Радиоактивност речног седимента

М. Крмар, И. Бикит, Ј. Сливка, М. Весковић,

Н. Тодоровић, Д. Мрђа, Г. Шоти, Н. Јованчевић

Департман за физику, ПМФ, Нови Сад

Речни седимент – комадићи подлоге различитих величина доспели у речне токове ерозивним дејством падавина, леда и гравитације

Глина 44%, кварц 30%, карбонати 22%, органске материје 4%.

Река га транспортује и коначно исталожи у морима или језерима

Облик речног корита и правац тока реке зависе од димамичке равнотеже између количине седимента који ерозивним дејством долази до реке и њене могућности да тај материјал транспортује

Речним седиментом се већ вековима занимају геолози, инжењери, хемичари, физичари, биолози, археолози, антроползи итд.

Принос седимента у неком делу речног тока је она количина материјала којег река донесе и исталожи. Изражава се у тонима по квадратном килиметру годишње [t/km2 year].

Обично се принос седимента изражава за неку локацију у речном кориту, али може и за дренажне канале и површине које река периодично плави.

Принос седимента зависи од климатских услова (количине падавина), геолошке структуре земљишта у сливу, нагиба, начина коришћења земљишта у сливу, вегетације, броја и величине притока или дренажних канала итд.

река држава локација [ t / km2 year]

Дунав Словачка Братислава 79

Дунав Мађарска Нађмараш 28

Дунав Румунија 83

Тиса Мађарска Сегедин 49

Дон Русија 18

Дњепар Украјина Дњепропетровск 5.2

По Италија Пјаћенца 107

Амазон Бразил ушће 65

Ганг Индија ушће 1400

Ганг Бангладеш ушће 1545

Јанг Це Кина Чикионг 541

Хуанг Хе Кина Шенкшиен 2910

Хуанг Хе Кина Саншенганг 273

Нил Египат ушће 40

Плави Нил Судан 957

Органска компонента

- биљни и животињски материјал из реке и површине слива

- испуштање отпадних индустријских и комуналних вода

Минерална компонента-ерозија материјала са површине комплетног речног слива

1. природни минерални садржај из горњег тока реке, материјал еродиран са околних површина (падавине, ветар) и обала речног корита

2. неоргански материјали испрани падавинама са одређених површина у сливу реке (јаловишта рудника, средства исхрану биљака и друге агротехничке супстанце, депоније смећа, радионуклиди емитовани у атмосферу)

-испуштање индустријских и комуналних отпадних вода

1. воде којима се хладе реактори нуклеарних електрана

2. испирање руде, технолошке воде итд.

Еродирани материјали као и материјали директно испуштени у реку путем отпадних вода се акумулирају на речном дну.

Све материје које су депоноване на површину након испуштања у атмосферу временом доспеју у реку и на дно речних токова.

У речном седименту се коначно акумулирају разне органске и неорганске материје, природног или антропогеног порекла.

Sediment

Živi svet

taloženje

Suspendovane čestice

Rastvor

rast

vara

nje

talo

ženj

e

talo

ženj

e

turb

ulen

tna

resu

spen

zija

rast

vara

nje

Седимент- биљке на алувијалној равни и речном кориту (ланци исхране)

- грађевински материјал

Речна вода- пијаћа вода за градове на рекама

- иригациони канали, наводњавање

Присуство неког радионуклида у мереном узорку најлакше се може установити детекцијом еммитованог зрачења

Различите врсте радиоактивног зрачења на различит начин интерагују са материјом што доводи до знатних разлика у продорној моћи

Свака врста радиоактивног зрачења захтева посебан начин детекције

ДЕТЕКЦИЈА ГАМА ЗРАЧЕЊА

Осим 3H и 90Sr сви остали радионуклиди приликом алфа или бета распада емитују и пропратно гама зрачење

-Дискретан енергетски спектар карактеристичан за радионуклид који га емитује. Квалитативна и квантитативна анализа

E [keV] i (квантни принос [%])

226Ra 186.1 (4.0)

