Introduzione La presenza di radiazioni ionizzanti (radiazioni nu c l e a ri) non c o n f i g u ra necessariamente una situazione di pericolo o di emergenza: le radiazioni infatti sono da sempre presenti in natura; esse hanno diversa origine: provengono sia dal cosmo che da materiali costituenti la crosta terrestre. All’esposizione naturale l’uomo ha poi aggiunto ulteri o ri irra d i azioni provenienti da part i c o l a ri usi di materiali terrestri, da sos t a n ze ra d i o a t t i ve artificiali, da macchine ra d i o g e n e, dall’impiego dell’energia nucleare. Sono qui di seguito illustrate le d i verse sorgenti di radiazioni ionizzanti, esterne ed intern e all’organismo umano, sono quantizzate le dosi da esse derivanti agli individui della popolaz i o n e. La conoscenza delle sorgenti naturali, e dei va ri aspetti dell’esposizione “fisiologica” alle radiazioni, è di sicuro aiuto nella p rima valutazione di situazioni anomale (o ritenute tali). Modalità di esposizione L’esposizione alle ra d i a z i o n i può av venire con due distinte modalità: • esposizione esterna (o irra ggiamento esterno): le sorgenti di radiazioni sono poste all’esterno dell’organismo; • esposizione interna (o irra ggiamento interno): le sorgenti di radiazioni sono poste all’interno dell’organismo. Queste due modalità di esposizione hanno cara t t e ristiche sostanzialmente diverse; ri s u l t a pertanto ragionevole ed opportuno esaminare le sorgenti esterne ed interne in modo separato. Sorgenti esterne all’organismo Le sorgenti estern e sono di seguito distinte in sorgenti naturali (raggi cosmici e radiazione terrestre) e sorgenti art i f iciali, introdotte cioè dall’attività umana. I c o n t ri buti di dose dov u t i alle varie sorgenti esterne sono riassunti nella tabella 1.
Sorgenti naturali Raggi cosmici Tabella 1 – Dosi medie in Italia per sorgenti esterne Sorgente Equivalente di dose efficacia (mSv) Raggi cosmici 0,35 Radiazione terrestre 0,6 Usi medici delle radiazioni in diagnostica 0,93 Sorgenti naturali modificate, sorgenti tecnologiche <0,02 Esplosioni di ordigni nucleari 0,01 Altre sorgenti 0,05 Totale ~2 Una prima sorgente natura l e che dà luogo ad irra d i a z i o n e esterna è rappresentata dai raggi cosmici. Si tratta di ra d i a z i o n i p r ovenienti dallo spazio – ra d i azioni primarie – che, interagendo con gli atomi degli elementi costituenti l’atmosfe ra, producono altre radiazioni – componenti sec o n d a rie – (radiazioni elettromagnetiche e neutroni) che giungono fin sulla crosta terrestre. La radiazione cosmica pri m aria è prevalentemente di ori g i n e galattica ed in misura minore di origine solare: è costituita fondamentalmente di particelle cariche (per la maggior parte protoni) di e l evata energia in genere compresa tra 102 e 108 MeV. Tali particelle giungendo in prossimità della Te r ra ri s e n t o n o dell’azione deviante del campo magnetico terrestre, e assai di rado riescono a raggiungere direttamente il suolo: in genere vengono imprigionate dal campo magnetico terrestre dando luogo a due cinture di radiazioni poste a qualche migliaio di chilometri dalla terra in posizione simmetrica rispetto all’equatore magnetic o, e note come “cinture di Va n Allen”. Le particelle si mu ovo n o su tra i e t t o rie spiraleggianti intorno alle linee di forza del campo magnetico terrestre con raggi di curvatura che vanno, a seconda dell’energia, da alcune centinaia di metri ad alcuni chilometri. Le cinture si estendono tra ± 60° di latitudine. I raggi cosmici secondari provengono, come detto, dall’interazione dei raggi cosmici pri m a ri con l’atmosfera terrestre: quando le particelle cariche di eleva t a energia urtano gli atomi degli elementi presenti nell’aria perdono energia in processi in cui vengono emessi numerosi prodotti secondari quali mesoni, elettroni, fotoni (raggi °), protoni e neutroni. Alcune di queste particelle e radiazioni secondarie di eleva t a energia danno luogo ad ulteri o ri i n t e razioni creando nu ove part ic e l l e / radiazioni secondarie: da una singola radiazione pri m a ri a possono così deri vare uno sciame di radiazioni secondarie il cui numero può giungere a dive r s e centinaia di migliaia. Molte di queste radiazioni decadono o sono assorbite pri m a di giungere sulla terra; quelle che giungono sulla crosta terrestre sono essenzialmente di due tipi: • radiazione neutronica • radiazione elettromagnetica (1) . Nessun luogo sfugge a questa pioggia inv i s i b i l e, tuttavia essa colpisce alcune parti della terra più di altre: i poli ad esempio ric evono un’intensità maggiore delle regioni equatoriali per l’azione deviante del campo magnetico terrestre sulla radiazione primaria in arrivo; inoltre per una data latitudine, l’intensità aumenta sensibilmente al crescere d e l l ’ a l t i t u d i n e, perché diminu i s c e la quantità di aria che fa da s c h e rmo: a circa 1500 metri di altezza l’intensità è doppia rispetto al valore ri s c o n t rato al livello del mare. Il massimo dell’intensità di dose si riscontra a circa 20 Km di altezza: a questa quota i raggi cosmici sono ormai quasi completamente di natura s e c o n d a ria; a quote maggiori benché sia presente anche la componente pri m a ria (che aumenta di intensità fino all’estremo limite dell’atmosfera) la componente secondaria si affievo l isce sempre più. Alle nostre latitudini ed al livello del mare l’equivalente di dose al corpo intero è valutabile in circa 0.30 mSv/anno (30 mrem/anno), mentre