Fukushima e la contaminazione marina

Di sicuro tra i più disastrosi incidenti nucleari della storia, Fukushima è stato anche il primo a causare una forte contaminazione dell'ambiente marino, se si escludono le contaminazioni avvenute a seguito delle esplosioni di armamenti militari a scopo di test e dimostrazione. Quanto questa contaminazione sia importante per l'ecosistema e come potrà influenzare la catena alimentare è stato cuore di un documento di IRSN (Istituto Francese per la Sicurezza Nucleare) di cui vi riportiamo la traduzione in italiano a cura di AnonimaFrancese e di ValerianoB. Il testo originale lo trovate a questo indirizzo.  Un ringraziamento particolare ai nostri due traduttori ufficiali. 

Impatto sull'ambiente marino degli scarichi radioattivi successivi all'incidente nucleare di Fukushima Dai-ichi

13 maggio 2011

Introduzione

Una forte contaminazione radioattiva è stata identificata in ambiente marino dopo l’incidente all’interno della centrale di Fukushima Dai-ichi. Questo inquinamento proviene sia dalle ricadute nell’oceano di una parte dei nuclidi presenti nell'emissione atmosferica dispersa dopo l’incidente, che dal versamento di acqua contaminate dalla centrale. In prossimità (meno di 500 metri) della centrale le concentrazioni hanno raggiunto, a fine marzo inizio di aprile, parecchie decine di migliaia di bequerel per litro (Bq/l) di cesio 134 e 137 e hanno persino sorpassato 100 000 Bq/l per quanto riguarda lo iodio 131.
Queste concentrazioni sono iniziate a decrescere a partire dell’11 aprile per arrivare a fine aprile ad un valore vicino a 100 Bq/l per il Cs-137. I radionuclidi disciolti nell’acqua di mare continueranno ad essere trasportati dal mare e si disperderanno nelle masse oceaniche a distanze importanti, in concentrazioni sempre più deboli.

I radionuclidi che si fissano sulle particelle in sospensioni sull’acqua o nei sedimenti in fondo al mare generano una contaminazione sedimentaria, specie in prossimità del litorale della centrale là dove una contaminazione dei sedimenti è stata misurata, a fine aprile. Lo iodio 131, con una breve emivita è, ad oggi, meno presente rispetto ai radionuclidi di lunga durata, in particolare a cesio 134 e cesio 137. Questi ultimi rimarranno presenti per numerosi anni e su una vasta scala del Pacifico del Nord, ma con concentrazioni deboli (circa 5000 più deboli della concentrazione in potassio 40, un radionuclide presente in permanenza nell’acqua di mare). Tuttavia un forte inquinamento marittimo nei luoghi vicini alla centrale potrebbe persistere nel tempo a causa degli apporti continui di sostanze radioattive trasportate verso il mare dalle acque di superficie sui suoli contaminati.

L’inquinamento radioattivo dell’acqua di mare crea una contaminazione delle specie vegetali e animali che vi sono esposte. E così diverse specie di pesci sbarcati nei porti a sud della zona di Fukushima, hanno presentato concentrazioni di radionuclidi di parecchie centinaia a parecchie migliaia di becquerel per chilogrammo, fino a 25 volte il livello massimo ammesso per la loro commercializzazione. Una stima teorica e indicativa delle concentrazioni attese nei pesci, eseguita a partire dei valori misurati in acqua di mare, indica che questo livello massimo ammissibile potrebbe essere sorpassato fino a parecchie centinaia di chilometri dalla centrale

