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I rifugi antiatomici (quinta parte)

11 Ottobre 2010 di Amministratore

Beniamino Bullio (ingegnere nucleare) ci ha inviato un quinto documento di approfondimento sempre sui “rifugi antiatomici”.

E’ il quinto documento, in quanto si riallaccia ai precedenti documenti inviatici nel luglio-agosto 2009 sempre da Beniamino Bullio sui “rifugi antiatomici”.

Questa è la quinta parte e seguiranno ulteriori approfondimenti.
Segue il testo inviatoci.

I rifugi antiatomici (quinta parte) - di B. Bullio (ottobre 2010)

Come accennato nei precedenti inserti, il rifugio antiatomico deve salvaguardare uomini ed animali dalle radiazioni e non solo.
Dovrà risultare certamente interrato: la soluzione che adotteremo sarà quella di sistemarlo a quota inferiore al locale garage se partiamo dall’ ipotesi che il box o l’ autorimessa sia collocata in posizione interrata dunque ad almeno – 3 m rispetto alla quota stradale che assumeremo come quota 0 (zero). Il bunker lo vedremo allora collocato ad una quota di circa – 6 m.
La nostra “cellula di sopravvivenza” o “bunker“ , come meglio preferite, dovra’ possedere un ingresso per l’ aria dotato di un filtro depuratore. Lo scopo di questo ingresso è ricambiare l’ aria ed espellere elementi nocivi come l’anidride carbonica e l’umidita’. Queste funzioni devono potersi svolgere in condizioni normali qualora si voglia accedere in qualsiasi momento nel bunker . Dovra’ inoltre essere dotato dei seguenti beni: acqua potabile, alimenti in scatola, energia elettrica e servizi igienici. Dovra’ contenere anche i letti e una batteria ad alta capacità di accumulo. Inoltre è fortemente sconsigliato durante la fase di esecuzione l’uso di intonaco che potrebbe procreare problemi di salute e sgretolarsi facilmente a causa delle onde d’ urto in seguito alle esplosioni nucleari.
In Svizzera una Legge degli anni ’70 obbliga ogni cittadino ad aver un posto in un bunker.
La stessa Legge prescrive che i bunker abbiano almeno uno spessore dei solai di 40 cm e dei muri perimetrali di 30 cm . Naturalmente questi spessori sono fortemente legati alla potenza delle esplosioni nucleari ed alla distanza alla quale le stesse si sono avute .
Analizziamo le unita’ di misura piu’ utilizzate :

Gray (Gy): unità di misura del Sistema Internazionale (SI) che esprime la dose assorbita dalla materia a seguito dell’esposizione a radiazioni ionizzanti.

Sievert (Sv): unità di misura SI che esprime la dose equivalente di radiazione, ovvero il danno provocato nell’uomo dai vari tipi di radiazioni ionizzanti. Di norma oltre i 6 Sv la sopravvivenza tende a 0 ( zero ).

La vecchia unità di misura della dose di radiazione ionizzante è il rontgen (R, mR). Questa unità di misura resta di uso corrente. Nel sistema SI ( Sistema Internazionale ) la dose di radiazione è definita indirettamente dalla ionizzazione che la dose provocherebbe in un chilogrammo d’aria. L’unità SI è il coulomb per kilogrammo (C/kg) ; non ha denominazione specifica. La relazione si scrive
1R = 2,58 x 10 elevato a – 4 [C/kg] ovvero 1 C/kg corrisponde a circa a 4.000 R.

Becquerel (Bq): unità di misura SI che esprime il numero di decadimenti di un materiale radioattivo nell’unità di tempo. 1 Bq equivale a un decadimento al secondo. Il becquerel è troppo piccolo per essere utilizzato in radiografia industriale. L’unità di misura attualmente utilizzata è il curie (Ci) che corrisponde ad una quantità di radiazione 3,7 x 1010 volte più grande.
La potenza di una sorgente radioattiva viene quindi misurata in Ci, M Bq o GBq (1 gigabecquerel=109 becquerel).

Kiloton (Kt): unità di misura non del SI che esprime la quantità di energia prodotta da un’esplosione. 1Kt = mille tonnellate di tritolo (trinitrotoluene o TNT) . Le due bombe A lanciate dagli USA contro il Giappone ed eplose su Hiroshima e Nagasaki il 6 e il 9 agosto 1945, avevano la potenza di ca. 20 kiloton ciascuna .

Megaton (Mt): unità di misura non SI, che esprime la quantità di energia prodotta da un’esplosione. 1Mt = un milione di tonnellate di tritolo.

