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INTRODUZIONE
La radioattività nelle acque destinate al consumo umano.
La politica comunitaria concernente le acque destinate al consumo umano ha visto la luce negli
anni settanta del XX secolo con l’adozione di programmi politici e di atti legislativi vincolanti.
Il settore riguardante l’acqua destinata al consumo umano è uno dei settori maggiormente
regolamentati nella sfera della normativa ambientale comunitaria.
Data l’importanza per la salute umana della qualità delle acque potabili, occorreva stabilire norme
di qualità a livello comunitario che svolgessero una funzione di indicatore e disporre il controllo
dell’osservanza di tali norme.
La direttiva sulle acque superficiali del 1975 (75 / 440/CEE, del 16 / 6 /1975) ha gettato le basi della
politica comunitaria sull’acqua potabile rappresentata successivamente a pieno titolo dalla
direttiva del 1980 (80/778 /CEE, del 15 /7 /1980).
Successivamente una seconda fase della normativa sull’acqua destinata al consumo umano è stata
intrapresa, nell’atto di introdurre possibili miglioramenti alla luce delle maggiori conoscenze
scientifiche e tecnologiche che hanno caratterizzato gli ultimi decenni.
Oltre ad adeguare al progresso tecnico e scientifico la direttiva sull’acqua potabile del 1980,
occorreva anche adattarla al principio di sussidiarietà, riducendo il numero di parametri soggetti al
monitoraggio obbligatorio da parte degli Stati membri e incentrando gli interventi sul rispetto di
parametri qualitativi e sanitari essenziali.
Nel 1993, la Commissione ha organizzato una Conferenza europea sull’acqua potabile, tenutasi a
Bruxelles, per consultare tutti i soggetti interessati all’approvvigionamento di acqua potabile e, nel
1998, il processo di revisione ha portato all’adozione e entrata in vigore dell’attuale direttiva
98 / 83 /CE (del 3 /11 /1998, allegata in appendice III), concernente la qualità delle acque destinate al
consumo umano.
Quest’ultima direttiva doveva essere recepita negli ordinamenti nazionali entro fine 2000 ed
essere applicata entro fine 2003, con alcune eccezioni per parametri critici come quelli relativi al
piombo e ai sottoprodotti di disinfezione.
Il nostro Paese ha adempiuto a questo onere nel 2001 con il Decreto Legislativo n. 31 (del
2 / 2 / 2001) relativo alla qualità delle acque destinate al consumo umano (allegato in appendice I).
Fra i parametri indicatori di qualità delle acque destinate al consumo umano, sono previsti anche
due parametri relativi alla radioattività (trizio (H-3) e dose totale indicativa (DTI)), per i quali sono
assegnati valori di parametro.
In caso di inosservanza dei valori di parametro richiesti, il decreto prevede che sia esaminato se ciò
costituisca un rischio per la salute umana e, ove sia necessario per tutelare la salute umana, siano
presi provvedimenti correttivi intesi a ripristinare la qualità delle acque.
Più recentemente, infine, gli orientamenti normativi comunitari, ritenendo che gli indicatori
parametrici relativi alla radioattività rientrino nel campo delle norme fondamentali (ai sensi dell’
7
articolo 30 del trattato Euratom), hanno ritenuto giustificato incorporare le prescrizioni relative ai
controlli dei livelli di radioattività in uno specifico atto normativo, per mantenere l’uniformità, la
coerenza e la completezza della normativa di radioprotezione a livello comunitario.
La Commissione ha presentato dunque una proposta di direttiva che fissa i requisiti per la
protezione della salute della popolazione relativamente alle sostanze radioattive presenti nelle
acque destinate al consumo umano, a norma dell’articolo 31 del trattato Euratom.
