Cenni sulla radioattività e caratteristiche fisiche e chimiche dell’uranio Cristina Nuccetelli...

Cenni sulla radioattività e caratteristiche fisiche e chimiche dell’uranio

Cristina NuccetelliDipartimento “Tecnologie e Salute”Istituto Superiore di Sanità – Roma

Argomenti trattati:•brevi cenni sulla radioattività e i decadimenti radioattivi

•effetti biologici delle radiazioni ionizzanti

•uranio naturale (NU) e uranio impoverito (DU) composizione isotopica radiazioni emesse

• caratteristiche chimiche dell'uranio• informazioni generali

• solubilità dei composti con U

•vie di esposizione irraggiamento esterno irraggiamento interno

inalazione ingestione ferite

• utilizzo del DU

RadioattivitàUn isotopo radioattivo, o radionuclide, decadendo in un

altro elemento radioattivo o stabile, compie una

disintegrazione ed emette radiazioni ionizzanti (R.I.) che

sono in grado di produrre, direttamente o indirettamente, la

ionizzazione degli atomi e delle molecole del mezzo

attraversato:

•direttamente ionizzanti: particelle con carica elettrica

(elettroni o raggi beta, protoni, particelle alfa) che

ionizzano per collisione;

•indirettamente ionizzanti: particelle senza carica

elettrica (fotoni o raggi gamma, neutroni) che, interagendo

con la materia, possono mettere in moto particelle cariche o

causare reazioni nucleari.

I radionuclidi possono essere di origine naturale, cioè

esistenti in natura (uranio, radio, torio, radon, ecc..), o

di origine atificiale, cioè generati in reazioni nucleari

(cesio 137, iodio 131, stronzio 90, cobalto 60, ecc..).

neutrone

protone

= +

DECADIMENTI RADIOATTIVI

+....

Effetti biologici delle R.I.

gli effetti possono essere:

•deterministici (reazioni tissutali avverse), quando la gravità dell’effetto è in relazione alla dose ricevuta sopra a una certa soglia (aplasia midollare, opacità del cristallino, lesioni cutanee, sterilità)

•stocastici, cioè con probabilità di accadimento funzione della dose e senza un valore di soglia (carcinogenesi, effetti ereditari)

SERIE DELL'URANIO

U-238 4.47E9 y

Th-234 24.1 d

Pa-234 6.7 h

Th-230 7.54 E4 y

U-234 2.46 yPa-234m

1.17 min

Ra-226 1600y

Rn-222 3.82 d

Po-218 3.05 min

Pb-214 26.8 min

At-218 1.60 s

Bi-214 19.9 min

Po-214 1.65 E-4 s

Pb-210 22.2 y

Rn-218 0.035 s

Bi-210 5.01 d

Po-210 138.4 d

Pb-206 stabile

legenda

Uranio naturale (NU) e impoverito (DU)

• L’uranio in natura (NU) ha una precisa composizione isotopica, cioè è una miscela di 238U, 234U e 235U con percentuali in peso fisse e ben note.

• L'uranio impoverito (DU) è un residuo di produzione dell’uranio arricchito che ha una composizione isotopica alterata, con un aumento della percentuale in peso dell' 235U almeno fino al 3% per il combustibile dei reattori nucleari e fino al 90% per uso bellico. Nell'uranio naturale la percentuale in peso dell' 235U è 0,7%.

• Il DU è meno radioattivo dell’uranio naturale

NU 49973 Bq/g DU 39400 Bq/g

• Il DU emette principalmente particelle alfa e beta - le compiono in aria pochi cm e i sono schermati anche dai vestiti - ed è quindi una modesta sorgente di irradiazione esterna

• Se inalato, ingerito o incorporato (schegge di proiettili) si verifica una contaminazione interna

DOSE ed effetti tossici

Composizione dell'uranio naturale (NU) e

dell' uranio impoverito (DU)radio-

nuclide T1/2 radiazione Frazione di massa

(%) attività specifica

(Bq/g) UN DU UN DU

238U 4.48 109 y 99.275 99.799 12206 12270 235U 7.04 108 y 0.720 0.200 576 160 234U 2.45 105 y 0.005 0.001 12206 2290

234Th 24.1 d tracce tracce 12206 12270 234Pa 6.7 h tracce tracce 12206 12270 231Th 18.7 d tracce tracce 576 160

Tot= 49973 Tot= 39420

1 Bq = 1 decadimento per secondo1 Ci = 2.7 1010 Bq

Composizione dell'uranio naturale (NU) e

dell' uranio impoverito (DU) (cont.)

Somma delle energie di DU/ Somma delle energie di NU

11% 42% 1.4%

DU può essere considerato come “solo debolmente

radioattivo". Comunque l'esposizione al DU deve

essere considerata come portatrice di un

potenziale rischio di cancro, data la

relazione dose-risposta lineare

•Dal punto di vista chimico NU e DU si comportano nello

stesso modo perchè differiscono perché sono una diversa

miscela di isotopi radioattivi dello stesso elemento,

l'uranio.

•L'uranio e un solido dall’aspetto argenteo, di densità

19.07 g/cm3,

MP(punto di fusione)= 1.132 °C BP(punto di ebollizione)= 4131 °C

•Ha valenza 2, 3, 4, 5 e 6, è dotato di una grande

reattività chimica, si ossida con facilità e brucia per

riscaldamento.

•L’uranio è piroforico, cioè brucia a contatto con O2 o

con acqua nel caso sia finemente polverizzato; in questo

processo l’uranio determina temperature fino a 3000 oC.

•Si combina con cloro, zolfo e azoto. Appartiene alla

serie degli attinidi.

