Misure di fallout radioattivo da Fukushima al Dipartimento di Fisica di Milano-Bicocca

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Cristiano Bini
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1 Misure di fallout radioattivo da Fukushima al Dipartimento di Fisica di Milano-Bicocca Ezio Previtali INFN Sezione Milano Bicocca Università di Milano Bicocca

2 Misure di Elementi in Ultra-Tracce Fisica delle Interazioni Fondamentali Esperimenti per la fisica degli eventi rari: - doppio decadimento beta - ricerca di materia oscura non barionica - misure di neutrini solari -. Richiedono specifiche selezioni dei materiali (purezza) CUORE Cryogenic Underground Observatory for Rare Events Matrice di 988 cristalli di TeO cm 3 (750 g) Esperimenti sul doppio decadimento beta Fondo radioattivo nella regione di interesse 1 cont/(kev ton year) Richieste di contaminazione sui materiali < g/g per U e Th Ci aspettiamo 1 evento in media all anno nella regione di interesse

Richiedono specifiche selezioni dei materiali (purezza) CUORE Cryogenic Underground Observatory for Rare Events Matrice di 988 cristalli di TeO 2 5 5 5cm

3 Laboratori di Misura a Milano Bicocca Laboratorio di Radioattività Rivelatori al Ge per spettrometria γ Rivelatori al Si per spettrometria α Rivelatori per spettrometria X Rivelatori di Radon in aria Rivelatore al Ge iperpuro Con schermatura in piombo Spettrometro ICP MS HR Laboratorio di Spettrometria di Massa Spettrometro ICP MS HR Spettrometro ICP MS a quadrupolo Sistema di purificazione acqua e acidi

Rivelatore al Ge iperpuro Con schermatura in piombo Spettrometro ICP MS HR Laboratorio di

4 Misure di radioattività Spettroscopia delle particelle emesse: - ogni picco di energia indica un radionuclide - l integrale del picco ci dice quanto ne abbiamo 40 K Spettrometria di massa: - ogni picco di massa indica un isotopo - l integrale del picco ci dice quanto ne abbiamo A = λ N = N / τ

quanto ne abbiamo 40 K Spettrometria di massa: - ogni picco di massa

5 Reazioni di Fissione n U X + Y + k n + E (k ~ 2.5) Prodotti di Fissione Per ogni fissione di 235 U vengono liberati ~ 200 MeV Questi vengono ripartiti come segue: 160 MeV energia cinetica dei prodotti X e Y 5 MeV energia cinetica dei neutroni 25 MeV rilasciata radioattivamente da X e Y 10 MeV energia dei neutrini emessi La fissione di 1 kg di 235 U produce ~ J La combustione di 1 kg di carbone produce ~ J Reattore Bomba Atomica

segue: 160 MeV energia cinetica dei prodotti X e Y 5 MeV energia cinetica dei neutroni 25 MeV rilasciata

6 Reazioni di Attivazione All interno dei reattori nucleari la percentuale di 235 U è inferiore al 5% Il restante 95% circa è 238 U che non è un isotopo fissile Bombardato con neutroni 238 U produce elementi transuranici (Attinidi) n U 239 U + γ 239 Np + e - + ν 239 Pu + e - + ν Prodotti di Attivazione Attivazione Fissione

Bombardato con neutroni 238 U produce elementi transuranici (Attinidi) n + 238 U

7 Dispersione dei radioisotopi in ambiente La dispersione dei radionuclidi in ambiente dipende da vari fattori: Meccanismi di rilascio da parte della sorgente : Reattore Nucleare o Bomba Atomica Tempi e condizioni di rilascio Meccanismi di trasporto da parte di agenti atmosferici Elementi gassosi (Xe, I parzialmente, ) si muovono come gas in atmosfera Elementi che si legano al particolato (Cs, Te, Sr, I parte, ) Elementi che sono facilmente solubili in acqua (Cs, I, ) Vita media degli elementi radioattivi emessi: Isotopi a vita brevissima: se inferiore ad un giorno difficilmente si disperdono Isotopi a vita breve: es. 131 I si dimezza in 8 giorni ha una dispersione globale Isotopi a vita media: es. 137 Cs (30 y), 134 Cs (2 y) si disperdono e rimangono in ambiente Isotopi a vita lunga: es. 239 Pu (24000 y) rimangono in ambiente per sempre

Sr, I parte, ) Elementi che sono facilmente solubili in acqua (Cs, I, ) Vita media degli elementi radioattivi emessi: Isotopi a vita brevissima: se inferiore ad un giorno difficilmente si disperdono

8 Esplosioni nucleari in atmosfera Test di ordigni nucleari sono stati condotti in atmosfera a partire dal 1945 U.S.A. U.R.S.S. CINA Test nucleari Anni 60 Test nucleari - Cina Trinity test Alamogordo 16 luglio 1945

9 Fallout da bombe atomiche Le esplosioni termonucleari hanno prodotto la ricaduta di ingenti quantità di nuclei radioattivi In particolare il 137 Cs ha un tempo di dimezzamento di 30 anni circa: quindi la sua radioattività è ancora presente nell ambiente! Le carote di ghiaccio alpino ed antartico sono archivi del clima e degli eventi avvenuti sulla terra su scale anche di migliaia di anni

circa: quindi la sua radioattività è ancora presente nell ambiente!

