1. Corso di Igiene del Lavoro: Lezione tre Il nucleare e le radiazioni ionizzanti CORSO DI LAUREA IN TECNICHE DELLA PREVENZIONE NELL’AMBIENTE E NEI LUOGHI DI LAVORO ANNO ACCADEMICO 2010-2011

2. IL POTERE Quando fu scoperta la radioattività degli elementi, si pensò ad una scoperta che avrebbe garantito “ abbondanza, fraternità e saggezza ”. La notizia della scoperta della radioattività del radio da parte dei coniugi Curie fu data dal Times con un titolo che paragonava il metallo al sole, in fatto d’emissione di luce e calore Nel 1903 fu ipotizzato che la tubercolosi potesse essere curata con aspirazioni di gas radioattivo Le proprietà terapeutiche di alcune acque minerali furono attribuite alla radioattività di esse.

3. “ Un solo edificio, delle dimensioni di un ufficio di posta di una piccola città, sarà sufficiente a contenere tutti i macchinari necessari per produrre l’energia nucleare di cui gli Stati Uniti avranno bisogno ” (Waldemar Kaemplfert, 1934) “ L’ho sentito di persona lo scoppio dell’arma nucleare. E’ irresistibile, quando lo affrontate dal punto di vista dello scienziato. Si sente emettere quella stessa energia, che fa brillare le stelle ed elevare al cielo un milione di tonnellate di roccia ” (Freeman Dyson, fisico nucleare, 1943) Negli anni cinquanta si diffuse il convincimento che dalle distruzioni di massa, operate dalle bombe atomiche, sarebbe potuto rinascere un mondo nuovo. “ Come un tornado fornisce una nuova vita ad una foresta, eliminando gli alberi deboli e marci, così una guerra buona potrebbe liberare il mondo dai deboli e dai cattivi (Pat Franck) Negli anni cinquanta negli Stati Uniti si formò una corrente di pensiero, secondo la quale una guerra nucleare avrebbe potuto liberare il mondo dai comunisti

4. LA PAURA Nel 1927 Herman Muller scoprì per la prima volta un tasso anomalo di mutazioni in mosche fortemente irradiate Nel 1930 fu redatto il primo manifesto ufficiale della Società internazionale dei Fisici nucleari, nel quale si parlò con sospetto della nuova energia “ pèrché ciò che possiede il potere di trasformare la natura vivente, possiede anche il potere di distruggerla ” Nel 1943, dopo lo scoppio della prima atomica sperimentale nel Nevada nell’ambito del progetto Manhattan, il Generale Thomas Farrel scrisse: “ un tuono lungo e potente, restituito dall’eco delle lontane montagne, ci ricordò il giudizio universale e ci fece pensare di aver compiuto un atto blasfemo, osando giocare con forze che, fino ad allora, erano riservate all’Onnipotente”

5. Nel 1947 Oppenhaeimer, il padre dell’atomica, chiese scusa all’umanità a nome di tutti gli scienziati “ che avevano conosciuto il peccato ” Nel 1950 la Cina compì i suoi esperimenti nucleari e rassicurò sul fatto che l’ideologia comunista sarebbe sopravvissuta intatta tra le rovine dei nemici Nel 1957 si realizzò il primo grande incidente in un reattore nucleare per uso pacifico (Windscale, nel Regno Unito) Nel 1959 le Autorità Sanitarie Olandesi denunciarono l’incremento della radioattività negli alimenti per effetto dell’incidente nucleare di Windscale nel Regno Unito Nel 1962 fu denunciata per la prima volta la contaminazione del latte e dei pesci con Stronzio90 nelle isole della Polinesia, come conseguenza degli esperimenti nucleari bellici francesi negli atolli del Pacifico

6. Nel 1970 fu pubblicato dall’OMSA il primo resoconto degli effetti dell’inquinamento radioattivo sulla salute delle popolazioni Nel 1979 si realizzò il secondo grande incidente in un reattore nucleare a Three Mile Island, in Pennysilvania Il 26 aprile 1986 si ebbe lo scoppio della Centrale termonucleare di Chernobyl >250 morti immediate per l’esplosione Ca 1000 morti immediate per sindrome da panirradiazione > 150.000 il numero di morti per effetto dell’irradiazione, stimate nei primi 5 anni > 2.000.000 di persone sono state costrette ad abbandonare la zona nel raggio di 150 Km nei primi anni dopo l’esplosione

