Gli esseri umani - e tutti gli altri organismi sulla Terra - beneficiano della radiazione nucleare in modo diretto senza rendersene conto. È facile dimenticarlo mentre ci si abbronza, che tutto inizia con reazioni nucleari che rilasciano energia nel profondo del Sole.
La luce solare ha origine da reazioni nucleari, sostanze radioattive si trovano nelle montagne e nel mare, e durante l'attività vulcanica una notevole quantità di radioattività viene rilasciata nell'atmosfera. Tuttavia, non sono mai state osservate conseguenze gravi per gli esseri umani. (Crediti immagine: Alasdair Turner)
Il calore interno della Terra è causato dalla radiazione dei radionuclidi naturali. Contribuisce solo con circa 0,05 W/m2 al flusso di energia a livello del suolo, una piccola frazione del flusso medio di energia solare di 240 W/m2 che raggiunge la superficie terrestre. Tuttavia, questo calore interno mantiene parte del nucleo terrestre liquido, consentendo i movimenti dei continenti (tettonica delle placche), che influenzano l'evoluzione della vita.
Senza reazioni nucleari, non esisteremmo.
Quando si è formata la Terra, circa 4,5 miliardi di anni fa, il livello di radiazione era circa tre volte più alto di quello attuale. Quindi la radiazione da sola non uccide la vita. Questa interpretazione è rafforzata dal fatto che il livello di radiazione in tutto il mondo varia sostanzialmente, tipicamente di un fattore 10, ma in alcune aree di un fattore superiore a 100. Le persone che vivono in queste regioni con radiazione naturale elevata sono più malate del resto di noi, più suscettibili alle infezioni, o hanno un'aspettativa di vita più breve? La risposta è no! Quindi il livello di radiazione naturale può variare di un ordine di grandezza senza conseguenze apparenti per gli esseri umani.
Mappa che mostra i livelli di radiazione naturale in varie località del mondo (Crediti immagine: S. M. J. Mortazavi/Health Research Foundation, Kyoto, Giappone):
Il fatto che siamo insensibili a così grandi variazioni della radiazione di fondo naturale ci dice qualcosa? Pensiamoci un po'.
Ci vuole molto tempo per reagire quando si vede un'auto che si avvicina? Certamente no, perché senza una reazione rapida, la nostra vita sarebbe in pericolo. La vista e la trasmissione rapida di segnali appropriati al cervello sono di estrema importanza per la sopravvivenza. Lo stesso si può dire per il nostro udito, olfatto o gusto (altrimenti potremmo ad esempio mangiare cibo avariato e ammalarci).
Quando la temperatura cambia del 20% rispetto ai 300K (la cosiddetta "temperatura ambiente") siamo soggetti o al gelo o al calore eccessivo. Entrambi minacciano la nostra vita, quindi dobbiamo essere avvisati di tali variazioni di temperatura. Pertanto, l'evoluzione ha dotato l'umanità della capacità di percepire variazioni di temperatura molto piccole, dell'ordine di circa 2 gradi, cioè meno dell'1% della temperatura ambiente.
Il livello di radiazione naturale può variare non del 20% ma di circa il 1000% e non influenza la nostra vita. Perché non siamo dotati di un senso sintonizzato sulla radiazione nucleare? Il fatto che non sentiamo questa radiazione, non la percepiamo affatto, potrebbe essere la migliore indicazione che in condizioni normali la radiazione nucleare in quanto tale non è dannosa. D'altra parte, perché la radiazione nucleare, solo una forma di energia, dovrebbe rimanere pericolosa nel processo evolutivo, quando tutte le altre forme vengono utilizzate nello sviluppo degli organismi?
Ma forse la radiazione naturale e quella artificiale hanno un impatto diverso su di noi? Forse se viene superato un certo livello (soglia) di radiazione, questa inizia a produrre danni che non possono essere tollerati dai nostri organismi? La risposta alla prima domanda è semplice: la radiazione agisce sempre nello stesso modo e il risultato dipende dal tipo di radiazione, dalla sua dose e dal tempo di esposizione. Gli effetti dipendono anche dall'età, dal sesso, dallo stato generale di salute ecc. La seconda domanda è molto più difficile a cui rispondere.
Studiando le reazioni nucleari che avvengono naturalmente intorno a noi, gli scienziati sono stati in grado di sviluppare tecnologie che utilizzano questi processi in modi che ci avvantaggiano.