la media tra le prov i n c i e italiane sale a 0.35 mSv/anno. Un viaggio aereo espone i pass e g g e ri e l’equipaggio ad intensità di dose ben più eleva t e, anche se ogni volta per brevi peri o d i di tempo: il rateo di equivalente di dose a 10 Km di altitudine è circa 100 volte superiore a quello ris c o n t rato al livello del mare. Un viaggio da Roma a New Yo rk e rit o rno con un volo di linea espone un passeggero a circa 50 µSv (5 mrem) mentre lo stesso viaggio e f fettuato con un apparecchio supersonico comporta una dose p a ri a circa il 20% in meno: l’apparecchio supersonico infatti vo l a a quota più alta, esponendo dunque i passeggeri ad intensità m a g g i o ri, ma compie il viaggio in tempi più brevi (figura 1). Radiazione terrestre Una seconda sorgente naturale responsabile dell’irra g g i a m e nto esterno è costituita dai materiali radioattivi naturali presenti nel terreno ed in particolare nel suolo e nelle rocce: si tratta di radionuclidi con tempo di dimezzamento comparabile con l’età della terra, che formatisi alla nascita ANTINCENDIO novembre 1997 ESPOSIZIONE ALLE RADIAZIONI IONIZZANTI 16 (1 ) La componente neutronica dà un c o n t ri buto infe riore a quella elettromagnetica in termini di dose assorbita, ma tale c o n t ri buto diviene più ri l evante in termini di e q u i valente di dose. ESPOSIZIONE ALLE RADIAZIONI IONIZZANTI del nostro pianeta (ra d i o nu c l i d i p rimordiali) non sono ancora completamente decaduti. I pri ncipali sono costituiti dalle serie di elementi radioattivi (“famiglie rad i o a t t i ve”) che deri vano dal decadimento dell’uranio 238 e del torio 232; ad essi si aggiungono poi il potassio 40, ed in misura minore il rubidio 87 e la famiglia dell’uranio 235. Le tabelle 2, 3, 4 riportano alcune cara t t e ristiche di interesse dei ra d i o nuclidi della fa m i g l i a d e l l ’ u ranio 238, del torio 232, nonché di altri nuclidi primordiali. In appendice è descritto il fenomeno che determina la formazione delle famiglie ra d i o a t t i ve a p a rtire dal capostipite ed il ra ggiungimento dell’equilibrio secolare; oltre ad una impostazione analitica del fenomeno è presentata un’interessante analogia idraulica. I raggi gamma provenienti dai ra d i o nuclidi naturali determ i n a n o i r raggiamento estern o. L’ e s p o s izione alla radiazione terrestre avviene sia all’aperto che all’interno degli edifici: i materiali da costruzione infatti contengono i ra d i o nu c l i d i in esame. I mu ri peraltro costituiscono una barriera per i raggi cosmici e per la ra d i a z i o n e terrestre proveniente dall’esterno, dunque il soggiorno in casa per un ve r s o a g g i u n g e, e per un altro sottra e irradiazione corporea. Il risultato complessivo, in Italia è moderatamente positivo (aumento dell’irraggiamento indoor) specialmente in quelle regioni in cui le case sono costruite utilizzando tufo, granito, pozzolana. La radiazione terrestre, anche all’aperto, ha un’intensità alquanto va riabile da luogo a luogo, in relazione alle va riazioni delle c o n c e n t razioni dei materiali radioattivi nella crosta terrestre. Secondo studi effettuati dall’UNSCEAR (United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation) l’intensità di e q u i valente di dose dovuta alla radiazione terrestre oscilla per lo più, nelle varie zone abitate della terra, tra 0.3 e 0.6 mSv/anno. Esistono tuttavia particolari siti nel globo terrestre con elevata concentrazione di minerali uraniferi o di torio dove l’intensità della radiazione è ben maggiore e raggiunge, non solo in zone disab i t a t e, va l o ri da 100 a 400 mSv/anno (2). La media italiana si attesta su 0,6 mSv/anno ( a l l ’ a p e rto) con una dev i a z i o n e standard di 0,3 mSv/anno.La radiazione terrestre diviene trascurabile sulla superficie del mare e dei laghi grazie alla azione ANTINCENDIO novembre 1997 ESPOSIZIONE ALLE RADIAZIONI IONIZZANTI 18 Tabella 3 – Famiglia del Torio 232 Tabella 4 – Altri nuclidi primordiali Radionuclide Numero Tempo di Modi di Nuclidi Energie delle principali Costante specifica atomico dimezzamento decadimento generati radiazioni emesse gamma e percentuali (mev) Alfa beta gamma C*m2 * 10-18 R*m2 kg * s * Bq h * Ci Th 232 90 1.405 a a 100 Ra 228 4.010 – 0.059 – – 3.952 3.828 Ra 228 88 5.75 b- 100 Ac 228 – 0.048 0.0263 – – 0.024 Ac 228 89 6.13 h b- >
;99 Th 228 4.27 1.2 0.911 – – a <1 Fr 224 2.1 0.969 Th 228 90 1.9131 a a 100 Ra 224 5.423 – 0..0845 0.0023 1,187*10-3 5.340 0.2160 Ra 224 88 3.66 g a 100 Rn 220 5.686 – 0.2410 0.0095 4.904*10-3 Rn 220 86 55.6 s a 100 Po 216 6.288 – 0.5420 0.004 2.065*10-3 Po 216 84 0.15 s a 100 Pb 212 6.779 – 0.806 – – Pb 212 82 10.64 h b- 100 Bi 212 – 0.28 0.2386 0.128 0.066 0.57 Bi 212 83 60.55 min a 35.93 Po 212 6.090 2.27 0.0399 0.101 0.052 b- 64.07 TI 208 6.051 1.55 Po 212 84 0.305ms a 100 Pb 208 8.785 – – – – Stabile Ramificazione Fr 224 87 3.3 min b- 100 Ra 224 – 2.6 0.216 – – 2.8 0.132 TI 208 81 3.07 min b- 100 Pb 208 – 1.796 2.6144 2.911 1.503 Stabile 1.29 0.5831 Radionuclide Numero Abbond. Tempo di Modi di Nuclidi Energie delle principali Costante specifica atomico isotopica dimezzamento decadimento generati radiazioni emesse gamma e percentuali (mev) Alfa beta gamma C*m2*10-18 R*m2 kg * s *Bq h * Ci K 40 19 0.0117 1.28*109a C.E. 10.83 Ar 40 – 1.3116 1.4609 0.1555 0.080 b- 89.17 Ca 40 Stabili Rb 87 37 27.85 4.7*1010a b- 100 Sr 87 – 0.274 – – – Stabili ESPOSIZIONE ALLE RADIAZIONI IONIZZANTI schermante dell’acqua. I raggi cosmici