Nel caso dell’ esplosione di una bomba atomica con una quantita’ standard di materiale utilizzata di 1 Mt , si puo’ con buona approssimazione ritenere che si generi:

- Un’ Onda termica (35% dell’energia prodotta) la cui energia provoca un lampo di luce tale da provocare cecità temporanea oltre a danni permanenti alla capacità visiva. La quantità di calore sviluppata porta la temperatura a valori dell’ordine di milioni di gradi Celsius, con conseguenze concentriche ; inoltre si verifica una vaporizzazione immediata di ogni cosa nel raggio di 10 km dall’epicentro, ustioni di terzo e quarto grado nel raggio di 10-15 km, di secondo grado nel raggio di 15-20 km, di primo grado nel raggio di 20-25 km, nonche’ sviluppo di incendi nel raggio di 15 km ed anche piu’ in funzione della tipologia dei materiali esistenti nell’area indicata. Nel caso di un’esplosione in superficie, in corrispondenza dell’ epicentro si ha rimozione del suolo e degli altri materiali presenti per cui si forma un cratere le cui dimensioni variano a seconda dell’altezza alla quale l’ordigno viene fatto esplodere.

- Un’ Onda d’urto (50% dell’energia prodotta) la cui causa è l’enorme pressione generata dall’esplosione che , dopo una frazione di secondo, produce un’onda d’urto (un muro d’aria fortemente compressa) con velocità molto elevata , che a sua volta provoca la distruzione di ogni cosa nel raggio di 1500 metri, danni enormi agli edifici, morte di chiunque si trovi nel raggio di 10 km, a meno che non trovi riparo in appositi rifugi sotterranei. Dopo appena 2 secondi dall’esplosione, il fronte dell’onda d’urto ha coperto una distanza di 800 m. Nel caso di una deflagrazione in aria, a questo si associa l’effetto Mach: l’onda d’urto primaria colpisce il suolo, contribuendo alla formazione del cratere, viene riflessa e origina un’onda secondaria. Ad una certa altezza dal suolo e le due onde uniscono i propri fronti, formando l’onda di Mach ( detta rinforzata). A poco piu’ di 11 secondi dall’esplosione, l’onda di Mach ha percorso 5,1 km.

- Un Fungo Atomico: l’elevata temperatura provoca la formazione di masse gassose sotto pressione, tali da formare una palla di fuoco che si estende per centinaia di metri attorno all’epicentro dell’esplosione, con emissione di raggi UV, IR, calore e luce visibile. Essa possiede una velocità ascensionale di circa 170 km/h e trascina con sé i residui della bomba e detriti vari. Si forma così la cosiddetta “nuvola radioattiva”, che raggiunge la sua altezza massima dopo pochissimi secondi, si stabilizza, e continua a crescere in larghezza, prendendo la caratteristica forma a fungo. Il suo calore (considerato a prescindere dall’onda termica) verrebbe avvertito a 8 km di distanza; inoltre, gli strati esterni risucchiano aria, provocando un ciclone capace di spazzare via tonnellate di materiale dal terreno sottostante. Questi venti molto violenti sono un mezzo praticamente ideale di propagazione per incendi su vasta scala. Il colore della nuvola radioattiva è inizialmente rosso o marrone rossiccio, dovuto alla presenza di vari composti colorati (acido nitrico e ossidi di azoto) sulla superficie. Questi composti sono prodotti di reazione fra azoto, ossigeno e vapore acqueo in aria, che si combinano a causa delle alte temperature e dell’influenza delle radiazioni nucleari. Quando la palla di fuoco si raffredda e subentrano fenomeni di condensazione, il colore vira al bianco, molto probabilmente perché si formano piccole gocce d’acqua come in una nuvola qualsiasi.

- Un’ Onda radioattiva (15% dell’energia prodotta): raggi gamma e neutroni. Nel caso di una bomba N, l’irraggiamento supera i 100 km. A questo si associa l’Effetto NIGA (Neutron Induced Gamma Activity): se la sfera primaria, cioè la zona dove avvengono le reazioni nucleari, entra in contatto con il suolo, determina un irraggiamento con neutroni rendendolo fortemente radioattivo.

- Un Effetto EMP (Electro Magnetic Pulse): l’enorme quantità di radiazioni genera un immediato campo elettromagnetico, tale da annullare su vasta scala qualsiasi sistema elettrico o elettronico non schermato per cui nella realizzazione del bunker occorrera’ tenerne conto considerato che al suo interno insistono diverse tipologie di impianti elettrici ed elettronici .

- Un Effetto Fall-out (circa due ore circa dopo l’esplosione) ovvero la ricaduta in tempi differenti di materiale radioattivo, sollevato in quota dall’esplosione. I detriti aspirati dal fungo atomico vengono a contatto con i prodotti di fissione, e diventano conseguentemente radioattivi. Essendo composti da sostanze di natura diversa, ricadono al suolo - sotto forma di polvere e ceneri a velocità direttamente proporzionale alle rispettive masse. Si parla quindi di fall-out primario con ricaduta veloce e di fall-out secondario con ricaduta da sei a trenta ore dopo l’esplosione. La pericolosità del fall-out (ovvero la sua radioattività) è massima nella fase iniziale e diminuisce poi fino a stabilizzarsi. La distribuzione e la durata del fenomeno dipendono anche dalla potenza dei venti in alta quota.
Le particelle microscopiche possono giungere sino alla troposfera e ricadere poi con le piogge.