I raggi X sono la radiazione ionizzante più frequentemente utilizzata nella diagnostica. Erano già usati in medicina entro un anno dalla loro scoperta accidentale nel 1896 da parte di Konrad Roentgen. Vengono impiegati come strumento di esame ma anche in terapia. Le radiografie permettono ai medici di vedere cosa succede all'interno del corpo umano senza doverlo aprire. Nelle tipiche radiografie la dose di radiazione è troppo bassa per costituire un rischio, tuttavia dobbiamo essere più cauti quando si tratta di donne in gravidanza perché il potenziale rischio per il feto è ancora in discussione.
La radiazione nucleare ad alte dosi è utilizzata nel trattamento del cancro. In tutto il mondo si effettuano più di 5 milioni di tali trattamenti annualmente, aiutando persone gravemente malate. Una moltitudine di procedure diagnostiche, circa 30 milioni all'anno, vengono effettuate utilizzando sostanze radioattive. Se si aggiungono circa 2 miliardi di esami diagnostici con raggi X, la portata dell'utilizzo delle radiazioni ionizzanti è piuttosto impressionante.
Inoltre, siete consapevoli del fatto che tutti gli interventi chirurgici che richiedono condizioni asettiche beneficiano molto della sterilizzazione per irradiazione degli strumenti? Siringhe, aghi, bisturi... tutte le attrezzature chirurgiche devono essere completamente sterili affinché il paziente non venga esposto a germi pericolosi.
Ma cosa dire dei prodotti di uso quotidiano? Usate creme di bellezza? Certamente non vorreste avere una crema pericolosa per la pelle. Il processo di igienizzazione di tali prodotti prevede l'irradiazione della crema prima del confezionamento e della vendita al dettaglio.Vogliamo cibo che duri più a lungo o semi che producano raccolti più abbondanti? L'irradiazione fa al caso nostro. Invece di prodotti chimici, l'irradiazione elimina i microbi infettivi (la Salmonella, per esempio), e inoltre non contamina il cibo come fanno i prodotti chimici.
Gli insetti pericolosi possono essere combattuti irradiando parte della loro popolazione per renderli sterili. Questi insetti possono mescolarsi con quelli non irradiati ma non sono in grado di riprodursi. Ciò mantiene il numero della loro popolazione a livelli più gestibili.Se bevete latte, probabilmente dovreste sapere che i contenitori di plastica utilizzati per il confezionamento del latte sono stati probabilmente irradiati da raggi gamma (il latte stesso viene trattato diversamente).
Le centrali nucleari sono un'altra importantissima applicazione delle reazioni nucleari. Le tradizionali centrali elettriche - che bruciano carbone o petrolio - producono molto smog, molto dannoso per l'ambiente. Stanno esaurendo i combustibili fossili, che si stanno rapidamente terminando e, inoltre, la loro estrazione dalla crosta terrestre danneggia l'ambiente. L'uso dell'energia nucleare può ridurre sostanzialmente la quantità di gas serra rilasciati nell'atmosfera, e sono necessarie quantità di combustibile molto inferiori per ottenere la stessa quantità di energia.
In archeologia, la tecnologia nucleare viene utilizzata per datare i reperti (ad esempio tramite 14C). Nell'arte, si può usare la radiazione per stabilire se gli oggetti sono autentici o falsi. La radiazione può anche dirci la composizione chimica di una sostanza sconosciuta: la radiazione eccita gli atomi nella sostanza e li costringe ad emettere radiazioni elettromagnetiche tipiche di un dato atomo, indicandone così la presenza.
Immagine a destra: installazione di Spettrometria di Massa con Acceleratore presso l'Università di Oxford.Questi sono solo alcuni degli usi pratici delle reazioni nucleari, senza menzionare le applicazioni nella ricerca scientifica. Senza dubbio, l'umanità beneficia molto della radiazione nucleare.
Per quanto benefica possa essere la radiazione nucleare, ne abbiamo paura, e abbiamo buone ragioni per farlo. Tutti conosciamo la traumatica esperienza di Hiroshima e Nagasaki - le due città giapponesi che furono attaccate con armi atomiche. In un lasso di tempo estremamente breve, vaste porzioni di città furono distrutte e circa 200.000 persone persero la vita. Alcuni sopravvissuti contrassero tumori che probabilmente non si sarebbero verificati senza la radiazione nucleare rilasciata dalle bombe. Solo a Hiroshima, tra il 1950 e il 2000, il 46% dei decessi per leucemia e l'11% dei decessi per tumori solidi furono causati dalla radiazione delle bombe.
Naturalmente, quelli erano casi in cui la tecnologia nucleare fu deliberatamente usata come arma. Tuttavia, possono verificarsi incidenti anche in condizioni controllate e "sicure". L'incidente di Chernobyl nell'aprile del 1986 e il disastro di Fukushima Daiichi nel marzo del 2011 sono esempi sobri.
