Seria de măsurare a radionuclizilor din aer aproape de sol în Braunschweig

istorie

„Radioactivitatea în aer” a devenit cunoscută pentru prima dată publicului larg după exploziile armelor nucleare de pe Hiroshima și Nagasaki. În perioada care a urmat, concentrațiile de activitate ale radionuclizilor artificiali în aer în apropierea solului au crescut constant din cauza cursei înarmărilor dintre statele armate nucleare din acel moment. În Germania, produsele proaspete de fisiune au fost detectate pentru prima dată în 1953 pe muntele „Schauinsland” de lângă Freiburg im Breisgau de către Institutul de radioactivitate atmosferică de atunci al Oficiului Federal pentru Protecție Civilă, care face acum parte din Oficiul Federal pentru Protecția împotriva Radiațiilor. În 1955, Serviciul Meteorologic German a fost mandatat legal să măsoare în mod regulat radioactivitatea în aer și precipitațiile la stațiile rețelei sale meteorologice.

În 1963, PTB a început măsurători regulate ale radioactivității în aer aproape de sol. Pentru o lungă perioadă de timp, măsurătorile au fost efectuate ca parte a proiectelor de cercetare care au servit la compararea concentrațiilor de activitate din nordul Germaniei și Scandinavia. În Germania, la începutul măsurătorilor căderii armei, contaminarea restului mediului și a lanțului alimentar uman rezultat din contaminarea aerului a fost măsurată de numeroase autorități federale (centrele de control actuale), autoritățile de stat, universitățile și institutele de cercetare. După accidentul reactorului din Cernobîl în 1986, măsurătorile radioactivității mediului au fost reorganizate și diferitele abordări pentru procedurile de măsurare și evaluare până atunci au fost armonizate, ceea ce îmbunătățește semnificativ comparabilitatea rezultatelor măsurătorilor obținute. În acel moment, stația de măsurare a PTB din Braunschweig a fost integrată în noul IMIS creat ca unul dintre cele 14 puncte de măsurare a urmelor germane.

De atunci, măsurătorile de urmărire au fost efectuate în cadrul IMIS cu scopul de a observa concentrațiile de activitate existente în prezent și de a le recunoaște tendințele. Cu toate acestea, această sarcină de rutină se încadrează mai mult în domeniul observării generale a mediului sau în domeniul radioecologiei. Celelalte două obiective de măsurare se încadrează în măsura de protecție împotriva radiațiilor în sens restrâns

pentru a obține un „posibil timp de avertizare” pentru măsurile pregătitoare în cazurile în care un nor care se apropie, puternic contaminat este detectat foarte devreme cu ajutorul urmelor de radionuclizi artificiali caracteristici și
Să aibă valori măsurate disponibile pentru a efectua „determinarea nivelului zero”, care este necesară în cazul contaminării proaspete pentru evaluarea consecințelor sale.

Uniunea Europeană (UE) operează o „rețea redusă” la nivelul UE pentru măsurători de radionuclizi sensibili în mediu din 2001. În acest scop, valorile măsurate de la câteva stații de măsurare selectate „reprezentative” ale regiunilor respective ale statelor membre sunt preluate rețelele naționale de măsurare utilizate pentru rapoartele UE privind radioactivitatea mediului. Unul dintre cele patru puncte de măsurare a urmelor pentru supravegherea aerului în Germania pentru „Regiunea Nord” este stația PTB din Braunschweig.

După ce „Adunarea Generală a ONU din 10 septembrie 1996 a adoptat„ Tratatul de interzicere a testelor nucleare cuprinzătoare ”(CTBT), a fost înființată o rețea de monitorizare la nivel mondial pentru a verifica conformitatea cu acest tratat. Această rețea este operată de organizația din Viena („Organizația Tratatului de Interzicere a Testelor Nucleare Comprehensive”, CTBTO) și se bazează pe stații de măsurare la nivel mondial pentru seismice, infrasunete, hidroacustică și, de asemenea, radionuclizi artificiali în aer. Contribuțiile germane la această rețea de măsurare sunt descrise pe pagina principală a BfS sub „Messstation Schauinsland” și Institutul Federal pentru Geoștiințe și Materii Prime (BGR).

Radioecologie și rezultate ale măsurătorilor

Graficul „Radionuclizii din aer în apropierea solului” arată ce radionuclizi apar în aerul apropiat de sol și ce spectru larg de concentrații de activitate este observat.

Rețineți că unitatea "Bq/m 3" a fost selectată aici pentru concentrația medie a activității. Unitatea obișnuită pentru măsurarea urmelor, totuși, este „micro-Becquerel” pe metru cub (µBq/m 3), motiv pentru care această unitate este preferată pentru reprezentările seriilor de măsurare pe termen lung. Pentru a ilustra: Prefixul „micro” înseamnă „milionime” H. dacă concentrația de activitate curentă a unui radionuclid este de 1 µBq/m 3, numai un atom se descompune la 1 milion de secunde în medie într-un metru cub de aer (ceea ce corespunde la aproximativ 11,5 zile).