Con tale proposta, le disposizioni della direttiva adottata a norma del trattato Euratom
sostituiranno quelle della direttiva 98 / 83 /CE relativamente alle sostanze radioattive presenti e sarà
introdotto, oltre a H-3 e DTI, un indicatore di parametro separato per il gas radon (Proposta di
DIRETTIVA DEL CONSIGLIO che stabilisce requisiti per la tutela della salute della popolazione
relativamente alle sostanze radioattive presenti nelle acque destinate al consumo umano,
2012 / 0074 (NLE, Bruxelles 28 / 03 / 2012)).
Da questo brevissimo excursus sulla politica comunitaria e nazionale sull’acqua potabile, emerge
dunque come sempre di più si sia andata affermando la consapevolezza che la radioattività deve
essere inclusa fra i parametri importanti per definire la qualità delle acque destinate al consumo
umano.
L’ingestione di acqua è infatti una delle modalità con cui le sostanze radioattive possono insediarsi
nel corpo umano. Il contenuto di radioattività nelle acque può derivare da fonti antropiche o
naturali.
Infatti, anche se in percentuale molto ridotta, le sorgenti di approvvigionamento di acqua potabile
possono trovarsi in prossimità di fonti potenziali di contaminazione radioattiva di origine antropica
proveniente da impianti che utilizzano, producono o smaltiscono sostanze radioattive.
In questo caso la contaminazione dell’acqua potabile può avvenire in seguito a fughe accidentali di
radioattività o a pratiche inadeguate di smaltimento.
D’altra parte, anche le caratteristiche geologiche e idrologiche di molte regioni d’Europa
presentano un rischio in termini di presenza di sostanze radioattive di origine naturale.
In Toscana, attualmente si ritiene che l’apporto di radionuclidi di origine naturale alle acque
potabili possa essere la fonte principale di radioattività; una valutazione sistematica del contenuto
di trizio è stata ritenuta non necessaria in quanto non sono state concesse autorizzazioni agli
scarichi di tale radionuclide, che è naturalmente presente nell’ambiente, ma in quantità pari ad
alcuni ordini di grandezza inferiore al limite introdotto dal DLgs 31 / 01 e s.m.i.
In questo lavoro di tesi si presentano i risultati di una prima indagine conoscitiva, effettuata a
livello regionale, in merito alla radioattività delle acque destinate al consumo umano nella Regione
Toscana.
Il lavoro comprende due fasi principali:
1. la progettazione di un piano di campionamento che, pur nei limiti dettati dal tempo e
dalle risorse disponibili, permetta di rappresentare nel modo più completo possibile la
radioattività delle acque disponibili in Toscana per il consumo umano;
8
2. la realizzazione del piano di campionamento e le analisi di laboratorio, svolte con metodi
conformi alle norme tecniche UNI, presso il Laboratorio di Radioattività dell’ Area Vasta
Centro dell’ Agenzia Regionale per la Protezione Ambientale della Toscana (ARPAT).
Nel seguito, dopo una presentazione generale riguardo ai fondamenti della radioattività e ai suoi
effetti sull’uomo, con particolare riguardo alla radioattività di origine naturale, si presenterà il
piano di campionamento e si introdurrà la tecnica strumentale e i metodi normati utilizzati
nell’analisi delle acque destinate al consumo umano.
A conclusione del lavoro sono presentati i risultati ottenuti, insieme ad alcuni brevi commenti, e
una prima valutazione della dose da ingestione di acqua per la popolazione residente sul territorio
regionale.
9
CAPITOLO 1
La radioattività ed i suoi effetti sull’Uomo.
1.1 LA RADIOATTIVITA’
Col termine radioattività s’intende quel processo fisico spontaneo che interessa un nucleo
atomico instabile, che emette spontaneamente in un lasso di tempo che varia in funzione
dell’isotopo ed è caratteristico di ognuno, una o più radiazioni elettromagnetiche, o una particella
di varia natura, oppure cattura un elettrone atomico.
Fin dalla sua formazione, una delle caratteristiche del nostro Pianeta è stata la continua ed
inevitabile esposizione umana alle radiazioni ionizzanti, anche se, solo nella seconda metà del XX
secolo si iniziarono a capire gli effetti biologici della radiazioni, comprendendo la struttura intima
della materia.