e la ra d i a z i o n e terrestre costituiscono nel loro insieme il “fondo naturale”, responsabile di un contributo di dos e, in media, di circa 1 mSv all’anno. Sorgenti introdotte dall’attività umana L’uomo determina un incremento “artificiale” della dose di radiazioni, ricevuta dai singoli individui e dall’umanità nel suo insieme, sia con l’impiego di tecnologie nu c l e a ri esteso ormai in moltissimi campi (dalla medicina alle armi, dalla produzione di energia alla ri velazione degli incendi, dalla ricerca di minerali alla biologia), sia ancora con la modifica (a volte invo l o n t a ria) di sorgenti naturali. Le dosi derivanti dalle sorgenti “artificiali“ di radiazioni ionizzanti sono in generale minori di quelle d e ri vanti da radiazioni di ori g i n e naturale. Le sorgenti introdotte dall’attività umana producono tanto irraggiamento interno quanto esterno; sono qui di seguito esaminate le sorgenti di irraggiamento esterno. Radiazioni in campo medico Gli usi medici delle radiazioni sono responsabili della quasi totalità della dose derivante da sorgenti artificiali. Le ra d i a z i o n i vengono usate sia per diagnostica che per terapia. Le macchine a raggi x, da tempo capillarmente diffuse in ambito medico, costituiscono uno degli s t rumenti più utili al s e rvizio della medicina, le nuove sofisticate tecniche diagnostiche che utilizzano radioisotopi sono poi in creANTINCENDIO novembre 1997 19 (2) Per avere una percezione più immediata dei suddetti campi di radiazione, si segnala che a tali va l o ri corri s p o n d o n o all’incirca intensità di esposizione di 1-4 mRoentgen/ora. Tabella 5 – Diagnostica con raggi X: frequenza degli esami e dosi derivanti Tipologia di esame Numero di esami Equivalente di dose Contributo per 1000 persone efficace p e r c e n – tuale alla (mSv) dose collettiva totale Radiografia del torace 171 0.14 2 Schermografia del torace 260 0.52 14 Fluoroscopia del torace 33 0.98 3 Estremità 121 0.06 0.8 Colonna vertebrale 54 1.7 10 Pelvi 21 1.2 3 Anca/femore 12 0.92 1 Cranio 40 0.16 0.7 Addome 32 1.1 4 Tratto gastrointestinale 52 4.1 23 superiore Tratto gastrointestinale 11 7.2 9 inferiore Colecistografia 9 1.5 1 Urografia 14 3.1 5 Angiografia 6 6.8 5 Mammografia 12 1.0 1 Tomografia computerizzata 39 4.3 18 Totale 887 – 100 Eq. Dose media per esame – 1.05 – (mSv) Eq. di dose media annuale – 0.93 – per persona scente diffusione, infine, il trattamento con le radiazioni, sommin i s t rate con diverse modalità, è una delle principali terapie nella lotta contro i tumori. Tra i va ri impieghi delle ra d i azioni sopra menzionati, l’uso diagnostico dei raggi x costituisce certamente la sorgente più diffusa in campo medico. La frequenza degli esami radiologici varia da paese a paese; in Italia siamo a circa 900 radiografie all’anno ogni 1000 abitanti (escluse le ra d i o grafie ai denti), in linea con le medie dei paesi industrializzati dove si hanno val o ri compresi tra 300 e 1000 rad i o grafie all’anno ogni 1000 abitanti. La tabella 5 illustra la dose deri vante dai più significativi esami diagnostici condotti con raggi x, nonché la frequenza (su base annuale) di tali esami per un campione di 1000 persone in Italia. In radiologia terapeutica sono s o m m i n i s t rate al singolo paziente dosi molto più elevate che in diagnostica: possono essere raggiunti va l o ri di decine di Sv di equivalente di dose all’organo in cura. Il numero di coloro che sono irraggiati è tuttavia una piccola percentuale della popolazione. In queste condizioni, per non rischiare di dare un p e r fetto esempio della “media di Trilussa”, ha poco senso parlare di dosi medie nazionali pro capite. Sorgenti naturali modificate-sorgenti tecnologiche Sorgenti nei prodotti da costruzione In edilizia si utilizzano materiali naturali in cui sono presenti quegli stessi radioisotopi che trov i amo nel terreno e nelle rocce. L’uomo costruendo viene dunque a modificare alcune sorgenti nat u rali, determinando delle va ri azioni sull’irraggiamento estern o di cui già si è parlato. In Italia i materiali da costruzione che determinano un aumento dell’irraggiamento sono principalmente il tufo, molto usato in Campania e nel Lazio, e il granito, diffuso in alcune parti dell’arco alpino. Questi due materi a l i contengono sensibili quantitativi di Th232, Ra226, K40. Altri materiali edilizi ad elevato c o n t e nuto di radioisotopi ed in particolare di Ra226 sono: • il “gesso fo s fatico”, ottenu t o come sottoprodotto dell’indus t ria dei fe rtilizzanti fo s fa t i c i ed utilizzato come isolante t e rmico ed acustico, in part icolare in edifici prefabbricati; • le ceneri di combustione del carbon fossile (ceneri volanti) utilizzate nell’industria del cemento. Viaggi aerei Una seconda situazione di irraggiamento esterno, di tipo tecnologico è costituita dai viaggi aerei; di essi si è già parlato. Sorgenti in prodotti di consumo, apparecchiature, manufatti Piccole sorgenti ra d i o a t t i ve trovano utilizzo in prodotti di largo consumo; è il caso degli orologi con quadrante reso luminescente mediante ve rnici contenenti ra d i o 2 2 6 e solfuro di zinco: le ra d i azioni alfa emesse dal radio producono scintillazione nel solfuro di zinco, determinando la cara tt e ristica luminescenza. Secondo valutazioni dell’UNSCEAR un orologio con radio 226 portato al polso per 16 ore al giorno per tutto l’anno è responsabile di un e q u i valente di dose alle gonadi di 0,04 mSv. Hanno anche avuto diffusione orologi