214Bi 609.318 (46), 768.361 (4.88)934.05 (3.66), 1120.276 (15)1238.11 (5.92), 1377.65 (4.02)1509.19 (2.199, 1764.51 (15.9)2204.12 (4.99), 2447.71 (1.55)

214Pb 295.2 (19.2), 351.9 (37.2)

E [keV] i (квантни принос [%])

228Ac 129.1 (2.1), 209.4 (4.6) 270.3 (3.8), 328.0 (3.4)338.4 (12.0), 409.4 (2.2)463.0 (4.6), 727.17 (11.83)794.8 (4.8), 964.6 (5.5)968.9 (17.5), 1630.4 (1.95)

212Pb 238.626 (44.6), 300.09 (3.4)

208Tl 583.14 (31.06), 860.37 (12.3)2614.61 (34.50)

238U

232Th

Нискофонска гама-спекрометрија

Полупроводнички детектор + заштита (олово или гвожђе)

Нема потребе за претходном припремом узорка

Из једног измереног спектра се могу одредити концентрације већег броја радиоизотопа

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

5000

10000

15000

20000

25000

od

bro

j

E [keV]

Карактеристичан спектар мерен детектором у заштити од гвожђа

800 820 840 860 880 900 920

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

od

bro

j

E [keV]

Присуство неког радиоактивног изотопа у мереном узорку се изражава у Bq/kg или Bq/l (ређе у μg/l)

Bq – SI јединица за активност. Активност од једног Bq има онај извор зрачења коме се у једној секунди распаде једно језгро.

NA

M

Nm

TA Av

2/1

2ln

Уобичајени ниво активности узорака из природе је реда величине 10 Bq, школски извори за студентске вежбе су ахтивности 104 -105 Bq, извори зрачења у радиотерапији имају активност реда величине 1014 Bq.

Radionuclide – Radioactive Nuclide

Нестабилно језгро које се распада емитујући том приликом радиоактивно зрачење које може бити: алфа, бета, гама и карактеристично х-зрачење

Користи се још и назив радиоизотопи

Радионуклиди

вештачкиприродни

космогени

терестријални

HeBepN 42

74

11

147 2

LiBenN 83

74

10

147

BBepO 105

74

11

168

HeLiBepO 32

73

74

11

168

BeBenO 104

74

10

168

HeHeBenO 42

62

74

10

168

Најпознатији космогени радионуклиди:

14С, 10Ве, 7Ве

Након стварања у спалационим нуклеарним реакцијама, изотопи берилијума се везују за честице аеросола и таложе на површину земље а угљеник се у облику СО2 равномерно распоређује по атмосфери.

Нивои активности космогених радионуклида су далеко испод граница које би се могле сматрати алармантним.

Значајни су у истраживањима:

14С (Т1/2 = 5730 година) за датирање материјала органског порекла

10Ве (Т1/2 = 1.6 · 106 година) за за датирање геолошких слојева

7Ве (Т1/2 = 53.3 дана) за мапирање ефеката ерозије

Терестријални радионуклиди - нестабилни изотопи којима је период полураспада већи од 500 милиона година

40К је најраспрострањенији. 0.0117% у природном калијуму (T1/2(40K) = 1.3 109 година)

изотоп Период полураспада

[година]

Врста зрачења

50V 5 ·1015 бета87Rb 5 ·1010 бета138La 1 ·1011 бета144Nd 3· 1015 алфа147Sm 1.3 ·1011 алфа176Lu 4.5 ·1010 бета 187Re 4 ·1012 бета

Уколико потомци распада неког природног радионуклида нису стабилни, настају радиоактивни низови или фамилије.-Уранијум – радијумски, уранијум – актинијумски и торијумски

238U – 4.47· 109 година

235U – 7.04 ·108 година

232Th – 1.41· 1010 година

Минерална компонента речног седимента настаје таложењем честица одвојених од стена разним ерозивним факторима

стена 238U [Bq/kg] 232Th [Bq/kg] 40K [Bq/kg]

гранит 60 81 1000

диорит 23 32.6 700

базалт 11.5 11 240

кречњаци 28 7 89

карбонати 27 7.8 ---

пешчари 18.5 11 370

шкриљци 45 45 700

Карбонатне стене и шкриљци на јужним падинама Хималаја садрже повишену концентрацију уранијума.Индијске реке унесу преко 1000 тона уранијума годишње у океан.

