Istituto Nazionale Fisica Nucleare Radioattivita’ Nicolo` Cartiglia INFN Istituto Nazionale Fisica Nucleare

Atomi stabili ed instabili L’atomo e` fatto da un nucleo ed elettroni Il nucleo e` fatto da neutroni e protoni Alcuni nuclei sono stabili, altri instabili perche` la combinazione di protoni e neutroni non e` “corretta” Il numero di protoni (Z) determina l’elemento (H, He,….U) Il numero di protoni+neutroni determina l’isotopo

Perche` alcuni nuclei sono stabili La stabilita` di un nucleo dipende dal suo numero di protoni e neutroni Ci sono dei numeri magici, N o Z uguale ad 2, 8, 20, 28, 50, 82, ed 126 che corrispondono alla chiusura delle orbite nucleari ed aumentano la stabilita` del nucleo. Isotopi che hanno un numero magico di protoni e neutroni sono particolarmente stabili.

Schemi di decadimento, 226Ra e 40K

Origine dei nuclei radioattivi Primordiali: creati nella sintesi degli elementi costituenti della terra Cosmogenici: creati in elementi terrestri ed extra-terrestri dai raggi cosmici Artificiali: creati in reattori nucleari, bombe e acceleratori

Elementi primordiali Hanno vita media paragonabile alla vita della terra (Terra >4.5x109 anni, Universo >15 x109) Sono in equilibrio secolare con un genitore appartenente ad una delle 3 famiglie radioattive: 232Th 235U 238U

Elementi cosmogenici I piu’ importanti sono: 3H 14C Entrambi sono prodotti nella stratosfera dai raggi cosmici Sono importanti in geofisica

Legge del decadimento radioattivo (1) La probabilita` che un atomo si disintegri e` proporzionale a dt: P = l dt dove la costante di decadimento l e` caratteristica del nuclide. Notare: un’atomo ha sempre la stessa probabilita` di decadere, non importa da quanto tempo esiste. Come i numeri della lotteria: i “ritardatari” non sono piu` probabili….

Legge del decadimento radioattivo (2) La vita media = 1/l Indica dopo quanto tempo il numero di atomi rimasto e` N0/e Il tempo di dimezzamento indica dopo quanti tempo ho la meta’ degli atomi iniziali t1/2 = t ln2 = 0.693 t

Unita` di misura

Becquerel (Bq), Gray (Gy), Sievert (Sv) 1) Unita' di attivita' Becquerel : 1 Bq = 1 disintegrazione/s oppure Curie: 1 Ci = 3.7x1010 disintegrazioni/s 2) Unita' di Dose assorbita: Gray (Gy) che misura l'energia E assorbita da un corpo di massa M -> D = E/M 1 Gy = 1 Joule/kg = 6.24 x 1015 keV/kg 3) Unita' di Dose equivalente (di danno biologico) : sievert (Sv) Dose equivalente = Dose assorbita × w 1 Sv = 1 Gy × w = 100 REM ove w dipende dal tipo di radiazione : w=1 per b (elettroni), g (fotoni) e muoni; w = 20 per a.

Radioattivita` naturale

Che isotopi trovo nell’ambiente ? Isotopi primordiali: 232Th 235U ; ma questo e’ solo circa 0.7% trascurabile 238U Potassio (0.0118 del K), molto abbondante

Famiglia radioattiva 238U

Radioattivita’ dalle rocce Rateo di dose in aria, 1m sopra la superficie

Righe a,b,g dei nuclidi primordiali

Variabilita’ locali Dose assorbita annualmente causata da radiazione naturale, espressa in mrem

La Radiazione Cosmica Sorgenti Interazione con l’Atmosfera Distribuzione Energetica Una Finestra sull’Universo

Sorgenti e natura dei raggi cosmici I raggi cosmici primari sono neutrini, fotoni, elettroni, protoni, nuclei, di energia variabile su un grandissimo numero di ordini di grandezza, provenienti dalle reazioni che avvengono all’interno e/o sulla superficie delle stelle, delle pulsar, dei buchi neri, dei nuclei galattici attivi, etc… I raggi cosmici di energia più bassa provengono dal Sole (vento solare) o in generale dall’interno della Via Lattea. Il campo magnetico intergalattico trattiene all’interno di ogni galassia tali raggi. I raggi cosmici di energia più elevata provengono da galassie lontane nel tempo e nello spazio, e la loro origine è ancora incerta.

