dalla fissione nucleare (scorie radioattive), e costituisce uno dei principali fattori di rischio per la salute risultante dalle esplosioni nucleari negli anni cinquanta, oltre che dall inquinamento atmosferico risultante dal disastro di Cernobyl. Lo Iodio 131 è uno dei prodotti principali della fissione dell uranio, del plutonio e indirettamente del torio. I livelli massimi ammissibili per gli alimenti sono 2000 Bq/kg. Cesio 134, 134 Cs e Cesio 137, 137 Cs: Il cesio 134 è un isotopo radioattivo del metallo alcalino cesio che si forma principalmente come un sottoprodotto della fissione nucleare dell uranio, specialmente nel reattore nucleare a fissione. Ha un tempo di emivita di circa 2,06 anni. Il cesio 137 è generato come l isotopo 134. Ha un tempo di emivita di circa 30,17 anni. Piccoli quantitativi di cesio 134 e di cesio 137 vennero rilasciati nell ambiente all epoca delle esplosioni nucleari in atmosfera e da alcuni incidenti nucleari, specialmente dal disastro di Cernobyl. I livelli massimi ammissibili per gli alimenti sono 1250 Bq/kg. Stronzio 90, 90 Sr: Lo stronzio 90 è uno dei nuclidi del metallo alcalino terroso stronzio, che si forma nella fissione nucleare dell uranio 235 e del plutonio 239. Ha un tempo di dimezzamento di circa 28 anni. I livelli massimi ammissibili per gli alimenti sono 750 Bq/kg. Plutonio 239, 239 Pu: Il plutonio 239 è il prodotto fissile fondamentale per la maggior parte delle armi nucleari. Ha un tempo di emivita di anni ed emette radiazioni alfa. La quasi totalità del plutonio è di origine sintetica, anche se tracce molto tenui si trovano in natura nei minerali dell uranio. Il plutonio 239 può anche essere usato come combustibile nelle centrali nucleari di nuova generazione. I livelli massimi ammissibili per gli alimenti sono 80 Bq/kg. Il radon nell ambiente Il radon, Rn, è il gas nobile più pesante ed è l unico che presenta una radioattività naturale. L isotopo più importante è il 222. La solubilità in acqua è 9, M. Il radon spesso rimane intrappolato nei solidi, oppure può diffondere nell aria o nell acqua circostante ed essere trasportato lontano dal luogo di origine. La normativa per gli ambienti chiusi individua in 400 Bq/m 3 il livello di concentrazione media annua di gas radon per gli edifici già esistenti, mentre per gli edifici da costruire il livello di concentrazione da non superare è di 200 Bq/m 3. Per le attività lavorative in luoghi sotterranei e per le attività lavorative in superficie la legislazione pone un livello di 500 Bq/m 3 di concentrazione di attività di radon media in un anno. Nelle acque di fiumi e ruscelli non è presente una grossa quantità di radon, visto che il gas diffonde in gran parte nell aria circostante. Nel rifornimento idrico delle grandi città, il trattamento dell acqua in grossi sistemi aperti permette l aerazione della stessa e quindi la perdita del radon dovuta inoltre alla diffusione nell aria; la maggior parte del radon rimanente decade in genere durante i lunghi tempi necessari al trasporto per raggiungere la abitazioni.

5 La commissione europea ha disposto un limite per l acqua di 1000 Bq/dm 3. Oltre una concentrazione di 100 Bq/dm 3, gli Stati membri devono comunque definire un livello di riferimento per il radon, da utilizzare per stabilire se occorrano azioni correttive per tutelare la salute umana. Per quanto riguarda i figli del decadimento del Rn, è nettamente predominante il contributo della radiazione emessa dai figli a breve tempi di dimezzamento (t1/2), e cioè dal Po 218 e dal Po 214. Si può trascurare l emissione alfa del Radon che, essendo un gas nobile, una volta inalato viene riesalato con bassissime probabilità di decadere durante il transito nell apparato respiratorio. Il Pb 210, poiché ha t1/2 = 22,3 anni verrà probabilmente rimosso dall apparato bronco polmonare prima che una sua frazione significativa possa decadere. Negli ambienti indoor il radon, gas radioattivo, classificato dalla IARC come agente cancerogeno è considerato la seconda causa per cancro polmonare dopo il fumo di sigaretta. Si stima che l esposizione domestica al radon sia responsabile del 5 20% dei tumori polmonari. Le principali sorgenti di provenienza del radon indoor sono il suolo sottostante l edificio ed i materiali da costruzione. Il radon prodotto nel suolo viene spinto verso l esterno dalla differenza di pressione o per diffusione e penetra negli edifici, tramite le molte fessure anche piccolissime che vi sono nelle fondamenta e si concentra nell aria interna. L acqua ed il gas per uso domestico sono sorgenti di importanza generalmente molto minore, con alcune eccezioni relative ad alcune acque di pozzo. In Italia, il valore medio di radon nelle abitazioni è di circa 70 Bq/m 3.