resi luminescenti con sostanze radioattive a base di tritio: la dose deri va n t e dal loro uso è quasi nulla in quanto il trizio non emette radiazione gamma (è un beta emettitore puro). Un’altra sorgente nei prodotti di consumo è costituita da alcuni tipi di reticelle usate nelle lampade da campeggio, a cui sono aggiunti piccoli quantitativi di tori o ; tale elemento viene aggiunto perché, avendo un elevato peso atomico è in grado di spostare la lunghezza d’onda della radiazione (non ionizzante) emessa dalla lampada verso il campo del visib i l e, e confe risce pertanto maggior luminescenza alle lampade stesse migliorandone il funzionamento. La dose da irraggiamento e s t e rno deri vante dall’uso delle descritte reticelle è estremamente modesta. Si ricordano poi i rive l a t o ri di fumo a camera di ionizzazione utilizzanti piccole sorgenti di americio 241 o radio 226 nonché i parafulmini “radioattivi”, diffusi non molti anni or sono, contenenti gli stessi radioisotopi. In entrambe i casi la dose da irraggiamento esterno deri va n t e dalla vicinanza di tali manufatti è di entità estremamente modesta ANTINCENDIO novembre 1997 ESPOSIZIONE ALLE RADIAZIONI IONIZZANTI 20 ESPOSIZIONE ALLE RADIAZIONI IONIZZANTI e confrontabile con le fluttuazioni del fondo naturale. Si menzionano ancora gli apparecchi televisivi che producono raggi x di energia modesta (14 keV i televisori in bianco e nero, 25 keV quelli a colori); tali radiazioni sono in
buona parte assorbite dalle strutture stesse degli apparecchi, l’irraggiamento subito dagli spettatori risulta pertanto minimo. A titolo orientativo si segnala che a 5 cm dal video si riscontra un’intensità di esposizione dell’ordine di 0,05 – 0,1 mR/h. Senza la pretesa di aver fornito una panoramica esaustiva delle sorgenti presenti nei prodotti di consumo, si ricordano qui da ultimo, come sorgenti, alcune protesi dentarie in porcellana contenenti ura n i o, che danno piccole dosi alla mucosa gengiva l e (qualche mSv/anno) e i ve t ri al piombo delle lenti degli occhiali per la correzione di vizi di ri f razione che possono contenere radiopiombo e radioattinio e sono così responsabili di piccolissime dosi alla cornea. Sorgenti nella produzione di energia L’ e s t razione e la combu s t i o n e del carbone determinano la liberazione e l’immissione nell’ambiente di parte dei ra d i o nu c l i d i n a t u rali della serie dell’ura n i o 238 e del torio 232 contenuti nel carbone stesso. Si segnala a tal riguardo che il carbone ha un contenuto medio di 1,7 ppm di uranio e 3,3 ppm di torio (in totale 5 grammi per tonnellata) con un’attività compless i va di circa 50.000 Bq per tonnellata. Il quantitativo complessivo di u ranio e di torio associato alla produzione di carbone è rilevante, tuttavia solo una parte modesta finisce nell’atmosfe ra (almeno se il carbone è usato nelle grandi centrali termoelettriche): il resto si ritrova nelle ceneri e nelle scorie deri vanti dalla combustione. Il petrolio ed i suoi derivati sono praticamente esenti da sos t a n ze ra d i o a t t i ve, mentre il metano ha un discreto contenuto di gas radon (3), responsabile peraltro quasi esclusivamente di irraggiamento intern o. Quanto alla produzione di energia elettri c a per via nu c l e a r e, tralasciando il possibile ve rificarsi di incidenti, l’irraggiamento dovuto al normale funzionamento di una centrale è stato valutato pari a 0,01 – 0,02 mSv/anno per chi abita lungo il recinto di una centra l e, mentre diventa trascurabile altrove. Esplosioni di ordigni nucleari L’esplosione di ordigni nu c l e a ri in atmosfe ra produce, tra gli altri e f fetti, una serie di frammenti radioattivi che ricadono successivamente a terra (fall-out); alcuni f rammenti ricadono in luoghi relat i vamente vicini all’esplosione ed in tempi brevi (da qualche ora a qualche giorno), altri ri m a n g o n o nella troposfe ra (lo strato più basso dell’atmosfe ra) e vengono trascinati dal vento per poi ri c a d e r e in un arco temporale di circa un mese; buona parte dei fra m m e n t i viene infine spinta nella stra t o s fera, lo strato superiore dell’atmos fe ra, ad un’altitudine da 10 a 50 c h i l o m e t ri circa, dove rimane per molti mesi o addiri t t u ra anni per poi ricadere lentamente sulla terra, anche molto lontano dal luogo d e l l ’ e s p l o s i o n e. Le bombe atomiche di prova esplose negli anni ‘50 e ‘60 hanno dato luogo a ricadute radioatt i ve con due picchi tempora l i registrati nel 1958 e nel 1962. Le esplosioni sotterra n e e, in part e a n c o ra in corso, non producono generalmente ricadute. I radionuclidi depositati al suolo nella ricaduta, hanno costituito e costituiscono ancor oggi una lievissima sorgente di irra d i a z i o n e esterna. Tra i va ri ra d i o nuclidi coinvo l t i in una ricaduta i principali, in ordine decrescente di import a n z a sono: il carbonio 14 (T1/2 = 5730 anni), il cesio 137 (T1/2 = 30 anni), lo stronzio 90 (T1/2 = 30 anni) e lo zirconio 95 (T1/2 = 64 giorni); tali ra d i o nuclidi determinano una intensità di esposizione decrescente nel tempo. Senza addentrarci in calcoli complessi concludiamo segnalando che l’equivalente di dose annua dovuta alle ricadute oggi in Italia si aggira mediamente su 0,01 mSv/anno. ANTINCENDIO novembre 1997 21 (3) Va l o ri tipici di concentrazione sono dell’ordine di 400-800 Bq/mc. (4) L’impegno di equivalente di dose da irradiazione esterna dovuto alla ricaduta. Si segnala tuttavia che l’integrale complessivo del