Misure e modellizzazione del processo di trasporto di radon nel sottosuolo

abitazioni e degli edifici pubblici, dalle quali si evinse che concentrazioni di radon elevate
possono essere riscontrate indierentementeintuttietreitipidisiti.
L’esalazione del radon dalla superficie del suolo è uno dei fattori importanti che regola
le concentrazioni di Rn nell’atmosfera e all’interno delle abitazioni. E’interessante, dal
punto di vista della radioprotezione, valutare la quantità di radon presente nel gas del
suolo ad una profondità compresa tra 0.5 m e 1 m, visto che esso, con i suoi prodotti di
decadimento, rappresenta una componente principale della radiazione naturale alla quale
noi tutti siamo continuamente esposti. Inoltre ciò è interessante anche dal punto di vista
delle informazioni che può fornirci sulla dinamica del trasporto del gas nel suolo e, quindi,
sul tipo di struttura geologica dello stesso. In un modello in cui si rappresenti il suolo come
un mezzo poroso [1][10][31], sebbene si possa dire che il Rn venga emanato dai granelli
deimineralisolidiechesimuovapoivelocementeneipoririempitidiaria,ènecessario
prendere in considerazione ulteriori fattori che regolano il processo di trasporto. Per
esempio, il processo di emanazione viene influenzato dalla quantità di umidità presente nel
suolo e il Rn emanato viene distribuito sia nei pori di acqua che in quelli di aria. Inoltre,
quando il gas, nel trasporto, viene a contatto con una superficie di granulo solido asciutto
può essere adsorbito su tale superficie. I meccanismi principali di trasporto del radon
sono la diusione e l’avvezione. La diusione, innescata dai gradienti di concentrazione, è
un fenomeno significanteinentrambelefasifluide presenti nel mezzo nelle quali il radon
si trova disciolto, ovvero l’aria e l’acqua. L’avvezione, generata dai gradienti di pressione
presenti nel fluido, risulta rilevante solamente per la fase aria.
In questo lavoro si è realizzato un modello fisico-matematico in grado di spiegare
gli aspetti peculiari del fenomeno di risalita del gas radon nel sottosuolo e si è arontato
il problema della misurazione del radon nell’aria che permea il sottosuolo. Viene,
così, proposto un modello di suolo rappresentato da due strati omogenei di mezzi porosi:
nel primo strato si ha la generazione del radon, da parte del Ra-226 presente nei gran-
uli solidi e in entrambi gli strati vengono considerati i processi di diusione, avvezione
e decadimento del Rn. Le equazioni del trasporto per i due mezzi sono state risolte
6
numericamente mediante uno schema esplicito, alle dierenze finite, condizionatamente
stabile. Le equazioni alle dierenze finite ottenute sono state calcolate, su una griglia
spazio-temporale (con passi {} e {w definiti in base alle condizioni di stabilità dello
schema), con un computer grazie ad un codice nel linguaggio di programmazione C. La
compilazione di tale codice genera un file (.exe) la cui esecuzione da’ come risultato la
stampa (in un altro file di testo) dei valori delle concentrazioni di radon calcolate su tutti
i punti di griglia.
La tesi consiste, come già accennato, anche di una parte di misure sperimentali di
radon nel sottosuolo. La strumentazione utilizzata per le misurazioni è costituita da un
contatore di particelle alfa corredato da un set di camere a scintillazione. Il contatore,
AB-5, è composto da [16]:
1. un fotomoltimplicatore (PMT), controllato da due switch (HV e DISC);
2. un’apparecchiatura elettronica con un software di gestione in grado di trasformare
gli impulsi luminosi generati dal PMT in conteggi e di acquisire tali conteggi in
varie modalità memorizzandoli nella memoria interna o stampandoli;
3. una pompa, in grado di pompare tre litri di aria al minuto, con la quale vengono
prelevati i campioni di aria da analizzare.