Esplosione alla Centrale Nucleare di Fukushima Daiichi - 12 marzo 2011 (Fonte immagine: NTV/Reuters).I pericoli della tecnologia nucleare sono spesso rappresentati nei media. Leggiamo, ascoltiamo o vediamo spesso notizie allarmanti sulla radiazione nucleare. La maggior parte di noi viene insegnata che la radiazione nucleare è qualcosa da evitare totalmente, e la paura della radiazione è amplificata dal fatto che non la vediamo, non la sentiamo, non la annusiamo e non la udiamo. Ma quanto sono fondate le nostre paure? Dovremmo avere paura, o sta diventando una fobia irrazionale? Beneficiamo dell'energia nucleare in centinaia di modi e le restrizioni di sicurezza per gli impianti e le centrali nucleari sono molto severe e ben mantenute. Gli incidenti sono molto rari.
Se consideriamo il rischio connesso alla radiazione ionizzante, è sensato pensare prima ai rischi che ci sono più familiari. Quasi ogni attività comporta qualche rischio, a volte anche mortale.
I rischi che assumiamo dipendono anche dai luoghi in cui lavoriamo. Lavorando un anno nel commercio si incontrano 10 microrischi, in una fabbrica fino a 100, nel settore dei trasporti 400, in una miniera di carbone 800, e su una piattaforma petrolifera in mare aperto 1800.
Come abbiamo visto, il rischio è una parte inevitabile della nostra attività quotidiana. Tuttavia, siamo così abituati alla maggior parte dei fattori di rischio che di solito non li ricordiamo o semplicemente accettiamo il rischio. A volte molte persone fanno cose che sanno essere rischiose ma scelgono di non considerarle. Ad esempio, i limiti di velocità esistono per la sicurezza eppure molte persone scelgono di andare a velocità eccessiva pur sapendo che è pericoloso.
Può quindi essere ragionevole considerare anche quello che potremmo chiamare un rischio accettabile. Questa è per definizione una nozione molto soggettiva, poiché persone diverse avranno opinioni diverse su ciò che è accettabile. Le loro situazioni cambieranno anche la loro opinione. A volte le persone che vivono lontano da una centrale nucleare accetteranno il rischio connesso alla presenza di tale impianto, mentre quelle che vivono vicino al sito potrebbero non farlo. Le persone che lavorano nell'impianto avranno un punto di vista completamente diverso poiché più è vicino, più è facile raggiungere il lavoro.
Dovremmo anche essere consapevoli del fatto che per la società in senso ampio i calcoli del rischio basati su certi fattori statistici non sono mai del tutto convincenti. Le persone sono meno interessate ai valori medi mondiali ma alla loro sicurezza locale. E nel caso di installazioni nucleari e di un possibile attacco terroristico, nessun calcolo può essere veramente utile. Tutto ciò che possiamo dire è che, in circostanze normali, gli standard di sicurezza nella tecnologia nucleare rendono il rischio nucleare molto più piccolo del rischio connesso a qualsiasi altra tecnologia.
Paracelso, un medico e filosofo tedesco vissuto nel XVI secolo, mentre studiava gli effetti di vari prodotti chimici sulla salute, giunse alla conclusione che è la dose a fare il veleno.
Per le procedure mediche, quando la radiazione è utilizzata a scopo diagnostico (come le radiografie) la dose è limitata a un livello sicuro che consente comunque una buona visualizzazione dei nostri organi. Tuttavia, in radioterapia, l'unico obiettivo del medico è combattere il cancro e la dose utilizzata può essere molto alta, sebbene mirata al tumore, quindi non presenta gravi pericoli per le parti sane del nostro organismo. Le complicazioni che si manifestano dopo tale trattamento non sono rare ma sono per lo più curabili.
Ecco una tabella che mostra i microrischi associati ad alcune procedure diagnostiche mediche:| Procedura medica |
Dose efficace tipica [mSv] |
Rischio [microrischio] |
| Radiografia di un arto | 0.01 | <0.5 |
| Radiografia dentale | 0.01 | <0.05 |
| Radiografia del torace | 0.02/pellicola | 1 |
| Radiografia della testa | 0.07 | 3.5 |
| Tomografia della testa | 2 | 100 |
| Tomografia del torace | 8 | 400 |
| Scintigrafia ossea con Tc-99m | 4 | 200 |
| Studi dinamici del cuore con Tc-99m | 6 | 330 |
Come si può vedere, il rischio relativamente elevato di una tomografia del torace non è maggiore del rischio di lavorare un anno nel settore dei trasporti. Gli usi di queste procedure superano notevolmente qualsiasi possibile effetto negativo in quasi tutti i casi e, inoltre, i medici di solito le usano solo come ultima risorsa.