7. L’ENERGIA NUCLEARE ATOMO Unità elementare della materia, costituita da un nucleo di protoni e di neutroni e da orbitali di elettroni Protoni ed elettroni sono presenti in numeri eguali; variabile è il numero di neutroni PROTONE Particella subelementare, dotata di massa e di carica positiva NEUTRONE Particella subelementare, dotata di massa e priva di carica ELETTRONE Particella con massa molto piccola e carica negativa MASSA ATOMICA Somma dei numeri di protoni e di neutroni; comunemente è indicata con la lettera A NUMERO ATOMICO Numero di protoni; comunemente è indicato con la lettera Z

8. A – Z Numero di neutroni Definizione elemento Numero di protoni (e, rispettivamente, di elettroni) FORZE NUCLEARI Energie necessarie a vincere le forze repulsive tra protoni, in modo da consentire l’avvicinamento di essi, la formazione dell’atomo e la stabilità di esso. Le forze nucleari sono attive a distanze inferiori al miliardesimo di millimetro . ISOTOPO Atomo dello stesso elemento, caratterizzato da un numero differente di neutroni

9. REAZIONI RADIOATTIVE Trasformazione di atomi instabili (isotopi) in atomi stabili NUCLEI INSTABILI Nuclei che subiscono frammentazioni in tempi inferiori ad un milionesimo di miliardesimo di secondo; praticamente non è possibile il ritrovamento di essi in natura NUCLEI SEMISTABILI Nuclei che subiscono frammentazioni in periodi variabili da pochi secondi a milioni di anni Gli elementi chimici con nuclei semistabili sono definiti radionuclidi EMIVITA Tempo necessario a che la quantità di radionuclidi di radionuclidi inizialmente presente si dimezzi FISSIONE NUCLEARE Frammentazione dei nuclei di atomi pesanti, con formazione di nuclei di atomi più leggeri. FUSIONE NUCLEARE Fusione di nuclei di atomi leggeri, con formazione di nuclei di atomi pesanti

10. LE ENERGIE IN GIOCO La fusione di due nuclei leggeri in un nuovo nucleo pesante richiede energia. In questo caso, la reazione di fusione assorbe energia Un fenomeno energetico diverso si manifesta se gli atomi leggeri hanno energia singola la cui somma è superiore a quello immagazzinato nell’atomo pesante. In questo caso, la reazione di fusione libera energia.

11. LE ENERGIE IN GIOCO La frammentazione dei nuclei (Fissione) può condurre alla formazione di nuovi nuclei, il cui contenuto energetico di somma è inferiore a quello di partenza. In questo caso dalla reazione di fissione si libera energia La somma delle energie nucleari dei nuclei esitati dalla fissione può essere maggiore di quella dell’atomo frammentato. In questo caso la reazione di fissione assorbe energia La somma delle energie nucleari dei nuclei esitati dalla fissione può essere inferiore di quella dell’atomo frammentato. In questo caso la reazione di fissione cede energia

12. FISSIONE NUCLEARE INDOTTA La frammentazione di elementi fissili naturali può essere notevolmente incrementata in seguito all’urto tra neutroni e nuclei debolmente radioattivi Il metodo consiste nel concentrare alte quantità di nuclei debolmente radioattivi in volumi ridotti. I neutroni liberati dalle fissioni naturali, colpendo altri nuclei, innescano un meccanismo a catena sino all’esaurimento del materiale. La massima energia è liberata al raggiungimento della massa critica ( per esempio, lo scoppio di una bomba all’uranio richiede una massa critica di 16 Kg di minerale )

13. LIMITI NELL’USO DELLA FISSIONE NUCLEARE Valore economico Necessità di compattare quantità relativamente alte di elementi scarsamente presenti in natura Valore ecologico Incremento progressivo della radioattività a mano a mano che aumenta il numero delle fissioni Difficoltà tecniche Necessità di una reazione induttiva Insicurezza processo Ridotta controllabilità della reazione dopo il raggiungimento della massa critica

14. FUSIONE NUCLEARE INDOTTA La trasformazione tipica è quella dell’idrogeno in elio La fusione utilizza elementi diffusamente presenti in natura Durante la reazione, l’entità dell’inquinamento radioattivo è molto più basso che nella fissione La quantità d’energia liberata in forma di calore è molto alta Per dare inizio ad un processo di fusione è necessario disporre di alte temperature di partenza.