Caratteristiche chimiche dell’uranio

l’uranio viene classificato, sia per valutarne gli effetti tossici che quelli radiologici, in funzione della solubilità dei composti che forma:

– tipo F (Fast absorption) = il 100% dei composti inalati raggiunge i fluidi corporei con T1/2

=10 min

– tipo M (Moderate absorption) = il 90% dei composti inalati raggiunge i fluidi corporei con T1/2 =140 d; il restante 10% è di tipo F

– tipo S (Slow absorption) = il 99.9% dei composti inalati raggiunge i fluidi corporei con T1/2 =7000 d (~ 20 anni); il restante 0.1% è di tipo F

Caratteristiche chimiche dell’uranio (cont.)

Caratteristiche chimiche dell’uranio (cont.I)

Le forme chimiche più comuni e più

studiate, perché coinvolte nei processi

industriali, sono:

• UO2 diossido di U (uraninite)

tipo S

• U3O8 ottaossido di triU (pechblenda) tipo S

o M

• UO3 triossido di U tipo M

• UCl4 cloruro tipo M

• UF6 esafluoruro tipo F

• U(SO4)2 solfato tipo F

• UO2(NO3)2 nitrato di uranile tipo F o M

I composti dell’uranio di tipo F, che vengono rapidamente assorbiti, hanno lo stesso effetto dei composti di metalli pesanti, quindi sono tossici e hanno i reni come principale organo bersaglio. La radiotossicità di questi composti è minima perché vengono rapidamente escreti dal corpo.

Al contrario, i composti di tipo S come UO2 e U3O8,

quando inalati, si depositano in gran parte nel tratto respiratorio e causano una prolungata esposizione di questi tessuti alle radiazioni ionizzanti. In particolare, i composti di tipo S si accumulano nei linfonodi tracheobronchiali.

Caratteristiche chimiche dell’uranio (cont. II)

Vie di esposizione al DU

Irraggiamento esterno dal DU

le radiazioni emesse dal DU sono di tre tipi: ema si deve notare che− le non possono penetrare lo strato esterno inerte della pelle sulla gran parte del corpo

− ipossono penetrare alcuni mm, cioè solo strati di pelle− i si comportano come i perché sono di bassa energia

Si può concludere che il DU in genere non desta problemi come sorgente di radiazione esterna

Irraggiamento interno dalle radiazioni emesse dal DU

Le particelle radioattive o frammenti, una volta introdotti nel corpo, sono trattenuti nei

tessuti ed emettono localmente radiazioni , e, soprattutto,

Ovviamente solo i primi due scenari interessano la popolazione, in particolare l'inalazione, mentre nel terzo possono essere coinvolti i militari.

Vie di esposizione al DU (cont.)

vie di introduzione

scenari

inalazione presenza di particolato in aria dovuto a esplosione di proiettili al DU o alla risospensione dal suolo di particolato depositato in precedenza

ingestione cibi o acqua contaminati da deposizione di particolato o da contaminazione del suolo

ferite (schegge o frammenti)

combattimenti cn uso di proiettili al DU

Uranio impoverito (DU) – inalazione

In caso di inalazione, la solubilità del composto con DU determina il trasferimento al sangue e l’accumulo negli altri organi.

La dose da radiazioni tende a essere più alta quando la solubilità del composto con DU è bassa, mentre la tossicità chimica cresce con la velocità di assorbimento, quindi

composti F hanno un maggiore effetto tossicologicoorgani bersaglio = reni, fegato

composti S hanno un maggiore effetto radiologicoorgani bersaglio = polmoni, linfonodi

di questo tipo sono circa il 30% dei composti prodotti nell’incendio dei proiettili con DU a seguito di impatto su superfici rigide.

Uranio impoverito (DU) - altre vie di esposizione

ingestione: è una via di introduzione meno importante in scenari bellici ma può diventare rilevante a lungo temine per le popolazioni a causa del trasferimento nella catena alimentare (falde acquifere e suoli contaminati). In questo caso

il rischio tossicologico è maggiore del rischio radiologico

organi bersaglio: tratto gastro intestinale•nel primo anno: intestino

•a lungo termine: fegato, reni, midollo osseo

ferite: sono previsti e rilevati principalmente effetti tossicologici.

• L’uranio impoverito, estremamente denso, piroforico e relativamente poco costoso, è usato come penetratore di munizioni utilizzate per distruggere carri armati e mezzi blindati.

• Le munizioni non contengono cariche esplosive: i proiettili d’uranio sono in grado di penetrare la spessa corazza metallica di un carro armato e distruggerlo.

• L’impiego dell’uranio impoverito ha anche trovato numerose applicazioni civili:

– nell’industria aeronautica, come contrappeso nelle ali degli aerei;

– nella nautica come stabilizzatore nelle chiglie delle barche;

– per la schermatura dalle radiazioni prodotte da dispositivi e impianti per uso medico.

Uranio impoverito (DU) - utilizzo

Evidenti, da un punto di vista economico, i vantaggi che derivano da un impiego dell’uranio impoverito per scopi industriali:

– chi produce il materiale (l’industria nucleare) trasforma in guadagno quello che prima era invece un costo di smaltimento;

– gli utilizzatori, che dispongono di un materiale a basso costo con caratteristiche fisiche eccezionali (in particolare, l’altissima densità, quasi 19 g/cm3, circa una volta e mezza quella del piombo).

Dagli anni ‘70 l’impiego dell’uranio impoverito si è diffuso nell’industria aeronautica al posto del tungsteno.

Dopo l’incidente di Amsterdam del 4 ottobre 1992 l’utilizzo dell’uranio impoverito come contrappeso nelle ali degli aeromobili è destinato a un progressivo, anche se lento, ridimensionamento.

Uranio impoverito (DU) - utilizzo (cont.)