Interazione dei cosmici con l’atmosfera Interagendo con gli strati più alti dell’atmosfera, i raggi cosmici danno origine a sciami di particelle ionizzanti secondarie: oltre ad elettroni, positroni, protoni, fotoni ci sono mesoni p (pioni), i quali successivamente decadono in muoni e neutrini. Al livello del mare, solo 3% dei cosmici carichi sono protoni e 0.3% sono pioni. L’intensità di radiazione cosmica dipende fortemente da latitudine (per effetto del campo magnetico terrestre) ed altitudine (evoluzione dello sciame) . Mediamente a terra si hanno circa 100 m/m2s-1, corrispondenti ad una dose di 0.1mSv/anno. Radiazione cosmica ad alta quota: 63mSv per volo Londra-Chicago. Sullo Skylab: 0.5 mSv/giorno !

Lo spettro dei raggi cosmici Lo spettro energetico dei raggi cosmici si estende dalle decine fino a 100 mila miliardi di MeV. Il flusso di questi raggi è inversamente proporzionale al cubo della loro Energia. La spiegazione di questo spettro è ancora ignota!

Rivelazione di raggi cosmici (1) Bassa Energia (vento solare): le Aurore Boreali sono prodotte dall’interazione del vento solare con atomi di Ossigeno Energia Intermedia (1015-16 eV): Rivelatore di sciami estesi atmosferici in Namibia (HESS) Altissima Energia (1019-21 eV): Rivelatore ibrido di muoni e di fluorescenza atmosferica, in Argentina (AUGER)

Rivelazione di raggi cosmici (2) Bassa Energia (vento solare): le Aurore Boreali sono prodotte dall’interazione del vento solare con atomi di Ossigeno Energia Intermedia (1015-16 eV): Rivelatore di sciami estesi atmosferici in Namibia (HESS) Altissima Energia (1019-21 eV): Rivelatore ibrido di muoni e di fluorescenza atmosferica, in Argentina (AUGER)

Rivelazione di raggi cosmici (3) Bassa Energia (vento solare): le Aurore Boreali sono prodotte dall’interazione del vento solare con atomi di Ossigeno Energia Intermedia (1015-16 eV): Rivelatore di sciami estesi atmosferici in Namibia (HESS) Altissima Energia (1019-21 eV): Rivelatore ibrido di muoni e di fluorescenza atmosferica, in Argentina (AUGER)

Radioattivita` dovuta ad attivita` umana

Sorgenti principali di radioattivita` indotta Radiografie; TAC; Trattamenti radioterapeutici; Emissione di centrali nucleari (in prima approssimazione, non in Italia), Armamenti nucleari (DU).

Dose naturale (04.-4 mSv/anno) e dose indotta 1) Radiografia al torace: Dose equivalente = 1 mSv (equivalente a circa 2 anni di radioattivita' naturale.) 2) TAC: Dose equivalente 10 mSv (equivalente a circa 20 anni di radioattivita' naturale.) 3) trattamento radioterapeutico (trattamento per i tumori): Dose equivalente 50 Sv (tutte le cellule del bersaglio sono distrutte.)

Sorgenti di radiazioni Dati USA: 82% naturale 18% artificiale 360 mRem = 3,6 mSv

Radiazione: quanto “poco” e` poco? A basse dosi (10 mSv/anno): Ipotesi lineare: il rischio di cancro e` direttamente proporzionale alla dose: rischio 0.00005/mSv Se 100,000 persone ricevono una dose aggiuntiva di 1mSv, 5 avranno il cancro Ipotesi a soglia: il rischio di cancro aumenta solo per dosi superiori ad un certo limite.

Ipotesi lineare? La rottura di un ramo del DNA in due punti e` due volte piu` pericolosa della rottura in un punto. Molti studi provano che non e` vero, e` molto piu` pericolosa la rottura in due punti. Le persone di 80kg devono ammalarsi di cancro il doppio delle persone di 40 kg (piu` massa, piu` radiazioni). Ogni giorno un milione di cellule si danneggiano (ne abbiamo miliardi) per motivi chimici e circa una non si ripara e puo` generare un cancro, le radiazioni causano circa una cellula non riparata ogni 500 giorni, raddoppiando la dose non cambia quasi il rischio di cancro

Dose e danno biologico L’esposizione alle radiazioni ionizzanti non e’ l’unica causa di alterazioni del codice genetico: il normale metabolismo cellulare induce mutazioni in misura di gran lunga superiore! Come fa il DNA a auto-ripararsi? La parola chiave e` la RIDONDANZA dell’informazione genetica. A parita’di dose ricevuta, il danno e` maggiore se il tempo dell’esposizione e` breve, da consentire mutazioni genetiche multiple sul DNA delle singole cellule. Molte stime catastrofiche sulle future vittime di Cernobil sono basate sui dati raccolti a Hiroshima e Nagasaki… con evidenti sovrastime degli effetti.

