radioprotezione in industria e ricerca

Le attività umane e le applicazioni che implicano l’uso diretto o indiretto della radioattività sono innumerevoli. Le più significative riguardano la medicina, la produzione di energia, la ricerca scientifica e tecnologica, l’industria in senso lato, l’agricoltura e l’industria alimentare, la geologia e la prospezione mineraria, le applicazioni ambientali e l’archeologia.

La produzione di energia elettronucleare:

I reattori nucleari sono basati sulla reazione di fissione nucleare a catena indotta da neutroni nell’uranio-235 e nel plutonio-239. Da questa reazione si sviluppano notevoli quantità di calore, che è utilizzato per produrre (direttamente o indirettamente) vapore e, attraverso l’espansione di questo nelle turbine di un gruppo turbo-alternatore, energia elettrica. Durante il funzionamento del reattore si generano nel combustibile ingenti quantitativi di radioattività. Per questo motivo tutte le attività che hanno luogo all’interno di una centrale nucleare sono soggette a un rigoroso controllo e all’osservanza di stringenti pratiche di sicurezza. In seguito alle decisioni di politica energetica assunte dal Governo e dal Parlamento, l’Italia ha rinunciato alla produzione elettronucleare, e ha deciso la dismissione delle centrali e lo smantellamento degli impianti del ciclo del combustibile esistenti sul territorio nazionale. Lo sfruttamento dell’energia nucleare prosegue tuttavia in numerosi paesi, alcuni molto vicini all’Italia. Alla fine del 1997 erano in funzione 437 centrali in 32 paesi, per una potenza installata complessiva di 352.000 MWe. L’energia nucleare fornisce attualmente il 17% dell'elettricità prodotta nel mondo, contributo che sale al 25% nella media dei paesi OCSE e al 35% nella media dei paesi dell'Unione Europea, con valori locali anche molto elevati (78% in Francia, 60% in Belgio, 46% in Svezia, 41% in Svizzera, 32% in Germania, 30% in Finlandia, 29% in Spagna e 28% nel Regno Unito). Anche nel decennio successivo al disastro di Chernobyl la potenza nucleare in funzione nel mondo è cresciuta del 40%, passando da 250.000 a 352.000 MWe e portando a 437 il numero delle centrali in funzione in 32 paesi del mondo.

Le applicazioni mediche:

Le applicazioni mediche delle radiazioni appartengono a due categorie fondamentali: la radiodiagnostica e la radioterapia. L’uso delle radiazioni nella diagnostica va dalla comune radiografia a raggi X, alla tomografia assiale computerizzata, alla scintigrafia con impiego di traccianti radioattivi, fino a tecniche di minor impatto generale ma di indubbio interesse clinico, come le analisi RIA in vitro e la MOC. Attraverso le diverse tecniche è possibile osservare l’interno dell’organismo umano e i particolari dei diversi organi con livelli di accuratezza e di dettaglio molto elevati, con la possibilità di effettuare diagnosi estremamente accurate di stati patologici altrimenti non verificabili senza intervenire chirurgicamente. La radioterapia, che sfrutta la capacità delle radiazioni di distruggere i tessuti patologici, è ampiamente utilizzata soprattutto per la cura del cancro. L’ONU stima che nei paesi sviluppati circa il 2 per mille della popolazione sia sottoposta annualmente a pratiche di questo tipo, il che, in un paese con 50 milioni di abitanti, corrisponde in media al trattamento di 100 mila pazienti ogni anno. Negli ultimi anni si sono perfezionate tecniche radioterapeutiche molto accurate basate sull’attivazione di sostanze aventi la proprietà di concentrarsi nei tessuti patologici (ad esempio, boroterapia). Le cellule cancerose vengono in tal modo irradiate selettivamente e dall’interno, interessando in minima parte i tessuti circostanti.

Le applicazioni agrobiologiche:

L’uso delle radiazioni ha permesso lo studio e lo sviluppo di nuove tecniche antiparassitarie e di fertilizzazione che sono oggi estesamente impiegate in agricoltura e nella prevenzione sanitaria.
La liberazione di insetti precedentemente sterilizzati con le radiazioni (tecnica dell’ insetto sterile) consente ad esempio un efficace controllo delle mosche e di altri parassiti, minimizzando contemporaneamente l’uso - e l’impatto ambientale - di antiparassitari e insetticidi chimici. Le radiazioni sono estesamente applicate anche nell’industria agroalimentare sottoponendo a irraggiamento le derrate per la distruzione di insetti, muffe e batteri responsabili del loro deperimento o per finalità antigerminative. Le tecniche di fertilizzazione si sono notevolmente affinate nell’ultimo decennio attraverso l’impiego di matrici a rilascio controllato. L’uso di traccianti radioattivi mescolati al fertilizzante consente di seguirne il processo di assorbimento e di metabolizzazione da parte dei vegetali e di quantificarne il rilascio, per evitare poi, nella concreta applicazione di pieno campo, l’impiego di dosi eccessive di sostanze chimiche, minimizzando in tal modo i problemi di contaminazione dell’ambiente.