Le camere a scintillazione utilizzate sono le “Celle di Lucas”[17], ovvero dei detectors
passivi nei quali, attraverso due valvole, viene immessa l’aria. Il solfuro di zinco attivato
con rame, che ricopre le pareti cilindriche interne delle celle, è il materiale fluorescente
grazie al quale vengono scintillate le particelle alfa presenti nel campione di aria. Per
eettuare i conteggi delle particelle scintillate le celle vengono, quindi, montate sul PMT
dell’AB-5. Dopo aver proceduto nella calibrazione dello strumento, si è definito uno
standard di procedura da seguire per eettuare le misurazioni che può essere riassunto
nei seguenti punti:
1. misura del background del sistema AB-5+celle di Lucas;
7
2. prelievo del campione di aria dal suolo tramite una sonda e la pompa dell’AB-5;
3. misura approssimata sul campione (approximate reading);
4. misure grab sampling sul campione;
5. pulizia celle.
Le misure sono state eseguite su 99 diversi campioni di aria prelevati dal suolo di
cinque siti, di cui quattro ricadono nella provincia di Cosenza e uno nella provincia di
Catanzaro: nella Valle del Crati (Comune di Zumpano), nella Sila Grande (Macchia di
Pietro), nel Comune di Amantea e nel Comune di Nocera Tirinese (CZ). I due siti della
Valle del Crati sono stati scelti in base alla mappatura realizzata in [20] con metodi
geostatistici. I dati ottenuti dalle misure concordano, nei limiti dell’errore sperimentale,
con i range di valori di concentrazione indicati dalla mappa. La decisione di eettuare
misure nella Sila Grande, ad Amantea e a Nocera T. è, invece, scaturita da considerazioni
sugli a!oramenti presenti in queste tre località. Infatti, i siti della Sila Grande e di
Amantea sono caratterizzati dalla presenza di graniti mentre quello di Nocera T. presenta
un suolo costituito da uno strato sabbioso sovrapposto ad uno roccioso composto da scisti
filladici. Le informazioni relative ai suoli dei siti sono state ricavate da un esame della
carta geologica. I tenori di
222
Uq più alti sono stati riscontrati nelle misure eseguite nella
Valle del Crati (in prossimità di una faglia), in Sila e nel Comune di Amantea.
La conoscenza non esatta dei sottosuoli sottoposti a misure di radon, ovvero dei loro
parametri caratteristici, e la sensibilità elevata del modello rispetto a tali parametri
non permettono di dare una spiegazione, mediante il modello fisico-matematico realiz-
zato, delle concentrazioni di radon riscontrate nelle misurazioni. Occorre un numero di
informazioni corrette relative alle stratificazioni dei suoli per ottentere una risposta at-
tendibile dal modello con il quale ci si è limitati, quindi, a far vedere in che modo le
variazioni dei parametri principali (permeabilità, coe!cienti di diusione, contenuto di
attività di radio-226, etc.) influenzano le concentrazioni nel suolo. Si è preso come model-
8
lo di riferimento un suolo tipico costituito da uno strato sabbioso e da uno strato roccioso
sottostante in cui si suppone avvenga la generazione del radon. Inoltre, sono stati con-
frontati i risultati ottenuti dal modello con i risultati analitici noti per un problema di
diusione di una sostanza in un mezzo non poroso ( escludendo i processi avvettivi, di
generazione e di decadimento della sostanza). Da questo confronto, in regime puramente
diusivo, è emerso un buon grado di accuratezza del risultato numerico.
Il piano dell’opera è il seguente:
- Il capitolo 1 introduce i concetti principali e le varie questioni legate al radon;
- Il capitolo 2 descrive il fenomeno di trasporto del radon nel suolo, considerato come
mezzo poroso, e definisce l’equazione generale del trasporto;
- Il capitolo 3 introduce un modello di suolo a due strati e descrive la risoluzione numerica
dell’equazione del trasporto in tali strati;
- Il capitolo 4 è dedicato alla descrizione dello strumento di misura utilizzato per
eettuare misure di concentrazione di radon nel suolo;
- Il capitolo 5 descrive la prova di calibrazione fatta sullo strumento di misura;
-Ilcapitolo6definisce le procedure utilizzate per eettuarelemisurediradonnelsuolo;
- Il capitolo 7 illustra i risultati ottenuti dalle misurazioni;
- Il capitolo 8, infine, mostra i risultati calcolati dal modello, mediante le simulazioni al
computer, e il confronto fra i risultati numerici e analitici per un problema semplice
di diusione.