10 Che radioattività c è nell aria di Milano? 7 Be = 5-10 mbq/m 3 40 K = μbq/m Cs = 1-0,5 μbq/m 3 R.N. T 1/2 Energia Radiazione Gamma [kev] Provenienza 7 Be d 478 Cosmogenica 40 K 1.3x10 9 y 1460 Primordiale 137 Cs 30.1 y 661 Artificiale 214 Pb 26.8 min 352 Figlio 222 Rn 7 Be 137 Cs 40 K 214 Bi 19.9 min 609 Figlio 222 Rn 210 Pb 22.3 y 46 Figlio 222 Rn 212 Pb h 238 Figlio 220 Rn 212 Bi min 727 Figlio 220 Rn 208 Tl min 2615 Figlio 220 Rn La gran parte degli isotopi che si osservano sono naturali: 7 Be, 40 K, figli del 222 Rn ( 238 U) L unico isotopo antropogenico che si osservava è il 137 Cs, residuo delle esplosioni nucleari in atmosfera e di Chernobyl

9 min 609 Figlio 222 Rn 210 Pb 22.3 y 46 Figlio 222 Rn 212 Pb 10.64 h 238 Figlio 220 Rn 212 Bi 60.55 min 727 Figlio 220 Rn 208 Tl 3.

11 Disastro di Fukushima Alle 14,46 ora locale dell 11 marzo 2011 un sisma di magnitudo 8.9 della scala Richter ha colpito il Nord Est del Giappone Il successivo Tsunami ha spazzato gran parte della costa pacifica nel Nord del Giappone investendo la centrale nucleare di Fukushima Prima La distruzione dei tre impianti di raffreddamento ha portato ad una grave crisi nucleare con dispersione di materiale radioattivo su scala mondiale Dopo

costa pacifica nel Nord del Giappone investendo la centrale nucleare di Fukushima Prima La distruzione dei

12 Disastro di Fukushima (2) Ma nell istante del terremoto i reattori si sono spenti automaticamente tramite le barre di controllo! Che c entra allora l impianto di raffreddamento e perché questo ha creato il disastro? Bisogna ricordare che le scorie radioattive immagazzinano circa il 10% dell energia da fissione!!! Il core del reattore si raffredderà quindi su scale temporali proprie del decadimento radioattivo delle sue scorie, e quindi, nel frattempo, va raffreddato!!!

Bisogna ricordare che le scorie radioattive immagazzinano circa il 10% dell energia da fissione!

13 La nuvola radioattiva

14 L emissione di Fukushima arriva a Milano Filtrando l aria Milanese è possibile individuare nel particolato sospeso la presenza di tracce di radioattività provenienti dal Giappone Utilizzando: - filtri di grande portata (1700 m 3 /h) - rivelatori di radiazione molto sensibili Abbiamo visto l arrivo della nuvola radioattiva Dipartimento di Fisica G. Occhialini Università di Milano Bicocca Rivelatore di radiazione al Ge Iperpuro Filtro dell aria Prima Dopo

/h) - rivelatori di radiazione molto sensibili Abbiamo visto l arrivo della nuvola radioattiva Dipartimento di

15 Misure sul particolato Filtro Smontato Filtro in Misura Filtro Impacchettato Simulazione Misura

16 Cosa c era nella nuvola di Fukushima Dal 24 marzo 2011 i nostri strumenti iniziano a misurare livelli di radioattività anomala Evidenza picco Iodio-131 Piombo-214 naturale Iodio-131 Evidenza picco Iodio-131 e Cesio-134 Bismuto-214 naturale Cesio-134 Iodio-131 Prima compare lo Iodio ( 131 I) e quindi si identifica anche il Cesio ( 134 Cs e 137 Cs) - tempo di dimezzamento dello 131 I pari a 8.02 giorni - tempo di dimezzamento del 134 Cs pari a 2.65 anni - tempo di dimezzamento del 137 Cs pari a anni

Iodio-131 Prima compare lo Iodio ( 131 I) e quindi si identifica anche il Cesio ( 134 Cs e 137 Cs) - tempo di dimezzamento