Serii de măsurare pe termen scurt

Dacă se măsoară o concentrație crescută de activitate de 137 Cs într-o probă de praf de aer, se pune întrebarea dacă este vorba de o intrare de 137 Cs „proaspete” sau dacă creșterea a fost observată datorită unei variații a contaminării „vechi”. De aceea comparăm concentrațiile medii de activitate săptămânală de 137 Cs cu cele de 40 K. Este justificat faptul că elementele alcaline se comportă foarte similar, deoarece fie sunt puternic legate de particulele de praf de aer, fie sunt conținute în ele.

Observând raportul de activitate A (137 Cs)/A (40 K) în cenușa săptămânală de praf de aer și comparând valorile cu vântul și condițiile meteorologice predominante la prelevarea probei, se pot trage concluzii dacă 137 Cs măsurate provin din praf local sau de ex. . B. a fost adus cu praf din zone din Europa de Est care au fost mai puternic contaminate de accidentul de la Cernobîl. O astfel de intrare ar trebui să conducă la o creștere a raportului de activitate. Pe de altă parte, ar trebui să fie posibil să se detecteze intrări de 40 K care sunt cauzate de aplicarea îngrășămintelor pe câmpurile învecinate sau care provin din alte surse.

Așa cum era de așteptat, observațiile repetate arată inițial calitativ că valorile tipice ale raportului de activitate A (137 Cs)/A (40 K) pot fi atribuite unor surse diferite. Pentru a determina raportul de activitate locală, în vara anului 2002 s-a efectuat o măsurare spectrometrică γ pe care sunt introduși 40 K din agenții oxidanți (de exemplu KClO4) conținuți în artificiile de Anul Nou. Valoarea maximă afișată în diagramă (a fost măsurată în eșantion din Revelion 2003/2004.

În timpul sezonului de creștere, contribuțiile din îngrășăminte pot contribui, de asemenea, la concentrarea activității de 40 K. În general, când s-au prelevat probe timp de o săptămână, direcția vântului s-a schimbat doar, astfel încât o alocare clară a intrărilor către o singură sursă nu este posibilă, deoarece mai multe surse posibile ar fi putut contribui în același timp.

Fluctuația sezonieră a concentrațiilor de activitate de 40 K și 137 Cs este prezentată în diagrama 2003. Cele mai probabile surse sunt indicate în câmpuri.

Comparația raportului de activitate A (137 Cs)/A (40 K) în săptămânile 3 și 8 din 2003 arată cum afectează condițiile diferite ale vântului. Sunt prezentate valorile medii orare ale direcției vântului, măsurate de DWD, Centrul pentru Cercetări Agrometeorologice Braunschweig (ZAMF). Punctele cardinale sunt date în grade: nord = 360 ° (sau 0 °), est = 90 °, sud = 180 ° și vest = 270 °. Cu toate acestea, singura direcție a vântului spune puțin despre calea acoperită anterior a maselor de aer și, astfel, despre originea radionuclizilor. Acestea pot fi determinate mai precis doar cu calcule de dispersie meteorologică sau calcule de traiectorie efectuate de DWD în biroul central din Offenbach.

Exemplul arată o situație tipică a vântului de vest în a 3-a săptămână, cu o pondere de vânt de est neglijabil de mică, de aproximativ 6%. În a 8-a săptămână, aceasta este de aproximativ 51%, vântul venind în cea mai mare parte din sectorul nord-estic.

Vă rugăm să rețineți:
De obicei, diagrama este actualizată de îndată ce evaluarea spectrului γ a fost finalizată. Timpii obișnuiți de măsurare sunt în jur de o săptămână, astfel încât radionuclidul 22 Na prezentat în seria de măsurare pe termen lung poate fi determinat. Prin urmare, rezultatele măsurătorilor radionuclizilor care emit γ pot fi adăugate cel mai devreme la aproximativ 1,5 săptămâni după terminarea eșantionării.

Serii de măsurare pe termen lung

În general, concentrațiile de activitate ale radionuclizilor artificiali în aer în apropierea solului au scăzut după intrarea în vigoare a acordului de interzicere a testelor nucleare în 1963. Cu toate acestea, din moment ce nu toate statele cu arme nucleare au semnat acordul, testele armelor nucleare au fost efectuate în atmosferă deschisă până în 1980, drept urmare produsele proaspete de fisiune au crescut în stratosferă. De acolo s-au întors la suprafața pământului la sfârșitul primăverii/începutul verii, deoarece în această perioadă a anului există un schimb vertical mai puternic de aer din cauza încălzirii atmosferei. Acest lucru poate fi văzut clar în diagrama „7 Be și 137 Cs în aer aproape de sol în Braunschweig din 1963” din seria de măsurare pe termen lung a produsului de fisiune 137 Cs și 7 Be format de radiații cosmice până în 1986.