9
Parte I
INTRODUZIONE AL RADON
10
Capitolo 1
Gas Radon
Il radon (Rn-222) è un gas inerte radioattivo naturale inodore, insapore, incolore ed
invisibile, che non può essere rivelato dai nostri sensi.
Interminidiclassificazione chimica, è uno dei gas rari, come neon, kripton e xeno
equindinonreagisceconaltrielementichimici. E’ilpiùpesantedeigasconosciuti
(densità 9.72 g/l a 0

C, 8 volte più denso dell’aria).
Il radon dionde nell’aria dal suolo e nell’acqua (nella quale può disciogliersi come
soluto). In spazi aperti, è diluito dalle correnti d’aria e raggiunge solo basse concen-
trazioni. Al contrario, in un ambiente chiuso, come può essere quello di un’abitazione,
può accumularsi e raggiungere alte concentrazioni.
Deriva, in particolare, dal prodotto del decadimento di tre nuclidi capostipiti che
danno luogo a tre diverse famiglie radioattive; essi sono il Thorio 232, l’Uranio 235
e l’Uranio 238. Nella tabella 1-2 e’riportata la sequenza del decadimento del nuclide
più abbondante in natura e cioè l’Uranio 238 responsabile della produzione dell’isotopo
Radon 222. Il thorio 232 e l’uranio 235 producono invece rispettivamente il Rn 220 e Rn
219, come si vede dalla immagine 1-1.
Poichè il Rn 220 e il Rn 219 sono meno abbondanti in natura, viene preso in consid-
erazione soltanto il radon 222.
IL Rn 222 decade in altri elementi radioattivi: due di questi, il Polonio-218 e il
11
Figura 1-1: Serie radioattive[3]
12
Figura 1-2: serie radioattiva dell’U-238
13
Polonio-214, emettendo particelle alfa. Questi elementi possono fissarsi alle particelle
atmosferiche ed essere inalati causando danni al tessuto polmonare.
Il
222
Rn non esercita alcun eetto diretto sul corpo umano. Esso ha, infatti, un tempo
di dimezzamento di 3.82 giorni e quindi, se inspirato, ha scarse probabilità di decadere
prima di essere riesalato ed inoltre, essendo dal punto di vista chimico un gas nobile,
non si fissa nell’apparato respiratorio. I prodotti di decadimento diusi nell’atmosfera,
invece, una volta inspirati vengono trattenuti dall’apparato respiratorio ove producono
irraggiamento al tessuto broncopolmonare, ovvero all’epitelio bronchiale. I decadimenti
 di questi radionuclidi non provocano danno poichè gli elettroni emessi attraversano lo
spessore del tessuto senza significativa perdita di energia, mentre le particelle ,ilcui
range è inferiore a 80 p, rilasciano tutta la loro energia (fino a 7,69 MeV).
1.1 Sorgenti e rischi legati al radon
Il gas radon viene rilasciato durante il decadimento di materiale radioattivo presente nel
terreno. I materiali radioattivi non sono concentrati in alcuni punti precisi della crosta
terrestre ma sono presenti in quantità e concentrazioni variabili da zona a zona.
In generale, le rocce ignee contengono U-238 in concentrazioni più elevate che negli
altritipidiroccia.