rateo di equivalente di dose per una persona ipotetica di vita infinita dal momento della ricaduta (anni 50) all’eternità (4), alle nostre latitudini è valutabile in circa 1 mSv. Sorgenti interne all’organismo Anche per le sorgenti intern e all’organismo distinguiamo nel seguito sorgenti naturali e sorgenti introdotte dall’attività umana. I contributi di dose dovuti alle va rie sorgenti interne sono riassunti nella tabella 6. Sorgenti naturali Alcuni radionuclidi naturali fanno parte del nostro organismo e costituiscono una “contaminazione fisiologica”, non eliminabile. E’ innanzi tutto il caso del potassio 40. Tutti i tessuti vive n t i contengono potassio; nell’organismo umano esso è presente in ragione di 2 grammi per chilogrammo di peso corp o r e o. Considerato che lo 0,0117% del potassio esistente in natura è potassio 40 (si veda tabella 3) e che questo radionuclide ha un’attività specifica di circa 258.000 Bq/g (♠7 µCi/g), l’attività del potassio 40 presente nel corp o umano è pari a circa 60 Bq per Kg di peso corporeo: una persona media del peso di 80 Kg ha dunque un’attività complessiva di 4.800 Bq (♠ 0,13 µCi). L’ e q u i valente di dose al corp o intero deri vante dalla presenza del potassio 40 è valutabile in 0,18 mSv/anno. Altri ra d i o nu c l i d i naturali presenti nel corpo sono: Carbonio 14, Berillio 7, Sodio 22 e Tri z i o. Si tratta di ra d i o nu c l i d i prodotti dall’interazione dei raggi cosmici con l’atmosfe ra (nu c l i d i cosmogenici); a parte il C 14 essi producono un assorbimento di dose quasi trascurabile. Nella tabella 7 sono riportati i valori di introduzione annua dei suddetti rad i o nuclidi, le dosi da essi derivanti; la tabella 8 ri p o rta alcune loro cara t t e ristiche fisico-nu c l e a ri . Modeste quantità di radionuclidi delle famiglie dell’uranio e del torio sono presenti negli alimenti e in alcuni casi nell’acqua. Salvo casi particolari riscontrabili in regioni del globo con anomalie evidenti di cui già si è fatto cenno, le dosi deri vanti da Ura n i o, To rio e ANTINCENDIO novembre 1997 ESPOSIZIONE ALLE RADIAZIONI IONIZZANTI 22 Tabella 6 – Dosi medie in Italia per sorgenti interne Tabella 7 – Introduzione nell’organismo nuclidi cosmogenici Sorgente Equivalente Parte del corpo Fattori di Equivalente di di dose interessata ponderazione dose efficace (mSv) (mSv) Potassioo 40 0.18 tutto il corpo 1 0.18 Raadon e suoi disccendenti 8 polmoni 0.12 1 Nuclidi cosmogenici 0.01 tutto il corpo 1 0.01 Medicina nucleare varie parti < 0.05 Esplosioni di ordigni nucleari varie parti < 0.01 Altre sorgenti varie parti < 0.01 Totale = 1.2 Radionuclide Introduzione Equivalente di annua dose (bq/anno) (mSv/anno) C14 20000 12 Be 7 1000 0.03 Na 22 50 0.15 H 3 500 0.01 ESPOSIZIONE ALLE RADIAZIONI IONIZZANTI loro discendenti negli alimenti sono assai basse, dell’ordine di 10-20 mSv/anno. Un consistente contributo all’irradiazione interna deri va inve c e dall’inalazione del Radon; si tratta di un gas inodore, incolore, non percepibile dai nostri sensi e più pesante dell’aria. Il radon ha due forme principali: Rn 222 app a rtenente alla famiglia dell’uranio 238 e Rn 220 della fa m i g l i a del Th 232; il primo è il maggior responsabile dell’assorbimento di dose da parte dell’organismo. Il radon è un gas nobile ed è pertanto chimicamente inerte: se res p i rato non viene assorbito dall’organismo ed è riespulso durante l’espirazione; gli atomi di radon che però si disintegrano (con emissione di una particella alfa ) d u rante la breve perm a n e n z a n e l l ’ a p p a rato respira t o ri o, si tras fo rmano in Polonio ra d i o a t t i vo, s o l i d o, che rimane nelle vie respira t o rie e che a sua volta dà vita al resto della catena ra d i o a t t i va. L’assorbimento di dose prodotto dalla inalazione di radon quindi è dovuto prevalentemente alle radiazioni dei figli del radon piuttosto che a quelle emesse dal gas stesso. In ogni caso si tratta di dose ricevuta quasi esclusivamente dall’apparato respira t o ri o (bron
chi, bronchioli ed alve o l i polmonari). Il radon viene emesso dal suolo, dalle rocce e dai materiali che contengono uranio o tori o ; a l l ’ a p e rto la concentrazione di questo gas è assai modesta in quanto il gas si disperde: oscilla tra 0,1 e 10 Bq/mc. Al chiuso inve c e, ed in particolare nelle case, specie se costruite con materiali tufacei e se risultano poco ve n t i l a t e, si ri s c o n t rano concent razioni ben più eleva t e, almeno di un ordine di grandezza. Va l o ri dell’ordine di un centinaio di Bq/mc (ed oltre) si trovano spesso nelle comuni abitazioni, pur essendo la concentra z i one di radon fo rtemente dipendente dai materiali utilizzati, dalle tecniche costru t t i ve, dai ri c a m b i d’aria; all’interno il radon si concentra negli spazi chiusi, filtrando dal terreno attraverso il pavimento o dagli stessi materiali da cos t ru z i o n e. Al chiuso dunque le persone risultano più esposte a questa sorgente. Considerando un individuo medio che trascorre un quarto del suo tempo all’aria aperta e tre q u a rti entro edifici, e facendo riferimento a concentrazioni medie di gas radon, l’equivalente di dose ai polmoni che ne deriva risulta di circa 8 mSv/anno, corrispondenti ad un’equivalente di dose efficace (assumendo per il fattore di ponderazione wt il valore 0,12 previsto dal D. L g s. 230/95) pari a circa 1 mSv/anno. Sorgenti introdotte dall’attività umana ANTINCENDIO novembre 1997 23 Tabella 8 – Caratteristiche nuclidi cosmogenici