Origini della contaminazione dell'acqua di mare

A partire del 21 marzo, è stata osservato un forte inquinamento in ambiente marino. Questo inquinamento ha tre possibili origini: gli scarichi radioattivi provenienti dal sito incidentato, le ricadute atmosferiche sulla superficie del mare e il trasporto dell’inquinamento radiativo tramite lavaggio dei suoli contaminati. I principali radionuclidi che sono stati misurati regolarmente nell’acqua di mare sono (T ½ = tempo di dimezzamento): iodio-131 (T ½ = 8 giorni), cesio-137 (T ½ = 30 anni), cesio-134 (T ½ = 2,1 anni), cesio-136 (T ½ = 13,1 giorni), tellurio-132/iodio-132 (T ½ = 78 ore). Altri radionuclidi sono stati rivelati occasionalmente, a concentrazioni più deboli e sono: tellurio-129m/tellurio-129 (T ½ = 33,6 giorni), bario-140/lantanio-140 (T ½ = 12,7 giorni), rutenio-105 (T ½ = 4,4 ore), rutenio-106 (T ½ = 368 giorni), molibdeno-99/tecnezio-99m (T ½ = 65,9 ore), cobalto-58 (T ½ = 70,9 giorni).

Lo iodio 131 e il cesio 137 sono rappresentativi della dispersione dell’insieme dei radionuclidi e sono i principali indicatori della dispersione dell’insieme dei radionuclidi considerati nel seguito di questo documento. Anche se considerato preponderante al momento dell’incidente, lo iodio 131 viene ora misurato a livelli minori rispetto al cesio 137, e questo è dato dal fatto della sua decrescita radioattiva più rapida.

La conoscenza dei quantitativi di prodotti radioattivi introdotti nell’acqua di mare è ancora approssimativa. Questo studio potrà essere ampliato, proseguendo con delle misurazione acquisite in acqua di mare e interpretando i loro risultati con l’aiuto di simulazioni di dispersione.

Rigetti diretti in mare in prossimità dei reattori incidentati

Le concentrazioni elevate misurate in acqua di mare in prossimità della centrale di Fukushima Dai-ichi provengono dai rilasci radioattivi liquidi che hanno certamente diverse origini.
Si tratta di acque utilizzate per raffreddare i reattori incidentati, che sono state in contatto con dei materiali fortemente contaminati durante i rigetti atmosferici, e di cui una parte, molto probabilmente, è fuoriuscita andando verso il mare.
Un'altra parte proviene dalle acque che si sono rovesciate all’esterno dei reattori 2 e 3. In particolare una fessura del pozzo adiacente al locale turbina del reattore 2 ha avuto come conseguenza un rilascio diretto di acqua fortemente contaminata in mare. TEPCO ha fermato questa perdita il 6 aprile riempiendola con iniezioni di silicato di sodio.

Evoluzione delle concentrazioni di I-131 e Cs-137
nell'acqua marina a meno di 500 m da Fukush

Le quantità precise e la durata di questi rilasci liquidi in mare sono sconosciuti. In conformità ad una stima realizzata dall’IRSN, partendo da concentrazioni misurate nell’acqua del locale turbina del reattore 2, 2.3E15 Bq (2,3 milioni di miliardi di bequerel) di cesio-137 potrebbero essere stati rovesciati in mare. Peraltro dal 4 al 10 aprile, TEPCO ha effettuato dei rilasci volontari in mare di acqua "debolmente contaminata". Si tratta di 10 mila tonnellate di effluvi liquidi stoccati in serbatoi. Questi rilasci, stimati da TEPCO stessa di 1.5E11 Bq, non hanno aumentato significativamente le concentrazioni che risultano dai rilasci precedenti. Se dei rilasci diretti in mare si sono prodotti dopo il 10 aprile, la diminuzione delle concentrazioni misurate a prossimità degli impianti mostra che sono nettamente più deboli dei rilasci precedenti.
La figura mostra l’evoluzione delle concentrazioni misurate in acqua di mare a meno di 500 metri da Fukushima Dai-ichi. Sono aumentate tra il 25 e il 28 marzo (fino a 12 000 Bq/l per cesio 137, 74 000 Bq/l per iodio 131) fino a raggiungere il massimo tra il 29 marzo e il 7 aprile (fino a 63 000 Bq/l per cesio 137, 180 000 Bq/l per iodio 131). A partire del 11 aprile, le concentrazioni di iodio 131 e di cesio 137 diminuiscono e si stabilizzano attorno a 100 Bq/l per il cesio 137. Lo iodio 131 continua a decrescere a causa del dimezzamento ogni 8 giorni.