| Grandezza | Unità | Definizione | Note |
| Dose assorbita (D) | gray (Gy) |
L'energia assorbita nel mezzo dalla radiazione | 1 Gy = 1 J/kg |
| Dose equivalente (H) | sievert (Sv) | H = Q × D, dove D è la dose assorbita e Q è l'Efficacia Biologica Relativa (EBR). | La dose equivalente non può essere misurata direttamente. Ad esempio, EBR è 1 per la radiazione gamma, 5-10 per i neutroni e 20 per la radiazione alfa. |
| Dose efficace (E) | sievert (Sv) | Somma pesata per il tessuto delle dosi equivalenti in tutti i tessuti e organi specificati del corpo. | Tiene conto della sensibilità alla radiazione dei vari tessuti corporei. 1 Sv = 1 J/kg |
| Attività | becquerel (Bq) | Numero di disintegrazioni al secondo | Questa unità è indipendente dal tipo di radiazione o dalla sua energia. 1 Bq = 1 s-1 |
Dagli studi sui sopravvissuti di Hiroshima e Nagasaki si stima il rischio in eccesso di contrarre il cancro al 5% per Sv. Tuttavia, dato che circa il 20% dei decessi umani è dovuto ai tumori, il nostro normale rischio di contrarre un cancro mortale è già di 200.000 microrischi. Ciò significa che in una popolazione di 10.000 persone irradiate con una dose di 1 Sv, compariranno 500 casi di cancro in aggiunta ai 2000 tumori dovuti ad altre cause.
Le popolazioni che abitano regioni naturalmente ad alta radiazione vengono studiate al fine di valutare gli effetti delle dosi basse. Un'ipotesi è che gli effetti negativi sulla salute della radiazione dipendano linearmente dalla dose, anche alle dosi più basse. Questo è noto come l'Ipotesi Lineare Senza Soglia (LNT). Il suo grande vantaggio è la semplicità e la facilità di calcolo degli effetti attesi. Tuttavia, dopo l'incidente di Chernobyl la stima LNT del numero di tumori aggiuntivi negli USA dovuti alle ricadute nucleari di Chernobyl era completamente errata e negli USA non sono mai comparsi tumori aggiuntivi dovuti a quell'evento. Pertanto, nelle regioni a bassa dose o il fattore di rischio del 5% per Sv è fortemente sovrastimato oppure, in generale, l'ipotesi LNT dovrebbe essere rifiutata.Ad esempio, ingerire 100 compresse di paracetamolo in una volta sola probabilmente causerebbe la morte. Quindi, secondo l'ipotesi LNT, il fattore di rischio connesso a ciascuna compressa è 0,01. Questo significa che se 100 persone prendono solo una compressa di paracetamolo, una di loro morirà? È improbabile, il che suggerisce che la relazione è in questo caso non lineare.
Anche la relazione effetto-dose è molto probabilmente non lineare.Gli effetti della radiazione sono spesso descritti come effetti stocastici o deterministici. Una divisione migliore sarebbe effetti precoci e tardivi, ma non è la terminologia convenzionale.
Gli effetti deterministici sono semplici da valutare: quando la dose di radiazione supera un certo valore soglia, compare un effetto avverso (ustioni cutanee o necrosi, per esempio). Implicano dosi elevate e sono abbastanza rari. Gli effetti stocastici sono la conseguenza di un "colpo" puramente statistico di una cellula vivente da parte di una particella ionizzante (alfa, beta o gamma) e la creazione di ioni chimici pericolosi noti come radicali liberi. Questi radicali attaccano il DNA e di conseguenza la cellula può iniziare a dividersi e moltiplicarsi in modo improprio. In altre parole la cellula può mutare e diventare una cellula cancerosa. Secondo questo ragionamento anche una dose di radiazione minuscola ha la possibilità di essere disastrosa. E se gli effetti sono statistici allora possono aumentare linearmente con la dose.
| Modelli deterministici vs. stocastici | |
| Nei modelli deterministici | l'output del modello è completamente determinato dai valori dei parametri e dalle condizioni iniziali. |
| I modelli stocastici | possiedono una certa casualità intrinseca. Lo stesso insieme di valori dei parametri e condizioni iniziali porterà a un insieme di output diversi. |
Tuttavia, circa 15.000 particelle attraversano il nostro corpo ogni secondo. Durante una sola radiografia medica siamo esposti a 1011 raggi gamma. Quindi, basandosi sull'ipotesi LNT, la possibilità di mutazione maligna deve essere molto, molto bassa, circa 1 particella su 30.000.000.000.000.000 (30 quadrilioni). In 70 anni di vita la probabilità risultante di contrarre il cancro a causa di questa radiazione può essere stimata a solo 1 su 900.
