1 – Premessa sui radionuclidi

Dei 118 elementi attualmente conosciuti, 96 sono di origine naturale: sono i primi 97 della tavola degli elementi, dall’idrogeno al berkelio ad eccezione del promezio (numero 61) che è solo sintetico (artificiale). I successivi 21 sono tutti e solo sintetici. In effetti la produzione sintetica di elementi la si potrebbe comunque definire naturale in quanto anche l’uomo può essere visto come una causa naturale.

L’ultimo, l’elemento 118, è stato chiamato Oganesson ed è stato sintetizzato la prima volta in Russia nel 2006. Dalla sua posizione nella tavola periodica degli elementi si ricava che è un gas nobile, dunque il più pesante e in effetti ha una densità di circa 5 [gr/cm³]. Viene dopo il radon (numero 86) nella colonna di questi gas e ci si potrebbe aspettare che gli somigli chimicamente.

Gli elementi naturali sono originati, direttamente o indirettamente, da materia stellare.

Gli atomi

Gli atomi di un elemento sono caratterizzati dal possedere lo stesso numero atomico Z, che indica il numero di protoni. Gli isotopi sono atomi dello stesso elemento che però hanno un numero differente di neutroni e quindi anche un numero di massa A (protoni + neutroni) differente. Un elemento può possedere uno o più isotopi, stabili o radioattivi. Questi ultimi decadono nel tempo trasmutandosi in altri stabili, quindi la loro concentrazione naturale diminuisce sempre più col tempo. Stessi isotopi possono differire per il solo livello energetico, in tal caso si definiscono isomeri.

I nuclidi

Si definiscono nuclidi i componenti di tutte le specie atomiche (quindi l’insieme di tutti gli atomi con i loro isotopi), e sono identificati dai numeri Z e A. Sono formati da protoni, neutroni, dalla relativa massa elettronica (completa o no) e dal conseguente contenuto energetico. Di questi poco più di 250 sono ritenuti stabili in quanto non se ne è sperimentata ad oggi l’instabilità radioattiva, ovviamente sono tutti primordiali (cioè presenti sul nostro pianeta fin dalla sua formazione). Quelli instabili, i radionuclidi, sono in natura circa 70. Di questi circa 50 sono primordiali ancora esistenti o loro figli, gli altri sono cosmogenici. Il numero di quelli sintetici ammonta a circa 3000.

Oltre al tecnezio (Z=43) e al promezio (Z=61), tutti i nuclidi degli elementi con Z>83 sono instabili. Il bismuto-209 (Z=83) teoricamente è instabile, ma avendo un T_1/2 di circa 1E19 anni presenta un’instabilità molto difficilmente rilevabile. Gli altri elementi con Z<83 hanno sia isotopi stabili che instabili.

I nuclidi, e i radionuclidi, quando non legati chimicamente, possono presentarsi sia elettricamente neutri, in quanto completi della dotazione elettronica, sia ionizzati (ioni) e quindi elettricamente carichi, per lo più positivamente.

 

2 – Concentrazione e attività di un radionuclide

Il numero Becquerel (Bq) indica il numero di decadimenti di un radionuclide che avvengono in un secondo (attività di un radionuclide); 1 [Bq] corrisponde ad 1 decadimento al secondo.

L’attività di una data massa di quel radionuclide è la sua attività totale.

Ovviamente l’attività può provenire anche da una miscela di radionuclidi di varia specie.

L’attività specifica A dei radionuclidi presenti in un metro cubo è quindi misurabile in [Bq/m³].

Perciò un’attività specifica di A = X [Bq/m³] indica che in un metro cubo ogni secondo X atomi del radionuclide in esame decadono emettendo radiazioni.

Peraltro solo una parte dei radionuclidi presenti nel metro cubo decade ogni secondo; gli altri decadranno in futuro. Tenendo conto del significato della costante di decadimento lambda λ, caratteristica di quel radionuclide, l’attività specifica A è il prodotto di lambda per la concentrazione C di atomi del radionuclide.

A = λ*C

dove:

attività specifica o concentrazione di attività        A  = [Bq / m³ ] = disintegrazioni / (m³ * sec)

concentrazione di radionuclidi o atomi                  C  = [Nucl. / m³] = concentrazione in equilibrio con A

costante di decadimento                                            λ  = [1 / sec]

 

se A = 1                                                                                                    C = 1 / λ

Gli altri atomi, come detto, decadranno in seguito, secondo il tempo di dimezzamento specifico di quel radionuclide. La concentrazione diminuirà quindi (esponenzialmente) nel tempo.

