NORM nel Suolo e nei Materiali

NORM nel suolo e nei materiali edili – Concentrazione dei NORM, U-238, Ra-226, Th-232 e K-40, nella crosta terrestre, nel suolo e nei materiali edili – Approccio statistico e geologico al problema del radon per la individuazione delle “Prone Areas” e per la definizione delle strategie di difesa dal radon.

 

Per una maggior comprensione delle grandezze fisiche e chimiche citate e sui loro valori vedi: “Unità di misura delle grandezze del Rn-222 e dei suoi figli“.

 

Introduzione

NORM nel suolo e nei materiali. Le rocce, con il suolo che ne deriva, sono la fonte principale del radon in atmosfera e quindi anche del radon indoor. In termini pratici però, per valutare tale fonte, la misura diretta dell’esalazione (rilascio all’interfaccia suolo-atmosfera) è complessa e lunga nel tempo. Viene quindi sostituita da misure di attività specifica nel sottosuolo. Qui le concentrazioni dei radionuclidi primordiali uranio e torio e del radio, diretto genitore del Rn-222, sono il primo fattore che ne determina la presenza. I NORM sono presenti nel suolo, nelle acque e nei materiali edili - Questo acquerello li rappresenta tutti e tre tramite un immagine di case incastonate nella roccia in riva al mare.Questi elementi precursori sono maggiormente presenti nei litotipi magmatici. Mentre in quelli sedimentari è la loro chimica, nel percorso di formazione delle rocce, che ne determina la concentrazione. Durante il processo di alterazione delle rocce, si possono produrre arricchimenti o impoverimenti del radio rispetto ai precursori determinando così disequilibri radioattivi all’interno delle serie.

La presente scheda si occuperà quindi dei NORM nel suolo e nei materiali utilizzati nell’edilizia e nell’industria. In particolare si tratterà principalmente dei precursori del Rn-222.

Il Rn-222 (un gas) si genera per decadimento radioattivo dal Ra-226 (un solido) disperso in modo relativamente uniforme nelle rocce e nel terreno in genere.

Il Ra-226 proviene a sua volta, per decadimento radioattivo dall’U-238. Radionuclide primordiale distribuito in tracce ma in modo abbastanza uniforme nella crosta terrestre.

La lunghissima vita media dell’U-238, paragonabile a quella del nostro pianeta, fa sì che la sua concentrazione rimanga praticamente costante nel tempo. Perciò è parimenti costante nel tempo la produzione globale di Ra-226 e di Rn-222.

Come scritto all’inizio di questa scheda esistono differenze non trascurabili di concentrazione di U-238 e Ra-226 da luogo e luogo, da roccia e roccia. Pertanto la produzione (e quindi l’emanazione e l’esalazione) del Rn-222 è disuniforme anche per questo.

 

Concentrazione dei NORM in [Bq/kg]

NORM nel suolo e nei materiali. Secondo il documento della IAEA del 2015 Safety Guide 32 sia U-238 che Th-232 e K-40 (principali NORM, “Natural Occurring Radioactive Materials) contribuiscono in egual misura ai valori di dose per irraggiamento gamma outdoor o indoor. Le concentrazioni di attività mediana di questi tre radionuclidi nella crosta terrestre o nel principale materiale di costruzione edile, il calcestruzzo standard, sono:

NORM nel suolo e nei materiali.Tabella contenente i dati della concentrazione in Bq/kg tratta dal documento IAEA
Tab. 1

 

Ovviamente dato l’utilizzo di svariati tipi di additivi o particolari aggregati nel calcestruzzo, si possono avere, per quest’ultimo, valori molto diversificati e superiori.

Da ANPEQ (in una pubblicazione del 2003) si ricava che la concentrazione media di U-238 è di 2,8 ppm nella crosta terrestre superiore continentale e di 1,8 ppm nel suolo superficiale.

