Nei capitoli precedenti, esaminando la storia dell’energia nucleare per la produzione elettrica, abbiamo accennato più volte ai rischi che il suo impiego comporta. Per capire la loro origine e le loro conseguenze, bisogna ritornare a parlare di leggi della fisica e in particolare di radioattività, che è alla base dei timori che circondano l’energia nucleare.
L’universo e ogni sua parte, sia a livello macroscopico che microscopico, sono in continua trasformazione. La radioattività è il risultato della trasformazione della materia e del trasferimento di energia da un punto all’altro dello spazio. La Terra, ad esempio, è continuamente investita da «raggi cosmici», cioè da radiazioni provenienti dallo spazio. Ma anche sulla Terra si genera continuamente radioattività. Sebbene il nostro pianeta, avendo un’età di quasi 5 miliardi di anni, sia composto da materiali prevalentemente stabili, esistono ancora molti elementi radioattivi che si trovano ovunque e che si trasformano spontaneamente emettendo radiazioni sotto forma di particelle e/o di energia diventando più stabili. In altri termini, l’uomo è immerso in un bagno di radioattività. Il corpo umano è radioattivo, l’acqua o il latte che beviamo sono radioattivi, i cibi che mangiamo sono radioattivi, l’aria che respiriamo (soprattutto in un locale chiuso, a causa del radon) è radioattiva.
Malgrado la radioattività sia ovunque e sia un segno della trasformazione dell’universo, la sua scoperta risale solo al 1896, ad opera del fisico francese Henri Becquerel. In suo onore la radioattività si misura in becquerel (simbolo Bq) che corrisponde a un decadimento al secondo (spesso però si usano i multipli del Bq dato che 1 Bq è un’unità molto piccola). In passato la radioattività veniva misurata anche in curie (Ci), pari al numero di decadimenti per secondo di un grammo di radio (1 Ci corrisponde a 37 miliardi di Bq).
La scoperta della radioattività ha anche aiutato a decifrare la struttura dell’atomo. Fino alla fine dell’Ottocento l’atomo era sostanzialmente considerato stabile e indivisibile. Tra la fine dell’Ottocento e l’inizio del Novecento si è invece affermato il modello dell’atomo simile al sistema solare. Al centro dell’atomo c’è il nucleo. Nel nucleo ci sono due tipi di nucleoni di massa quasi uguale: i neutroni, privi di carica elettrica, e i protoni, carichi positivamente. Attorno al nucleo ruotano su diverse orbite gli elettroni, come i pianeti intorno al Sole. Gli elettroni, in numero uguale ai protoni, sono dotati di carica elettrica negativa e hanno una massa trascurabile rispetto ai nucleoni.
La chimica è interessata agli atomi e alla loro capacità di legarsi ad altri atomi formando molecole. Poiché i legami tra atomi dipendono dagli elettroni, per la chimica le specie elementari differiscono per il numero di elettroni (e quindi di protoni) posseduti. In natura esistono 92 specie atomiche che vanno dall’idrogeno (con un solo elettrone) all’uranio (che ha 92 elettroni). La fisica invece è più interessata a quanto accade nel nucleo, caratterizzato dal numero di nucleoni e dalla loro distinzione tra protoni e neutroni. Le specie fisiche sono dette anche nuclidi.
Due nuclei aventi lo stesso numero di protoni ma un diverso numero di neutroni appartengono alla stessa specie atomica e per questo sono chiamati isotopi (= stesso posto), ma hanno caratteristiche fisiche diverse. Per indicare gli isotopi si usa il nome della specie atomica a cui viene fatto seguire il numero totale di nucleoni. Ad esempio, U-238 è l’isotopo dell’uranio con 92 protoni e 146 neutroni. Alcuni elementi chimici hanno un solo isotopo naturale (ad esempio, il sodio o l’oro), altri ne hanno due o più (ad esempio il cloro ne ha due, l’uranio tre, lo stagno dieci). In natura esistono circa 270 nuclidi. Alcuni di questi sono instabili e si chiamano anche radionuclidi o radioisotopi. Oltre ai nuclidi naturali ne esistono molti altri artificiali (più di 3.000), creati dall’uomo da quando ha imparato a manipolare il nucleo atomico. I nuclidi artificiali sono tutti instabili.