Ricaduta atmosferica sulla superficie del mare

Evoluzione delle concentrazioni di I-131 e Cs-137
nell'acqua marina a meno di 30 km da Fukushima

Dal 12 al 23 marzo, l'emissione di contaminanti radioattivi in atmosfera provocata dalle esplosioni e dalle depressurizzazioni dei reattori di Fukushima ha raggiunto una grande distanza. Una parte di questi radionuclidi contenuti nell'emissione è ricaduta sulla superficie del mare a decine di chilometri dalla centrale. La stima del deposito atmosferico sulla superficien dell'oceano è stata calcolata da IRSN essere dell'ordine di 1E16 Bq per il cesio (10 milioni di miliardi di becquerel). Questa stima è in corso di rivalutazione tenendo conto di nuove misure disponibile. La figura mostra l'evoluzione della concentrazione nell'acqua di mare a 30 km al largo. La concentrazione misurata prima del 30 marzo risulta essenzialmente da depositi atmosferici. Varia da 2 a 27 Bq/l per il cesio-137, da 3 a 57 Bq/l per lo iodio-131. Dopo aver raggiunto un minimo il 30 marzo, la concetrazione è tornata ad aumentare nella prima metà di aprile a causa dei rilasci diretti di acqua contaminata dalla centrale.


Contaminazione radioattiva dovuta al lavaggio di terreni contaminati

I depositi radioattivi che si sono accumulati sul terreno possono essere stati lavati e trasportati verso il mare dalle acque piovane. I dati disponibili al momento non permettono di effettuare un analisi quantitativa dei contaminanti che hanno raggiunto il mare secondo questa via. Ci si aspetta che questo contributo diventerà visibile e importante sul lungo termine quando la concentrazione dovuta alle altre due sorgenti sarà andata diminuendo.

Dispersione in mare degli inquinanti radioattivi

Analisi delle correnti al largo delle coste Giapponesi

La centrale di Fukushima sta sulla costa est dell’isola di Hoshu a piu di 200 km a nord-est di Tokyo. La costa è orientata nord-sud, sull’oceano Pacifico. Le profondità aumentano regolarmente verso il largo per raggiungere 200 m a 50 km dalla costa; precipitano poi rapidamente a più di 500 metri, al di là di un centinaio di chilometri.

Correnti di superficie nel pacifico (link)

Verso la costa, le correnti sono generate dalla marea, dal vento e dalla circolazione generale del Pacifico. Su breve tempo, l’effetto della marea è predominante: essa sposta le masse d’acque secondo un movimento alternato rapido lungo le coste verso nord e verso sud. Il vento influenza la circolazione delle acque di superficie.
La circolazione generale su grande scala risulta dalla interazione della corrente oceanica Kuroshio che proviene da sud lungo le coste del Giappone, e dalla corrente Hoyashio, che ha una minore importanza e proviene da nord.
L’intensità e la distesa sono paragonabili a quelle della corrente del golfo.
Le acque litoranee in prossimità di Fukushima Dai-ichi si trovano nella zona di interazione delle due corrente sopracitate, generando delle correnti giratorie variabili. Si tratta di correnti determinanti per la dispersione dell’inquinamento radioattivo a medio termine.

La profondità importante del mare al largo delle coste e le deboli correnti portano ad una stratificazione delle masse d’acqua. Le sostanze radioattive si trovano miscelate su uno strato di superficie spesso dai 20 ai 50 metri vicino alla costa. Questo strato può raggiungere i 100 metri di spessore verso il largo. La dispersione della frazione solubile dei radionuclidi avrà luogo principalmente nello strato di superficie. La frazione dei radionuclidi associata alle particelle solide potrà essere trasportata verso il fondo tramite sedimentazione.