17 Bq/m3 Bq/m3 Bq/m3 L evoluzione della radioattività a Milano 4,50E-04 4,00E-04 3,50E-04 3,00E-04 2,50E-04 2,00E-04 1,50E-04 1,00E-04 5,00E-05 23/03/ /03/ :30 24/03/ /03/ ,00E+00 1,20E-04 1,00E-04 8,00E-05 6,00E-05 4,00E I Milano Bicocca 26/03/ /03/ /03/ /03/ :13 31/03/ :27 01/04/ :00 02/04/ :20 03/04/ :35 04/04/ :25 05/04/ :30 06/04/ :30 07/04/ :20 08/04/ :45 10/04/ :00 11/04/ :30 12/04/ :46 13/04/ :10 attività giornaliera 137 Cs 9,00E-05 8,00E-05 7,00E-05 6,00E-05 5,00E-05 4,00E-05 3,00E-05 2,00E-05 1,00E-05 0,00E+00 25/03/ /03/ /03/ /03/ /03/ :13 Attività giornaliere 134 Cs 31/03/ :27 01/04/ :00 02/04/ :20 03/04/ :35 04/04/ :25 05/04/ :30 06/04/ :30 07/04/ :20 08/04/ :45 10/04/ :00 11/04/ :30 12/04/ :46 13/04/ :10 All interno della sequenza misurata: - si osserva un ritardo tra I e Cs - si osservano un paio di picchi - si osservano valori dell ordine di 10-4 Bq/m 3 - i valori sono 10 5 volte più piccoli di Chernobyl 25/03/ /03/ /03/ /03/ /03/ :13 31/03/ :27 01/04/ :00 02/04/ :20 03/04/ :35 04/04/ :25 05/04/ :30 06/04/ :30 07/04/ :20 08/04/ :45 10/04/ :00 11/04/ :30 12/04/ :46 13/04/ :10 2,00E-05 0,00E+00 Dopo un periodo di circa 20 giorni il livello di radioattività torna (praticamente) ai valori precedenti l arrivo della nuvola.

54 30/03/2011 01:13 31/03/2011 00:27 01/04/2011 02:00 02/04/2011 00:20 03/04/2011 16:35 04/04/2011 17:25 05/04/2011 17:30 06/04/2011 18:30 07/04/2011 16:20 08/04/2011 19:45 10/04/2011 20:00

18 E i transuranici??? Il reattore numero 3 di Fukushima era alimentato a MOX!!! Ossidi misti contenenti Pu Pu è un elemento di elevatissima tossicità E immaginabile una contaminazione di Pu su vasta scala? E un elemento pesante tende a ricadere al suolo Si lega tendenzialmente al particolato e ne segue le dinamiche Per il lungo tempo di dimezzamento (24000 y) rimane in ambiente La sua radioattività specifica è però bassa Nella regione di Fukushima: E possibile una contaminazione da Pu Non si hanno ancora dati precisi riguardo l entità E in Italia???

E un elemento pesante tende a ricadere al suolo Si lega tendenzialmente al particolato e ne segue le dinamiche Per il lungo tempo di

19 La contaminazione in ambiente da Pu La contaminazione di Pu in ambiente può venire da: Rilasci da Centrale Nucleare Emissioni da Bombe Termonucleari Concentrazione 240 Pu > 20% Concentrazione 240 Pu < 7% Dalla misura del rapporto: 240 Pu/ 239 Pu Distinguiamo sorgenti militari da civili 0.2 < 240 Pu/ 239 Pu < Pu/ 239 Pu < 0.2 tipico dei reattori civili da fallout bellici Si può effettuare la misura dei rapporti isotopici del Pu con spettrometri di massa

240 Pu/ 239 Pu Distinguiamo sorgenti militari da civili 0.2 < 240 Pu/ 239 Pu < 0.6 240 Pu/ 239 Pu < 0.

20 L esempio Chernobyl Possiamo valutare come si è disperso il Pu rilasciato da Chernobyl Terreno prelevato a Brjansk (200 km nord Chernobyl), Russia I.A.E.A.375 Terreno prelevato a Ternate, Varese A.R.P.A U 239 Pu 240 Pu 242 Pu Tracciante Pu/ 239 Pu Brjnsk, Russia 240 Pu/ 239 Pu Ternate (Va) 0,28 + 0,05 0,05 + 0,01 Il Pu rilasciato dalla centrale nucleare di Chernobyl non è arrivato in Italia Abbiamo ancora residui di Pu rilasciati in atmosfera dalle esplosioni termonucleari

000 238 U 239 Pu 240 Pu 242 Pu Tracciante 2370 2380 2390 2400 2410 2420 2430 240 Pu/ 239 Pu Brjnsk, Russia 240 Pu/ 239 Pu Ternate (Va) 0,28 + 0,05

21 Conclusioni L incidente dalla centrale nucleare di Fukushima ha portato a: una dispersione su scala mondiale di radionuclidi in Italia la nuvola radioattiva presentava concentrazioni basse la durata totale dell evento sul nord Italia è stimabile in circa 20 giorni i radioisotopi identificati sono 131 I, 134 Cs, 137 Cs dall esperienza Chernobyl non ci aspettiamo contaminazione da transuranici

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