Le applicazioni della
radioattività e delle radiazioni ionizzanti
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 γ 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 all’estero 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.).
per maggiori
informazioni sulla radioattività
l' uomo, le
radiazioni corpuscolari ed elettromagnetiche, le radiazioni ionizzanti
per
conoscere come si effettua il rilevamento e la misurazione della
radioattività (cenni normativi e strumenti tecnici e unità di misura)
fonte: E.N.E.A.
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