16. Nel 2005 le testate atomiche a disposizione dei diversi Paesi sono state stimate pari a 31.535 Stati Uniti 10.500 Paesi ex URSS 20.000 Francia 450 Gran Bretagna 185 Cina 400 India 10 Pakistan 10 Sul suolo italiano sono dislocate 30 testate atomiche stanziali nelle basi NATO di Aviano (20 bombe) e Ghedi Torre (10 bombe) Un numero non sempre noto di sottomarini con testate nucleari transita nei porti italiani Moltiplicando il numero di ordigni per la potenza singola media, si ricava un valore di potenza complessiva pari a circa 15.000 Megaton (15 miliardi di tonnellate di tritolo)

17. E’ stato calcolato che dall’introduzione della polvere da sparo sino alla seconda guerra mondiale sono state esplose cariche per un valore equivalente di 10 Megaton (10 milioni di tonnellate di tritolo). Una guerra mondiale attualmente potrebbe avere un potere distruttivo pari a 1.500 volte quello di tutte le guerre sinora sostenute dall’umanità!!!!

18. USO PACIFICO DELL’ENERGIA NUCLEARE Il reattore nucleare è un sistema complesso, nel quale l’energia della fissione nucleare è utilizzata per la produzione d’energia termica ( passaggio diretto ) o d’energia elettrica ( passaggio termocinetico ) La maggiore utilizzazione è connessa con la produzione d’energia elettrica Attualmente nel Mondo si contano con certezza 460 Centrali termonucleari in attività, che coprono circa il 18% della richiesta d’energia elettrica Le differenze tra i diversi paesi sono cospicue, spaziando dallo 80% circa della Francia allo 0% dell’Italia

19. Negli Stati Uniti la nuclearizzazione della produzione elettrica ha subito un arresto dopo l’incidente di Three Islands La ripresa del nucleare ha rappresentato uno degli impegni di Geroge Bush J nella sua seconda campagna elettorale presidenziale La sospensione dell’installazione di nuove centrali nucleari rappresenta uno degli obiettivi del protocollo di Kyoto La sospensione dell’installazione di nuove centrali nucleari ha rappresentato uno degli obiettivi del programma elettorale di Ilary Clinton

21. Le Centrali elettriche nucleari sono di tipo termico  i materiali fissili sono utilizzati per produrre calore in sostituzione dei comuni combustibili minerali Il combustibile radioattivo è costituito da uranio, naturale o arricchito, o da plutonio L’elemento costitutivo delle Centrali termonucleari è il reattore

22. REATTORI NUCLEARI PWR - Pressurized Water Reactor (Reattore con acqua in pressione)C E’ costituito da un nocciolo all’interno del quale l’uranio, contenuto in cilindri di acciai temprati e arricchiti, molto termoresistenti, è sottoposto ad un processo di fissione, dal quale esita una notevole quantità d’energia termica ( a parità di massa, l’energia termica prodotta è dall’uranio è da 20 a 100 volte superiore a quella dei combustibili minerali) Il calore del materiale fissile è scambiato con l’acqua in un circuito primario, (nel circuito la pressione è di 150-160 Bar e la temperatura raggiunge 300-330°) L’acqua del circuito primario scambia il proprio calore con quella di un circuito secondario, fino a determinare ebollizione e formazione di vapore. La rapida espansione del vapore mette in moto la turbina, il cui moto si trasmette all’alternatore

23. BWR - Boiling Water Reactor (Reattore ad acqua bollente ) Nel circuito primario, l’acqua vaporizza direttamente (la pressione è più contenuta), in modo da poter azionare direttamente la turbina Reattore autofertilizzante Si tratta di forme particolari di reattori in cui, dal materiale fertile di partenza, è prodotto nuovo materiale fissile, generalmente in quantità superiore a quella del materiale di origine I reattori autofertilizzanti utilizzano in partenza U 238 L’assorbimento di un neutrone da parte dell’uranio 238 porta alla formazione di un isotopo fissile terminale, il plutonio Pu 239 , attraverso una reazione multipla, definita decadimento beta. La fissione di un atomo di Plutonio libera 2,8 neutroni, uno dei quali è utilizzato per la fissione successiva