Gli studi di questa tematica effettuati nel secolo scorso, hanno gettato luce sulla natura intima
dell’ atomo, al cui interno, nel nucleo atomico più precisamente, sono presenti i protoni, (p)
caratterizzanti Z, il numero atomico, ed i neutroni (n), mantenuti insieme dall’interazione nucleare
forte.
il numero di protoni Z, caratterizza l’elemento dal punto di vista chimico, mentre il numero di
neutroni incide sul numero di massa, A, definendo gli isotopi (vedi Glossario) dello stesso
elemento secondo la seguente notazione:
Z + numero di neutroni = A
La radioattività di un dato radionuclide è caratterizzata dal numero di disintegrazioni atomiche
nell’unità di tempo. Nel Sistema Internazionale (SI) è stato per quasi mezzo secolo il Curie (Ci,
dagli scienziati coniugi Skłodowska-Curie, vedi Glossario), e successivamente, il Becquerel (Bq),
(vedi Glossario).
Le date salienti delle scoperte di questa nuova disciplina.
1899-1903. intenso studio delle proprietà delle radiazioni per opera di vari studiosi,
(principalmente Becquerel e i coniugi Skłodowska-Curie) che portano a conoscenze definitive sulla
natura dei raggi alfa (particolarmente per opera di Rutherford), beta e gamma.
1903. Rutherford e Soddy riconoscono nella radioattività una manifestazione della trasmutazione
spontanea degli elementi radioattivi, una delle scoperte più importanti per lo sviluppo della
radioattività e per l'intera fisica.
1911. Rutherford, in seguito agli esperimenti di Geiger e Marsden sulla diffusione della particella
alfa, suggerisce il modello dell’atomo che da lui e dal fisico teorico danese Bohr prende il nome.
Quasi contemporaneamente Wilson inventa la sua camera.
1911-1913. von Baeyer, Hahn e Meitner fotografano i primi spettri di raggi beta.
1913. Fajans e Soddy completano con le essenziali "leggi di spostamento", la teoria delle
trasmutazioni.
1919. Rutherford e Chadwick scoprono la "disintegrazione artificiale".
1932. Cockcroft e Walton scoprono la disintegrazione per mezzo di ioni accelerati artificialmente;
Chadwick, Becker, Joliot, Bothe scoprono il neutrone.
10
1933. Anderson, Blackett e Occhialini scoprono l'elettrone positivo, il positrone.
1934. Marie Skłodowska-Curie e Joliot (il genero di Marie) scoprono la radioattività artificiale con
particelle alfa; nello steso anno Fermi scopre la radioattività artificiale con neutroni.
Insieme ad altri geni del calibro di Einstein, Fermi, precursore dei suoi tempi, formulò teorie e
scoperte fondamentali come la teoria del decadimento beta (autunno 1933), la scoperta dei
neutroni termici (lenti), e la fissione nucleare spontanea modulata ed autosostenuta con l’ausilio
di vari moderatori (2 dicembre 1942).
Presso i laboratori statunitensi di Los Alamos fu fondamentale il Suo contributo nei primi anni ‘40
del XX Secolo al progetto Manhattan, dove si teorizzarono e assemblarono i primi ordigni nucleari
della storia che permisero, anche se con conseguenze devastanti e drammatiche, la fine del
Secondo Conflitto Mondiale.
La fruttuosa industria nucleare civile (produzione di energia elettrica con reattori nucleari) nel
secondo dopoguerra, mise le basi per un’ enorme produzione di reattori di varie potenze nominali
e caratteristiche strutturali e funzionali (ad oggi circa 500 in tutto il pianeta).
Furono usati questi reattori anche per la produzione di elementi transuranici, al fine di reperire
materiali fissili per la produzione di ordigni nucleari militari (
239
Pu/
240
Pu), nonché utilizzati come
deterrente nei vari momenti critici della grande sfida che fu la Guerra Fredda (1945-1989 circa).