Bezdan 1982

Bezdan 2002

Dunav 2002

Tisa 2002 Begej 2002

UNSCEAR (средње)

7Be 16 ± 13 7.7 ± 1.7 13 ± 10 6.8 ± 2.1 4 ± 3

40K 440 ± 90 395 ± 17 412 ± 12 486 ± 21 520 ± 48 370

232Th 32 ± 9 26 ± 4 30.9 ± 1.3 36.5 ± 5.0 49 ± 4 35

226Ra 28 ± 7 25 ± 4 27.5 ± 1.0 27.7 ± 2.7 30 ± 3 40

238U ----- 31 ± 6 42 ± 12 37.3 ± 7.3 71 ± 15 35

137Cs 9 ± 3 16 ± 4 8.8 ± 1.5 6.6 ± 0.6 45 ± 7

238U 232Th 236Ra 40K

UNSCЕАR средње 35 35 40 370

UNSCEAR опсег 4 - 140 4 - 130 8 - 160 100 - 700

Нил 16.3 12.9 200

Дунав Србија 42 31 28 412

Kali моназит DL - 36 41 -322 147 - 2740

Tinito Фосфатни гипс испред рудника

20 41.6 44 382

Tinito Фосфатни гипс иза рудника

515 60.0 226 330

Karnaphuli фосф. ђубриво испред фабрике

36.3 77.6

Karnaphuli Фосф. ђубриво иза фабрике

89.7 84.6

Dao рудник урана 562 116 305

Tavora рудник урана 620 195 448

Mondego рудник урана 952 346 1978

Вештачки радионуклиди

Постоје подаци о преко 2000 вештачки произведених радионуклида

(природних радиоизотопа има око 60)

Највећи број вештачких радионуклида је произведен у лабораторијама у истраживачке сврхе

Нуклеарна фисија – потенцијални извор највећег броја произведених радионуклида који могу доспети у воде и животну средину

У животну средину доспевају након надземних проба нуклеарнох оружја и неконтролисаног цурења из нуклеарних електрана.

Распоред нуклеарних централа у Европи

Највећи број фисионих продуката су краткоживећи.

Приликом рутинске контроле речног седимента проверава се садржај

74Se, 144Ce, 141Ce, 125Sb, 103Ru, 134Cs, 137Cs, 124Sb, 106Ru, 110mAg, 95Zr, 95Nb, 58Co, 160Tb и 60Co

Посебна пажња се поклања 134Cs (Т1/2 = 2.0 година) и 137Cs (Т1/2 = 30 година) пошто се хемијски понашају као K и Na.

Осим у речном седименту вештачки радионуклиди се рутински контролишу и у речним водама, рибама и биљном материјалу

До хаварије у Чернобилу, вештачки радиоизотопи присутни у животној средини су потицали од надземних проба нуклеарног оружија

Догађај у коме је дошло до највеће једнократне емисије радионуклида у атмосферу је чернобилски акцидент.

Концентрација ваштачких радиоизотопа у узорцима седимента из Дунава је била на ивици границе детектибилности до 1986. године.

Концентрација вештачких радиоизотопа се временом смањује због распада, испирања и физичког померања од стране речног тока.

Концентрација 137Cs у Дунаву се смањила на половину након 230 дана од момента када је детектовано његово повећано присуство.

Време полуелиминације 137Cs је око 0.6 година у периоду од 1986 до 1988.