25. EFFETTI IMMEDIATI SULL’AMBIENTE DI UN’ESPLOSIONE NUCLEARE Onda primaria d’urto Conseguenza della compressione dell’aria; provoca effetti di tipo meccanico in un raggio d’alcuni chilometri Onda secondaria d’urto Riflessione dell’onda primaria sulla crosta terrestre Mach Front Fusione delle onde d’urto primaria e secondaria in un unico fronte pressorio, con velocità di propagazione superiore a quella del suono Calore L’esplosione di una carica atomica di un Megaton libera energia termica in grado di far raggiungere temperature di 10.000 gradi in un raggio da 3 a 5 chilometri

26. Fungo atomico E’ la conseguenza dei moti ascensionali determinati dalle alte temperature prodotte. La velocità d’aspirazione, che può superare i 1.200 chilometri l’ora, provoca il sollevamento dei materiali inceneriti, con la formazione del tipico gambo del fungo

28. Inverno nucleare Si tratta di un effetto ipotizzato. Esso sarebbe probabile conseguenza della schermatura dei raggi solari, determinata dall’aerodispersione di grandi quantità di detriti solidi in conseguenza di più esplosioni nucleari. Va detto che, secondo alcuni Ricercatori, l’incremento della radioattività nell’atmosfera, conseguente all’uso bellico (ancorché sperimentale) ed anche pacifico dell’energia nucleare è una delle cause induttive dell’effetto serra. In conseguenza di ciò, l’effetto di una poco augurabile successione di esplosioni atomiche potrebbe essere l’aumento e non la diminuzione della temperatura terrestre. Effetto E.M.P (electromagnetic pulse) E’ la conseguenza della liberazione di grandi quantità di radiazioni elettromagnetiche, in grado di interferire con i sistemi di misura e regolazione elettrica ed elettronica

29. Si definiscono ionizzanti le radiazioni che sono capaci di determinare ionizzazione ovvero di produrre coppie di ioni nei materiali attraversati. La ionizzazione è dovuta all’allontanamento di un elettrone orbitale dal nucleo atomico, cui esso è legato. L’entità della ionizzazione è funzione dell’energia posseduta dalla radiazione: una coppia di ioni si forma se l’energia posseduta dalla radiazione supera l’energia di legame dell’elettrone RADIAZIONI IONIZZANTI Le radiazioni ionizzanti sono prodotte da atomi naturalmente instabili, che possono emettere particelle di massa differente (raggi alfa o beta) o radiazioni elettromagnetiche (raggi gamma).

30. I raggi alfa hanno massa corrispondente a due neutroni e due protoni; la emissione di essi da un atomo muta questo nell'elemento che lo precede di due posti Es.: U 238 = Th 234 + particella alfa I raggi beta corrispondono all'emissione di un elettrone per effetto della preventiva trasformazione di un neutrone in protone e della successiva emissione di un elettrone per esigenza di pareggiamento di cariche. L'emissione di un elettrone muta l'atomo radioattivo in quello immediatamente seguente Es.: C 14 = N 14 + particella beta I raggi gamma sono radiazioni elettromagnetiche di lunghezza d'onda molto piccola, emesse da atomi in surplus energetico. La emissione di radiazioni gamma non da luogo a mutazioni dell'atomo emittente.

36. Misura della dose efficace, "DE" Corrisponde alla differente suscettibilità degli organi irradiati rispetto alla comparsa di effetti stocastici. Si misura in Siviert e si ottiene dalla dose equivalente moltiplicata per un fattore di ponderazione specifico di ciascun organo Misura della dose collettiva "DC" Misura la dose assorbita da una popolazione irradiata. L'unità di misura è il Siviert/uomo. Un Sv/uomo corrisponde al raggiungimento di un Siviert come somma delle dosi assorbite da ogni elemento umano della popolazione irradiata.

