Qualche notizia in più sull’incidente nucleare di Fukushima e le sue conseguenze Stefano De Crescenzo A.O. Niguarda Ca’ Granda Milano Alberto Colombo Liceo Severi Milano Obiettivi { { { { Cosa succede in una centrale nucleare nelle condizioni di normale funzionamento Cosa si pensa possa essere successo a Fukushima Quali possono essere le conseguenze sanitarie di un incidente come quello di Fukushima Ci sono conseguenze anche per noi? La fissione: Energia nucleare → energia termica La fissione { { { Nel processo di fissione il numero totale di particelle si conserva 140 +93 +2 =235 Si 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 200 MeV, una quantità elevatissima data dalla relazione: E = M U 235 + n c − M P c 2 { 2 In cui z la prima massa è la massa del nucleo di 235U e del neutrone incidente z la seconda massa è la somma delle masse dei nuclei e dei neutroni prodotti z c 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 famiglie Le 25 famiglie iniziano a litigare animatamente fino a quando 5 decidono di andarsene Quando 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 cosa Il nucleo di un atomo/isotopo radioattivo è caratterizzato da un numero eccessivo di neutroni e da un eccesso di energia Tende pertanto a liberarsi spontaneamente da questi “eccessi” emettendo particelle e radiazione elettromagnetica, proprio come accade all’acqua bollente che spontaneamente tende a raffreddarsi Quindi al fenomeno della radioattività è sempre 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 { definiamo radioattività il numero di trasformazioni che un insieme di nuclei instabili subisce per unità di tempo e quindi dN − λt A(t ) = − λ ⇒ N = N0 × e dt { da questa relazione derivano i concetti di vita media τ e di T1 = ln 2 2 λ Una caratteristica importante delle sostanze radioattive: il tempo di dimezzamento (T½) { { E’ il tempo impiegato da una sostanza radioattiva per dimezzare la propria attività Ad esempio z 137Cs: z 131I: z 18F: T½ ~ 30 anni T½ ~ 8 giorni T½ ~ 2 ore Cosa vuol dire? Trascorsi 100 giorni, qualunque sia l’attività iniziale: z di 137Cs ne rimarrà ~ 99% z di 131I ne rimarrà ~ 0.02 % z di 18F non ne rimarrà praticamente 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 A Z N⇒ A−4 Z −2 N +α Decadimento alfa { { nello schema più semplice, la particella alfa viene emessa con una energia ben definita legata alla perdita di massa che si verifica tra nuclide padre e nuclide figlio +α nella rivelazione di una particella alfa ci aspettiamo quindi uno spettro discreto A Z N⇒ A−4 Z −2 N +α Decadimento beta { { le particelle beta sono elettroni caricati negativamente (e-) o positivamente (e+) ci sono 3 tipi di decadimento beta: z z z { β - : n Ö p + e- + ν β+ : p Ö n + e+ + ν c.e. : p + e- Ö n + ν + X nel decadimento beta il nuclide padre si trasforma in un nuclide figlio con 1 nucleone in più o in meno β− : β+ : c.e. : N ⇒ Z +1AN + β − + ν A Z N ⇒ Z −1AN + β + + ν N + e − ⇒ Z −1AN + ν A Z A Z 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) 1 Disintegrazione 1Bq = secondo { Precedentemente la Radioattività si misurava in Curie (Ci) 10 3.7 10 Disintegra zioni × 10 1 Ci = 3.7 × 10 Bq = secondo 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 fossile Solo 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’è contatto diretto tra i prodotti di fissione (radioattivi), e il vapore Quando il combustibile nucleare si “esaurisce” le barre vengono rimosse e sostituite Le barre “esaurite” vengono sottoposte a un processo radiochimico di rigenerazione E’ soprattutto il processo di rigenerazione che produce rifiuti (radioattivi) La centrale di Fukushima http://www.ilsole24ore.com/art/tecnologie/2011-03-15/corsa-controtempo-impedire-140048.shtml { { { { La centrale è composta da 8 unità per quasi 5 GW di potenza Costruita 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 fermata A Fukushima subito dopo il terremoto, la relazione nucleare è stata “spenta” automaticamente dai dispositivi di sicurezza della centrale Anche 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'acqua Tale 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 