Il nostro sistema immunitario ci protegge efficacemente da numerose malattie, e assumendo certi farmaci (vaccini per esempio) sappiamo che può essere attivato ed essere pronto a combattere il nemico una volta che appare nel nostro corpo. Nei topi irradiati con una dose relativamente piccola fino a 200 mSv, il livello di anticorpi è aumentato sostanzialmente e è diminuito solo dopo dosi molto grandi. In effetti, i topi irradiati con la dose di 0,5 - 1 Sv hanno mostrato un numero minore di tumori rispetto alla popolazione di topi non irradiati. L'irradiazione a basse dosi è spesso usata per il trattamento del cancro e le alte dosi di radiazione usate nella terapia del cancro sono meglio tollerate una volta somministrate in precedenza dosi basse e protettive.
Circa un milione di mutazioni si verificano naturalmente in ogni cellula ogni giorno! Circa un decimo di esse causano danni al DNA a doppio filamento. Per sopravvivere, il nostro corpo ha un sistema naturale di riparazione. Tuttavia, se il danno avviene molto rapidamente e su larga scala, potrebbe non essere possibile ripararlo abbastanza rapidamente o accuratamente. Questo è il motivo per cui gli effetti della radiazione ionizzante dipendono non solo dalla dose, ma anche dalla velocità di dose, il che suggerisce una risposta non lineare.
Nonostante lo studio degli effetti della radiazione da lungo tempo, non disponiamo ancora di un modello di rischio affidabile. Al momento, molti modelli di rischio utilizzano un numero di parametri adattati dall'esperimento, ma il cui potere statistico non è elevato. Pertanto dobbiamo anche fare affidamento sul buon senso, che deriva dall'osservazione e non da speculazioni inaffidabili.
Questa era la risposta di persone che ci si poteva aspettare fossero più informate, critiche e spesso con competenza scientifica. Quindi, cosa possiamo aspettarci nel caso di tutti gli altri la cui opinione è formata principalmente dai mass media e la maggior parte dei media di solito esagera i rischi reali. Ecco perché le persone che spesso si oppongono alle centrali nucleari per motivi di sicurezza considereranno il rischio dell'uso dei raggi X inferiore a quello che è realmente.
Ciò significa che, in una popolazione di un milione di persone irradiate con una dose di 1 Sv ci si aspetta 50.000 decessi in eccesso. Se la dose viene ridotta a 1 mSv, il numero di decessi si riduce a 50, equivalente a 50 microrischi. Dobbiamo sottolineare che la coerenza del nostro ragionamento richiede una somministrazione istantanea della dose, poiché la base dell'LNT sono gli effetti delle esplosioni atomiche in Giappone, che si sono verificate in circa 10-8 secondi.
Nel frattempo, la dose annuale in eccesso di 1 mSv sta causando reali costi economici. La stima di Cohen del costo di una vita ipoteticamente salvata grazie a un limite di dose così basso si traduce in un costo annuo di 2,5 miliardi di dollari per il contribuente americano. Questo potrebbe essere notevolmente ridotto se il limite di dose di radiazione venisse aumentato di un fattore 10, coerentemente con l'intervallo tipico mondiale del livello naturale di radiazione.
Siamo esposti alla radiazione nucleare naturale tutto il tempo, mentre l'umanità produce radiazione artificialmente con enormi benefici ma anche con alcuni rischi. I benefici includono l'energia nucleare, gli usi nella sterilizzazione e nelle procedure mediche che aiutano a salvare milioni di persone.
Si spera che i governi e l'opinione pubblica sulla tecnologia nucleare si evolvano, poiché l'energia alternativa è una questione molto urgente e l'energia nucleare è probabilmente il modo più sicuro, pulito ed efficiente per generare grandi quantità di elettricità. Se le decisioni verranno prese su basi puramente scientifiche, senza l'influenza di fattori politici o economici, c'è la possibilità che in futuro la radiazione nucleare venga trattata alla pari degli altri rischi. Maggiori sono i rischi, più abbiamo paura. Ma più abbiamo paura, più sforzi dovrebbero essere fatti per capire di cosa abbiamo paura e se le nostre paure sono fondate.