Un radionuclide tende spontaneamente a trasformarsi o a decadere per diventare più stabile. Il decadimento è un fenomeno stocastico. Ciò significa che, se si prende qualche grammo di materiale contenente miliardi di radionuclidi uguali, non si può dire quando un particolare radionuclide emetterà una radiazione, ma si può dire quanti tra i radionuclidi presenti decadranno in un certo arco di tempo. Ogni radionuclide è quindi caratterizzato da una certa probabilità di decadimento per unità di tempo. Invece che fornire questa probabilità, di solito si indica il tempo di dimezzamento, cioè il tempo necessario perché metà dei radionuclidi inizialmente presenti decadano. Il tempo di dimezzamento può variare da frazioni di secondo a miliardi di anni. Ad esempio, il radionuclide naturale potassio 40 ha un tempo di dimezzamento di 1,3 miliardi di anni mentre due suoi «fratelli» artificiali, i radionuclidi potassio 44 e potassio 48, hanno un tempo di dimezzamento rispettivamente di 22 minuti e di 7 secondi. Naturalmente quando i radionuclidi presenti si sono dimezzati, anche il flusso di radiazioni si dimezza.
Come si è detto, una trasformazione del nucleo atomico, quando il rapporto tra neutroni e protoni non è ben bilanciato, dà luogo all’emissione di radioattività. Esistono diversi tipi di radioattività distinguibili in radiazioni corpuscolari e in radiazioni elettromagnetiche. Le principali radiazioni corpuscolari sono le radiazioni alfa e beta. Il decadimento alfa consiste nel fatto che alcuni nuclei pesanti emettono una particella alfa, composta da due protoni e due neutroni, equivalente a un nucleo di elio, e si trasformano nell’isotopo di un altro elemento chimico più leggero. Ad esempio, l’uranio 238 si trasforma in torio 234 emettendo una particella alfa con un tempo di dimezzamento di 4,5 miliardi di anni. Il decadimento beta invece è dovuto al fatto che alcuni nuclei sono instabili per eccesso di neutroni e se ne liberano attraverso la trasformazione di un neutrone in un protone e un elettrone che viene espulso. Anche in questo caso l’atomo che ne risulta appartiene a un’altra specie chimica. Ad esempio, il carbonio 14 (6 protoni e 8 neutroni) ha un tempo di dimezzamento di 5.730 anni ed emette una radiazione beta trasformandosi in azoto 14 (7 protoni e 7 neutroni) che è un elemento stabile.
Un’altra radiazione corpuscolare più rara (ma molto importante ai nostri fini) è l’emissione spontanea di un neutrone. Il neutrone emesso viaggia nella materia urtando altri nuclei a cui cede energia finché finisce catturato da qualche altro nucleo rendendolo instabile. Ad esempio, un neutrone catturato dall’isotopo U-238 lo trasforma in U-239 che dà luogo in tempi contenuti a due decadimenti beta che generano un nuovo elemento: il plutonio 239 (simbolo Pu-239), anch’esso un radionuclide, ma con tempo di dimezzamento molto lungo (24.300 anni). La probabilità che una sorgente di neutroni si trovi vicino all’uranio è molto bassa in natura per cui l’elemento plutonio non era praticamente presente sulla Terra fino a quando l’uomo non ha scoperto come produrlo. Intervenendo sulla natura l’uomo è stato quindi in grado, in questo come in molti altri casi, di produrre nuovi radionuclidi, cioè nuove sorgenti di radioattività. La produzione di nuove sorgenti radioattive non è però un obiettivo in sé: si producono radionuclidi solo se servono a uno scopo oppure se sono il sottoprodotto di un’attività che dà dei benefici. Il caso di gran lunga più importante è quello della fissione nucleare su cui torneremo nel prossimo capitolo.