Dose, rateo e rischio di cancro sopravvissuti Malati in cura Rischio di cancro mortale tra pazienti canadesi curati con radiazione per altre malattie e sopravvissuti giapponesi alla bomba atomica.

5 aprile 2011 Che cosa è successo a Fukushima ? 33

Terremoto e Tsunami 11 marzo 2011 magnitudine 9.0 Onde di 38 m, penetrate 10 km 12000 morti, 15000 dispersi, 125000 edifici danneggiati Uno dei 5 terremoti conosciuti più forti

Difficile capire cosa capita

General Electric

Evoluzione Earthquake 8.9: si spegne tutto, le barre di controllo scendono, la reazione si ferma Il raffreddamento adesso deve rimuovere il 3% del calore normale Il reattore non produce più energia, quindi si deve usare la rete elettrica, che non funzionava più Generatori diesel sono entrati in funzione, tutto procede nel verso giusto: arriva lo tsunami, e porta via tutti i generatori diesel Si passa alle batterie, che tengono il sistema in funzione per 8 ore Si portano dei generatori diesel su camion, ma la presa(!!!) non era compatibile A questo punto le cose si fanno serie, le batterie finiscono ed il calore cresce: se non si raffredda, l’uranio si fonde… Priorita’ prima e’ di mantenere intatto l’edificio interno, quello capace di contenere l’uranio fuso: l’acqua bolle, la pressione sale (pentola a pressione). Si usano valvole di emergenza per far uscire il vapore dalla parte. Probabilmente circa 550 gradi all’interno

Evoluzione Possibilmente questa e’ la cause delle prime notizie di radiazione, sono azoto ed altri gas, non pericolosi Probabilmente l’operatore decide di mandare il vapore non all’esterno, ma all’interno dell’edificio esterno: il calore era cosi’ alto che l’acqua si e’ dissociata in idrogeno, appena arriva all’esterno esplode (oppure rilascio accidentale di idrogeno) Peccato per gli uffici… OK, adesso non abbiamo più l’edificio esterno, ma non e’ un problema, e’ inutile. Pero’ la temperatura aumenta, e l’acqua evapora. Dopo un po’ le barre di combustibile sono esposte, ed si rompono (2200 gradi) Alcune parti del rivestimento, che contengono Cesio e Iodio, si mischiano con l’aria e vengono rilasciate all’esterno ogni volta che si aprono le valvole di sicurezza (non ancora l’uranio, che fonde a 3000)

Evoluzione Cesio e Iodio dicono ai tecnici che si sta per fondere l’uranio Si decide di usare acqua di mare (!!) al posto di acqua demineralizzata (che diventa leggermente radioattiva a causa del sale che contiene Questo previene la fusione ulteriore del nocciolo (si è anche aggiunto boro all’acqua per assorbire neutroni) Probabilmente adesso la situazione è stabile

Rilascio di radiazione - Attraverso il “venting” del vapore - Attraverso l’acqua di mare usata per il raffreddamento di emergenza e poi dispersa in mare (sia intenzionalemente, sia non) - Esposizione del “spent fuel” all’atmosfera ? Iodio 131 Cesio 137

Dose e contaminazione In mare 4 Aprile (IAEA) 0.7-> 12.5 μSv/ora fondo 0.2 μSv/ora On 2nd April, deposition of iodine-131 was detected in 7 prefectures ranging from 4 to 95 becquerel per square metre.  Deposition of cesium-137 in 6 prefectures was reported on 2nd April ranging from 15 to 47 becquerel per square metre. Reported gamma dose rates in the 45 prefectures showed no significant changes compared to yesterday. Fukushima prefecture results of beta-gamma contamination measurements ranged from 0.09 to 0.46 Mbq per square metre una banana da 150g è una sorgente di K40 da 20 Bq Cernobil: 400,000 persone esposte a 0.55 MBq m-2 of 137Cs 44 μg/kg of cesium-137 lethal (140 MBq) In mare Alte concentrazioni nei pressi della centrale Diluizione .... ?

Cosa ci possiamo aspettare nei prossimi anni ? Si stima che la popolazione sarà esposta a una dose circa 10 volte minore rispetto a Cernobil Effetti inconfutabilmente accelerati dopo Cernobil: - 6000 tumori alla tiroide - I “liquidatori” hanno subito dosi equivalenti a 10 anni di fumo (500,000) esposti a 30mSv e subiscono quindi aumentato rischio di tumore _Stimato_ aumento di 4000 tumori sui 100000 “normali”