Misura Cesio 137 in Suolo Contaminato

Un pò di Storia …

Il 26 aprile del 1986, a Chernobyl, in Ucraina, si è verificato il più grave incidente  mai verificatosi in una centrale nucleare.
Per una serie di eventi, in parte causati da errori umani, in parte dovuti a carenze di progettazione, si è verificata la fusione del nocciolo del reattore, seguita da una fortissima esplosione che ha scoperchiato il reattore e causato un vasto incendio.
Una nuvola di materiale radioattivo fuoriuscì dal reattore e ricadde su vaste aree intorno alla centrale, contaminandole pesantemente e rendendo necessaria l’evacuazione e il reinsediamento in altre zone di circa 336.000 persone. Nubi radioattive raggiunsero anche l’Europa orientale, la Finlandia e la Scandinavia con livelli di contaminazione via via minori, toccando anche l’Italia, la Francia, la Germania, la Svizzera, l’Austria e i Balcani, fino a porzioni della costa orientale del Nord America.

L’evento di Chernobyl ha lasciato tracce evidenti anche da noi in Italia. Il fallout radioattivo è stato disomogeneo, alcune zone sono state più colpite di altre, soprattutto in funzione della direzione dei venti e della quantità di precipitazioni. La mappa riportata sotto mostra la ricaduta radioattiva in Italia. Si vede come le zone più colpite sono quelle dell’arco alpino orientale e della Lombardia.

A livello scientifico sono state fatte numerose campagne di misurazioni e sono stati pubblicati centinaia di articoli scientifici. Anche a livello amatoriale ci sono delle iniziative che si preoccupano di valutare l’impatto ambientale di questo evento. Ad esempio l’amico A. Marturini (A.Marturini) ha fatto diverse misurazione di spettrometria gamma su campioni di funghi raccolti nella zona di Como (una delle più colpite dalla ricaduta). Nella figura sotto si vede un campione di funghi essiccati con il relativo spettro gamma ottenuto nel 2016, a 30 anni dal disastro, nel quale risulta ancora evidente il picco del Cesio 137 a 660 KeV !

Analisi di un Campione di Suolo Contaminato

Grazie all’amico A. Marturini abbiamo avuto la possibilità di esaminare un campione di suolo proveniente dalla Bielorussia, precisamente da Chachersk (Chachersk),vicino a Gomel ( Gomel ). Chachersk è a 190 km a nord di Chernobyl ed è stata investita in pieno dalla nube radioattiva il 26 e il 27 aprile 1986, subito dopo il disastro.
Si tratta di 5,6 g contenuti nella bustina di plastica visibile nella immagine a lato.

Abbiamo effettuato l’acquisizione dello spettro gamma con la sonda con cristallo 63×63 mm il campione di suolo è stato messo a contatto con la sonda, Theremino adapter e Theremino MCA. Lo spettro ottenuto è quello raffigurato nelle immagini sotto. Si nota la presenza di un picco in corrispondenza dei 662 KeV del Cesio 137, evidente soprattutto quando si sovrappone lo spettro gamma del background.

Calibrazione Sonda con Campione di Cesio 137

Prima di effettuare la misurazione del campione di suolo bielorusso abbiamo fatto la calibrazione della sonda con una sorgente campione di Cesio 137 da 0,25 μCi, utilizzando il software BeqMoni, adatto per fare misure di conteggi.
La sorgente è stata prodotta nel 06/2013 e la misurazione è stata fatta nel 06/2017, l’intervallo temporale è quindi di quattro anni, tenendo conto dell’emivita di 30,17 anni del Cs137, si ottiene un valore attuale di attività pari a 0,228 μCi pari a 8436 Bq.
Effettuando la misurazione di questa sorgente campione, in cui abbiamo posto la sorgente ad una distanza dal detector di 5 cm, abbiamo ottenuto lo spettro seguente, nel quale è evidenziato il ROI (region of interest) configurato per il Cesio 137.

La costante di proporzionalità tra attività misurata ed attività assoluta è stata configurata fino ad ottenere per l’attività assoluta il medesimo valore calcolato, come si vede nella immagine a lato.
In pratica abbiamo utilizzato la seguente formula che lega l’attività misurata ai parametri del rivelatore :

A_x = A ( πr² / 4πd² ) f_γ ε

A_x : Attività misurata
A : Attività assoluta
πr² : Superfice del rivelatore perpendicolare ai raggi gamma
d : Distanza della sorgente dal rivelatore
f_γ : Frazione decadimenti gamma
ε : Efficienza del rivelatore

I parametri del rivelatore, fattore di forma geometrico ed efficienza, nel nostro caso sono stati ottenuti sperimentalmente mediante la procedura di calibrazione con la sorgente campione e costituiscono la costante di proporzionalità tra attività misurata ed attività assoluta.

Misura della Attività del Cesio 137

Dopo aver calibrato la scala delle energie, configurato il software con il ROI del Cesio 137 e configurato il rapporto tra attività misurata ed attività assoluta abbiamo effettuato la misurazione del campione di suolo. In pratica determiniamo l’attività del campione di suolo confrontandola con l’attività della sorgente campione. Affinchè questa procedura sia affidabile è necessario utilizzare la medesima configurazione geometrica (posizione sonda, posizione campione, etc ..) utilizzata per la misura della sorgente campione. In questo caso vi è però una differenza dovuta al fatto che la sorgente campione è puntiforme mentre il campione di suolo non lo è. Questa differenza porterà a sottostimare la misura della attività.
Le immagini sotto mostrano lo spettro gamma ottenuto con BeqMoni, al quale è sovrapposto lo spettro di background. La area rosa corrisponde alla regione ROI del Cesio 137, attorno a 662 KeV. La area arancione corrisponde al contributo netto dovuto al campione di suolo in esame. Nella immagine ingrandita dello spettro si vede come il massimo del conteggio si abbia proprio in corrispondenza dei 662 KeV del Cesio 137.
Il picco del cesio è meno evidente rispetto allo spettro preso con Theremino MCA perchè in quel caso il campione di suolo è stato posto a contatto con il detector, mentre in questo caso è stata utilizzata la stessa configurazione usata per la calibrazione.

Le immagini sotto mostrano il risultato della misurazione :
0,4179 CPS
24,29 Bq
4337 Bq/Kg

Come detto sopra il dato 4337 Bq/Kg è sottostimato, è più probabile che il valore reale si più vicino ai 5000 Bq/Kg. E’ interessante a questo punto calcolare il valore iniziale di radioattività, lo possiamo determinare facilmente conoscendo il tempo di dimezzamento del Cesio 137 : 31,2 anni. La costante di decadimento ed il tempo di dimezzamento sono inoltre legati dalla seguente relazione :

λ = ln2 / T_1/2 = 0,693 / T_1/2

La legge del decadimento radioattivo ci dice che : A_(t) = A₀ e^-λt
Conoscendo A_(t), λ, t possiamo facilmente determinare A₀ 

A₀ = 2,05  x A_(t) ≅ 10000 Bq/Kg

Questo è il valore iniziale di radioattività del suolo dovuto al Cesio 137 a causa del fallout radioattivo provocato dall’incidente di Chernobyl.

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