Il Radon viene generato continuamente da alcune rocce della crosta terrestre ed in
particolar modo da lave, tufi, pozzolane, graniti, pegmatiti, miloniti, gneiss, etc. I tipi
di roccia con concentrazione di uranio maggiore di 5 ppm, che rappresentano la causa
maggiore del problema radon indoor, sono: scisti neri carbonacei, arenarie contenenti
glauconite, alcune arenarie fluviali, fosforiti, calcari, alcuni depositi glaciali, bauxite,
lignite, rocce metamorfiche di composizione granitica, etc. [2][20][21][23]. Le sorgenti più
comuni di uranio e radio presenti nelle rocce sono i minerali pesanti e gli ossidi di ferro.
Le sorgenti di uranio per i graniti e per le rocce granitiche metamorfiche sono, infatti,
minerali pesanti e ultrametamorfici che includono uranite, apatite etc.
14
Sebbene sia lecito immaginare che le concentrazioni di Radon siano maggiori nei
materialidioriginevulcanicaspessosiriscontranoelevatitenoridiradionuclidianche
nelle rocce sedimentarie come marmi, marne, flysh etc. L’acqua sotterranea, i gas nat-
urali, il carbone e gli oceani sono altre fonti minori di radiazioni. La concentrazione di
radon, quindi, proviene sia dai materiali da costruzione, sia dal sottosuolo dove aumen-
ta progressivamente quanto più secco è il terreno. Nei terreni aridi, sono state trovate
concentrazioni fino a 5 volte superiori rispetto a quelli impregnati d’acqua.
I suoli contengono, naturalmente, quantità variabili di uranio, che regola la quantità di
radon rilasciata. Il radon dionde attraverso i pori e le spaccature del suolo, trasportato
dall’aria o dall’acqua (nella quale è solubile). Dato un certo contenuto di radon nel suolo,
la quantità di gas rilasciata varia in dipendenza della permeabilità del suolo (densità,
porosità, granulometria), del suo stato (secco, impregnato d’acqua, gelato o coperto
di neve) e dalle condizioni meteorologiche (temperature del suolo e dell’aria, pressione
barometrica, velocità e direzione del vento). In più, la concentrazione di radon decresce
rapidamente con l’altitudine. La migrazione del Radon e la sua diusione nelle case
può essere descritta da equazioni nelle quali vengono prese in considerazione il trasporto
per diusione molecolare e la convezione forzata come la rimozione per decadimento
radioattivo .
All’esterno, dove è diluito nell’aria in piccole concentrazioni, il Radon non pone par-
ticolari problemi, mentre all’interno delle abitazioni si può accumulare fino a raggiun-
gere livelli significativi e dannosi per la salute. La sua concentrazione all’interno delle
abitazioni dipende essenzialmente da come è costruito l’edificio e dalla concentrazione di
Radon nel suolo sottostante. E’ infatti la composizione e la matrice del suolo sotto e
attornoallacasaadeterminareillivellodiRadonelamanieraconcuiilRadonmigra
all’interno.
E’ stato inoltre provato che un’altra fonte importante di emissione di radon attraverso
la quale esso può entrare nelle abitazioni è costituita dall’acqua potabile proveniente dal
sottosuolo o da sorgenti, nella quale esso si trova naturalmente disciolto.
15
Poiché la concentrazione del radon all’aria aperta è bassa e in media le persone in
Europa trascorrono la maggior parte del loro tempo in casa, il rischio per la salute
pubblica dovuto al radon è essenzialmente correlato all’esposizione a questo gas all’interno
delle abitazioni.
La maggior parte del radon presente in una casa proviene dal suolo sul quale essa è
costruita. Se il basamento ha un pavimento di fango, il radon può penetrare facilmente.
Se il pavimento è di cemento, il radon penetra attraverso le spaccature che si formano
con il tempo, lungo le tubature o attraverso le giunture tra i muri. Il radon può anche
provenire - in misura minore - dai muri, se essi sono stati edificati utilizzando materiali
radioattivi (tufi vulcanici, per esempio) o dai rubinetti, se l’acqua contiene del radon
disciolto.