Radionuclide Numero Tempo di Modi di Nuclidi Energie delle principali Costante specifica atomico dimezzamento decadimento generati radiazioni emesse gamma e percentuali (mev) Alfa beta gamma C*m2 * 10-18 R*m2 kg * s * Bq h * Ci C 14 6 5730 a b- 100 N. 14 – 0.1565 – – – Stabile Be 7 4 53.2 g C.E. 100 Li 7 – – 0.4776 0.0029 1.497*10-3 Stabile Na 22 11 2.602 a C.E. 10 Ne 22 – 0.5455 1.2745 2.309 1.192 b- 90 Stabile H 3 1 12.34 a b- 100 He 3 – 0.01862 – – – Stabile Le sorgenti interne introdotte dall’attività umana sono di entità alquanto modesta, e ve n g o n o p e rtanto qui trattate in un unico paragrafo. Sorgenti di impiego medico Le applicazioni diagnostiche degli isotopi radioattivi usati in medicina nucleare danno una piccola dose media pro capite alla popolazione stimabile pari ad un valore infe riore a 0,05 m S v / a n n o. Le applicazioni terapeutiche determinano dosi solo a pochi individui e non ve n g o n o pertanto qui prese in esame. Sorgenti naturali modificate La situazione più evidente di modifica (involontaria) di sorgenti n a t u rali si ri s c o n t ra per il ra d o n , ed è rappresentata dalla costruzione di abitazioni. Come già evidenziato la dose dovuta al radon è presa in massima parte al chiuso. L’uso del carbone dà luogo come già detto ad immissione in atm o s fe ra (insieme alle polve ri) di ra d i o nuclidi della serie dell’uranio e del torio, e determina pertanto anche un aumento, peraltro m o d e s t o, della dose interna. Gli effetti dell’estrazione del metano sono ancora più modesti. Sorgenti nei prodotti di consumo Gli orologi luminescenti con s o s t a n ze ra d i o a t t i ve non fo rn iscono contri buti di dose intern a ; analoga situazione si verifica nel caso dei ri ve l a t o ri di fumo a camera di ionizzazione e dei parafulmini radioattivi, purché le sorgenti siano integre. Nemmeno gli apparecchi televisivi, ov v i a m e nte, possono determinare dose interna. Quanto infine alle reticelle delle lampade da campeggio, è ipotizzabile un modestissimo c o n t ri buto alla dose interna in particolare in occasione della sostituzione delle reticelle stesse, che dopo l’uso divengono fragili. Esplosioni di ordigni nucleari Le ricadute ra d i o a t t i ve delle esplosioni determinano evidentemente anche una modesta irradiazione interna. Si segnalano in particolare lo stronzio 90 ed il cesio 137 che, entrati nelle catene alimentari, si fissano ri s p e t t i vamente nelle ossa e nel tessuto muscolare dei soggetti che mangiano gli alimenti contaminati. La dose dovuta al fall-out per irraggiamento interno è quantitat i vamente confrontabile con l’analoga dose per irraggiamento esterno e risulta pertanto di circa 0,01 mSv/anno. Conclusioni Le figure 2, 3 e 4 ri a s s u m o n o sinteticamente le principali sorgenti di radiazioni interne ed e s t e rne all’organismo e le dosi da esse deri vanti. Appare ev idente che l’impiego delle ra d i azioni in campo medico è responsabile del maggior contri buto di dose dovuto alle sorgenti “art i f iciali” e rappresenta un va l o r e non del tutto trascurabile rispetto al fondo naturale. L’uso medico delle ra d i a z i o n i produce benefici tangibili sui pazienti, ed è pertanto da sempre socialmente accettato; la cresciuta attenzione alla sicurezza nelle più svariate attività umane, che pervade ormai da qualche anno la nostra cultura, ha tuttavia giustamente indotto il legislatore a regolamentare in modo più maturo tale uso delle radiazioni. Il decreto legislativo 230/95, nu ova norm a t i va che disciplina l’utilizzo delle radiazioni ionizzanti, contiene una sezione (capo IX sez. II) espressamente dedicata alla radioprotezione dei pazienti; in essa vengono impartite una s e rie di disposizioni volte da un lato a limitare l’uso delle ra d i azioni ai casi di reale necessità dall’altro ad assicurare ai pazienti un servizio più qualificato sia per la richiesta prepara z i o n e specialistica dei medici che per i più attenti criteri e modalità di impiego delle radiazioni. Si osser va che la dose mediamente assorbita da un individuo per la natura l e, inevitabile esposizione alle radiazioni ri s u l t a maggiore del limite di dose per gli individui della popolazione, fissato dal D.Lgs. 230/95 pari a 1 mSv per anno solare; tale limite fa evidentemente ri fe rimento a dose assorbita in aggiunta a ANTINCENDIO novembre 1997 ESPOSIZIONE ALLE RADIAZIONI IONIZZANTI 24 ESPOSIZIONE ALLE RADIAZIONI IONIZZANTI quella “fisiologica”. La valutazione del superamento della soglia di dose fissata dalla legge, e quindi l’esistenza di una situazione di peri c o l o, s e m b ra dunque richiedere la dis c riminazione tra “contri buto fisiologico” e “contributo anomalo” di dose; tale distinzione assai spesso non risulta fa c i l m e n t e operabile. Le sorgenti di radiazioni sono ubiquitarie; alcune sorgenti sono, come visto, addiri t t u ra natura lmente presenti all’interno dell’organismo umano (si pensi al caso del potassio 40). La presenza di radiazioni ionizzanti non comporta necessari amente l’esistenza di pericolo. Si ritiene che la conoscenza degli argomenti che sono stati qui illustrati (ed in particolare delle sorgenti fisiologiche e del loro c o n t ri buto di dose) possa costituire un utile elemento per evitare eccessivi o ingiustificati allarmismi. Appendice Famiglie radioattive ed equilibrio secolare Un ra d i o nuclide è un nu c l i d e instabile che, dopo un certo temp o, più o meno lungo, (secondi, o r e, giorni, anni, millenni…), “si