41. EFFETTI DELLE RADIAZIONI IONIZZANTI 1) Danno chimico A. Diretto  Interazione tra radiazioni e molecole biologiche con eccitazione termica delle molecole e formazione di radicali liberi per rottura di legami covalenti nelle molecole critiche. B. Indiretto  Formazione di radicali liberi di natura perossidica idrogeniosa per effetto della radiazione sulla componente acquosa degli organismi viventi. I radicali perossidici (composti con un elettrone spaiato nell'orbita esterno) interagiscono con le molecole biologiche con meccanismi ossidante o riducente (rispettivamente assunzione o cessione di un elettrone). Intervallo di comparsa: da 10 alla meno 9 sec ad alcune ore

42. 2) Danno biomolecolare A. Destrutturazione di proteine ed acidi nucleici Intervallo di comparsa: da pochi minuti ad alcune ore 3) Danno biologico precoce A. Morte cellulare, morte animale Intervallo di comparsa: da poche ore ad alcune settimane 4) Danno biologico tardivo A. Induzione neoplastica, mutazioni genetiche Intervallo di comparsa: da anni a secoli (in questo caso ci si riferisce alla mutazioni genetiche evidenti nelle generazioni successive).

48. CAUSE DI MORTE E/O DI DANNO IN SEGUITO AD INCIDENTI NUCLEARI GRADIENTE SPAZIALE Raggio da metri a 1 Km  morte immediata per bruciamento e/o trauma meccanico Raggio da 1 a 3 Km  morte immediata per sindrome da panirradiazione (encefalite) Raggio da 5 a 20 Km  morte tradiva per sindrome da panirradiazione (mielopatia arigenerativa, necrosi intestinale) Raggio > 20 Km  riduzione delle nascite per sterilità, aborti e malformazioni disvitali – Aumento dell’incidenza di neoplasie emopoietiche Raggio sino a 100 – 200 Km  Aumento dell’incidenza di neoplasie emopoietiche Raggio sino a 500 – 1000 Km  Aumento dell’incidenza di neoplasie tiroidee

50. NOTI INCIDENTI IN CENTRALI NUCLEARI* 1945  Hyroshima e Nagasaky 1957  Scoppio nella centrale nucleare di Windscale (Regno Unito) 1979  Scoppio nella centrale nucleare di Three Mile Island (Pennsylvania, Stati Uniti) 1986  Scoppio nella centrale nucleare di Chernobyl (Unione Sovietica)

51. Hyroshima 80.000 morti immediate per bruciamento Incremento dell’incidenza di neoplasie, tumori solidi e malformazioni (la più semplice è stata la focomelia, le più gravi casi di anencefalia) Nel periodo da 1956 al 1965 il numero di casi di leucemia nella popolazione infantile risiedente nel raggio di 20 Km dal centro di Hyroshima è stato 17 volte superiore a quello della popolazione infantile delle altre zone del Giappone

52. Windscale Dopo l’incidente nucleare, non fu diffusa alcuna stima ufficiale sul numero di morti 30 anno dopo, il ritrovamento di Iodio 131 nelle terre della Cumbria costrinse il Governo inglese ad ammettere che l’incidente, etichettato come insignificante alla sua occorrenza, aveva avuto effetti letali nelle popolazioni limitrofe e che già il giorno successivo ad esso il fallout radioattivo aveva raggiunti i Paesi Bassi. Solo 30 anni dopo la rivista “Nature” pubblicò i dati relativi all’assorbimento di Iodio radioattivo da parte dei bambini scozzesi, dimostrando che esso era stato pari all’esecuzione contemporanea di 45 radiogrammi del torace

53. Chernobyl Il 26 aprile del 1986, nel giorno dello scoppio, le autorità sovietiche diramarono un comunicato ufficiale, secondo il quale il bilancio del disastro era limitato ai 150 lavoratori della centrale ed ai 27 pompieri accorsi per domare le fiamme Solo dopo la caduta del regime sovietico è stato possibile accertare che, nei 10 anni successivi all’incidente, l’incidenza di leucemie nelle popolazione residente nel raggio da 5 a 50 Km era stata da 45 a 27 volte superiore a quella di altre regioni della URSS. Nel periodo dal 1986 al 1990 il Governo sovietico fece trasferire oltre 2.000.000 di cittadini residenti nel raggio di 50 Km dalla Centrale A 20 anni di distanza dall’incidente, la concentrazione di Cesio nelle colture supera di 7 volte ilò valore massimo consentito dall’OMS