Miljöaktivitet - Environmental radioactivity
| En del av en serie på |
| Förorening |
|---|
 |
Miljö radioaktivitet produceras av radioaktiva material i human miljö . Medan vissa radioisotoper , såsom strontium-90 ( 90 Sr) och technetium-99 ( 99 Tc), bara finns på jorden som ett resultat av mänsklig aktivitet, och vissa, som kalium-40 ( 40 K), är endast närvarande på grund av naturliga processer, några isotoper, t ex tritium ( 3 H), resultera från både naturliga processer och mänskliga aktiviteter. Koncentrationen och placeringen av vissa naturliga isotoper, särskilt uran-238 ( 238 U), kan påverkas av mänsklig aktivitet.
Bakgrundsnivå i jord
Radioaktivitet finns överallt och har varit sedan jordens bildande. Naturlig radioaktivitet som upptäcks i jord beror främst på följande fyra naturliga radioisotoper: 40 K, 226 Ra, 238 U och 232 Th. I ett kilo jord uppgår kalium-40 till i genomsnitt 370 Bq strålning, med ett typiskt intervall på 100–700 Bq; de andra bidrar vardera med cirka 25 Bq, med typiska intervaller på 10–50 Bq (7–50 Bq för 232 Th). Vissa jordar kan skilja sig mycket från dessa normer.
Hav och flodslam
En ny rapport om Sava- floden i Serbien antyder att många av flodsilten innehåller cirka 100 Bq kg −1 naturliga radioisotoper ( 226 Ra, 232 Th och 238 U). Enligt FN ligger den normala koncentrationen av uran i jord mellan 300 μg kg −1 och 11,7 mg kg −1 . Det är välkänt att vissa växter, som kallas hyperackumulatorer , kan absorbera och koncentrera metaller i sina vävnader. Jod isolerades först från tång i Frankrike , vilket tyder på att tång är en jodhyperackumulator.
Syntetiska radioisotoper kan också detekteras i silt. Busby citerar en rapport om plutoniumaktiviteten i walesiska tidvattenssediment av Garland et al. (1989), vilket antyder att ju närmare en plats är Sellafield , desto högre är koncentrationen av plutonium i siltet. Visst samband mellan avstånd och aktivitet kan ses i deras uppgifter, då den är monterad till en exponentiell kurva, men scatter av punkterna är stor (R 2 = 0,3683).
Konstgjorda
Den ytterligare radioaktiviteten i biosfären orsakad av mänsklig aktivitet på grund av utsläpp av konstgjord radioaktivitet och av Naturligt förekommande radioaktiva material (NORM) kan delas in i flera klasser.
- Normala licensierade utsläpp som sker under regelbunden drift av en anläggning eller processhantering av konstgjorda radioaktiva material.
- Till exempel frigörandet av 99 Tc från en nukleärmedicinsk avdelning på ett sjukhus som inträffar när en person som får ett Tc-avbildningsmedel utvisar agenten.
- Utsläpp av konstgjorda radioaktiva material som inträffar under en industri- eller forskningsolycka.
- Till exempel Tjernobylolyckan .
- Släpp som inträffar som ett resultat av militär aktivitet.
- Till exempel ett kärnvapentest.
- Släpp som inträffar till följd av ett brott .
- Till exempel Goiânia-olyckan där tjuvar, som inte var medvetna om dess radioaktiva innehåll, stal en del medicinsk utrustning och som ett resultat utsattes ett antal människor för strålning.
- Utsläpp av naturligt förekommande radioaktiva material (NORM) till följd av gruvdrift etc.
- Till exempel utsläpp av spårmängder av uran och torium i kol när det bränns i kraftverk.
Jordbruk och överföring av deponerad radioaktivitet till människor
Bara för att en radioisotop landar på markytan betyder det inte att den kommer in i den mänskliga livsmedelskedjan. Efter utsläpp i miljön kan radioaktiva material nå människor i en rad olika vägar, och grundämnets kemi dikterar vanligtvis den mest troliga vägen.
Kor
Jiří Hála hävdar i sin lärobok "Radioaktivitet, joniserande strålning och kärnenergi" att nötkreatur endast passerar en minoritet av det strontium , cesium , plutonium och americium de äter till människor som konsumerar mjölk och kött . Med hjälp av mjölk som ett exempel, om kon har ett dagligt intag på 1000 Bq av de föregående isotoperna, kommer mjölken att ha följande aktiviteter.