d i s i n t e gra”, cioè si tra s fo rma in un altro nuclide. Il processo di tra s fo rm a z i o n e dà luogo all’emissione di ra d i azioni nu c l e a ri; sono possibili diversi tipi di tra s fo rmazioni (alfa , beta, altro), a cui corri s p o n d e l’emissione di diverse radiazioni. Il nuclide che si viene a formare in seguito alla tra s fo rm a z i o n e è detto “nuclide figlio”; esso in molti casi è a sua volta instabile e dopo un certo tempo si trasformerà in un altro nuclide; anche quest’ultimo potrebbe essere instabile e dar luogo alla formazione di un figlio, e così via fino al raggiungimento di un nuclide stabile: a partire da un nuclide radioattivo capostipite si può avere attraverso una successione di diANTINCENDIO novembre 1997 25 Fig. 4 – Dosi medie complessive Fig. 3 – Dosi medie per sorgenti interne Fig. 2 – Dosi medie per sorgenti esterne sintegrazioni alfa o beta, una int e ra serie di ra d i o nuclidi che prende nel suo complesso il nome di “famiglia radioattiva”. In natura esistevano quattro famiglie radioattive, di esse ne restano oggi solo tre. Famiglia del Torio Esist
e in natura. Comincia con il torio 232 e termina con il piombo 208. La famiglia è anche nota come “ famiglia 4n” dove n è un nu m e r o intero che va ria da 58 (58*4 = 232 numero di massa del torio) a 52 (52*4 = 208 numero di massa del piombo). E’ interessante osservare che il tempo di dimezzamento del capostipite Th232 è dell’ordine dei miliardi di anni (1.39 * 101 0 a nni). Le cara t t e ristiche dei ra d i o nu c l idi appartenenti alla famiglia del torio sono ri p o rtate nella tabella 3. Famiglia del Nettunio Esiste parzialmente in natura ed è stata definitivamente inquadrata soltanto dopo lo studio della radioattività artificiale. Essa inizia con il Pu 241 e finiANTINCENDIO novembre 1997 ESPOSIZIONE ALLE RADIAZIONI IONIZZANTI 26 Tabella 9 – Famiglia del nettunio Radionuclide Numero Tempo di Modi di Nuclidi Energie delle principali Costante specifica atomico dimezzamento decadimento generati radiazioni emesse gamma e percentuali (mev) Alfa beta gamma C*m2 * 10-18 R*m2 kg * s * Bq h * Ci Pu 241 94 14.4 a b- >99.99 Am 241 4.979 0.0208 – – – a 0.00245 U 237 0.238 Am 241 95 432.2 a a 100 Np 237 5.486 – 0.0595 0.025 0.0129 5.443 0.0263 Np 237 93 2.14*106a a 100 Pa 233 4.789 – 0.0865 0.0372 0.0192 4.772 0..0571 Pa 233 91 27.0 g b- 100 U 233 – 0.254 0..3119 0.149 0.0769 0.154 0.58 U 233 92 1.585*105a a 100 Th 229 4.825 – 0.0424 – – 4.783 0.2403 Th 229 90 7340 a a 100 Ra 225 4.846 – 0.1936 0.0240 0.0124 4.902 0.0313 Ra 225 88 14.8 g b- 100 Ac 225 – 0.320 0.040 0.0333 – Ac 225 89 10 g a 100 Fr 221 5.830 – – – 0.0172 5.794 Fr 221 87 4.8 min a 100 At 217 6.341 – 0.2180 0.0314 – 6.127 At 217 85 32.3 ms a >95 Bi 2133 7.069 – 0.259 – – b- <5 Rn 217 0.334 0.0162 0.595 Bi 213 83 45.65 min a 2.16 TI 209 5.870 1.39 0.4397 – – b- 97.84 Po 213 5.552 0.96 Po 213 84 4.2 ms a 100 Pb 209 8.376 – – – – 7.613 Pb 209 82 3.253 h b- 100 Bi 209 – 0.645 – – – Stabile Ramificazione U 237 92 45.65 min b- 100 Np 237 – 0.248 0.0595 0.0854 0.044 0.2079 Rn 217 86 0.54 ms a 100 Po 213 7.740 — – – – TI 209 81 2.20 min b- 100 Pb 209 – 1.8 1.566 2.047 1.056 0.456 0.1172 ESPOSIZIONE ALLE RADIAZIONI IONIZZANTI sce con il Bi 209. E’ anche indicata come fa m iglia “4n + 1”, dove l’intero n varia da 60 per il Pu 241 a 52 per il Bi 209. Il tempo di dimezzamento del capostipite della famiglia (Pu 241) è pari a 14 anni; in natura quindi esso non esiste, tuttav i a dopo un decadimento beta meno ed uno alfa, si perviene al Nettunio 237, il quale ha un tempo di dimezzamento maggiore di tutti gli altri membri della famiglia: T1/2 del Np 237 = 2,14*106 anni La famiglia è stata dunque chiamata con il nome di questo apparente capostipite. Le cara t t e ristiche dei ra d i o nuclidi appartenenti alla fa m i g l i a del nettunio sono ri p o rtate nella tabella 9. Famiglia dell’Uranio Esiste in natura. Comincia con l’U 238 e finisce con il Pb 206. E’ anche indicata come fa m i g l i a “4n + 2”, dove l’intero n varia da 59 per l’U 238 a 51 per il Pb 206. Il tempo di dimezzamento del capostipite (U 238) è di 4,5 * 109 anni. Le cara t t e ristiche dei radionuclidi appartenenti alla famiglia dell’uranio sono ri p o rtate in tabella 2. Famiglia dell’Attinio Esiste in natura. Comincia con l’U 235 e termina con il Pb 207. E’ anche indicata come fa m i g l i a “4n + 3” dove l’intero n va ria da 58 per l’U 235 a 51 per il Pb 207. Il tempo di dimezzamento del capostipite, cioè dell’U 235 è di 7,038*108 anni. Le cara t t e ristiche dei ra d i o nuclidi appart eANTINCENDIO novembre 1997 27 Tabella 10 – Famiglia dell’attinio Radionuclide Numero Tempo di Modi di Nuclidi Energie delle principali Costante specifica atomico dimezzamento decadimento generati radiazioni emesse gamma e percentuali (mev) Alfa beta gamma C*m2 * 10-18 R*m2 kg * s * Bq h * Ci U 235 92 7.038*108 a a 100 Th 231 4.398 – 0.1857 0.137 0.071 4.366 Th 231 90 25.52 h b- 100 Pa 231 – 0.299 0.0256 0.0118 6.892*10-3 0.218 Pa 231 91 3.276*104 a a 100 Ac 227 4.950 – 0.3025 0.0306 0.0158 5.029 0.2999 Ac 227 89 21.773 a b- 98.62 Th 227 4.941 0.044 0.0955 – – a 1.38 Fr 223 4.954 0.1600 Th 227 90 18.718 g a 100 Ra 223 6.038 – 0.2360 0.007 3.614*10-3 5.978 0.2562 5.757 Ra 223 88 11.434 S a 100 Rn 219 5.716 – 0.2694 0.0647 0.0334 5.607 Rn 219 86 3.96 S a 100 Po 215 6.819 – 0.2696 0.0484 0.025 6.553 Po 215 84 1.78 ms a 100 Pb 211 7.386 – – – – Pb 211 82 36.1 min b- 100 Bi 211 – 1.36 0.4048 0.0628 0.0324 