Tutti gli strumenti di misura delle radiazioni ionizzanti sono costituiti sostanzialmente di due parti:
- il rivelatore vero e proprio , che consiste in una sostanza o apparecchiatura che in qualche modo risponde all’azione delle radiazioni, fornendo informazioni sulla massa, la carica elettrica, l’energia, la direzione delle particelle che lo attraversano;
- il sistema di misura associato necessario fornisce una misura quantitativa del fenomeno studiato.

Rivelatori

I metodi di rivelazione delle radiazioni ionizzanti si basano fondamentalmente sul fenomeno della ionizzazione, della eccitazione e della dissociazione molecolare. Fra i rivelatori che sfruttano la ionizzazione si possono annoverare:
- camere a ionizzazione
- tubi Geiger Müller
- dispositivi e stato solido

Fra i rivelatori che sfruttano al contrario l’eccitazione e la dissociazione molecolare si possono annoverare:
- rivelatori a scintillazione
- dosimetri chimici.

Per valutare il decadimento della radioattivita’ si puo’ utilizzare la seguente formula : “ l’attivita’ decade di 10 volte per ogni aumento di 7 volte nel tempo “ ; per esempio , dopo 7 ore la radioattivita’ sara’ soltanto 1 / 10 di quella della prima ora , dopo 49 ore si ridurra’ ad 1 / 100 , dopo 3 mesi si ridurra’ ad 1 / 10.000 . Trattasi comunque di un valore teorico in quanto si riferisce alla dose di radiazione di un punto situato a circa 1 metro da terra al di sopra di una superficie infinita, contaminata in maniera uniforme.

Si dice tempo di dimezzamento di un elemento radioattivo l’intervallo di tempo al termine del quale l’intensità della radiazione emessa è ridotta a metà del suo valore iniziale. Ciascun elemento radioattivo è caratterizzato dal proprio tempo di dimezzamento.
E’ cosí che l’iridio 192 ha un tempo di dimezzamento di 74 giorni, il cesio 137 di 30 anni, mentre il cobalto 60 di 5,3 anni e l’itterio 169 di 31 giorni.
Dopo due tempi di dimezzamento - ad esempio 148 giorni per l’iridio 192 - l’energia di un 1 Ci di iridio 192 sarà ridotta a 0,25 Ci, e dopo 3 tempi di dimezzamento sarà ridotta a quella di 125 mCi e così via.

La tabella che segue indica con buona accettabilita’ lo spessore perche’ avvenga il semiassorbimento per alcuni materiali in funzione dell’ energia dei fotoni incidenti:

tabella dati relativi allo  spessore perche’ avvenga il semiassorbimento per alcuni materiali in funzione dell’ energia dei fotoni incidenti

Il Pb e’ piu’ conveniente (in g/cm2) con fotoni molli. Per fotoni duri, barriere in cemento
sono convenienti (salvo il minore ingombro in cm del Pb).

Le radiazioni alfa, per la loro natura, sono poco penetranti e possono essere completamente bloccate da un semplice foglio di carta.

Le radiazioni beta sono più penetranti di quelle alfa, ma possono essere completamente bloccate da piccoli spessori di materiali metallici, come ad esempio pochi millimetri di Alluminio.

La radiazione gamma accompagna solitamente una radiazione alfa o una radiazione beta. Infatti, dopo l’emissione alfa o beta, il nucleo è ancora eccitato perché i suoi protoni e neutroni non hanno ancora raggiunto la nuova situazione di equilibrio e di conseguenza, il nucleo si libera rapidamente del surplus di energia attraverso l’emissione di una radiazione gamma. Ad esempio il Cobalto 60 si trasforma per decadimento beta in Nichel 60, che raggiunge il suo stato di equilibrio emettendo una radiazione gamma.

Al contrario delle radiazioni alfa e beta, le radiazioni gamma sono molto penetranti e per bloccarle occorrono materiali ad elevata densità come il Piombo , Ferro e Calcestruzzo .

