Qualche notizia in piùsull’incidente nucleare di Fukushima e le sue conseguenze
Stefano De CrescenzoA.O. Niguarda Ca’ Granda Milano
Alberto ColomboLiceo Severi Milano
Obiettivi
Cosa succede in una centrale nucleare nelle condizioni di normale funzionamentoCosa si pensa possa essere successo a FukushimaQuali possono essere le conseguenze sanitarie di un incidente come quello di FukushimaCi sono conseguenze anche per noi?
La fissione:Energia nucleare → energia termica
La fissione
Nel processo di fissione il numero totale di particelle si conserva140 +93 +2 =235Si perde però massa che si trasforma in grandi quantità di energia secondo la legge ΔE=Δmc2
La fissione
L'energia complessivamente liberata dalla fissione di 1 nucleo di 235U è di circa 200MeV, una quantità elevatissima data dalla relazione:
22235 cMcME PnU −=
+In cui
la prima massa è la massa del nucleo di 235U e del neutrone incidentela seconda massa è la somma delle masse dei nuclei e dei neutroni prodottic è la velocità della luce nel vuoto
La fissione
la maggior parte di questa energia (circa 167 MeV) è energia cinetica dei frammenti pesanti prodotti della reazione.In un comune processo di combustione, l'ossidazione di un atomo di carbonio fornisce un'energia di circa 4 eV, un'energia che è meno di cinquanta milionesimi di quella prodotta nella reazione nucleare di fissione
I prodotti di fissione
I due prodotti di fissione che si formano però sono però radioattivi
Cosa significa radioattivi?
Immaginiamo un condominio in cui ci sono 20 appartamenti ma 25 famiglie: c’è spazio solo per 20 famiglieLe 25 famiglie iniziano a litigare animatamente fino a quando 5 decidono di andarseneQuando le 5 famiglie se ne vanno le 20 famiglie restanti si dividono lo spazio e finalmente vivono in pace
Cosa significa radioattivi?
In un nucleo di un atomo (Isotopo) radioattivo succede un po’ la stessa cosaIl nucleo di un atomo/isotopo radioattivo ècaratterizzato da un numero eccessivo di neutroni e da un eccesso di energiaTende pertanto a liberarsi spontaneamente da questi “eccessi” emettendo particelle e radiazione elettromagnetica, proprio come accade all’acqua bollente che spontaneamente tende a raffreddarsiQuindi al fenomeno della radioattività èsempre associato una emissione di energia molto elevata sottoforma di radiazioni
La radioattività (in pillole)
Alcuni prodotti di fissione (radioattivi) sono solidi (es. 137Cs, 134Cs, 90Sr…….) Alcuni prodotti di fissione (radioattivi) sono gassosi (131I, 132I, 133I, 133Xe, 85Kr…..)
Qualche informazione in più sulla radioattività: cinetica dei decadimenti
teNNdtdNtA λλ −×=⇒−= 0)(
definiamo radioattività il numero di trasformazioni che un insieme di nuclei instabili subisce per unità di tempo e quindi
da questa relazione derivano i concetti di vita media τ e di
λ2
21
ln=T
Una caratteristica importante delle sostanze radioattive: il tempo di dimezzamento (T½)
E’ il tempo impiegato da una sostanza radioattiva per dimezzare la propria attivitàAd esempio
137Cs: T½ ~ 30 anni131I: T½ ~ 8 giorni18F: T½ ~ 2 ore
Cosa vuol dire?Trascorsi 100 giorni, qualunque sia l’attivitàiniziale:
di 137Cs ne rimarrà ~ 99%di 131I ne rimarrà ~ 0.02 %di 18F non ne rimarràpraticamente nulla
Decadimento alfa
le particelle alfa sono nuclei di He caricati positivamente (++)nel decadimento alfa il nuclide padre si trasforma in un nuclide figlio con 2 neutroni e 2 protoni in meno
α+⇒ −− NN A
ZAZ
42
Decadimento alfa
nello schema piùsemplice, la particella alfa viene emessa con una energia ben definita legata alla perdita di massa che si verifica tra nuclide padre e nuclide figlio + αnella rivelazione di una particella alfa ci aspettiamo quindi uno spettro discreto
α+⇒ −− NN A
ZAZ
42
Decadimento beta
le particelle beta sono elettroni caricati negativamente (e-) o positivamente (e+)ci sono 3 tipi di decadimento beta:
β- : n p + e- + νβ+ : p n + e+ + νc.e. : p + e- n + ν + X
nel decadimento beta il nuclide padre si trasforma in un nuclide figlio con 1 nucleone in più o in meno
νββ ++⇒ −+
− NN AZ
AZ 1:
νββ ++⇒ +−
+ NN AZ
AZ 1:
ν+⇒+ −− NeNec A
ZAZ 1:..