 

Secondo una pubblicazione di APAT del 2006 (A. Terlizzi) i valori di abbondanza dei capostipiti delle serie sono indicati nella tabella seguente. Attenzione però ai valori nella colonna della emivita dei capostipiti che sono tutti errati: per l’U-238 essa è realmente 4,468 E+9 anni; per Th-232 è 1,405 E+9; per U-235 é 7,04 E+8 :

NORM nel suolo e nei materiali.Tabella contenente i dati della concentrazione in Bq/kg tratta dal documento di APAT
Tab. 2

Valori confermati dalla Università di Roma Tre nel dottorato M. Castelluccio – 2011.

M.Rossetti, secondo una pubblicazione della Università di Ferrara del 2008 (dottorato M. Rossetti), riporta i valori di attività specifica del Ra-226 (e del Rn-222 conseguente) in varie tipologie di suolo a 1 metro di profondità. Profondità ritenuta da lui sufficiente per essere esente da influenze superficiali sia meteorologiche sia di diffusione:

NORM nel suolo e nei materiali. Tabella contenente i dati della concentrazione del Ra-226 e del conseguente Rn-222 tratti dal documento Rossetti
Tab. 3

 

Concentrazione dei NORM in ppm

NORM nel suolo e nei materiali. La concentrazione di U-238 nella crosta terrestre è quindi mediamente riportata essere di 2,7 ppm, che corrisponde a un’attività specifica di 12,45 [Bq] per milligrammo di U-238.

NORM nel suolo e nei materiali. Tabella con i dati della concentrazione del U-238 in ppm in vari tipi di rocce secondo Rossetti

 

Nel dettaglio, secondo M. Rossetti sopracitato, i valori di U-238 sono (ad eccezione del valore errato in ultima riga):

 

 

Tab. 4

Dato che secondo la RP 112 del 1999 della Commissione Europea l’attività specifica media nella crosta terrestre del Ra-226 è di 40 [Bq/kg]. Pertanto si ha che l’attività specifica è di 3,6605 E+7 [Bq] per milligrammo di Ra-226 e la concentrazione nella crosta terrestre di 1,093 E-6 ppm.

Relativamente al Th-232 il documento dell’APAT sopra menzionato indica la sua concentrazione media nella crosta terrestre pari a 8,5 ppm, mentre seguendo i valori dati da IAEA si ottiene un valore mediano di 11,25 ppm. Tenendo conto che la costante di decadimento per questo radionuclide è di 1,5644 E-18 [sec-1] si ha che per il Th-232 l’attività specifica è di 4,0607 [Bq] per milligrammo.

Relativamente al K-40 il documento della IAEA ci permette di calcolare un valore mediano della concentrazione nella crosta terrestre di 11,25 ppm. Tenendo conto che la costante di decadimento per questo radionuclide è di 1,7612 E-17 [sec-1], si ha che per il K-40 l’attività specifica è di 265,16 [Bq] per milligrammo.

Per inciso ricordiamo che nel caso del Rn-222 l’attività specifica per mg è di 5,691 E+12 [Bq] e che nel caso del Rn-220 (Thoron) l’attività specifica per mg è di 3,3820 E+16 [Bq]. Quindi molti ordini di grandezza superiori a quella dei precursori U-238, Ra-226 e Th-232.

 

Sottosuolo della Valle della Caffarella

NORM nel suolo e nei materiali. E’ possibile esemplificare e approfondire la situazione con l’analisi dettagliata dell’attività dei radionuclidi sopracitati nel particolare sottosuolo della valle della Caffarella a sud di Roma. Analisi riportata dalla tesi di dottorato di M. Castelluccio della Università di Roma Tre (2011) citata in precedenza. Da essa si trae la seguente tabella con dati da molteplici campioni. Essa riporta una serie di valori della concentrazione degli elementi precursori del Rn-222 (U-238 e Ra-226) e del Rn-220 (Th-232), oltre che del K-40. Questi valori sono stati poi confrontati con quelli di soil radon ottenendo una discreta conferma di concordanza nelle attività di quest’ultimo con quella dei rispettivi precursori.

