L’acqua è un ottimo schermo contro le radiazioni, ma deve essere essa stessa purissima.
Per rivelare particelle come i neutrini solari c’è bisogno di un grande schermo d’acqua che circondi il cuore dell’apparato sperimentale e lo protegga dalle radiazioni ambientali. L’acqua stessa però contiene piccole quantità di contaminanti radioattivi e viene perciò purificata. Il processo comprende varie fasi di filtrazione, alla fine del trattamento l’acqua è ultra-pura, ovvero milioni di volte meno radioattiva rispetto all’inizio.
Negli esperimenti di fisica in cui si cerca di osservare eventi molto rari è necessario sopprimere il fondo di radiazioni ambientali, che rischia di compromettere le misure. Un modo conveniente per farlo è circondare il rivelatore – lo strumento che serve, appunto, a rivelare il passaggio delle particelle cercate – di un grande volume d’acqua. Così facendo si ha uno schermo liquido che assorbe le radiazioni, o almeno identifica i segnali prodotti dal loro passaggio nel rivelatore, per evitare di contarli insieme a quelli da studiare. Problema risolto? Non proprio, perché anche l’acqua è radioattiva! Lo è a livelli infinitesimali per il nostro organismo – che non ne risente minimamente – ma per quanto irrisoria questa radioattività rappresenta un grosso problema per misure molto sensibili come quelle condotte dagli esperimenti Borexino, Gerda, Xenon1T ai LNGS. Per la precisione, non è l’acqua in sé (la molecola d’acqua) a emettere radiazioni , ma alcuni elementi contaminanti che vi sono naturalmente presenti in piccolissime quantità, come il potassio, il radon, il radio e l’uranio. Per poter fare efficacemente da schermo, l’acqua impiegata per gli esperimenti ai LNGS deve essere liberata da questi e altri contaminanti. Poiché i livelli di purezza che deve raggiungere sono elevatissimi, la procedura di purificazione a cui viene sottoposta è molto sofisticata e prevede vari passaggi. Vediamola in dettaglio.
Innanzitutto, una prima fase di filtrazione elimina il particolato, termine con cui si indicano alcune sostanze sospese in aria (ad esempio particelle di polvere o fibre) che possono entrare nell’acqua attraverso il contatto con l’aria.
Fig.1 Uno dei filtri usati nella prima fase di filtrazione.
L’acqua filtrata subisce quindi un processo di osmosi inversa. Questo è un metodo di filtrazione molto più fine, in grado di rimuovere grandi molecole e ioni. È basato sull’uso di particolari membrane (Fig.2) che sono permeabili solo al solvente (l’acqua) e bloccano gran parte dei soluti (le sostanze disciolte nell’acqua) tra cui componenti radioattivi. In pratica, si mettono a contatto due soluzioni di acqua, una meno pura (più concentrata) e l’altra più pura, separate dalla membrana e si applica una pressione dalla parte della soluzione più concentrata. In assenza di questa pressione esterna, il fenomeno dell’osmosi prevede che in una situazione del genere vi sia un flusso di particelle di solvente diretto dalla soluzione più diluita a quella più concentrata. Applicando una pressione maggiore della cosiddetta pressione osmotica, per stabilire l’equilibrio tra le concentrazioni nei due liquidi a contatto questo flusso è invertito (da cui il nome del metodo) e quindi le molecole d’acqua passano attraverso la membrana selettiva (che blocca le impurità) dalla soluzione più concentrata a quella più diluita, aumentandone ancora la purezza.
Fig.2 Una membrana usata per l'osmosi inversa e lo schema del suo funzionamento. L'acqua entra da sinistra e, a causa di una pressione esercitata verso l'interno, passa attraverso le membrane semipermeabili diluendosi sempre di più verso l'interno e venendo raccolta al centro. (Crediti immagine grande: Wikimedia Commons)
L’osmosi inversa è seguita da una fase di degasaggio, un processo in cui il passaggio attraverso un altro tipo di membrane permette la separazione dei gas disciolti nell’acqua. Al termine di questo passaggio, e dopo un’ulteriore fase di osmosi inversa, l’acqua è immessa in un elettrodeionizzatore, uno strumento che serve a purificarla dagli ioni in essa contenuti. In un elettrodeionizzatore l’acqua scorre in una serie di canali paralleli detti di “purificazione”, intervallati da canali detti di “concentrazione”. Nei canali di purificazione l’acqua passa attraverso delle resine a scambio ionico (Fig.3), agglomerati di piccole “palline” di materiale sintetico che attraversate dall’acqua catturano gli ioni più pesanti rilasciandone di più leggeri. Questi ioni, essendo carichi, risentono del campo elettrico generato da due elettrodi posti sulle pareti esterne dell’elettrodeionizzatore: gli ioni positivi saranno attirati verso l’elettrodo negativo (catodo) e quelli negativi verso l’elettrodo positivo (anodo). Le pareti destra e sinistra di ogni canale di purificazione sono costituite da membrane che possono essere attraversate solo verso l’esterno (cioè verso gli adiacenti canali di concentrazione) e solo da ioni di carica positiva o negativa. Ad esempio, prendendo come riferimento la figura 4, tutte le membrane a destra delle resine sono permeabili solo agli ioni positivi, che sono attratti verso destra dal catodo, mentre tutte le membrane a sinistra delle resine sono permeabili agli ioni negativi, attratti verso sinistra dall’anodo. Gli ioni quindi, spinti dal campo elettrico, attraversano una membrana e si ritrovano intrappolati in una zona di concentrazione, mentre l’acqua purificata può fluire via ed essere raccolta.
Fig.3 Una fotografia delle resine a scambio ionico impiegate nella purificazione.
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