E i “raggi” gamma?
in tutti i decadimenti c’è un nucleo padre che si trasforma in un nucleo figlio con emissione di particelle cariche (a parte il decadimento per cattura elettronica)il nucleo figlio si trova molto spesso in uno o più stati eccitati dai quali si porta sul livello fondamentale emettendo (quasi contestualmente al decadimento del padre) uno i più fotoni gamma
L’unità di misura della radioattività
Nel Sistema Internazionale (S.I.) la Radioattività si misura in Bequerel (Bq)
secondozioneDisintegra1
Bq1 =
secondozioniDisintegra103.7
Bq103.7Ci110
10 ×=×=
Precedentemente la Radioattività si misurava in Curie (Ci)
Come funziona un reattore nucleare in pillole
In un reattore nucleare il combustibile è contenuto all’interno di “cilindri” di acciaio speciale (le barre di combustibile nucleare)Le barre sono immerse in acqua e il calore generato dalle reazioni nucleari genera vapore Il vapore alimenta le turbine come in una centrale a combustibile fossileSolo che invece di bruciare carbone o derivati del petrolio si “consuma”uranio
Schema di una centrale elettronucleare
Come funziona un reattore nucleare in pillole
Normalmente non c’ècontatto diretto tra i prodotti di fissione (radioattivi), e il vaporeQuando il combustibile nucleare si “esaurisce” le barre vengono rimosse e sostituiteLe barre “esaurite”vengono sottoposte a un processo radiochimico di rigenerazioneE’ soprattutto il processo di rigenerazione che produce rifiuti (radioattivi)
La centrale di Fukushimahttp://www.ilsole24ore.com/art/tecnologie/2011-03-15/corsa-contro-tempo-impedire-140048.shtml
La centrale è composta da 8 unità per quasi 5 GW di potenzaCostruita nel '66, la centrale utilizza dei reattori Bwr (Boiling Water Reactor) costruiti da General Electric, Toshiba e Hitachi. L'acqua lo raffredda e allo stesso tempo trasporta via il calore, di solito sotto forma di vapore, per far girare delle turbine che generano elettricità. È di II generazione (la più diffusa attualmente) . Attualmente esiste anche la III e III+ generazione, in fase di studio una IV
A Fukushima cosa è successo?Un reattore nucleare può essere “spento” nel senso che, con particolari dispositivi la reazione a catena può essere fermataA Fukushima subito dopo il terremoto, la relazione nucleare è stata “spenta”automaticamente dai dispositivi di sicurezza della centraleAnche se la reazione nucleare è cessata, la enorme quantità di energia prodotta dalle sostanze radioattive continua a generare una grande quantità di calore
L’incidente di Fukushima
Nonostante lo spegnimento immediato del reattore, il calore residuo sempre presente non è stato smaltito portando al surriscaldamento del reattore 1, con necessità di depressurizzare il vessel in acciaio scaricando in atmosfera l'eccesso di vapore radioattivo tramite le ciminiere dell'impianto (dalle immagini tv dell'11 e del 12 marzo 2011 si nota infatti la fuoriuscita di vapore dalle ciminiere).