Le applicazioni industriali:

Le radiazioni sono impiegate in moltissimi settori industriali per gli scopi più diversi. Un’applicazione molto diffusa riguarda l’impiego di intensi fasci di raggi X e raggi γ per radiografare componenti meccanici, per assicurare la qualità delle fusioni e delle saldature e per verificare l’integrità di componenti impiantistici di elevato spessore rilevanti ai fini della sicurezza. Una diversa categoria di applicazioni è quella dei sistemi di misura e di analisi on-line attraverso l’emissione di radiazioni beta e attraverso l’attivazione neutronica. Emettitori di particelle beta sono diffusamente utilizzati nell’industria cartaria per la misurazione dello spessore dei fogli di carta durante il processo di fabbricazione. Sorgenti di neutroni sono utilizzate presso gli impianti termoelettrici per quantificare in tempo reale il contenuto di silicio, ferro, alluminio, zolfo e calcio del carbone, onde valutare preventivamente l’emissione di inquinanti conseguente alla combustione. Traccianti gamma dispersi nell’olio di lubrificazione dei motori di nuova progettazione e costruzione consentono, nella fase di ingegnerizzazione, di quantificarne sul banco di prova il consumo di olio attraverso la rilevazione dei traccianti nei gas di scarico. Una diversa categoria di applicazioni riguarda la tecnologia dei materiali, dove le radiazioni sono impiegate per modificarne opportunamente le caratteristiche superficiali e di massa. Il flusso neutronico prodotto da un reattore nucleare può servire a produrre materiali semiconduttori per l’industria elettronica o ad alimentare processi di radiografia neutronica. L’irraggiamento con intensi fasci di ioni può conferire ai materiali proprietà superficiali diverse da quelle di massa. Un’altra categoria di applicazioni è legata all’impiego degli acceleratori di particelle. Gli intensi fasci di radiazioni con essi prodotti possono servire a indurre trasformazioni dei materiali irradiati. Tipiche sono le applicazioni alla produzione di materiali polimerici usati per la produzione di isolanti elettrici, nastri adesivi, floppy-disc, pneumatici e lenti a contatto. Una delle applicazioni più comuni è infine la sterilizzazione di materiali sanitari e presidi chirurgici mediante impianti di sterilizzazione con sorgenti radioisotopiche o acceleratori di elettroni.

Le applicazioni ambientali:

Le radiazioni hanno un campo di applicazione molto proficuo nello studio e nella protezione dell’ambiente. L’uso dei traccianti radioattivi consente di monitorare la dispersione e la diffusione degli inquinanti. Mescolando ai combustibili piccole quantità di traccianti è possibile verificare l’efficienza dei sistemi di captazione delle ceneri e di depurazione dei fumi. Le radiazioni, così come per le derrate alimentari, trovano anche impiego nella sterilizzazione dei fanghi di risulta degli impianti di depurazione. L’uso dei traccianti consente inoltre di studiare la mappatura delle falde acquifere e delle risorse idriche sotterranee, di analizzare e misurare l’accumulo dei sedimenti sul fondo marino, di seguire il corso delle correnti oceaniche e atmosferiche e di misurare il tasso di accumulo dei ghiacci nelle calotte polari.

Archeologia e datazione:

In archeologia le radiazioni sono alla base di due importanti tecniche di datazione. L’età di un reperto di origine organica (vegetale o animale) può essere facilmente determinata misurando il suo contenuto in carbonio-14. Gli organismi viventi, infatti, assumono e metabolizzano carbonio dall’ambiente finché sono in vita; in tal modo in essi il carbonio è ripartito fra due isotopi naturali (carbonio-12 e carbonio-14) nello stesso rapporto (costante) esistente nell’ambiente. Dopo la morte dell’organismo l’assunzione di carbonio (12+14) cessa, e il carbonio-14 precedentemente metabolizzato decade lentamente con un tempo di dimezzamento di 5.568 anni, mentre il carbonio-12 è stabile. La misura della percentuale residua di carbonio-14 permette di risalire all’età di un reperto. Una diversa tecnica di datazione, denominata termoluminescenza, è utilizzata per determinare l’età dei manufatti ceramici. In essi sono infatti inglobati al momento della produzione diversi radioisotopi naturali contenuti nelle argille. I successivi processi di decadimento determinano l’imprigionamento di parte dell’energia delle radiazioni emesse nei cristalli minerali contenuti nell’argilla. Questa energia si manifesta con la comparsa di una debole luminescenza all’atto del riscaldamento del manufatto. La quantità di energia luminosa liberata è proporzionale al tempo trascorso dal momento della cottura del manufatto.