Le radiazioni elettromagnetiche legate a trasformazioni del nucleo sono chiamate raggi gamma e corrispondono alla sola emissione di energia senza alcuna particella. Quando il nucleo si trova in uno stato eccitato tende ad emette l’energia in eccesso attraverso un fotone che corrisponde a un’onda elettromagnetica di altissima frequenza molto penetrante (dipende dall’energia del fotone).
Un solo decadimento può essere sufficiente per passare da un nuclide instabile a un nuclide stabile, ma il più delle volte sono necessarie molte trasformazioni in cascata. Ad esempio, spesso le radiazioni gamma seguono quelle alfa o beta. Infatti, dopo l’emissione di particelle alfa o beta il nucleo non ha ancora raggiunto uno stato stabile e si libera dell’energia in eccesso attraverso l’emissione di una radiazione gamma. I raggi gamma sono simili ai raggi X, ma hanno più energia e sono perciò più penetranti.
Le radiazioni emesse dai radionuclidi (la sorgente) trasferiscono la loro energia alla materia chi li circonda (i bersagli). L’energia posseduta dalle radiazioni può essere sufficiente a strappare un elettrone da una molecola o da un atomo o a rompere un legame molecolare. L’atomo o la molecola diventa così uno ione e tende a ricombinarsi per dar vita a nuove molecole. Per questo si parla di radiazioni ionizzanti. Se ad essere colpita è una cellula del corpo umano, questa può essere danneggiata o anche morire.
L’energia della radioattività assorbita dal bersaglio si chiama dose e si misura in gray (Gy), che corrisponde a un’unità di energia assorbita (misurata in joule) per unità di massa (in kg). Maggiore è la dose, maggiori saranno l’energia assorbita e le conseguenze sul bersaglio. La dose assorbita può essere diminuita allontanandosi dalla sorgente (se questa è esterna) o interponendo un materiale schermante tra la sorgente e il bersaglio. Ad esempio, la particella alfa ha un potere di penetrazione molto basso e può essere fermata da un foglio di carta, mentre la radiazione beta è un po’ più penetrante e può essere fermata da un foglio sottile di alluminio. Le radiazioni gamma invece possono percorrere centinaia di metri in aria e ci vuole uno spessore adeguato di materiale denso per fermarle (ad esempio qualche centimetro di una lastra di piombo).
Ai fini dei danni sull’organismo umano, ciò che conta non è tanto la radiazione emessa dalla sorgente, quanto quella assorbita. Inoltre, gli effetti biologici non dipendono solo dalla quantità di radiazione assorbita, ma anche dal tipo di radiazione, dall’organo che viene colpito e dal rapporto tra dose e tempo di somministrazione. Per questo, nei protocolli sanitari si considera la dose equivalente, la cui unità di misura è il sievert (Sv) che è pari al Gy moltiplicato per un fattore di qualità che va da 1 a 20 a seconda del tipo di radiazione (1 per una radiazione beta o gamma, 20 per una radiazione alfa). Il Gy e il Sv sono due unità piuttosto grandi per cui spesso si usano i sottomultipli: ad esempio il millisievert (mSv). Per avere un’idea delle quantità di dose si pensi che una mammografia comporta l’assorbimento di una dose di circa 0,5 mSv e una Tac alla testa circa 2 mSv. I limiti di dose sono invece di solito fissati in mSv/anno.