L’incidente di Fukushima
Il permanere delle difficoltà di raffreddamento ed il conseguente surriscaldamento provoca di norma la produzione di idrogeno per scomposizione termica dell'acquaTale rischiosa ma necessaria procedura nel caso del reattore di Fukushima-Daiichi 1 è successivamente sfociata nell'esplosione dell'idrogeno che ha distrutto la struttura di contenimento in cemento
A Fukushima cosa è successo?La mancanza di energia elettrica ha quindi causato un deficit di raffreddamento e un abbassamento del livello del refrigeranteLa temperatura si èinnalzata oltre il dovutoProbabilmente qualche barra di combustibile si èfessurataSono stati rilasciati in atmosfera idrogeno e molti prodotti di fissione gassosi e questo ha causato una esplosione con fuoriuscita di materiale radioattivo soprattutto in forma gassosa
Cosa succede delle emissioni (anche di quelle radioattive) in atmosfera?
Alcune possibili vie di ritorno della radioattività all’uomo
Cosa succede quando le radiazioni interagiscono con un tessuto?
Depositano la loro energia a livello cellulareL’energia depositata può provocare un danno a livello del nucleo cellulareIl danno cellulare può essere riparato dal sistema immunitario ma anche non riparato dal sistema immunitario (cancerogenesi)
Cosa succede quando le radiazioni interagiscono con un tessuto?
Ovviamente la probabilità di manifestazione del danno è legata alla quantità di energia depositataMaggiore è la quantitàdi energia depositata, maggiore è la probabilità del danno e, in taluni casi, maggiore è l’intensitàdel danno
Le radiazioni ionizzanti sul web
http://it.wikipedia.org/wiki/Radiazioni_ionizzantihttp://it.wikipedia.org/wiki/Sieverthttp://www.unscear.org/http://www.who.int/ionizing_radiation/en/http://rpop.iaea.org/RPOP/RPoP/Content/AdditionalResources/Publications/index.htmhttp://rpop.iaea.org/RPOP/RPoP/Content/AdditionalResources/Training/1_TrainingMaterial/index.htm
Relazione sievert - gray
dose di energia assorbita da una unità di massa: Gray [J/Kg]la dose equivalente (u.m. sievert) rende conto degli effetti biologici della radiazione sull'organismoI diversi tipi di radiazione a parità di dose assorbita infatti possono avere effetti diversi per l'organismo
Gli effetti biologici delle radiazioni
La grandezza che rende conto di quanto pericolosa è una esposizione alle radiazioni ionizzanti è quindi il
Sievert (Sv)legato alla quantità di energia depositata in un tessutoDi solito viene impiegato utilizzando i suoi sottomultipli
mSv = 0.001 Sv (10-3 Sv)µSv = 0.000001 Sv (10-6 Sv)
nSv = 0.000000001 Sv (10-9 Sv)
Gli effetti biologici delle radiazioni
Non tutti i tessuti “sono sensibili” nello stesso modo alle radiazioniIn generale si verifica che più un tessuto è in rapida moltiplicazione (esempio capelli, tessuto ematopoietico, midollo…) più è radiosensibileQuesta particolare evidenza spiega come mai le radiazioni vengano utilizzate anche nella cura del cancro
La dose equivalente H in sievert si ottiene moltiplicando la dose assorbita D in Gy per un fattore adimensionale wrdipendente dal tipo di radiazionePer i raggi X, gamma o beta, wr = 1per le particelle alfa wr = 20 Per i neutroni 1 Gy wr può variare da 2.5 a oltre 20 Sv a seconda dell'energia dei neutroni
Gli effetti biologici delle radiazioni: wr
Gli effetti biologici delle radiazioni
Le dosi superiori a soglie particolarmente elevate (oltre 1 Sv) possono portare a effetti che si manifestano precocementeLe dosi molto elevate riguardano di solito persone molto vicine alla sorgente
A Fukushima cosa sta succedendo?
