PRODUZIONE DI RADIOISOTOPI
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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/