- 90 Sr, 2 Bq / L.
- 137 Cs, 5 Bq / L
- 239 Pu, 0,001 Bq / L
- 241 Am, 0,001 Bq / L
Jord
Jiří Hálas lärobok säger att jordar varierar mycket i deras förmåga att binda radioisotoper, lerpartiklarna och humussyrorna kan förändra isotopernas fördelning mellan markvattnet och jorden. Fördelningskoefficienten K d är förhållandet mellan markens radioaktivitet (Bq g -1 ) med den för markvattnet (Bq ml -1 ). Om radioaktiviteten är tätt bunden till mineralerna i jorden kan mindre radioaktivitet absorberas av grödor och gräs som växer i jorden.
Treenighetstestet
En dramatisk källa till konstgjord radioaktivitet är ett kärnvapentest . Den glasiga trinititen som skapats av den första atombomben innehåller radioisotoper bildade genom neutronaktivering och kärnklyvning . Dessutom finns några naturliga radioisotoper närvarande. En ny tidning rapporterar nivåerna av långlivade radioisotoper i trinititen. Trinititen bildades av fältspat och kvarts som smältes av värmen. Två prover av trinitit användes, den första (vänstra sidan i grafen) togs från mellan 40 och 65 meter marknoll medan det andra provet togs längre bort från markens nollpunkt .
Den 152 Eu (halveringstid 13,54 år) och 154 Eu (halveringstid 8,59 år) var i huvudsak bildas av neutron aktivering av europium i jorden, är det klart att radioaktivitetsnivån för dessa isotoper är störst där neutron dosen den jord var större. En del av 60 Co (halveringstid 5,27 år) genereras genom aktivering av kobolt i jorden, men en del genererades också genom aktivering av kobolt i ståltornet (100 fot). Denna 60 Co från tornet skulle ha spridits över platsen och minskat skillnaden i marknivåer.
Den 133 Ba (halveringstid 10,5 år) och 241 Am (halveringstid 432,6 år) beror på neutron aktivering av barium och plutonium inne i bomben. Den barium var närvarande i form av nitrat i de kemiska sprängämnen används medan plutonium var den fissila bränsle som används.
Den 137 Cs nivån är högre i provet som var längre bort från marken nollpunkt - detta tros bero på att de prekursorer vid 137 Cs ( 137 I och 137 Xe) och, i mindre grad, cesium själva är flyktiga . De naturliga radioisotoperna i glaset är ungefär desamma på båda platserna.
Aktiveringsprodukter
Verkan av neutroner på stabila isotoper kan bilda radioisotoper , till exempel bildar neutronbombardemang (neutronaktivering) av kväve -14 kol -14. Denna radioisotop kan frigöras från kärnbränslecykeln ; detta är radioisotopen som ansvarar för majoriteten av den dos som befolkningen upplever som ett resultat av kärnkraftsindustrins aktiviteter .
Kärnbombtester har ökat kolens specifika aktivitet , medan användningen av fossila bränslen har minskat det. Se artikeln om radiokoldatering för mer information.
Fissionsprodukter
Utsläpp från kärnkraftverk inom kärnbränslecykeln introducerar klyvningsprodukter i miljön. Utsläppen från kärnkraftsupparbetningsanläggningar tenderar att vara medelhöga till långlivade radioisotoper; detta beror på att kärnbränslet får svalna i flera år innan det upplöses i salpetersyra . Utsläppen från kärnreaktorolyckor och bombdetonationer kommer att innehålla en större mängd kortlivade radioisotoper (när mängderna uttrycks i aktivitet Bq ).
Kortlivad
Ett exempel på en kortlivad fissionsprodukt är jod-131 , detta kan också bildas som en aktiveringsprodukt genom neutronaktivering av tellur .
I både bombnedfall och frigörelse från en kraftreaktorolycka orsakar de kortlivade isotoperna doshastigheten på dag ett mycket högre än den som kommer att upplevas på samma plats många dagar senare. Detta gäller även om inga försök till sanering görs. I diagrammen nedan visas den totala gamma-doshastigheten och andelen av dosen på grund av varje huvudisotop som frigjorts av Tjernobylolyckan.