refrigerante La temperatura si è innalzata oltre il dovuto Probabilmente qualche barra di combustibile si è fessurata Sono 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 cellulare L’energia depositata può provocare un danno a livello del nucleo cellulare Il 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 depositata Maggiore è la quantità di energia depositata, maggiore è la probabilità del danno e, in taluni casi, maggiore è l’intensità del danno Le radiazioni ionizzanti sul web { { { { { { http://it.wikipedia.org/wiki/Radiazioni_ionizzanti http://it.wikipedia.org/wiki/Sievert http://www.unscear.org/ http://www.who.int/ionizing_radiation/en/ http://rpop.iaea.org/RPOP/RPoP/Content/Addition alResources/Publications/index.htm http://rpop.iaea.org/RPOP/RPoP/Content/Addition alResources/Training/1_TrainingMaterial/index.ht m 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'organismo I 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 tessuto { Di 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 radiazioni In generale si verifica che più un tessuto è in rapida moltiplicazione (esempio capelli, tessuto ematopoietico, midollo…) più è radiosensibile Questa particolare evidenza spiega come mai le radiazioni vengano utilizzate anche nella cura del cancro Gli effetti biologici delle radiazioni: wr { { { { La dose equivalente H in sievert si ottiene moltiplicando la dose assorbita D in Gy per un fattore adimensionale wr dipendente dal tipo di radiazione Per i raggi X, gamma o beta, wr = 1 per 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 { { Le dosi superiori a soglie particolarmente elevate (oltre 1 Sv) possono portare a effetti che si manifestano precocemente Le 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 fumatore è dato certo che il fumo aumenta la probabilità di contrarre un cancro al polmone questo non significa che tutti i fumatori contraggono un cancro del polmone, vuole dire che per loro la probabilità di contrarre un cancro del polmone è maggiore 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 cancro ma questo aumento è però significativo solo per una importante esposizione alle radiazioni non 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 Raggi cosmici Radionuclidi presenti in natura prodotti dalla radiazione cosmica Radionuclidi primordiali 40 K e irradiazione esterna Famiglie radioattive (238U e 232Th ) Totale esposizione media* (mSv/anno) 0.355 0.015 0.59 1.42 (**) ≈2.4 Altre possibili fonti di esposizione alle radiazioni legate alle quotidianità E a Fukushima? { { { Si sono trovati a Tokyo il 15 marzo Hanno respirato (poca, per fortuna) aria contaminata a seguito dell’emissione Rientrati in Italia si sono presentati al P.S. di Niguarda E’ possibile misurare direttamente la radioattività depositata sulla superficie corpo? { { Sì, il particolato contaminato può depositarsi sulle superfici corporee ma 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 metabolizzato Questi fenomeni di “assorbimento” interessano organi diversi e avvengono con tempi e modi differenziati a seconda della sostanza interessata Questi 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 ossa Il ferro viene metabolizzato soprattutto dal fegato Lo 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 radioattivi all’interno del corpo si comportano come i composti non radioattivi Ad esempio, lo iodio radioattivo, ha un percorso metabolico che lo porta soprattutto ad essere captato dalla tiroide Lo iodio radioattivo arrivato nella tiroide emette radiazioni che possono essere rilevate dall’esterno con un opportuno strumento Ma è possibile misurare anche indirettamente la radioattività presente all’interno del corpo { { { Tutto ciò che entra nel corpo e non viene utilizzato oppure non serve prima o poi esce Ciò accade soprattutto attraverso i normali meccanismi di escrezione (urinaria e fecale) dell’organismo E’ 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: z z z { risalire alle sostanze radioattive incorporate calcolare 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