Un fascio laser per misurare la pericolosità dei rifiuti radioattivi

Alcune attività umane che utilizzano radionuclidi per scopi industriali (produzione di energia elettrica in centrali nucleari) e medici (terapie radiologiche per la cura di tumori) producono inevitabilmente rifiuti radioattivi che vanno gestiti anche per periodi molto lunghi. Per stabilire quale procedura di disattivazione degli impianti vada seguita e quale tipo di deposito permanente per le scorie vada allestito per rispettare le normative di sicurezza in materia, occorre avere un inventario dei radionuclidi presenti. Alcuni di questi sono difficili da quantificare, perché non hanno decadimenti di tipo gamma, che sono quelli di più immediata rivelazione, o perché, essendo anche di lunga vita, effettuano pochi decadimenti in un breve tempo di misura.

Il radiocarbonio (¹⁴C) appartiene a questa categoria, avendo un decadimento beta e un tempo di dimezzamento di 5700 anni. Il ¹⁴C viene prodotto da trasmutazioni, innescate dall'irraggiamento con neutroni, degli isotopi ¹⁴N, ¹⁷O, ¹³C, che si trovano in abbondanza all’interno dei reattori nucleari. Essendo il carbonio un atomo chiave nel ciclo della biosfera, il ¹⁴C è considerato un radionuclide molto rilevante per la dose che può essere rilasciata nell’ambiente e quindi assorbita da tutti gli organismi viventi.

Lo strumento C14-SCAR per la misurazione del ¹⁴C, prodotto da ppqSense S.r.l.

Attualmente esistono metodi indiretti per la quantificazione del ¹⁴C nei rifiuti radioattivi, ma non sono molto accurati e affidabili. I metodi diretti consistono principalmente nella spettrometria di massa con acceleratore (AMS) e nel conteggio con scintillazione liquida (LSC). Il primo metodo si basa su una tecnologia che utilizza strumenti molto costosi, ingombranti e disponibili a livello globale in numero molto limitato. Il secondo metodo ha bassa sensibilità e richiede dunque significative quantità di campione. Inoltre, le procedure chimiche di preparazione del campione stesso coinvolgono sostanze che sono pericolose per la salute e che possono generare errori sistematici nella misura.

Per questo motivo è di fondamentale importanza trovare metodi alternativi che coinvolgano tecnologie in grado di aggirare i limiti delle tecniche AMS e LSC, ma raggiungendo prestazioni simili in termine di precisione. Viene in nostro soccorso una tecnologia basata sul laser, denominata spettroscopia cavity ring-down in assorbimento saturato (SCAR). Questa tecnologia, messa a punto nel 2010 da un gruppo di ricerca che lavora presso l'Istituto Nazionale di Ottica (CNR-INO), è in grado di misurare il ¹⁴C in campioni con pochi milligrammi di materiale. In questo modo (e rimandiamo a un nostro recente articolo) si può determinare se, per esempio, il cemento dei gusci esterni di centrali nucleari da smantellare, o la grafite delle barre di moderazione dei loro reattori, costituiscano rifiuti pericolosi oppure convenzionali, con un impatto economico sul costo dello smaltimento che, come si può facilmente immaginare, è enormemente diverso nei 2 casi.

La tecnologia sviluppata in ambito CNR è stata protetta da 3 brevetti internazionali e trasferita ad una società spin-off, ppsSense S.r.l., fondata nel 2016 dai ricercatori stessi, che produce e commercializza un strumento per la misura del ¹⁴C denominato C14-SCAR, già distribuito sia in Italia che all'estero.