 

3 – Concentrazione e attività del radon e della sua progenie

 

Volendo esaminare la concentrazione e attività del radon, occorre ricordare i radionuclidi della serie dell’U-238 e quindi del Rn-222. Quanto scritto sopra si può quantificare con la tabella sottoriportata. Ogni tipologia di radionuclide, nella concentrazione indicata, ha una attività di 1 [Bq]. La serie (ad eccezione del capostipite che può solo diminuire) ha raggiunto questo equilibrio di concentrazioni, a livello globale, dopo un tempo plurimillenario. In un ambiente confinato, però, l’equilibrio si dovrà ricreare di volta in volta Se fossero presenti solo i radionuclidi segnati in rosso dal radon in avanti (con entrata di radon costante dall’esterno) occorreranno alcune ore. Per approfondire questo tema vedi le altre schede tecniche.

Radionuclidi della serie più pericolosi e meno

Per quanto riguarda la pericolosità sanitaria dei radionuclidi soprascritti nei riguardi dei nostri organi di respirazione, per i quali è soprattutto dannosa l’energia ionizzante delle particelle alfa, si può dire che:

• I radionuclidi scritti in blu sono di elementi allo stato solido, nelle condizioni ambientali di pressione e temperatura tipiche della crosta terrestre, e pertanto non modificano la loro posizione nel terreno di origine; in pratica non è possibile trovarli nell’atmosfera se non in tracce insignificanti. Sono quindi di scarsa pericolosità.
• Il Pb-210 (primo dei radionuclidi scritti in nero), pur essendo un figlio del Rn-222 e quindi potendo aver raggiunto l’atmosfera, ha un’attività bassa (a causa di una costante di decadimento piccola) e pertanto è un emettitore saltuario di particelle. In altre parole non raggiungerà un’attività sensibile prima di diversi anni e poi l’attività di equilibrio con il radon se non dopo 200 anni; ha perciò, se non inalato, più tempo per depositarsi ed uscire dallo stato di sospensione prima di decadere. E’ pertanto (con i suoi figli Bi-210 e Po-210) un rischio sanitario meno grave per chi è stato esposto a quel radon che lo ha generato.
• I radionuclidi scritti in rosso sono il Rn-222 ed i suoi figli a breve vita. Essendo il radon un gas ha potuto modificare la sua posizione originaria e raggiungere l’atmosfera: per lui ed i suoi quattro figli a breve vita si può parlare propriamente di concentrazione in aria, di equilibrio raggiungibile e di alto rischio di inalazione . Questi sono dunque i radionuclidi pericolosi.

 

Esame dettagliato dei radionuclidi pericolosi

• In un metro cubo cubo di aria ove si abbia una situazione di equilibrio tra il radon ed i suoi figli (dopo circa 20′ per il Po-218 e circa tre ore per gli altri) la tabella soprascritta indica la concentrazione teorica dei singoli radionuclidi figli per ciascun [Bq/m³] di attività specifica di radon. Vediamoli in ordine di pericolosità.
• Il Po-214 ha una vita così breve che lo possiamo considerare come addizionabile al suo predecessore.
• Il Rn-222 ha facilmente un’alta concentrazione in aria ed è un forte emettitore di particelle alfa di alta energia, ma essendo chimicamente ed elettricamente inerte non si deposita nei tessuti dell’apparato respiratorio e pertanto resta quasi completamente all’esterno del nostro organismo. La sua pericolosità consiste principalmente nella sua capacità di traghettare nell’ambiente i suoi prodotti di decadimento.
• Il Pb-214 e il Bi-214 raggiungono velocemente le loro concentrazioni di equilibrio in aria e sono più pericolosi. Solidi, ionizzati e chimicamente attivi, se inalati, si depositeranno sui tessuti dell’apparato respiratorio e scaricheranno in poche ore la loro (e successivamente quella dei figli) carica di radiazioni ionizzanti. Più esattamente il Bi-214 irraggia particelle beta di circa 1 [MeV] e poi quasi contemporaneamente anche la particella alfa (di 7,69 MeV!) del Po-214 che lo segue a ruota. Il Pb-214, anch’esso beta emettitore di circa 3 [MeV], se inalato, causerà un danno anche un po’ superiore al Bi-214 per il fatto di esserne il predecessore. In conclusione, se in equilibrio con 1 [Bq/m³] di radon, in un metro cubo di aria ci saranno circa 4000 radionuclidi (di Pb-214 e  Bi-214) che scaricheranno, oltre i propri 4 [MeV] delle particelle beta, i 7,69 [MeV] di energia della particella alfa del Po-214.
• Rischioso è infine il Po-218 in quanto ha le stesse caratteristiche dei due precedenti ma se inalato porterà con sé l’energia ionizzante alfa propria di 6 [MeV] e quella totale alfa dei successivi figli per un totale di 13,69 [MeV], oltre ai 4 [MeV] delle particelle beta. Fortunatamente, per la breve vita, la sua concentrazione è solo poco più del 6% del totale della progenie a breve vita.