NORM nel suolo e nei materiali. Tabella con concentrazione dei NORM nel sottosuolo della Caffarella secondo Castelluccio
Tab. 5

Si è rileva, poi nella tesi, che le concentrazioni di U-238 e Ra-226 nei campioni di suolo è generalmente maggiore di quella delle rocce di origine. Questo a causa dell’assorbimento dei radionuclidi da parte di minerali e di accumulo di U-238 da parte di composti organici. Il Th-232, invece, che presenta peraltro maggiori concentrazioni rispetto all’U-238 e al Ra-226 sia nelle rocce che nei suoli, non mostra lo stesso fenomeno per le sue caratteristiche di minor solubilità e mobilità. I suoli alluvionali hanno minori concentrazioni di Uranio, Torio e Radio rispetto a quelli vulcanici da cui provengono per disgregazione. Nel caso particolare del rapporto tra le attività del’U-238 e del Ra-226 si osserva infine che, con il succedersi delle fasi di smantellamento e disgregazione delle rocce, si ha un arricchimento del radio rispetto all’equilibrio tra i due che invece si riscontra nelle rocce.

Calcolando i valori dell’indice di radioattività I (seguendo la RP 112 della C.E. successivamente esaminata) per i campioni sopraelencati si avrebbero sempre valori superiori ad 1. Ciò sta ad indicare la generale radioattività di questi materiali, che se utilizzati come materiale da costruzione strutturale potrebbero portare, tra l’altro, a valori di radon indoor non accettabili.

 

Approccio geologico al problema del radon indoor

NORM nel suolo e nei materiali. Tra le non molte nazioni che affrontano il problema della valutazione del rischio da radon indoor con un approccio geologico, si evidenziano la repubblica Ceca, la Svezia e la Germania. In Germania viene utilizzata una mappa della distribuzione regionale delle concentrazioni di radon nel suolo ad un metro di profondità, per la stima previsionale del radon indoor ritenuto essere solitamente compreso tra l’1 e il 5 per mille di quello nel sottosuolo.

In queste nazioni viene usualmente definito un indice di rischio, in vista della costruzione di un nuovo edificio. L’indice è basato su misurazioni del soil radon nel sottosuolo del sito di costruzione e su misurazioni di permeabilità intrinseca del medesimo terreno. In base a queste vengono raccomandate differenti prescrizioni costruttive.

La tabella seguente illustra, come esempio, una raccomandazione introdotta nel 1982 dalla Swedish Radiation Protection Authority per la classificazione dei terreni in relazione al rischio radon indoor. La profondità di riferimento per la concentrazione di radon nel suolo è 0,8 – 1 metro:

Classificazione dei terreni secondo il rischio radon della Swedish Radiation Protection Authority
Tab 6

Sono stati anche proposti algoritmi matematici che derivano valori previsionali di concentrazione di radon indoor partendo da queste variabili. Analogamente sono stati proposti altri algoritmi che calcolano il flusso di esalazione previsto dal terreno in funzione delle sue caratteristiche e dei valori di concentrazione di attività underground.

La maggior parte delle nazioni (tra cui l’Italia), invece, segue (o ha in programma) un differente approccio. Dopo aver individuato i confini di cosiddette “radon prone areas“, in funzione della percentuale di edifici che rivelano concentrazioni superiori a determinati valori, vengono definiti alcuni obblighi di legge. Essi normano i vari aspetti del problema e che sono applicabili alle costruzioni in quelle aree.

 

Concentrazione di U-238, Ra-226, Th-232 e K-40 nei materiali edili

NORM nel suolo e nei materiali. Secondo un rapporto UNSCEAR del 2000, il contributo di radon indoor emesso dal suolo può essere stimato intorno al 60÷70%, mentre quello dai materiali edili è valutato intorno al 15÷20%. Questi valori sono stati ottenuti con modelli matematici operanti nell’ipotesi che il contenuto di radioattività dei materiali sia pari al valore medio di circa 50 [Bq/kg].