Distribuzione del cesio nell'acqua di mare

Le concentrazioni in cesio 137 sono rappresentative della dispersione dell’insieme delle misure fatte in acque di mare, pubblicate dalle autorità Giapponesi. La ripartizione spaziale e l’evoluzione temporale delle concentrazioni in cesio 137 sono riprodotte su due carte (zona A e zona B). La zona A (figura di sinistra) corrisponde alle stazioni di in prossimità della centrale di Fukushima (tra le latitudini 37,18°N e 37,55°N). La zona B (figura di destra) copre uno spazio marino più esteso (tra le latitudini 36,9°N e 37,9°N).

Durante la prima metà del mese di aprile, le concentrazioni misurate in mare variavano molto tra queste zone con uno scarto di un fattore dieci circa passando da una zona all’altra (più di 50 000 Bq/l a 500 metri della centrale, 10 a 50 Bq/l a 30 km). Il 27 aprile, le misurazioni lungo la costa sono simili da un punto all’altro, inferiori a 100 Bq/l per il cesio 137, eccetto quelle rilevate in prossimità della centrale che sono due volte più elevate. Le concentrazioni rilevate al largo, nella zona A sono più deboli, ma della stesso ordine di grandezza che vicino alle coste, mettendo in evidenza un certo grado di omogeneità dei contaminanti radioattivi.

Curve di livello della concetrazione
di Cs-137

La carta della figura qui a lato rappresenta gli iso-valori delle concentrazioni in cesio 137 ottenuta dai valori medi sul periodo dal 2 al 27 aprile 2011. Evidenziano la persistenza di un gradiente di concentrazione dalla costa verso il largo ma più debole di quello osservato sul periodo precedente. A partire da questi dati e ipotesi semplificatrici (concentrazione omogenea sui 50 primi metri di profondità, gradiente omogeneo della costa verso il largo), le quantità introdotte in mare in seguito all’incidente possono essere stimate a 5.7E15 Bq per il cesio 137 e 3,3E15 Bq per lo iodio 131. Questi risultati sono coerenti con le stime di rilasci diretti in mare in cesio 137 realizzate con l’IRSN a partire da risultati di misure effettuate sulle acque contaminate presenti sul sito della centrale.
In conclusione, supponendo che il cesio 137 rilasciato in mare durante l’incidente sia diluito nello strato superficiale delle acque marine (tra 0 e 100 metri di profondità) e su una superficie di circa 5000 km di lato (corrispondente all’incirca alla superficie del Pacifico Nord), la concentrazione potrebbe essere di circa 0,002 Bq/l, ossia un livello paragonabile a quello osservato nell’acqua di mare Giapponese prima dell’incidente)
Seppur misurabile con tecniche attuali, questo livello di concentrazioni rappresenterebbe meno di un cinque millesimo delle concentrazioni in potassio 40 in acqua di mare (1.2 Bq/l) radionuclide naturale presente permanentemente in acqua.


Impatto sulle specie marine

Concentrazioni osservate nei pesci

L’IRSN ha raccolto e analizzato i risultati di misure sulla specie di pesce che presenta livelli più alti e che è anche il modello piu rappresentativo in Giappone ossia l’anguilla delle sabbie (sand lance). Questa specie si pesca localmente e stagionalmente da gennaio ad aprile.

I livelli più importanti sono stati raggiunti il 13 aprile su pesci sbarcati al porto di Iwaki nella prefettura di Fukushima: 12000 Bq/kg in iodio 131, 6200 Bq/kg per il cesio 134 e 6300 Bq/kg per cesio 137, vedi la tabella qui sotto.

