LA
LARADIOATTIVITA’
RADIOATTIVITA’ARTIFICIALE
ARTIFICIALE
Esistono una serie di radioisotopi che sono, o sono stati,
prodotti artificialmente dall’uomo. Alcuni di questi sono
stati rilasciati nell’ambiente a seguito di incidenti nucleari
(Chernobyl 1986, Mayak 1945-51, Fukushima 2011) e test
di armamenti nucleari condotti negli anni ’50-’60.
Alcuni di questi radioisotopi sono tuttora rivelabili in
atmosfera o nel terreno (in particolare il 137Cs, prodotto di
fissione con tempo di dimezzamento di 30 anni).
Ogni giorno vengono prodotti artificialmente
radionuclidi essenziali per condurre esami diagnostici
e terapie in medicina nucleare
Molteplici sono anche gli usi di sorgenti di radiazioni
artificiali utilizzati nell’industria (produzione di
energia elettrica) e nella ricerca
IMPIEGHI
IMPIEGHIMEDICI
MEDICIDEI
DEIRADIOISOTOPI
RADIOISOTOPI
Radioisotopi vengono legati chimicamente a molecole ed introdotti nell’organismo
in genere per via endovena, o orale. Queste molecole si distribuiscono all’interno
del corpo e vengono captate selettivamente da organi e tessuti.
Radioisotopi sono utilizzati sia in diagnostica che in terapia
Radio-traccianti gamma emettitori vengono
utilizzati per la diagnosi di malattie (in primis
tumori). La radiazione gamma emessa dal
radioisotopo all’interno del corpo riesce a
fuoriuscire ed essere opportunamente rivelata
(18F, 99mTc)
Radio-farmaci beta (o alfa) emettitori
vengono utilizzati per la terapia di alcuni
tumori. Tali particelle restano localizzate e
rilasciano la loro energia in modo confinato ai
tessuti tumorali (131I-tiroide)
E’ possibile la localizzazione del
tracciante (e quindi della malattia) e
seguirne l’evoluzione temporale,
valutando così la funzionalità dei
tessuti interessati
Si sfrutta il danno biologico
provocato dalle radiazioni sulle
cellule tumorali per ucciderle o
inibirne la moltiplicazione
IMPIEGHI
IMPIEGHIMEDICI
MEDICIDEI
DEIRADIOISOTOPI:
RADIOISOTOPI:SPECT
SPECTeePET
PET
Positron Emission Tomography
18F
(T1/2: 110 m)
99mTc
(T1/2: 6 h)
Single-Photon Emission Computed Tomography
PRODUZIONE
PRODUZIONEDI
DIRADIOISOTOPI:
RADIOISOTOPI:REAZIONI
REAZIONINUCLEARI
NUCLEARI
Una generica reazione nucleare è esprimibile nella forma:
a X Y b
dove a è la particella proiettile che investe il nucleo
X generando il nucleo Y e la particella b
L’energia di reazione o valore Q è:
Q M a M X M b M Y c 2
dove M sono le masse a riposo
Una reazione caratterizzata da un Q>0 si dice esotermica (viene liberata energia).
Viceversa se Q<0 la reazione è endotermica e necessita quindi energia per avvenire.
L’immissione di energia proviene dall’energia cinetica delle particelle iniziali che si
urtano.
PRODUZIONE
PRODUZIONEDI
DIRADIOISOTOPI:
RADIOISOTOPI:REAZIONI
REAZIONINUCLEARI
NUCLEARI
ESEMPIO:
p 18O18F n
p 1.007825 u
18
O 17.999160 u
18
O p, n 18F
n 1.008665 u
18
F 18.000938 u
Q M a M X M b M Y c 2 2.4 MeV
E’ necessario accelerare
i protoni incidenti
PRODUZIONE
PRODUZIONEDI
DIRADIOISOTOPI:
RADIOISOTOPI:IL
ILCICLOTRONE
CICLOTRONE
Le particelle vengono accelerate dal campo
elettrico nel passaggio tra i due “D”.
All’interno dei “D” risentono dell’azione del
campo magnetico che le confina in una
traiettoria circolare.