La Commissione internazionale per la protezione radiologica (Icrp) classifica gli effetti sulla salute dell’esposizione alle radiazioni in due categorie: effetti deterministici ed effetti stocastici. Gli effetti deterministici, cioè certi, sono dovuti in gran parte alla morte o al malfunzionamento delle cellule di un tessuto. Tali effetti si verificano entro tempi ristretti dopo l’esposizione e solo per dosi molto elevate, superiori a una certa soglia. Infatti, anche se muoiono molte cellule, di solito un organo non perde la sua funzionalità. Solo se il numero di cellule colpite è veramente molto alto si constatano danni somatici che possono arrivare fino alla morte dell’individuo. Una dose di 6-10 Sv ricevuta in poche ore causa la morte nel giro di un paio di settimane perché distrugge il midollo spinale (tanto più le cellule sono differenziate e si riproducono rapidamente e tanto più sono sensibili alle radiazioni).
Gli effetti stocastici sono invece effetti dovuti a basse dosi (fino a 100 mGy) e si manifestano con notevole ritardo (anni o anche decenni dopo l’irradiazione). Essi hanno natura probabilistica, cioè colpiscono solo una piccolissima parte delle persone irraggiate. Gli effetti probabilistici sono costituiti da tumori o leucemia e da difetti genetici trasferiti alla prole. Non essendo del tipo tutto-niente, questi effetti sono molto più difficili da misurare e hanno dato luogo anche a controversie scientifiche. La loro valutazione avviene di norma con studi epidemiologici (confrontando ad esempio la mortalità e le malattie dei sopravvissuti di Hiroshima e Nagasaki con quelle della popolazione di altre città giapponesi) o con esperimenti su popolazioni di animali. L’Icrp ha adottato ormai da tempo l’ipotesi cautelativa che, per gli effetti stocastici, non ci sia una soglia, ma che l’effetto sia lineare. In base a tale ipotesi ciò che conta è la dose totale di radioattività assorbita da una certa popolazione e non come essa è ripartita (in generale si fa l’ipotesi che 10 Sv corrispondano a un tumore addizionale, cioè che la probabilità di cancro sia 0,1/Sv/persona).
Per proteggere le popolazioni dalle radiazioni, l’Icrp ha elaborato una serie di principi e di raccomandazioni che costituiscono la base delle normative nazionali. In particolare ha indicato (e la legge italiana ha recepito) i seguenti limiti di dose ammissibili per le fonti di radioattività artificiale: a) per il pubblico in generale al massimo 1 mSv/anno; b) per i lavoratori esposti (cioè occupati in settori che prevedono l’impiego di radionuclidi) al massimo 20 mSv/anno; c) in situazioni di emergenza al massimo 100 mSv/anno (dose al di sopra della quale iniziano gli effetti deterministici). L’Icrp ha dato poi suggerimenti specifici per la concentrazione di radon accettabile negli edifici e per definire quando ci si trova in situazione di emergenza.
Il livello di esposizione alla radioattività naturale varia da luogo a luogo soprattutto in funzione delle caratteristiche dei suoli e delle case, ma dipende anche dal comportamento delle persone: chi viaggia molto in aereo o vive in locali chiusi è sottoposto a una maggior dose di radioattività naturale. Si possono facilmente incontrare differenze di 10 volte nel valore della radioattività naturale tra diverse zone di un paese, ma si può arrivare anche a un rapporto di 100 volte. Poiché non si constatano tassi di mortalità molto diversi a parità di altre condizioni, l’elevata variabilità del fondo naturale dovrebbe rassicurare sul fatto che, a questi livelli, la radioattività non è pericolosa.
Secondo la stima del Comitato scientifico delle Nazioni Unite sugli effetti delle radiazioni atomiche (Unscear), la dose media annua mondiale da radiazione naturale è di 2,4 mSv. Circa la metà di tale dose è dovuta a un isotopo del radon (il Rd-222). Il radon è un gas radioattivo prodotto soprattutto dall’uranio (che, seppure in bassissime concentrazioni, si trova ovunque sulla Terra), che finisce nei materiali da costruzione e da questi viene emesso nell’ambiente e vi rimane se non c’è ricambio d’aria (il Rd-222 emette particelle alfa con tempo di dimezzamento di 3,8 giorni). Il resto della radioattività terrestre (vedi tab. 1) deriva da altri materiali presenti nelle rocce o nei terreni (come il torio), che possono essere anche ingeriti nei cibi (ad esempio il potassio 40), e dai raggi cosmici. Poiché l’atmosfera ha un effetto schermante di tutte le radiazioni, chi vive in montagna o effettua viaggi aerei riceve una maggior dose legata ai raggi cosmici.