 

4 – Il concetto di PAE e PAEC nel caso del Rn-222

 

PAE e PAEC

Parlando della concentrazione e attività del radon e progenie, il concetto di PAE (Potential Alpha Energy) è stato utilizzato, senza nominarlo, anche nelle note precedenti. Esso è la somma dell’energia potenziale di tutte le particelle alfa emesse da un singolo radionuclide durante i suoi decadimenti fino alla stabilità. Nel caso della progenie a breve vita del Rn-222 (short-lived radon progeny) è l’energia totale alfa emessa da un radionuclide durante i decadimenti fino al Pb-210. Nella somma non si tiene conto della energia alfa emessa dal predecessore Rn-222 (5,49 [MeV]).

Dalla grandezza PAE in [MeV] di un singolo radionuclide di tipologia j si può calcolare l’energia potenziale alfa in [MeV] di tutti i radionuclidi della stessa tipologia j corrispondenti ad una attività del radon di 1 [Bq], se in equilibrio, o anche quella in [MeV/m³] di tutti i radionuclidi della stessa tipologia j presenti in un metro cubo, corrispondenti a una attività specifica del radon di 1 [Bq/m³], sempre se siamo in equilibrio.

La somma delle energie potenziali alfa di un miscuglio delle quattro tipologie j dei radionuclidi figli a breve vita del Rn-222 in un metro cubo (concentrazione di energia potenziale alfa in aria) si chiama PAEC [MeV/m³]. Se siamo all’equilibrio la indicheremo PAEC*. Perciò nel caso di un miscuglio di radionuclidi in equilibrio con 1 [Bq/m³] di Rn-222, PAEC* è pari a circa 34’760 [MeV/m³]. Nel caso quindi di una attività specifica pari a X [Bq/m³] la PAEC* è:

PAEC* =  X ( Σj Epj / λj) = X 34760             [MeV/m³]

Il Working Level (WL) è una storica unità di misura impiegata inizialmente negli USA (Working Level Concept  – Holaday, 1957) nella valutazione del rischio per le attività lavorative di estrazione mineraria dell’uranio. In pratica è un multiplo della PAEC*, più esattamente 1 WL = 3700 PAEC*. Cioè il WL è la PAEC* di un miscuglio della progenie a breve vita del Rn-222 in aria in un ambiente dove si ha un inquinamento di Radon di  3700 [Bq/m³ ]EEC (equivalente a 100 [pCi/l]). Questo corrispondeva ad una potenziale completa emissione della progenie a breve vita di 128,6E+6 [MeV/m³]. Il Working Level Month (WLM) era l’esposizione ad 1 WL per 170 ore al mese. Nel 2002 le regole NRC (USA) limitarono l’esposizione nelle miniere a 0,3 WL.

 

Coefficiente di equilibrio F e grandezza Kpj

Ricordiamo che F è definito come il rapporto tra l’attività dei singoli figli e quella dell’isotopo genitore in aria in un ambiente. Diminuisce, esponenzialmente, da 1 a 0 all’aumentare della ventilazione e del “plate-out”. Si ha così un valore sempre inferiore a 1, generalmente assunto nelle valutazioni numeriche in ambienti indoor pari a 0,4. Dato che il danno sanitario viene dalla progenie del radon e non dal genitore, il reale valore di F nell’ambiente è di importanza basilare.

Se il miscuglio non fosse all’equilibrio la PAEC sarebbe minore, secondo un rapporto pari al valore del coefficiente di equilibrio F, che quindi si può anche definire adesso:

F  =  PAEC  /  PAEC*

Notiamo incidentalmente che si considera che F abbia lo stesso valore per tutta la progenie a breve vita.