Oltre ad essere fonti di energia elettrica a breve termine, questi reattori, come l’industria
nucleare del resto, furono, sono e saranno in futuro per i nostri figli, fonti di contaminazione
radioattiva a lungo termine dagli altissimi costi umani ed economici da sostenere per lo
smantellamento, il cosiddetto decommissioning nucleare.
Bisogna pensare anche all’impatto dei 2055 test nucleari effettuati in atmosfera, sottoterra, sotto
i mari e al suolo che fra il 1945 ed il 1998 hanno disperso migliaia di tonnellate di radionuclidi sul
nostro pianeta.
Fonte: http://www.cieliparalleli.com/Storia/tutte-le-esplosioni-nucleari-dal-1945-al-1998.html
Incidenti nella filiera del nucleare (decine conosciuti e numero imprecisato quelli secretati), ed
errori nella gestione dei reattori stessi sono stati molteplici di cui posso citare i più rilevanti in
ordine cronologico, secondo la scala INES (vedi Glossario).
1957, livello 6, Lago Majak (URSS),
1957, livello 5, complesso nucleare di Windscale (oggi Sellafield, Gran Bretagna),
1973, livello 4, complesso nucleare di Windscale (oggi Sellafield, Gran Bretagna),
1979, livello 5, complesso nucleare di Three Mile Island (Pennsylvania, USA),
1980, livello 4, complesso nucleare di Saint-Laurent, (Francia),
1986, livello 7, complesso nucleare di Chernobyl (Ucraina),
1987, livello 5, centro radiologico di Goiânia (Brasile),
2003, livello 3, complesso nucleare di Paks (Ungheria),
2005, livello 3, complesso nucleare di Sellafield, (Gran Bretagna),
2011, livello 7, complesso nucleare di Fukushima Dai-ichi (Giappone).
11
1.2 I DECADIMENTI RADIOATTIVI
Ogni nucleo atomico instabile può essere interessato a questo processo, che si traduce in tutti
quei processi fisici volti al raggiungimento di un livello meno energetico e quindi più stabile del
precedente.
Quest’ insieme di processi fisici vengono descritti col termine decadimenti radioattivi.
Con il suddetto termine si intendono le varie tipologie di decadimento che un radionuclide può
subire.
Si possono osservare 5 tipi diversi di decadimenti radioattivi:
1) Decadimento alfa (α)
Processo di tipo probabilistico chiamato anche decadimento a due corpi nel quale il nucleo del
radionuclide interessato emette una particella alfa (un nucleo di He
2+
) secondo lo schema
seguente:
A
Z
X
A-4
Z-2
Y +
4
2
He
Oppure descritto con la notazione:
Z
A
Z-2
(A-4) + α
Questo decadimento viene anche denominato a due corpi per il fatto che da un radionuclide si
originano 2 nuclei atomici, il radionuclide figlio e un nucleo di He
2+
(particella alfa).
Il nucleo figlio può essere prodotto nello stato fondamentale o in
uno o più stati eccitati, propriamente detti metastabili.
Nel caso affermativo il decadimento alfa è accompagnato
dall’emissione di uno o più raggi ɣ caratteristici conseguenti alla
diseccitazione del nucleo figlio.
Le radiazioni alfa hanno la massa del nucleo di He
2+
carica
positiva e possiedono una velocità nell’atto di formazione che
oscilla fra 5.000 e 10.000 km/s.
Figura 1
Il decadimento alfa è caratteristico per quei nuclei pesanti con massa A > 210.
Una delle caratteristiche fondamentali di questo decadimento è l’energia liberata, avente un
campo di variabilità molto ristretto,
4 MeV < E
α
< 9 MeV
Questa caratteristica è alla base della potente tossicità della radiazione alfa verso gli organismi
biologici, argomento fondamentale della radioprotezione.