Tuttavia, pesci della stessa specie, sbarcati lo stesso giorno nello stesso porto mostrano valori molto più deboli, rispettivamente di 300, 190 e 200 Bq/kg. La medesima differenza è stata osservata su due campioni del 18 aprile in provenienza dallo stesso porto. Questa variante si può spiegare dai differenti luoghi di pescaggio, anche se il prodotto della pesca è poi stato fatto attraccare nello stesso porto.  L’IRSN non ha conoscenza dei luoghi precisi della pesca in questione. Coerentemente con lo storico dei rilasci in acqua, sembrerebbe evidenziarsi una diminuzione delle attività in iodio 131 sugli ultimi prelievi. Non è tuttavia il caso per il cesio il quale ha vita radioattiva più lunga.

Lo iodio 131, il cesio 134 e 137 sono stati identificati su tutti i prodotti della specie, il che è probabilmente da mettere in relazione con il loro modo di vita. In effetti, la specie è attualmente allo stato giovanile. La loro contaminazione risulta sia dall’esposizione diretta con l’acqua contaminata che dalla ingestione di nutrimenti contaminati nel fitoplancton e nello zooplancton. Ma la localizzazione geografica è un altro elemento da non sotto valutare nella interpretazione di questi livelli perché i tratta di una specie pescata molto vicino alle coste

Gli altri valori riguardanti i prodotti del mare (diversi pesci come il pesce piatto e acciughe, e i frutti di mare) si trovano generalmente al di sotto di 200 Bq/kg per lo iodio131, e di 100 Bq/kg per i due isotopi di cesio. Le indicazioni sulle zone di pesca sarebbero fondamentali per interpretare in modo pertinente i dati ottenuti su questi pesci. Questi dati non sono probabilmente accessibili perché l’obbiettivo primario di queste misure è la protezione delle popolazioni, di cui il controllo della radioattività degli sbarchi di pesca.
In generale, i pesci saranno il mezzo e gli indicatori migliori, su medio e lungo termine, per determinare la contaminazione in cesio.

Una sorveglianza degli altri prodotti del mare rimane, ben inteso, necessaria sul breve termine, per gli altri radionuclidi rilasciati (lo iodio 131 per esempio è da ricercarsi nelle alghe brune fino alla sua sparizione tramite decadimento radioattivo).

In effetti il cesio presenta fattori di concentrazioni elevate nei pesci (in media la concentrazione in cesio della parte consumabile – i muscoli - è 100 volte superiore a quella dell’acqua) e mostra una tendenza ad aumentare con il livello trofico occupato dalla specie. Di conseguenza, a breve termine, le concentrazioni più elevate saranno riscontrate maggiormente sulle specie poste nella prima parte della catena trofica (come l’anguilla di sabbia Giapponese), che sono più rapidamente esposti alla contaminazione per via alimentare. In seguito, quando il trasferimento nelle diverse maglie delle reti trofiche diverrà effettivo, saranno i predatori di livello trofico più elevato (merluzzi, tonni e altri) che presenteranno livelli più importanti.

Concentrazioni nei prodotti ittici a partire dalla quella in acqua

Gli scambi di radionuclidi dall’acqua di mare verso le specie viventi e i sedimenti sono stati oggetto di numerosi lavori scientifici. Il risultato ha determinato dei coefficienti che permettono di calcolare a priori, in funzione della concentrazione di un radionuclide presente in acqua di mare, la concentrazione per questo stesso radionuclide indotto in una specie vivente per una lunga durata di esposizione (diversi mesi).
Tali coefficienti chiamati fattori di concentrazione per le specie viventi e coefficienti di distribuzione per i sedimenti, sono conosciuti per la maggior parte dei radionuclidi e gruppi di specie. La precisione dei calcoli effettuati con questi coefficienti è di circa un fattore dieci a causa dei numerosi fattori ambientali che possono influenzarli. Per giunta, le stime cosi ottenute sono da ritenersi valide solo per esposizioni prolungate ad uno stesso livello di concentrazione nell’acqua (tempo necessario per raggiungere l'equilibrio), il che non è il caso di un rilascio accidentale limitato nel tempo, che producono concentrazioni in acqua in continua evoluzione.