0.8318 Bi 211 83 2.14 min a 99.72 TI 207 6.623 0.06 0.3510 0.0542 0.028 TI 207 81 4.77 min b- 100 Pb 207 – – – – – Stabile Ramificazione Fr 223 87 21.8 min b- 100 Ra 223 – 1.15 0.0800 0.0577 0.029 Pa 211 84 0.516 a 100 Pb 207 7.450 – 0.900 0.0079 4.088*10-3 Stabile 0.570 nenti alla famiglia dell’attinio sono ri p o rtate nella tabella 10. E’ interessante fissare l’attenzione su alcuni aspetti quantitativi del fenomeno di fo rm a z i o n e di una famiglia ra d i o a t t i va a partire dalla presenza del solo cap o s t i p i t e. C o n s i d e riamo un generico rad i o nuclide di tipo 1 che decade in un altro ra d i o nu c l i d e, che chiameremo di tipo 2, il quale a sua volta decade nel nuclide di tipo 3 e così via fino al nu c l i d e “n” che supponiamo stabile. Indichiamo con N1(t), N2( t ) , …….., Nn(t), il numero di nu c l e i della specie 1,2, …….., n al tempo t e con λ1, λ2, ……., λn – 1, le ris p e t t i ve costanti di disintegrazione; l’andamento delle funzioni N1(t), N2(t), ………., Nn(t), si d e t e rmina analiticamente ri s o lvendo il seguente sistema di equazioni diffe r e n z i a l i : con le seguenti condizioni iniz i a l i : n1(0) = n0 n2(0) = 0 …….. …….. nn(0) = 0 Accanto alla accennata descrizione analitica del fenomeno si ritiene utile presentare un’interessante analogia “idraulica”. Consideriamo una serie di recipienti vuoti posti a quote differenti; supponiamo che ciascuno di essi (tranne quello posto alla quota più bassa) abbia una parete bucherellata con fori di dimensioni diverse da recipiente a recip i e n t e. Se versiamo dell’acqua nel recipiente più alto questa comincerà a colare, tramite la parete fo rata, nel recipiente sottostante e da questo in quello inferiore, e così via fino a raggiungere l’ultimo, privo di fori, in cui dopo un certo tempo si raccoglierà tutta l’acqua. Non è difficile immaginare la dinamica del fe n omeno (fig. 5). Ogni recipiente corrisponde ad un radionuclide e la quantità di acqua in esso contenuta al numero di nuclei di quel radionuclide; il recipiente più alto è evidentemente il capostipite della famiglia ra d i o a t t i va, quello più basso il nuclide stabile termine della famiglia stessa. Supponiamo ora che il capostipite della fa m i g l i a a bbia un tempo di dimezzamento molto lungo sia in assoluto che rispetto a tutti i tempi di dimezzamento degli altri componenti (ciò è pienamente ve rificato nelle famiglie del tori o, ura n i o e attinio in quanto i tempi di dimezzamento dei discendenti sono minori di almeno quattro ordini di grandezza). Con ri ferimento all’analogia i d raulica questo significa che i fo ri del primo recipiente sono molto piccoli e radi sia in assoluto che rispetto a quelli deANTINCENDIO novembre 1997 ESPOSIZIONE ALLE RADIAZIONI IONIZZANTI 28 Fig. 5 – Analogia idraulica Fig. 6 – Raggiungimento dell’equilibrio A B dn dt n dn dt n n dn dt n n dn dt n n n n n n n n n 1 1 1 2 1 1 2 2 1 2 2 1 1 1 1 = − = − = − = − − − − − − − λ λ λ λ λ λ …………………. ESPOSIZIONE ALLE RADIAZIONI IONIZZANTI gli altri recipienti. C o n s i d e rando il fenomeno in un arco di tempo limitato, la perdita dal primo recipiente ed il livello dell’acqua in esso contenuta resteranno quasi costanti. In queste condizioni dopo un certo tempo si stabilizze ranno i live l l i dell’acqua in tutti i recipienti sottostanti (tranne nell’ultimo che ovviamente si riempie sempre più). Consideriamo infatti il secondo r e c i p i e n t e, inizialmente vuoto (dunque con perdita nulla) che ric eve una portata d’acqua costante; man mano che il liquido in esso sale di live l l o, aumenta anche la perdita: quando quest’ultima sarà uguale
alla p o rtata in ingresso si ra g g i u n g e un equilibrio dinamico ed il livello nel secondo recipiente si stabilizza (fig. 6 a-b). Analogo ragionamento si ripete evidentemente anche per gli altri recipienti per cui dopo un cert o tempo si raggiungeranno le condizioni di equilibri o, cara t t e ri z z ate dalla stabilizzazione dei live l l i e dal fatto che i flussi d’acqua da ciascun recipiente al sottostante sono uguali. In una famiglia ra d i o a t t i va in e q u i l i b rio l’attività di ciascun membro della famiglia (cioè il flusso d’acqua uscente da ciascun recipiente) è uguale, inoltre la diminuzione nel tempo dell’attività di ogni ra d i o nuclide della famiglia ha luogo con il tempo di dimezzamento del capostipite. Bibliografia 1 U. Amaldi “Fisica delle radiazioni” Boringhieri 1971 2 Annals of the ICRP. “1990 Recommendations of the Int e rnational Commission on Radiological Protection”. ICRP n.60, 1990. 3 M. Cumo “Impianti nucleare” UTET 1986. 4. Decreto Legislativo 17 marzo 1995 n. 230: “Attuazione delle direttive Eura t o m 80/836, 84/467, 84/466, 89/618, 90/641 e 92/3 in m a t e ria di radiazioni ionizz a n t i .” G.U. n. 136 del 13/06/1995 5. Karlsrueher Nuklidkarte – W. S e e l m a n n – E g g e b e rt, G. P fennig, H. Munzel, H. Klewe-Nebenius. Ed 1991 6 N o rma UNI 7267 Allegato – Atlante dei radionuclidi 7 E. Persico “Lezioni di fisica del reattore nucleare” Corso di Perfezionamento di Fisica Nicleare Applicata 1981 8 C. Po l vani “Elementi di radioprotezione” – Enea 1987 9. M. Silve s t ri “Il futuro dell’energia” Ed. Bollati-Boringhieri 1988 10. UNSCEAR “Sources, effects and risks of ionizing ra d i ation”. Report to the Genera l A s s e m bl y. United Nations New York 1993 11 UNSCEAR “Sources, effects and risks of ionizing ra d i ation”. Report to the Genera l A s s e m bl y. United Nations New York 1988.