2) Decadimenti beta, nei quali il nucleo del radionuclide interessato può emettere un
elettrone (particella β
-
) o un positrone (particella β
+
) accompagnati rispettivamente da
un antineutrino ed un neutrino elettronici.
12
2.1) Decadimento beta meno (β
-
)
Il decadimento beta interessa gran parte dei circa 2700 nuclei osservati sperimentalmente.
L’emissione spontanea di un elettrone fa sì che il nucleo si trasformi nell’isobaro, spostandosi
nella colonna a destra della Tavola Periodica.
In sintesi il decadimento β
-
si può rappresentare con un nucleo di massa A e numero di protoni Z
con la notazione:
Z
A
Z+1
A + e
-
+ antiν
e
All’ interno del nucleo avviene la trasformazione di un neutrone in un protone, un elettrone e un
antineutrino elettronico:
n p + e
-
+ antiν
e
Il decadimento β
-
è caratteristico dei nuclei pesanti ricchi di neutroni,
come i radionuclidi che fanno parte delle serie radioattive.
Figura 2
2.2) Decadimento beta più, conosciuto anche come decadimento positronico (β
+
)
Il decadimento positronico può essere osservato in molti radionuclidi prodotti artificialmente;
esso si traduce in un nucleo che si trasforma nell’ isobaro, spostandosi nella colonna a sinistra
della Tavola Periodica.
In sintesi il decadimento β
+
si può rappresentare con un nucleo di massa A e numero di protoni Z
con la notazione:
Z
A
Z-1
A
+
e
+
+ ν
e
All’ interno del nucleo avviene la trasformazione di un protone in un neutrone , un positrone e un
neutrino elettronico:
p n + e
+
+ ν
e
Nel caso del decadimento positronico, generalmente il positrone ha
vita breve sia all’interno che all’esterno degli organismi biologici data
la grande disponibilità di elettroni (particelle β
-
) e la successiva
annichilazione fra di essi in un tempo di 10
-9
s, con trasformazione di
materia in energia secondo la seguente notazione:
e
+
+ e
-
2ɣ (0.511 MeV).
Figura 3
13
La reazione dà origine ad una coppia di fotoni di uguale energia (0.511 MeV) e molto raramente a
3 fotoni, che si propagano nello spazio o nella materia circostante in direzioni diametralmente
opposte.
figura 4 , fonte: http://it.wikipedia.org/wiki/File:Annihilation.png
Sia le particelle beta + che beta - hanno una massa circa 8000 volte minore delle particelle alfa
(massa dell’elettrone e del positrone) e possiedono una velocità al momento della formazione che
oscilla fra 150.000 e 200.000 km/s.
Questa conseguenza del decadimento positronico aggrava la tossicità dei radionuclidi β
+
emettitori, aggiungendo quanti ɣ alla dose di radiazione verso gli organismi biologici.
3) Catture elettroniche (EC)
Processi fisici nei quali il nucleo del radionuclide interessato cattura un elettrone proveniente
dagli orbitali elettronici più interni, tipicamente il livello K,(elettrone di core, più accessibile)
trasformandosi nel nucleo isobaro di numero di massa A identico, ma numero atomico Z diminuito
di un’unità, in un processo analogo al decadimento β
+
.
Esso può essere descritto con la seguente notazione:
Z
A + e
-
Z-1
A + ν
e
Oppure può essere descritto più semplicemente nella trasformazione di un suo protone in un
neutrone nel processo:
p + e
-
n + ν
e
Questa tipologia di decadimento può essere accompagnato dall’emissione di altre radiazioni
nucleari o atomiche. Spesso il nucleo risultante si può trovare in uno stato eccitato (nucleo
metastabile), dal quale si diseccita emettendo radiazione ɣ di energia caratteristica (processo che
viene denominato transizione isomerica).
Queste emissioni ɣ possono a loro volta interagire con gli elettroni degli orbitali elettronici
dell’atomo interessato cedendo loro l’energia posseduta e provocandone l’allontanamento
14
dall’atomo stesso, un’emissione β
-
, solo non proveniente da trasformazione nucleare dell’atomo
ma dalla struttura elettronica, processo denominato conversione interna (IC).
conversione interna.