Secondo RP 112 della Commissione Europea

Inoltre secondo il documento Radiation Protection 112 della Commissione Europea del 1999 le concentrazioni medie (come attività specifica) nella crosta terrestre del Ra-226 e del Th-232 sono di 40 [Bq/kg] e quella del K-40 è di 400 [Bq/kg]. Questi dati sono in sostanziale accordo con quelli precedenti. Le analoghe concentrazioni dei radionuclidi sopraddetti nei materiali edili e nei sottoprodotti industriali sono invece quelle riportate nella seguente tabella. In essa sono indicate le attività specifiche usuali e massime per i materiali da costruzione dei paesi dell’UE (valori mediati sul peso delle popolazioni):

NORM nel suolo e nei materiali. Concentrazione dei NORM nei materiali industriali secondo il documento Radiation Protection 112
Tab. 7

Secondo Risica, Bolzan e Nuccetelli

I valori sopra riportati possono essere confrontati e integrati con quelli della seguente tabella tratta da “Radon in the living Environment – 1999 Athens Greece: Radioactivity in building materials Risica, Bolzan, Nuccetelli:

 

NORM nel suolo e nei materiali. Concentrazione dei NORM nei materiali industriali secondo Risica, Bolzan e Nuccetelli.Tab. 8

Secondo Facchini, Valli e Vecchi dell’Università di Milano

Infine riportiamo la seguente utile tabella relativa alle pietre ornamentali:

 

NORM nel suolo e nei materiali. Concentrazione dei NORM nelle pietre ornamentali secondo Facchini, Valli e Vecchi.

Tab. 9

Indice di concentrazione di attività I

NORM nel suolo e nei materiali. Tornando al documento RP 112, le due tabelle che seguono danno i valori di dose per irraggiamento gamma per un abitante di un locale di 20 metri quadrati, ipotizzando la permanenza di 7000 ore per anno. I materiali per la costruzione delle mura, dei pavimenti e dei soffitti contengono i radionuclidi riportati in quattro differenti ipotesi di concentrazione (low, average, upper, enhanced). La dose indicata nella tabella 10 è intesa in aggiunta a quella media naturale e i parametri usati per calcolarla sono quelli indicati nella tabella 11.

Dose per irraggiamento di un abitante di un locale costruito con materiali edili contenenti NORM nelle concentrazioni indicate secondo RP 112.
Tab. 10

 

Parametri usati per il calcolo della tabella precedente.
Tab. 11

 

La dose per irraggiamento alfa interno è invece dovuta al radon ed ai suoi figli. Il radon si concentra negli edifici provenendo principalmente dal sottostante suolo, ma un contributo lo possono dare anche i materiali da costruzione, particolarmente nei piani superiori. Questi materiali solitamente contribuiscono alla concentrazione del radon per poche decine di [Bq/m3]; in rari casi però tale valore può essere molto alto.

 

La Comunità Europea perciò, al fine di limitare la dose di irraggiamento gamma indoor al di sotto di valori pari a 0,3 e 1 [mSv/anno] in eccesso a quella outdoor, ha definito con il documento RP 112 un indice di concentrazione di attività I con la seguente espressione:

Formula dell'Indice di Concentrazione di Attività I secondo RP 112

Dove C indica la concentrazione dei radionuclidi Ra-226, Th-232 e K-40 in [Bq/kg] nei materiali da costruzione.

I valori accettabili di I sono dati dalla seguente tabella in funzione dei criteri di dose accettata:

Tabella con i valori accettabili dell'indice I secondo RP 112.
Tab. 12

Secondo la Commissione Europea le concentrazioni di Ra-226 devono essere limitate all’interno dei materiali da costruzione dei nuovi edifici al fine di impedire il superamento di concentrazione di radon indoor di 200 [Bq/m3]. Il rispetto dei criteri sopra riportati per l’indice I garantiscono il raggiungimento di tale obbiettivo.