Medium levd
Ett exempel på ett medium levt är 137 Cs, som har en halveringstid på 30 år. Cesium släpps ut vid bombnedfall och från kärnbränslecykeln . Ett papper har skrivits om radioaktiviteten i ostron som finns i Irländska havet. Dessa visades genom gammaspektroskopi innehålla 141 Ce, 144 Ce, 103 Ru, 106 Ru, 137 Cs, 95 Zr och 95 Nb. Dessutom kan en zinkaktiveringsprodukt ( 65 rades Zn) fann, detta tros bero på korrosion av Magnox bränslekapslingen i kylnings dammar. Koncentrationen av alla dessa isotoper i Irländska havet hänförlig till kärnkraftsanläggningar som Sellafield har minskat avsevärt de senaste decennierna.
En viktig del av Tjernobylfrisättningen var cesium-137, denna isotop är ansvarig för mycket av den långsiktiga (minst ett år efter branden) yttre exponering som har inträffat på platsen. Cesiumisotoperna i nedfallet har påverkat jordbruket. [2]
En stor mängd cesium släpptes under Goiânia-olyckan där en radioaktiv källa (tillverkad för medicinskt bruk) stulits och sedan krossades under ett försök att omvandla den till metallskrot. Olyckan kunde ha stoppats i flera steg. För det första misslyckades de sista lagliga ägarna av källan med att ordna för att källan skulle lagras på en säker och säker plats. och för det andra kände de skrotarbetare som tog det inte igen märkningarna som indikerade att det var ett radioaktivt objekt.
Soudek et al. rapporterade 2006 detaljer om upptagningen av 90 Sr och 137 Cs i solrosor som odlats under hydroponiska förhållanden. Cesium hittades i bladvenerna, i stammen och i de apikala bladen. Det visade sig att 12% av cesium kom in i växten och 20% av strontiet. Denna uppsats rapporterar också detaljer om effekten av kalium- , ammonium- och kalciumjoner på upptaget av radioisotoper.
Cesium binder tätt till leramineraler såsom illit och montmorillonit ; därför förblir den i de övre lagren av mark där den kan nås av växter med grunda rötter (t.ex. gräs). Därför kan gräs och svamp bära en betydande mängd av 137 Cs som kan överföras till människor genom livsmedelskedjan . En av de bästa motåtgärderna i mjölkproduktion mot 137 Cs är att blanda ihop jorden genom att djupt plöja jorden. Detta har till följd att de 137 C: erna är utom räckhåll för gräsets grunda rötter , varför graden av radioaktivitet i gräset kommer att sänkas. Också, efter ett kärnvapenkrig eller allvarlig olycka, avlägsnandet av översta få cm av jord kommer och dess nedgrävning i ett grunt dike minska gamma dosen lång sikt till människor på grund av 137 Cs som gammafotoner kommer att dämpas av deras passage genom jord . Ju mer avlägsen diken är från människor och ju djupare diken är desto bättre skydd kommer den mänskliga befolkningen att ges.
Inom boskapsuppfödning är en viktig motåtgärd mot 137 Cs att mata till djur lite preussiskblått . Detta järn kaliumcyanid förening fungerar som en jonbytare . Cyaniden är så tätt bunden till järnet att det är säkert för en människa att äta flera gram preussisk blå per dag. Den preussiska blått minskar den biologiska halveringstiden (inte att förväxla med kärnkraftshalveringstiden ) av cesium). Den fysiska eller nukleära halveringstiden på 137 Cs är cirka 30 år, vilket är en konstant och inte kan ändras. emellertid kommer den biologiska halveringstiden att förändras i enlighet med karaktären och vanorna hos den organism som den uttrycks för. Cesium hos människor har normalt en biologisk halveringstid på mellan en och fyra månader. En ytterligare fördel med det preussiska blått är att cesium som avlägsnas från djuret i avfallet är i en form som inte är tillgänglig för växter. Därför förhindrar det att cesium återvinns. Den form av preussiskblått som krävs för behandling av människor eller djur är av särskild kvalitet. Försök att använda pigmentkvaliteten som används i färger har inte lyckats.
Långlivat
Exempel på långlivade isotoper inkluderar jod -129 och Tc-99, som har nukleära halveringstider på 15 miljoner respektive 200 000 år.