Il coefficiente di assorbimento

Nell’attraversare uno strato di spessore x si osserva che l’intensità della radiazione trasmessa verifica la legge di Lambert:
− αnx
I (x) =I0 e

Dove I0 è l’intensità incidente appena penetrata nel mezzo x = 0 ; αn, il coefficiente di assorbimento , è un parametro caratteristico della sostanza esaminata mentre il suo inverso è detto cammino libero medio o lunghezza di assorbimento .
Poiché la probabilità di una particella di attraversare uno spessore x senza essere diffusa è data da I (x) =I0 , allora la probabilità di diffusione (o probabilità di scattering) è:
− αn x - k x
P (x) =1−I0 / I (x) =1−e =1−e

Il coefficiente di assorbimento k = αn , diviso per la densità del materiale, determina il coefficiente di assorbimento di massa µ = K / ρ .

Per la determinazione di k si devono conoscere quali sono i processi che contribuiscono all’assorbimento totale e trovare le dipendenze delle sezioni d’urto di questo processi dall’energia dei quanti e dal tipo di sostanza assorbente. I più importanti processi di assorbimento sono: l’effetto fotoelettrico, l’effetto Compton, la formazione di coppie.
In ogni caso, l’effetto ultimo del passaggio di un raggio γ nella materia è la ionizzazione degli atomi del materiale rivelatore.

Vediamo sia pure molto sinteticamente come si svolgono i tre effetti sopra menzionati :

• Effetto fotoelettrico: un fotone incidente di energia Eγ colpisce un elettrone legato ad un atomo con energia B, cedendogli un’energia cinetica K tale che Eγ = K+B. L’effetto fotoelettrico è frequente per energie dei γ comprese tra 0.01 e 0.5 MeV;
• Effetto Compton: un fotone colpisce un elettrone generando un nuovo raggio γ e provocando il rinculo dell’elettrone (Eγ =K+Eγ’). Tale effetto prevale per Eγ comprese tra 0.5 e qualche MeV;
• Produzione di coppie: un raggio γ, in prossimità di campi elettrici molto intensi, dà origine ad un positrone ed un elettrone ( Eγ = [Ke +] + [K e - ] + [2mcc] ). La creazione di coppie avviene per raggi γ di elevate energie, ma la probabilità associata a questo evento diventa piu’ piccola.

Quando µ = 0 si ha trasparenza per la radiazione di frequenza f ; un materiale è tanto più assorbente quanto maggiore è il coefficiente di assorbimento. Naturalmente uno stesso materiale può essere trasparente per certi valori di f, assorbente per altri.
Il coefficiente di assorbimento della radiazione gamma (ad esempio per i gamma da 662 keV del 137Cs) in un materiale può essere determinato dalla misura dei conteggi nel picco fotoelettrico al variare dello spessore interposto tra la sorgente e il rivelatore.

(tratto da forster-system)
La nuova generazione di edifici schermati con struttura sandwich sostituisce le pareti
antiradiazioni cementizie spesse metri e molto armate con una costruzione leggera
a doppio guscio. Dal momento che le lastre cementizie per le pareti doppie vengono
prodotte in fabbrica, presentano superfici praticamente prive di fessurazioni che contrastano perfettamente la penetrazione delle radiazioni. Analogamente, al contrario del calcestruzzo gettato in opera, viene a mancare l’alto calore di idratazione con gradiente termico nella sezione del calcestruzzo che di norma implica problemi di fessurazioni da ritiro non controllabili. Ne consegue che l’utente riceve un edificio schermato omogeneo, senza crepe.
A seconda dei requisiti di schermatura e del tipo di irraggiamento, per il riempimento
dell’intercapedine è possibile utilizzare sostanze minerali differenti.
Nelle schermature antiradiazioni in muratura per raggi X con potenza massima di 20 MeV i materiali di riempimento indicati, ad esempio, sono il gesso naturale CaSO4×2H2O, il gesso REA o il calcare CaCO3 oppure il feldspato calcareo = anortite Ca(Al Si2O8).
In caso di irraggiamento ad alta energia è necessario schermare efficacemente sia i raggi gamma, che i neutroni veloci. Mentre il calcestruzzo normale è composto principalmente dal silicio, numero atomico 14, il calcio con un numero atomico pari a 20 scherma i raggi gamma addirittura meglio.
Pertanto, il sandwich con intercapedine piena di gesso è migliore di una costruzione cementizia. Data la possibilità di combinare svariati strati di materiali differenti, si ottiene anche una grande varietà di caratteristiche. A seconda dei requisiti (tipo di raggi, potenza, energia, superficie di base a disposizione) l’effetto schermante della parete sandwich può essere ulteriormente migliorato con altri inerti piu’ adatti.

(Nel prossimo numero inizieremo ad analizzare un possibile tipo di bunker parlando di profondita’ di collocazione , di spessore delle murature e certamente dislocato al piano sottostante l’autorimessa che supponiamo per ipotesi a quota – 3 m rispetto alla quota stradale di riferimento) .
Vi ringrazio per l’attenzione ed a presto.
Per eventuali contatti rivolgetevi agli Amministratori del sito Archivio Nucleare.



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