Anche per quanto riguarda la dose di radioattività legata alle attività umane la situazione è diversificata. In passato una fonte non indifferente di radioattività era quella derivante dalle esplosioni nucleari in atmosfera per i test effettuati tra il 1945 e il 1980, ma oggi la radioattività residua è trascurabile. Le principali fonti di esposizione alla radioattività artificiale sono invece le applicazioni mediche e, per alcuni, l’ambiente di lavoro. Come è noto, l’uso di radiazioni come strumento di diagnostica (ad esempio radiografie o Tac) o di cura (ad esempio radioterapia) è molto diffuso soprattutto nei paesi con alto livello di vita. L’Unscear stima che nei paesi ricchi ciò provochi una dose media di 1,2 mSv/anno, pari a circa il 50% della dose per cause naturali (ma in diminuzione perché si presta più attenzione e sono migliorate le tecniche). A livello mondiale, invece, poiché molte popolazioni non hanno accesso a tali strumenti di cura, la dose media è solo di 0,4 mSv/anno. L’esposizione per motivi di lavoro riguarda circa 10 milioni di lavoratori occupati soprattutto in alcune attività mediche, nelle miniere di carbone, nelle altre attività di estrazione mineraria (tra cui quella dell’uranio) e nelle altre industrie che impiegano materiali radioattivi. In media questi lavoratori ricevono una dose paragonabile a quella del fondo naturale, ma dato il loro esiguo numero, se rapportati alla popolazione mondiale, questo non modifica la dose media mondiale. L’esposizione per altre cause è trascurabile. Va notato che, secondo i dati Unscear, la produzione elettronucleare, oltre a comportare una dose media 10.000 volte più bassa del fondo naturale, ha ancora oggi un effetto ben inferiore alle conseguenze per i test di esplosioni nucleari in atmosfera.
TAB. 1. Dose media di esposizione alla radioattività naturale ed artificiale (mSv)
| Sorgente | Dose media (mSv) | Intervallo tipico dosi individuali | Commenti |
|---|---|---|---|
Origine naturale | |||
Esposizione esterna: | |||
Radiazione terrestre | 0,48 | 0,3-1 | Più alta in certi luoghi |
Raggi cosmici | 0,39 | 0,3-1 | La dose cresce con l’altitudine |
Esposizione interna: | |||
Inalazione (radon) | 1,26 | 0,2-10 | Molto più alta in certe abitazioni |
Ingestione | 0,29 | 0,2-1 | |
Totale fondo naturale | 2,4 | 1-10 | Consistenti gruppi ricevono 10-20 mSv |
Origine antropica | |||
Esami medici | 0,6 | 0-decine | Dipende dagli esami medici cui si è stati sottoposti |
Test nucleari atmosf. | 0,005 | Il picco è stato nel 1963 con 0,11 mSv | |
Esposizione occupati | 0,005 | 0-20 | La dose media di tutti i lavoratori è 0,7 mSv |
Incidente di Černobyl | 0,002 | Per 300.000 persone >150 mSv nel 1986. Per gli abitanti dell’emisfero nord è stata di 0,04 mSv nel 1986. Dosi più alte alla tiroide | |
Ciclo del combustibile nucleare | 0,0002 | Dosi fino a 0,02 mSv per gruppi critici a 1 km da alcuni siti nucleari | |
Totale fonti artificiali | 0,6 | 0-decine | Dipende principalmente dalle cure mediche subite, dal tipo di lavoro e dalla vicinanza a siti di test o incidenti nucleari |
Fonte: Unscear, Sources and Effects of Ionizing Radiation, vol. 1, 2008. | |||