Rilevare la radioattività dall’aria – con maggiore precisione rispetto al passato

Esistono situazioni di emergenza, che si spera non si verifichino mai, alle quali la società e il governo vogliono comunque essere preparati. Tra queste figurano la possibile fuoriuscita di radioattività a seguito di un incidente nucleare o un attacco terroristico con materiale radioattivo. Affinché le autorità possano reagire in modo rapido ed efficace in tali casi – ovvero disporre evacuazioni e distribuire adeguati dispositivi di protezione o compresse di iodio – occorre innanzitutto valutare l’entità del pericolo per le persone e l’ambiente. In tali situazioni verrebbero quindi impiegati, tra l’altro, laboratori volanti, ovvero rilevatori a bordo di elicotteri con cui è possibile determinare la posizione, il tipo e la quantità del materiale radioattivo.

Nella sua tesi di dottorato, svolta presso il laboratorio di verificazione e taratura del dipartimento di Radioprotezione e Sicurezza dell’Istituto Paul Scherrer PSI, David Breitenmoser ha sviluppato strumenti matematici che migliorano notevolmente l’analisi dei dati in un laboratorio mobile: il materiale radioattivo può essere identificato con maggiore precisione, e in pochi secondi. I risultati di questa ricerca sono stati ora pubblicati sulla rivista specializzata Nature Communications. Il nuovo metodo di analisi non è rilevante solo in caso di catastrofi, ma può essere applicato, ad esempio, anche nel monitoraggio degli impianti nucleari.

L’impronta digitale distorta

«Ogni materiale radioattivo presenta un’impronta digitale caratteristica data dai raggi gamma che emette durante il decadimento radioattivo», spiega Breitenmoser. Questa impronta è costituita dallo spettro energetico dei raggi gamma, misurabile con uno speciale rivelatore. In linea di principio, dalla distribuzione delle energie dei raggi gamma è possibile dedurre sia il tipo di materiale sia la sua quantità.

Tuttavia, c’è una difficoltà: i fotoni gamma emessi dal materiale – ovvero le particelle di luce ad alta energia che compongono i raggi gamma – vengono diffusi sia dall’aria che dall’elicottero in cui si trova il rivelatore mentre viaggiano verso quest’ultimo. Ciò modifica lo spettro energetico. In altre parole: l’impronta viene distorta e non è quindi più immediatamente riconoscibile.

Per capire in che modo una determinata impronta di radionuclide venga distorta e calibrare di conseguenza il rilevatore, i ricercatori simulano questi effetti al computer. Tali calcoli sono tuttavia molto complessi e possono richiedere diverse ore o addirittura giorni. Per applicazioni in cui il tempo è un fattore critico, come nel caso di un incidente nucleare, non sarebbero quindi praticabili.

«Le simulazioni sono molto lente anche perché finora sono state piuttosto inefficienti», afferma Breitenmoser. Ad esempio, dei circa diecimila fotoni gamma emessi da una sorgente radioattiva a terra, solo uno raggiunge l’elicottero – e anche quello viene ulteriormente diffuso dalle numerose superfici metalliche presenti nell’elicottero.

Simulazioni più veloci grazie alla suddivisione

È qui che entra in gioco il metodo di Breitenmoser: invece di simulare l’intero percorso dei fotoni gamma dal suolo al rivelatore in volo, egli suddivide il problema in due parti. La diffusione nell’aria viene calcolata separatamente, tenendo conto, ad esempio, della temperatura attuale dell’aria e dell’altitudine di volo dell’elicottero nelle simulazioni. L’ulteriore diffusione all’interno dell’elicottero, che dipende tra l’altro dal suo assetto di volo, viene presa in considerazione tramite funzioni matematiche calcolate in precedenza. In questo modo, una simulazione completa richiede solo pochi microsecondi anziché diverse ore.