http://www.mext.go.jp/english/radioactivity_level/detail/1303986.htm
E le piccole dosi? Proviamo a spiegarlo con un esempio
per certi versi chi è esposto alle radiazioni si trova nella stessa condizione di un fumatoreè dato certo che il fumo aumenta la probabilità di contrarre un cancro al polmonequesto non significa che tutti i fumatori contraggono un cancro del polmone, vuole dire che per loro la probabilità di contrarre un cancro del polmone èmaggiore rispetto ai non fumatori ed è tanto maggiore quante più sigarette al giorno vengono fumate
E le piccole dosi? Proviamo a spiegarlo con un esempio
l'esposizione alle radiazioni aumenta la probabilità di contrarre un cancroma questo aumento è però significativo solo per una importante esposizione alle radiazioninon è nemmeno il caso di ipotizzare che questa condizione si verifichi in Italia a seguito di ciò che sta succedendo a Fukushima
Inoltre forse non tutti sanno che …..
l’umanità convive da sempre con le radiazioni
Fonte esposizione media*
(mSv/anno) Raggi cosmici 0.355 Radionuclidi presenti in natura prodotti dalla radiazione cosmica
0.015
Radionuclidi primordiali 40K e irradiazione esterna 0.59 Famiglie radioattive (238U e 232Th ) 1.42 (**) Totale ≈2.4
Altre possibili fonti di esposizione alle radiazioni legate alle quotidianità
E a Fukushima?
Si sono trovati a Tokyo il 15 marzoHanno respirato (poca, per fortuna) aria contaminata a seguito dell’emissioneRientrati in Italia si sono presentati al P.S. di Niguarda
E’ possibile misurare direttamente la radioattivitàdepositata sulla superficie corpo?
Sì, il particolato contaminato può depositarsi sulle superfici corporeema è possibile verificare questa eventualità con un idoneo strumento
Cosa succede di ciò che viene introdotto nell’organismo?
Molto di ciò che viene introdotto nell’organismo, una volta inalato o digerito segue un suo percorso specifico e viene metabolizzatoQuesti fenomeni di “assorbimento” interessano organi diversi e avvengono con tempi e modi differenziati a seconda della sostanza interessataQuesti meccanismi sono responsabili ad esempio dell’ accrescimento, della riparazione di un osso fratturato, della ossigenazione del sangue attraverso lo scambio che avviene a livello polmonare……….
Cosa succede di ciò che viene introdotto nell’organismo?
Il calcio, ad esempio, interessa soprattutto le ossaIl ferro viene metabolizzato soprattutto dal fegatoLo iodio invece, ha un percorso metabolico che lo porta soprattutto ad essere captato dalla tiroide
E’ possibile misurare direttamente la radioattività presente all’interno del corpo?
I composti radioattiviall’interno del corpo si comportano come i composti non radioattiviAd esempio, lo iodio radioattivo, ha un percorso metabolico che lo porta soprattutto ad essere captato dalla tiroideLo iodio radioattivo arrivato nella tiroide emette radiazioni che possono essere rilevate dall’esterno con un opportuno strumento
Ma è possibile misurare anche indirettamentela radioattività presente all’interno del corpo
Tutto ciò che entra nel corpo e non viene utilizzato oppure non serve prima o poi esceCiò accade soprattutto attraverso i normali meccanismi di escrezione (urinaria e fecale) dell’organismoE’ il principio su cui si basano ad esempio gli esami antidoping effettuati sugli atleti
E’ possibile misurare indirettamente la radioattività presente all’interno del corpo
Quindi analizzando con strumenti idonei gli escreti è possibile:
risalire alle sostanze radioattive incorporatecalcolare quali e quante sostanze radioattive sono state incorporate,calcolare quando le sostanze radioattive sono state incorporate
Naturalmente solo usando funzioni matematiche complesse!!!
Quali le conseguenze in Italia?
Ad oggi solo una è la risposta appropriata
Nessuna
Dove trovare in formazioni attendibili e aggiornate su Fukushima?
http://www.iaea.org/
Dove trovare in formazioni attendibili e aggiornate su Fukushima?
http://www.mext.go.jp/english/radioactivity_level/detail/1303986.htm
E per concludere