Definiamo adesso la grandezza:

Kpj = (Epj / λj) / (Σj Epj / λj)

come cifra rappresentativa della percentuale della PAE dei radionuclidi della tipologia j sul totale delle PAE dei radionuclidi di tutte le 4 tipologie (figli a breve vita del Ra-222), in caso di attività pari a 1 [Bq] all’equilibrio.

Da notare che Kpj mantiene gli stessi valori anche in un miscuglio di short-lived progeny non in equilibrio (ma con F uguale per tutti) o per attività diverse da 1 [Bq].

5 – Il concetto di EEC nel caso del Rn-222

Per rappresentare una situazione di concentrazione dei radionuclidi figli a breve vita che non siano in equilibrio con il genitore Rn-222, si può utilizzare la grandezza EEC [Bq/m³] che è l’attività specifica (o concentrazione di attività) fittizia del Rn-222 che sarebbe in equilibrio con il miscuglio dato di figli a breve vita. La sua PAEC* è uguale alla PAEC non all’equilibrio del miscuglio iniziale. La EEC si chiama Concentrazione Equivalente all’Equilibrio e talvolta è denominata anche EER, EC, EEDC oppure EECRn.

La EEC si può calcolare in funzione delle concentrazioni di attività A(j) [Bq/m³] in aria dei figli del radon-222 a vita breve (trascurando il contributo irrilevante del Po-214) con la seguente equazione, i cui coefficienti sono stati calcolati da noi:

EEC (Rn-222) =  0,1057 A(Po-218) + 0,5132 A(Pb-214) + 0,3811 A(Bi-214)

oppure seguendo, preferibilmente, la versione di calcolo di ENEA, Centro ricerche Ezio Clementel, Univ. Bologna, Dip. di Fisica, 2002 e anche di UNSCEAR, 2006 Report, Volume II :

EEC (Rn-222) =  0,105 A(Po-218) + 0,516 A(Pb-214) + 0,379 A(Bi-214)

oppure secondo Sofija Forkapic et al. – Università di Novi Sad, Serbia – 2012:

EEC (Rn-222) =  0,105 A(Po-218) + 0,515 A(Pb-214) + 0,380 A(Bi-214)

oppure secondo Elio Giroletti – Università di Pavia – ottobre 2002:

EEC (Rn-222) =  0,106 A(Po-218) + 0,513 A(Pb-214) + 0,381 A(Bi-214)

oppure secondo www.wise-uranium.org:

EEC (Rn-222) =  0,106 A(Po-218) + 0,514 A(Pb-214) + 0,380 A(Bi-214)

Dove tutte le grandezze sono espresse in [Bq/m³].

Tenendo conto di quanto sopra si può infine definire in un altro modo il coefficiente di equilibrio F:

F  =  EEC  /  A(Rn-222)

 

Conclusioni

In conclusione di questa scheda sulla concentrazione e attività del radon, la presenza del radon-222 in aria in un ambiente la si può quantificare, avendo interesse ai suoi effetti di danno sanitario, in vario modo.

La si può infatti esprimere con la concentrazione atomica C [atomi/m³], con la sua attività specifica A [Bq/m³], con la concentrazione di energia potenziale alfa PAEC [MeV/m³] del miscuglio dei figli a breve vita della sua progenie, oppure con la sua concentrazione equivalente all’equilibrio EEC [Bq/m³] (che è la scelta più valida). Importante è, quando si vuole quantificare la presenza del radon, precisare di quale grandezza si parla.

 

Facciamo infine presente, per inciso, che la PAEC  del Thoron (Rn-220) (tutta la sua progenie è a breve vita) è 13,62 volte maggiore di quella (della sola progenie a breve vita) del Rn-222, a parità di F. Ovviamente questo non significa che il Thoron sia più pericoloso del Rn-222; infatti, soprattutto per la breve vita del Thoron, le due modalità di inquinamento sono molto diverse.

Per approfondire le precedenti problematiche si può fare riferimento all’ottimo testo del ORISE (Oak Ridge Institute for Science and Education) intitolato “0450 – F104 – Health Physics for Uranium Recovery – 04 – Radon” al seguente link: https://www.nrc.gov/docs/ML1122/ML11227A237.pdf

Revisionato agosto 2023