Per un dato terreno, e indipendentemente dal tempo, la concentrazione finale di radon
in una casa è quindi dipendente dal tipo di costruzione. Dipende anche, in larga misura,
dalla ventilazione, sia passiva (cattivo isolamento) che attiva (aprire le finestre a intervalli
lunghi o brevi, per esempio) e dalla deposizione.
Il ruolo ricoperto dalle condizioni meteorologiche (vento, pressione barometrica, umid-
ità) spiega non solo le variazioni stagionali della concentrazione di radon in una data casa,
maancheledierenze osservate tra i livelli diurni e notturni.
1.2 Cenni storici
Nel sedicesimo secolo, Paracelso aveva notato l’alta mortalità dovuta a malattie pol-
monari tra i lavoratori delle miniere d’argento nella regione di Schneeberg in Sassonia
(Germania). L’incidenza di questa malattia, in seguito conosciuta come malattia di
Schneeberg, aumentò nei secoli diciassettesimo e diciottesimo, quando l’attività nelle
miniere di argento, rame e cobalto si intensificò. Questa malattia fu riconosciuta come
cancro ai polmoni nel 1879.
Misure eettuate nel 1901 nelle miniere di Schneeberg rilevarono un’alta concen-
16
trazione di radon. Come risultato, fu presto lanciata l’ipotesi di un rapporto causa-
eetto tra alti livelli di radon e cancro ai polmoni. Questa ipotesi fu raorzata da più
accurate misure del radon compiute nel 1902 nella miniere di Schneeberg e in altre, in
particolare quelle di Jachymov in Boemia, da dove provenivano i minerali usati da Marie
Curie. Nondimeno, questi dati non bastarono a convincere tutti, e alcuni scienziati ancora
attribuiscono questi tumori ai polmoni ad altri fattori.
L’attività nelle miniere di uranio fu intensificata dal 1940, ma i livelli di radon furono
misurati regolarmente dal 1950.
Esperimenti su animali compiuti dal 1951 dimostrarono la potenziale carcinogenità
del radon per i polmoni delle specie testate. Rilevamenti epidemiologici tra i minatori
di uranio, dalla metà degli anni sessanta, hanno infine confermato questo potenziale
sull’uomo.
Nel 1967 il Congresso Federale per la Ricerca degli Stati Uniti ha proposto delle
raccomandazioni per controllare i rischi correlati alle radiazioni in miniera.
Nonostante non ci fossero più dubbi sulla realtà del pericolo ( l’Organizzazione Mon-
diale per la Salute confermò ciò nel 1988), fu ancora necessario quantificare il rischio
in termini di intensità di esposizione, per definire appropriati livelli di protezione. A
tal fine, numerosi rilevamenti epidemiologici sono stati eettuati negli anni ’80 in varie
nazioni, non solo tra lavoratori di miniere di uranio, ma anche di stagno e di ferro.
Tali rilevamenti portarono a conclusioni convergenti. Tuttavia, alcune questioni (quali
la rispettiva influenza della durata e dell’intensità dell’esposizione, l’influenza dell’età e
precise quantificazioni del rischio), non sono ancora state risolte e richiedono ulteriori
studi. Sebbene il premio Nobel per la fisica Ernest Rutheford avesse fatto notare sin dal
1907 che ognuno inala del radon ogni giorno, misure di radon non furono eettuate nelle
case prima del 1956 (in Svezia). L’alto livello di radon rilevato in alcune case riscosse
poco interesse in campo internazionale, perché il problema fu considerato esclusivamente
locale. Soltanto 20 anni dopo si iniziarono studi sistematici su larga scala in numerose
nazioni, che mostrarono che l’esposizione era generale e si potevano raggiungere livelli
17
molto alti, comparabili a quelli delle miniere.
La Commissione Internazionale per la Protezione Radiologica (ICRP) sottolineò la
vastità del problema per la salute pubblica e formulò specifiche raccomandazioni sulla
pubblicazione numero 65 del 1993.