Figura 5
I due ultimi processi nucleari descritti , la cattura elettronica e la conversione interna producono
delle vacanze elettroniche negli strati bassi della configurazione elettronica dell’atomo, che
riassestandosi può provocare l’emissione di raggi X caratteristici del radionuclide (tipicamente i
radionuclidi più pesanti) o l’espulsione di un’ elettrone Auger (i radionuclidi più leggeri).
emissioni di raggi X in
nuclei più pesanti.
Figura 6
Un elettrone Auger non è altro che un elettrone appartenente alle orbite più esterne dell’ atomo
che viene espulso dalla configurazione elettronica assorbendo l’ energia elettromagnetica ceduta
da altri elettroni nell’atto di occupare le vacanze elettroniche più basse, oppure nel processo di
passaggio dal livello metastabile al livello energetico fondamentale.
emissione Auger in
nuclei più leggeri.
Figura 7
fonte figure 5,6,7 :
http://www.unipd.it/nu
cmed/TF/TF.physics2.ita
.html
15
4) Decadimento gamma (ɣ).
Anche se non si hanno variazioni del nucleo del radionuclide interessato, il decadimento ɣ viene
osservato nella gran parte dei radionuclidi esistenti.
Questo comportamento fisico viene sfruttato dallo spettrometro gamma nell’ identificazione e
quantificazione dei radionuclidi presenti in un campione in analisi.
L’emissione di uno o più quanti ɣ può essere in competizione oppure conseguenza di decadimenti
α o β.
Nel caso in cui segua un decadimento alfa o beta, il quanto ɣ può essere emesso in un tempo
molto breve, dell’ordine o minore di 10
-12
s. Se poi un nucleo eccitato decade per emissione
gamma con un tempo di dimezzamento almeno superiore a 10
-9
s, lo stato eccitato è definito
stato metastabile e il decadimento gamma è detto transizione isomerica. L’isotopo che resta nello
stato eccitato per un tempo più lungo della media, è chiamato isomero nucleare.
Radionuclidi che presentano questo tipo di decadimento sono indicati con la dicitura IT (isomeric
transition), e sono diffusi specialmente fra i nuclei pesanti, alcuni dei quali posso avere anche 2
stati isomerici con conseguenti energie diverse.
Il decadimento ɣ si attua mediante una reazione del tipo:
A
i
A
f
+ ɣ
In cui i termini Ai e Af sono il medesimo nucleo atomico.
Il nucleo atomico interessato compie una transizione ad un livello eccitato inferiore o al livello
fondamentale emettendo uno o più quanti di energia elettromagnetica (ɣ).
decadimento
99
Mo →
99
Tc con
transizione isomerica (m) m
99
Tc →
99
Tc (attualmente uno dei
radionuclidi più usati in medicina
nucleare).
Figura 8 , fonte:
http://www.unipd.it/nucmed/TF/TF
.physics2.ita.html
Il nucleo può compiere una ed una sola transizione al livello fondamentale emettendo un unico
quanto ɣ oppure mediante successive transizioni verso livelli energetici sempre più bassi
emettendo una serie definita di quanti ɣ.
16
Quest’ultimo processo fisico prende il nome di cascata gamma, dal fatto che si generano
numerosi quanti ɣ, caratteristici di ogni radionuclide durante il diseccitamento nucleare.
L’energia dei gamma risulta normalmente nell’intervallo:
10 KeV ≤ E
ɣ
≤ 5 MeV
Figura 9
I Quanti gamma non hanno né massa né carica, ed essendo radiazione elettromagnetica hanno
una velocità pari a quella posseduta dalla luce nell’ordine di 300.000 km/s (299.792,458 km/s).
fonte figure 1,2,3,9:
http://arjelle.altervista.org/Tesine/Stefania/atomo1.htm
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