река Период полуелиминације

(у годинама)

Временски период

Дунав 0.63 1986 - 1988

Влтава 2.2 1990 - 1994

Влтава 30 1996 - 2002

================================================================================== No Nuclide NIDConf MDA activity(1s) activity+-1.6s OR MDA [Bq/kg] [Bq/kg] [Bq/kg] ---------------------------------------------------------------------------------- 1 Be-7 0.995 6.2 6.5(11) 6.5+-1.7 2 K-40 0.997 10 741(16) 741+-27 3 CO-58 0.000 1.1 0.0(11) <1.1 4 CO-60 0.000 1.0 0.0(10) <1.0 5 SE-75 0.000 1.3 0.0(13) <1.3 6 ZR-95 0.000 2.1 0.0(21) <2.1 7 RU-103 0.000 1.0 0.0(10) <1.0 8 RH-106 0.000 3.8 0(4) <4 9 AG-110m 0.000 1.3 0.0(13) <1.3 10 SB-124 0.000 1.5 0.0(15) <1.5 11 SB-125 0.000 3.1 0(3) <3 12 CS-134 0.000 1.4 0.0(14) <1.4 13 CS-137 0.904 0.9 7.4(3) 7.4+-0.5 14 CE-141 0.000 1.6 0.0(16) <1.6 15 CE-144 0.000 7.0 0(7) <7 16 TB-160 0.000 3.3 0(3) <3 17 TL-208 0.360 1.1 17.6(5) 17.6+-0.9

18 PB-210 0.000 0.19E+03 0.00(19)E+03 <0.19E+03 19 BI-211 0.000 9 0(9) <9 20 BI-212 0.923 15 65(3) 65+-5 21 PB-212 0.632 0.9 51.8(11) 51.8+-1.8 22 BI-214 0.573 2.2 36.6(8) 36.6+-1.4 23 PB-214 0.996 2.0 37.8(7) 37.8+-1.2 24 RA-224 0.000 28 0(28) <28 25 RA-226 0.989 21 40(15) 40+-25 26 TH-227 0.000 10 0(10) <10 27 AC-228 0.343 5.8 50.4(10) 50.4+-1.6 28 PA-234M 0.532 0.10E+03 69(18) <0.10E+03 29 TH-234 0.000 22 0(22) <22 30 U-235 0.736 1.2 2.3(8) 2.3+-1.4 31 AM-241 0.000 8 0(8) <8 =============================================================================================================== Formula activity(1sC) cspdf activity+-1.6sC [Bq/kg] [Bq/kg] --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Ra226S=WMeanC(RA-226,PB-214,BI-214,PB-210)= 37.3(5) 0.42 37.3+-0.9 Th232S=WMeanC(AC-228,RA-224,PB-212,BI-212)= 51.8(20) 7.60 52+-3 U235S=WMeanC(U-235,TH-227,BI-211)= 2.3(8) 0.06 2.3+-1.4 U238S=WMeanC(TH-234,PA-234M,RA-226,PB-214,BI-214,PB-210)= 37.3(6) 1.43 37.3+-1.1 U238(234)=WMeanC(TH-234,PA-234M)= 0.04(3)E+03 5.84 <0.10E+03--------------------------------------------------------------------------------------------------------------- natural=Be7+K40+U235+Th232+U238= 839(16) 839+-27 artificial= 7(13) <29 total=natural+artificial= 847(21) (0.85+-0.03)E+03=============================================================================================================== buildint=K40/3000+Ra226/200+Th232/300+artificial/4000= 0.608(10) 0.608+-0.016 buildext=K40/5000+Ra226/400+Th232/400+artificial/4000= 0.373(7) 0.373+-0.011===============================================================================================================

200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 7000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

11023

8 U [B

q/k

g]

40K [Bq/kg]

250 300 350 400 450 500 550 600 650 70010

15

20

25

30

35

40

45

50

55

23

2T

H [B

q/k

g]

40K [Bq/kg]

radioisotope Mean [Bq/kg] Range [Bq/kg]

238U 42±12 16 - 71

232Th 36.0±9.5 15.2 - 52

226Ra 32.4±8.4 14.2 - 59

40K 445±88 261 -630

ratio Mean range

238U/232Th 1.18(19) 0.86-2.1

238U/40K 0.094(17) 0.061-0.016

232Th/40K 0.080(9) 0.056-0.101

226Ra/232Th 0.92(16) 0.57-1.29

0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.20

2

4

6

8

10

238U/ 232Th

0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.160

2

4

6

8

DANUBE 238U/40K

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.400

2

4

6

8

DANUBE (238U/ 232Th)*(238U/ 40K)

10 20 30 40 50 60 70 800

2

4

6

8

10

12

14

16Y

Titl

e

238U