Soltanto negli ultimi 10 anni abbiamo potuto aermare che il radon può essere al-
la base dei più grandi problemi di salute pubblica. Le autorità locali, sostenute dalle
autorità responsabili della salute pubblica, devono valutare l’entità del problema alla
luce dell’architettura locale e delle condizioni geologiche e aiutare a realizzare misure
preventive per ridurre il rischio.
Sono state raggiunte conclusioni convergenti: il radon senza dubbio aumenta il rischio
di tumore ai polmoni nei minatori. Inoltre, misurando i livelli di esposizione raggiunti da
questi lavoratori, è stato possibile stimare in che misura il rischio di tumore ai polmoni
aumenta con l’esposizione. Anche qui i vari studi approdarono a risultati molto simili.
E’ stato largamente dimostrato che il fumo del tabacco è responsabile della gran
parte dei tumori ai polmoni negli uomini e nelle donne. Studi sugli eetti combinati
dell’esposizione al radon e al fumo delle sigarette mostrano che l’eetto totale di tali
esposizioni è molto maggiore della somma dei due eetti. In altre parole il fumo aumenta
considerevolmente il rischio di tumore ai polmoni correlato al radon, e viceversa. In più,
il radon da solo è la seconda causa di cancro al polmone dopo il tabacco.
Per valutare l’entità del problema, sono state eettuate misure di livelli di radon nelle
case in quasi tutti i Paesi europei negli ultimi 10 anni. E’ stato rilevato che un basso
livello medio nazionale non esclude l’esistenza di aree limitate ad alta concentrazione di
radon. In molti casi la Commissione Europea ha appoggiato la realizzazione di queste
campagne.
In ambito Nazionale l’ENEA ha svolto una serie di ricerche in alcune zone di Roma
e dell’Alto Lazio che evidenziano una presenza di Radon molto variabile tra i 100 e 400
Bq/m
3
(Bequerel al metro cubo) con punte di 1000 ed oltre Bq/m
3
contro una media
nazionale di circa 80 Bq/m
3
.
18
1.3 Radon come precursore di terremoti e come meto-
do di localizzazione di deformazioni tettoniche.
Il radon è tuttavia legato a due ulteriori aspetti riguardanti uno la previsione dei terremoti
e l’altro la localizzazione di faglie nei suoli.
Vari studi[25][35][36][39], a partire dall’anno 1965, hanno messo in evidenza che le
anomalie di concentrazioni di radon nel suolo possono essere associate a possibili eventi
sismici. Ci sono numerosi esempi in letteratura, come quelli di Hauksson (1981) e King
(1986), che descrivono questo comportamento in seguito a lunghe campagne di mis-
urazioni ed analisi statistiche. Le anomalie dipendono dal fatto che, quando si verifica
un fenomeno di stress, la dilatazione delle masse rocciose può causare un incremento
sia nell’area superficiale delle rocce, dovuto alla creazione di cracks, sia nella velocità del
flusso dei fluidi all’interno delle rocce. Entrambe i processi contribuiscono ad un aumento
delle concentrazioni di radon nel suolo.
Accanto a questo aspetto c’è quello della localizzazione delle faglie nei suoli. Per
lo stesso motivo, infatti, le faglie costituiscono una via di fuga preferenziale per il gas
accumulatosi nel sottosuolo [29][39][43][19]; a questo proposito va ribadito che la presenza
di un campo di stress agente in queste rocce favorirebbe non solo la risalita, ma anche
un maggiore accumulo del radon, in quanto le rocce subirebbero una microfratturazione
molto spinta, liberando quasi completamente il gas contenuto al loro interno. Gli eetti
di questi fenomeni sono in particolare le variazioni nella permeabitlità del suolo e nella
frazione di emanazione. Data la presenza molto sviluppata nelle zone di frattura di vuoti
e di fessure, tutti i tipi di deformazione fragile possono essere considerate come zone in
cui il radon tende a concentrarsi in quantità anomale per poi migrare in superficie dando
luogo ad anomalie di concentrazione.
19