Cu toate acestea, din cauza accidentului de la centrala nucleară din Cernobîl în aprilie a acelui an, au fost introduse atât de multe 137 C, încât efectul nu mai poate fi observat. Astăzi există predominant 137 C în aer, care a fost învârtit de la sol (tehnic „resuspendat”), astfel încât un posibil efect datorat urmelor căderii armei care încă cad din stratosferă nu mai este măsurabil.

După accidentul reactorului din Fukushima, Japonia, declanșat de un cutremur și un tsunami ulterior în martie 2011, au fost efectuate măsurători zilnice la PTB. După ce contaminarea a scăzut la valori sub limita de detectare realizabilă cu măsurători zilnice, perioadele au fost prelungite la două sau trei zile. Rezultatele arată că cele mai ridicate niveluri zilnice de contaminare a aerului de 131 I când au trecut primii doi „nori” au fost la nivelul concentrației de activitate a radionuclidului natural 7 Be și s-au calmat rapid. Influența celor 137 C eliberate în Fukushima este clar vizibilă în reprezentarea valorilor medii lunare în seria de măsurători pe termen lung din Braunschweig, dar este în jur de o miime până la câteva zeci de mii din valorile maxime măsurate după accidentul de la Cernobâl. O prezentare generală a contaminării aerului măsurată în Europa după accidentul de la Fukushima poate fi găsită în literatura de specialitate.

Seria de măsurare pe termen lung disponibilă la PTB pentru nuclizii radioactivi în mod natural, care sunt întotdeauna conținuți în aer aproape de sol, încep în momente diferite. Principalele motive pentru aceasta sunt, pe de o parte, concentrațiile scăzute de activitate ale unor radionuclizi și, pe de altă parte, îmbunătățirile analitice și metrologice care nu au putut fi realizate decât treptat. O îmbunătățire majoră a fost, de exemplu, dezvoltarea spectrometriei gamma de înaltă rezoluție cu spectrometre de germaniu. Au făcut posibilă măsurarea multor radionuclizi care emit radiații gamma direct în probă, fără a fi nevoie să le supuneți unei analize radiochimice înainte de măsurare, în care pierderile de activitate sunt de obicei inevitabile.

Bineînțeles, nuclizii radioactivi

Curbele celor doi radionuclizi 7 Be și 22 Na formate prin interacțiunea radiației cosmice cu atomii atmosferei (= „cosmogenă”) prezintă o variație anuală clară într-un interval aproximativ constant. Maximul este la sfârșitul primăverii sau la începutul verii, iar cel minim iarna, deoarece permeabilitatea tropopauzei variază în funcție de anotimpuri. O schimbare periodică mai lungă este impresionată pe curbă de ciclul de aproximativ unsprezece ani al petelor solare, deoarece cu o activitate solară ridicată fluxul de particule cosmice în vecinătatea pământului scade, ceea ce reduce și ratele de formare de 7 Be și 22 Na.

Similar cu 210 Pb, 40 K este întotdeauna conținut în praful de aer. La fel ca 238 U sau 232 Th, 40 K este un „radionuclid primordial” care nu s-a descompus de când a fost format împreună cu celelalte elemente chimice în urmă cu aproximativ 4 până la 5 miliarde de ani. Timpul său de înjumătățire este de aproximativ 1,3 miliarde de ani. 40 K este prezent ca un metal alcalin practic peste tot în natură neînsuflețită și animată.

Oamenii au o activitate specifică de aproximativ 50 Bq 40 K pe kilogram din greutatea lor corporală. Această valoare medie înmulțită cu greutatea corporală a cititorului are ca rezultat numărul de 40 K atomi care se degradează în corpul cititorului în fiecare secundă. În acest moment este logic să comparăm această activitate cu concentrațiile de activitate ale radionuclizilor naturali din aer aproape de sol. Pe de o parte, devine clar cât de sensibil pot fi măsurați radionuclizii în aer și, pe de altă parte, activitățile proprii ale corpului cu care oamenii trăiesc atâta timp cât omenirea există deja.

În seria de măsurători pe termen lung prezentată, se poate observa că concentrația medie lunară de activitate de 40 K a scăzut de la sfârșitul anilor 1980, ceea ce poate fi explicat prin eforturile generale de menținere a aerului curat și modernizarea sistemelor industriale și de încălzire.