Il fattore di concentrazione di cesio stabilito per i pesci (parte commestibile) è di 100 (IAEA Technical Report n°422). Questo significa che una acqua di mare che presenta una concentrazione in cesio radioattivi (134+137) che superano i 5 Bq/l potrebbe determinare una contaminazione nei pesci che supera il livello massimo ammesso per la loro commercializzazione per consumo umano (500 Bq/kg
- Regolamento di escuzione (UE) n°351/2011 della Commissione del 11 Aprile 2011).
Supponendo che le concentrazioni di cesio 137 indicate sulla figura precedente rimangano costanti per diversi mesi, è possibile valutare le zone all’interno delle quali i pesci che ci vivono in permanenza sono suscettibili di essere contaminati a delle concentrazioni che sorpassano questo livello massimo ammesso. 

Le aree colorate indicano i livelli di concentrazione di cesio nei prodotti
ittici espressi in numero di volte il limite legale assumendo che la concentrazione
di cesio in acqua resti uguale a quella del 27 aprile e
un fattore di concentrazione pari a 100.

Zona marina potenzialmente
implicata per il superamento dei
livelli massimi di legge per il pescato

Tale carta ha valore unicamente indicativo e queste stime sono certamente per eccesso perché calcolano unicamente le concentrazioni fatte fino al 27 aprile supponendo che queste vi rimangano stabili per diversi mesi. In realtà è probabile che cambino e evolvano rapidamente sia per trasporto che per diluizione.
Inoltre i pesci possono spostarsi su grandi distanze e transitare in quella zona su una durata troppo breve per mettersi in equilibrio con le concentrazioni con l’acqua di mare.
Ipotizzando che tutto il cesio radioattivo (134 e 137) rilasciato in mare durante l’incidente (stima per l’insieme di questi due radionuclidi:11.4E15 Bq) continui a disperdersi e che la sua concentrazione diventi omogenea sui primi 100 metri d’acqua e in tutte le direzioni dell’ambito marino a partire dalla centrale di Fukushima Dai-ichi, la distanza dove si potrebbero verificare i superamenti di livello massimo ammissibile sarebbe di circa 120 km. Tale stima teorica suppone che le specie di pesci e le loro risorse alimentari rimangano in permanenza in questa zona. Ha unicamente valore indicativo; ed è limitata dalla conoscenza precisa di quantità di cesio effettivamente rilasciati senza tenere conto ne della dispersione reale delle masse di acqua in superficie e in profondità, e nemmeno dello stile di vita dei pesci.

Deposito sul fondale marino

Alcuni campioni di sedimenti prelevati a 15 km e a 20 km dalla centrale presentano delle concentrazioni vicine a 1400 Bq/kg per il cesio 137 e di 1300 Bq/kg per cesio 134, i livelli di iodio 131 sono intorno a 190 Bq/kg. Sembrerebbe che questi campioni siano stati prelevati a 20 e 30 metri di profondità e a una distanza di 3 km dalla costa.

Tuttavia questi valori sono dati a titolo informativo perché, se le concentrazioni  attualmente misurate in acqua di mare (all’incirca 100 Bq/l) si mantengono tali,  concentrazioni dell’ordine di parecchie centinaia di migliaia di Bq/kg potrebbero essere raggiunte a medio termine all’interno dei sedimenti. In effetti, questi valori dipendono della natura dei sedimenti prelevati: più il sedimento è fine, più le superficie di scambio con l’acqua di mare sono importanti e più la capacità di fissaggio è elevata. I risultati delle misure dipendono anche dallo spessore di sedimento prelevato; in effetti, lo strato superficiale dei sedimenti in contatto diretto con l’acqua di mare, è più contaminato degli strati più profondi.