Geologia e prospezione mineraria:

La geologia e la prospezione mineraria sono due settori nei quali le radiazioni trovano applicazioni di notevole interesse. La presenza di radioisotopi a vita lunga nei minerali consente di datare con buona approssimazione le formazioni geologiche, ricavando informazioni preziose per la ricerca di minerali. La stratigrafia per attivazione neutronica è invece una tecnica molto utilizzata nell’industria petrolifera per determinare la composizione degli strati geologici attraversati da una perforazione di sondaggio. Facendo scorrere lungo la perforazione una sorgente di neutroni e misurando successivamente la “risposta” dei materiali irradiati si ricavano infatti informazioni molto dettagliate sulla composizione degli strati attraversati.

Applicazioni relative alla sicurezza:

Le radiazioni trovano un campo di impiego significativo in alcune applicazioni relative alla sicurezza. Molto diffuso è ad esempio il controllo del contenuto dei bagagli negli aeroporti, effettuato con stazioni radiografiche che impiegano raggi X a bassa intensità. Un’altra applicazione molto diffusa soprattutto è rappresentata dai rivelatori di fumo degli impianti antincendio a camera di ionizzazione, basati sull’impiego di emettitori alfa. Essendo dotate di carica elettrica, le particelle alfa chiudono il circuito fra due elettrodi separati da una sottile intercapedine d’aria. In presenza di fumo le particelle alfa vengono arrestate dalle sostanze in sospensione e il circuito si interrompe, facendo entrare in funzione i segnali di allarme e l’impianto antincendio. L’analisi per attivazione neutronica è utilizzata in medicina legale per determinare la presenza in un campione di parecchi elementi, fra i quali l’arsenico.

Ricerca scientifica e tecnologica:

Quella della ricerca scientifica e tecnologica costituisce un’area di estesa applicazione della radioattività e delle radiazioni ionizzanti, sia come argomento di studio sia come strumento di indagine. I fenomeni e le reazioni nucleari sono argomento di studio nella fisica nucleare e subnucleare fondamentale, con particolare riferimento alle ricerche sulla composizione intima della materia (nelle quali si fa uso estensivo di acceleratori e rivelatori di grandi dimensioni) e alle ricerche sull’utilizzazione dell’energia nucleare (sistemi a fissione e a fusione). Ma la radioattività è impiegata estesamente anche come strumento di indagine. Alcuni esempi sono stati già citati a proposito delle applicazioni descritte in precedenza. In generale, l’uso di traccianti radioattivi consente di studiare nel dettaglio i meccanismi che presiedono ai processi chimici, chimico-fisici e biologici seguendo strumentalmente gli spostamenti e le successive combinazioni di atomi e molecole opportunamente “marcati”. Numerosi fenomeni indotti da raggi X o da elettroni accelerati fino ad energie comprese tra alcune decine ed alcune centinaia di keV sono impiegati in strumentazione impiegata per analisi soprattutto nel campo della struttura dei materiali (microscopia elettronica o a raggi X, diffrattometria, analisi per fluorescenza, ecc.).

Esistono vari tipi di apparecchiature nell’industria dedicate ai diversi tipi di analisi, controlli e misure, che utilizzano le proprietà delle radiazioni ionizzanti per ottenere i risultati richiesti. In generale si possono suddividere in:

- strumenti di laboratorio

- strumenti per uso generale in campo aperto

- strumenti per uso generale in campo chiuso (bunker, ecc.)

Alcuni esempi sono:

- spettrometro per analisi mediante RX di fluorescenza (XRF)

con tubo RX o radioisotopi

- difrattometro con tubo RX

- microscopio elettronico

- detector per gascromatografia a cattura elettronica (ECD)

- misuratore di polveri in aria con campionamento continuo

- app. con tubo RX per radiografia in bunker o campo aperto

- app. con radioisotopi per radiografia (gammagrafia) in bunker