Plutonium och andra aktinider
I populärkulturen krediteras plutonium som det ultimata hotet mot liv och lemmar som är fel; medan intag av plutonium inte troligen är bra för hälsan är andra radioisotoper som radium mer giftiga för människor. Oavsett, bör införandet av transuranelement som plutonium i miljön undvikas när det är möjligt. För närvarande har kärnkraftsupparbetningsindustrins verksamhet varit föremål för stor debatt, eftersom en av rädslorna för dem som motsätter sig industrin är att stora mängder plutonium antingen kommer att hanteras felaktigt eller släppas ut i miljön.
Tidigare har en av de största utsläppen av plutonium i miljön varit kärnbombtestning .
- Dessa tester i luften spridda lite plutonium över hela världen; denna stora utspädning av plutonium har resulterat i att hotet mot varje exponerad person är väldigt liten eftersom varje person bara utsätts för en mycket liten mängd.
- Underjordiska tester tenderar att bilda smält sten, som snabbt kyler och förseglar aktiniderna i berget, vilket gör dem oförmögna att röra sig; återigen är hotet mot människor liten om inte testplatsen grävs upp.
- Säkerhetsförsöken där bomber utsattes för simulerade olyckor utgör det största hotet för människor; vissa områden av mark som används för sådana experiment (utförda utomhus) har inte släppts helt för allmän användning trots i ett fall en omfattande sanering.
Naturlig
Aktiveringsprodukter från kosmiska strålar
Kosmogena isotoper (eller kosmogena nuklider ) är sällsynta isotoper som skapas när en högenergisk kosmisk stråle interagerar med kärnan i en atom in situ . Dessa isotoper produceras i jordmaterial som stenar eller jord , i jordens atmosfär och i utomjordiska föremål som meteoriter . Genom att mäta kosmogena isotoper kan forskare få insikt i en rad geologiska och astronomiska processer. Det finns både radioaktiva och stabila kosmogena isotoper. Några av dessa radioisotoper är tritium , kol -14 och fosfor -32.
Produktionslägen
Här är en lista över radioisotoper som bildas av verkan av kosmiska strålar på atmosfären; listan innehåller också isotopens produktionsläge. Dessa data erhölls från SCOPE50-rapporten, se tabell 1.9 i kapitel 1 .
| Isotop | Formation |
|---|---|
| ^ H (tritium) | 14 N (n, 12 C) ^ H |
| 7 Var | Spallation (N och O) |
| 10 Var | Spallation (N och O) |
| 11 C | Spallation (N och O) |
| 14 C | 14 N (n, p) 14 C |
| 18 F | 18 O (p, n) 18 F och Spallation (Ar) |
| 22 Na | Spallation (Ar) |
| 24 Na | Spallation (Ar) |
| 28 mg | Spallation (Ar) |
| 31 Si | Spallation (Ar) |
| 32 Si | Spallation (Ar) |
| 32 P | Spallation (Ar) |
| 34m Cl | Spallation (Ar) |
| 35 S | Spallation (Ar) |
| 36 Cl | 35 Cl (n,) 36 Cl |
| 37 Ar | 37 Cl (p, n) 37 Ar |
| 38 Cl | Spallation (Ar) |
| 39 Ar | 38 Ar (n,) 39 Ar |
| 39 Cl | 40 Ar (n, np) 39 Cl & spallation (Ar) |
| 41 Ar | 40 Ar (n,) 41 Ar |
| 81 Kr | 80 Kr (n,) 81 Kr |
Överför till marken
Nivån av beryllium -7 i luften är relaterad till solfläckcykeln , eftersom strålning från solen bildar denna radioisotop i atmosfären. Den hastighet med vilken den överförs från luften till marken styrs delvis av vädret.
Tillämpningar i geologi listade efter isotop
| element | massa | halveringstid (år) | typisk applikation |
|---|---|---|---|
| helium | 3 | - stabil - | exponering datering av olivin -bärande stenar |
| beryllium | 10 | 1,36 miljoner | exponering datering av kvarts -haltig stenar, sediment, datering av iskärnor, mätning av erosionshastigheten |
| kol | 14 | 5,730 | datering av organiskt material, vatten |
| neon | 21 | - stabil - | datering av mycket stabila, långt exponerade ytor, inklusive meteoriter |
| aluminium | 26 | 720 000 | exponering datering av stenar, sediment |
| klor | 36 | 308 000 | exponering datering av stenar, grundvatten tracer |
| kalcium | 41 | 103 000 | exponeringsdatering av karbonatstenar |
| jod | 129 | 15,7 miljoner | grundvattenspårare |
Tillämpningar av dejting
Eftersom kosmogena isotoper har långa halveringstider (var som helst från tusentals till miljoner år), tycker forskare att de är användbara för geologisk datering . Kosmogena isotoper framställs vid eller nära jordens yta och används därför vanligtvis vid problem med att mäta åldrar och hastigheter för geomorfa och sedimentära händelser och processer.