All’aumentare della velocità delle particelle
aumenta il raggio di curvatura:
v2
q v b m
R
mv
R
qB
Il tempo richiesto per una rivoluzione completa (periodo T) è:
2 R
2 R
2 m
v
qBR/m
qB
1
qB
La frequenza di ciclotrone: f
T 2 m
T
Non dipende dal raggio di curvatura
(vale per velocità non relativistiche)
PRODUZIONE
PRODUZIONEDI
DIRADIOISOTOPI:
RADIOISOTOPI:IL
ILCICLOTRONE
CICLOTRONE
Extraction system
Magnet pole
RF system (Dee)
Ion source
Targets
Vacuum system
FISSIONE
FISSIONENUCLEARE
NUCLEARE
I neutroni, essendo privi di carica, sono proiettili più efficaci per innescare
reazioni nucleari. E’ utilizzando neutroni che si iniziò a generare nuovi
elementi (transuranici, Np, Pu) e si scoprì il processo di fissione
T1/2: 24110 y
L’energia di legame per nucleone dell’uranio è di circa 7.6 MeV/nucleone ma i
frammenti di fissione hanno massa inferiore ed energia di legame maggiore (circa
8.5 MeV/nucleone). La differenza di massa (o di energia) tra il nucleo originario
e i frammenti di fissione è attorno a 8.5-7.6=0.9 MeV/nucleone. Poiché vi sono
236 nucleoni coinvolti l’energia totale liberata è di circa 200 MeV
FISSIONE
FISSIONENUCLEARE
NUCLEARE
Esempi di fissione:
141
92
n 235
U
Ba
92
56
36 Kr 3n
140
94
n 235
U
Xe
92
54
38 Sr 2n
Distribuzione di massa dei frammenti di
fissione: notare che è poco probabile la
fissione del nucleo in due frammenti di
massa uguale.
I frammenti di fissione hanno un eccesso di
neutroni: sono instabili per emissione spontanea
di neutroni (neutroni ritardati) e danno luogo a
catene di decadimento beta meno
92
36
92
92
Kr 3792Rb38
Sr 92
Y
39
40 Zr
Tutti questi radionuclidi costituiscono scorie di fissione ad elevata attività
FISSIONE
FISSIONENUCLEARE
NUCLEARE
Per sfruttare il processo di fissione per la
produzione di energia è necessario mantenere
una catena di reazioni: i neutroni emessi
devono dar luogo alla fissione di altri nuclei
di uranio-235
K
fissioni alla generazione N 1
fissioni alla generazione N
K 1 regime supercritico
K 1 regime critico
K 1 regime sottorcritico
REATTORE
REATTORENUCLEARE
NUCLEARE
Core del reattore
Componenti principali:
- combustibile (in genere uranio arricchito, cioè dove l’abbondanza isotopica di 235U ~2-3%)
- moderatore per rallentare i neutroni veloci (es. acqua)
- barre di controllo mobili per assorbire i neutroni e regolare di conseguenza la potenza (Cd, B).
- refrigerante per raffreddare il nocciolo e trasportare all’esterno il calore (es. acqua)
- vessel: contenitore in acciaio che contiene il nocciolo, le barre di controllo e il fluido refrigerante
Reattore nucleare naturale (Gabon)
REATTORE
REATTORENUCLEARE
NUCLEARE
La produzione di energia elettrica mediante fissione nucleare è una metodologia “pulita” per
quanto concerne l’emissione di gas serra in atmosfera.
Aspetti importanti da considerare nella valutazione di questa metodica sono:
- Gestione delle scorie su scale temporali di centinaia di migliaia di anni
- Safety (sicurezza degli impianti contro fughe radioattive)
- Security (proliferazione di materiale fissile per scopi bellici)
- Decommissioning
- Disponibilità di combustibile
- Costi
Per approfondimenti: World Nuclear Association
http://www.world-nuclear.org/
REATTORE
REATTORENUCLEARE
NUCLEARE
Ad oggi nel mondo sono operativi circa 440 reattori nucleari in 30 Paesi. Essi sono di II e
III generazione (o III avanzata). Progetti di ricerca sono in corso per sviluppare reattori di
nuova concezione (IV generazione) che dovrebbero:
- essere intrinsecamente più sicuri,
- ridurre le scorie
- sottrarsi alla proliferazione nucleare
http://www.gen-4.org/
