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Cenni sulla radioattività e caratteristiche fisiche e chimiche dell’uranio
Cristina NuccetelliDipartimento “Tecnologie e Salute”Istituto Superiore di Sanità – Roma
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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
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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..).
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neutrone
protone
= +
DECADIMENTI RADIOATTIVI
+....
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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)
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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
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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
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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
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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
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•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
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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.)
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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
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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)
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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
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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
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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.
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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.
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• 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
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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.)