Tuttavia, la rapidità di calcolo da sola non è ancora sufficiente per identificare senza ombra di dubbio l’impronta digitale distorta. Poiché solo pochissimi fotoni gamma raggiungono il rivelatore, la statistica è estremamente scarsa: invece di linee nitide si vedono solo forme larghe e sfocate. «Finora il gold standard è stato quello di raggruppare diversi valori energetici nello spettro. Questo metodo, pur migliorando la significatività statistica della misurazione, porta tuttavia a un’immagine più grossolana e quindi a una minore quantità di informazioni dettagliate», afferma Malgorzata Kasprzak, responsabile del laboratorio di calibrazione presso il PSI e coautrice del nuovo studio. Il nuovo approccio rinuncia a tale aggregazione. Al suo posto, la cosiddetta modellizzazione bayesiana viene applicata direttamente all’intero spettro.

Il metodo bayesiano si basa sulle probabilità: per identificare uno spettro energetico nonostante la scarsa qualità statistica, il computer simula la diffusione dei fotoni gamma dal suolo al rivelatore per migliaia di possibili spettri di partenza in diverse proporzioni. Grazie alla suddivisione dei calcoli, il processo è molto veloce. La modellizzazione bayesiana calcola quindi quale spettro di uscita sia il più probabile corrispondente allo spettro distorto misurato dal laboratorio volante.

Determinazione precisa in pochi secondi

«In futuro potremo così distinguere tra loro, in pochi secondi e con una sola misurazione effettuata dall’elicottero, campioni debolmente radioattivi di bario o cesio, determinarne l’intensità con elevata precisione e localizzarne con esattezza la posizione», afferma Alberto Stabilini, che per conto del PSI partecipa all’esecuzione di voli di misurazione aeroradiometrica in Svizzera.

A maggio e giugno 2025, ad esempio, nell’ambito della campagna di misurazione annuale, si sono svolti voli nelle vicinanze delle centrali nucleari di Mühleberg e Gösgen. Nel corso di un’esercitazione internazionale con 140 partecipanti provenienti da sei paesi, sei elicotteri e cinque droni, sono stati inoltre simulati diversi scenari, tra cui la ricerca di sorgenti radioattive. Tali voli di misurazione, con cui vengono anche redatte mappe di riferimento sulla radioattività naturale, rappresentano, oltre alla protezione in caso di emergenza, un importante campo di applicazione per il metodo di analisi sviluppato.

«Ma ce ne sono anche molti altri», afferma Breitenmoser. Infatti, grazie alla sua elevata sensibilità e precisione, il metodo è generalmente adatto a localizzare e caratterizzare deboli sorgenti radioattive nel suolo. Ciò può rivelarsi utile, ad esempio, nelle indagini geofisiche del sottosuolo o per il monitoraggio dei materiali nucleari da parte dell’Agenzia internazionale per l’energia atomica (AIEA).

Testo: Oliver Morsch

Informazioni sul PSI

L'Istituto Paul Scherrer PSI è il più grande istituto di ricerca per le scienze naturali e ingegneristiche della Svizzera. È la sede centrale delle grandi infrastrutture di ricerca della Svizzera, a disposizione della scienza e dell’industria. La sua attività di ricerca comprende tecnologie del futuro, energia e clima, innovazione sanitaria e fondamenti della natura. Il budget annuale è di 450 milioni di franchi svizzeri. Il PSI impiega 2300 persone, di cui circa un quarto sono ricercatori post-dottorato, dottorandi o apprendisti. Il PSI fa parte del settore dei PF, che comprende anche i Politecnici federali di Zurigo e di Losanna, nonché gli altri istituti federali di ricerca Empa, Eawag e WSL.

Contatto

Dr. David Breitenmoser
Department of Nuclear Engineering & Radiological Sciences
University of Michigan
dbreiten@umich.edu
[inglese, tedesco]

Dr. Alberto Stabilini
PSI Center for Corporate Services
Istituto Paul Scherrer PSI
+41 56 310 47 12
alberto.stabilini@psi.ch
[inglese, tedesco, italiano]

Dr. Malgorzata Kasprzak
PSI Center for Corporate Services
Istituto Paul Scherrer PSI
+41 56 310 46 85
malgorzata.kasprzak@psi.ch
[inglese, tedesco]

Pubblicazione originale

Quantitative mobile gamma-ray spectrometry through Bayesian inference
David Breitenmoser, Alberto Stabilini, Malgorzata Magdalena Kasprzak, Sabine Mayer
Nature Communications, 26.10.2026 (online)
DOI: 10.1038/s41467-026-78464-2

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