Specifika tillämpningar av kosmogena isotoper inkluderar:
- exponering datering av jordytor, inklusive glacially scoured berggrund , förkastnings scarps , jordskred skräp
- begravning av sediment, berggrund, is
- mätning av steady-state erosionshastigheter
- absolut datering av organiskt material ( radiokoldatering )
- absolut datering av vattenmassor, mätning av grundvattentransporthastigheter
- absolut datering av meteoriter, månytor
Mätmetoder för långlivade isotoper
För att mäta kosmogena isotoper som produceras i fasta jordmaterial, såsom sten, tas prover i allmänhet först genom en mekanisk separationsprocess. Provet är krossat och önskvärt material, såsom ett speciellt mineral ( kvarts i fallet med Be-10), separeras från icke önskvärt material genom att använda en densitetsseparation i ett tungt flytande medium såsom litiumnatriumvolframat (LST). Provet löses sedan upp, en vanlig isotopbärare tillsätts (Be-9-bärare i fallet med Be-10) och den vattenhaltiga lösningen renas ner till en oxid eller annan ren fast substans.
Slutligen är förhållandet mellan den sällsynta kosmogena isotop till den gemensamma isotop mättes med användning accelerator masspektrometri . Den ursprungliga koncentrationen av kosmogen isotop i provet beräknas sedan med hjälp av det uppmätta isotopförhållandet, massan av provet och massan av bäraren som läggs till provet.
Radium och radon från förfallet av långlivade aktinider
Radium och radon finns i miljön eftersom de är sönderfallsprodukter av uran och torium .
Radonen ( 222 Rn) som släpps ut i luften förfaller till 210 Pb och andra radioisotoper, och nivåerna på 210 Pb kan mätas. Avsättningshastigheten för denna radioisotop beror på vädret. Nedan följer en graf över depositionsgraden observerad i Japan .
Uranium-bly dating
Uran - bly datering utförs vanligtvis på mineralet zirkon (ZrSiO 4 ), även om andra material kan användas. Zirkon inkorporerar uranatomer i sin kristallina struktur som ersättning för zirkonium , men starkt avvisar bly. Den har hög blockeringstemperatur, är motståndskraftig mot mekanisk väderbeständighet och är kemiskt inert. Zirkon bildar också flera kristallskikt under metamorfa händelser, som var och en kan registrera en isotopisk ålder för händelsen. Dessa kan dateras av en räka jon mikrosond.
En av fördelarna med denna metod är att varje prov ger två klockor, en baserad på uran-235s förfall till bly-207 med en halveringstid på cirka 703 miljoner år, och en baserad på uran-238s förfall till bly-206 med en halveringstid på cirka 4,5 miljarder år, vilket ger en inbyggd korscheck som möjliggör exakt bestämning av provets ålder även om en del av blyet har gått förlorat.
Se även
- Journal of Environmental Radioactivity
- Naturligt förekommande radioaktivt material
- Radioekologi
- Radium i miljön
- Uran i miljön
Referenser
Referenser om kosmogen datering av isotop
- Gosse, John C. och Phillips, Fred M. (2001). "Markbundna kosmogena nuklider in situ: teori och tillämpning". Kvartärvetenskapliga recensioner 20 , 1475–1560.
- Granger, Darryl E., Fabel, Derek och Palmer, Arthur N. (2001). "Pliocen-pleistocen snitt av Green River, Kentucky, bestämt från radioaktivt förfall av kosmogen 26Al och 10Be i Mammoth Cave sediment". Geological Society of America Bulletin 113 (7), 825–836.
Vidare läsning
- Radioaktivitet, joniserande strålning och kärnenergi, av J. Hala och JD Navratil
- En genomgång av ämnet har publicerats av Vetenskapliga kommittén för miljöproblem (SCOPE) i rapporten SCOPE 50 radioekologi efter Tjernobyl .