Nuclizi radioactivi artificiali

Vă rugăm să rețineți:
De obicei, diagrama este actualizată imediat ce este disponibil rezultatul măsurării spectrometrice γ a ultimului eșantion săptămânal. Procedurile de rutină pentru separarea și curățarea radiochimică a razelor α sau a β-razelor care emit radionuclizi nu au fost efectuate trimestrial, ci pe eșantioane lunare din ianuarie 2007 și necesită mult timp. În plus, z. B. pentru determinarea a 238 Pu, pentru măsurarea ulterioară sunt necesare timpi de măsurare de până la șase săptămâni pe probă. Prin urmare, rezultatele actuale ale măsurării monitorizării mediului izotopilor de stronțiu, uraniu și plutoniu pot fi introduse în această diagramă numai cu întârzierea corespunzătoare.

Diagrama prezintă seria de măsurători pe termen lung a acelor radionuclizi artificiali care sunt măsurați în mod regulat în Braunschweig ca parte a sistemului integrat de măsurare și informare IMIS. Rezultatele măsurătorilor din perioada anterioară anului 1987 provin din lucrări efectuate în contextul proiectelor de cercetare care au fost rezumate într-un raport PTB din 1992.

85 Kr și 133 Xe
Pentru a determina aceste două gaze nobile radioactive, PTB preia săptămânal probe și trimite probele de gaze nobile pre-curățate la Oficiul Federal pentru Protecția împotriva Radiațiilor din Freiburg. Acolo probele sunt curățate în continuare, kriptonul și xenonul sunt separate prin cromatografie cu gaze și în cele din urmă măsurate radiometric. Valorile măsurate pentru 133 Xe prezentate în curbă se încadrează în limitele de detecție realizabile de câțiva mili-becquereli pe metru cub (mBq/m 3). Datorită perioadei sale de înjumătățire scurtă de 5,3 zile, 133 Xe este un indicator al unei eliberări dintr-o sursă în care are loc fisiunea nucleară sau până cu puțin înainte de eliberare.

85 Kr este un radionuclid care apare atât în natură și este format din activități umane. Apare în mod natural din radiațiile cosmice, precum și din divizarea spontană a uraniului. Apare artificial prin fisiunea armelor nucleare sau a reactoarelor nucleare. Este singurul radionuclid artificial care poate fi în prezent măsurat în mod regulat, a cărui concentrație de activitate în aer nu a scăzut, ci a crescut lent din cauza eliberării sale în timpul procesării combustibilului nuclear uzat. Timpul de înjumătățire de 85 Kr este de 10,6 ani. Rata de eliberare a acesteia depășește rata de descompunere din dezintegrarea radioactivă, astfel încât s-a observat o creștere anuală de aproximativ 30 mBq/m 3 în Germania, ceea ce a fost în concordanță cu tendința globală. În perioada cuprinsă între aproximativ 2002 și 2004, nivelul a revenit aparent la un nivel stabil.

Contribuția totală a gazelor nobile radioactive 85 Kr și 133 Xe conținute în aer la rata dozei locale este mai mică de 30 nano-sieverte pe an (nSv/a). Acest lucru este neglijabil în comparație cu expunerea medie anuală la radiații la care este expusă o persoană din populația generală. Exprimată în aceeași unitate, expunerea medie anuală la radiații este de aproximativ 4100 nSv/a. Aceste cifre eșantion sunt preluate din raportul „Radioactivitatea mediului în Republica Federală Germania 2014” și se schimbă doar nesemnificativ de la an la an.

90 Sr, 137 Cs și izotopi Pu
Acești radionuclizi artificiali provin în esență din două surse. În perioada anterioară anului 1986, 90 Sr, 137 Cs și (239 + 240) Pu (în plus față de câteva procente 238 Pu) au fost eliberate de testele de armament nuclear efectuate în atmosferă. În plus, cantități relativ mici de 238 Pu provin din accidente de satelit. Dacă satelitul avea o baterie izotopică 238 Pu la bord pentru alimentarea cu energie electrică, acesta a fost, de asemenea, distrus.

Indicația (239 + 240) Pu indică faptul că activitatea măsurată este un amestec dintre cei doi izotopi Pu 239 Pu și 240 Pu. Cu cea mai obișnuită metodă de măsurare, spectrometria alfa, cei doi izotopi ar putea fi distinși doar cu dificultate sau deloc. Energiile radiației lor alfa sunt prea similare. Ca rezultat, puteți vedea doar suma ambelor activități din spectrul alfa. Programele moderne pentru evaluarea spectrelor alfa pot separa acum activitățile prin calcul, dar este necesar ca rezoluția de energie a detectorului să fie suficientă și ca activitățile ambilor izotopi pe pregătirea măsurătorilor să fie suficient de mari. Acesta din urmă nu este de obicei cazul probelor de mediu. Metodele moderne de spectrometrie de masă permit determinarea separată astăzi, dar este încă relativ complexă și costisitoare, astfel încât este utilizată doar ca metodă de rutină la câteva institute.