Spektrometria jądrowa w badaniu biodęstopności radionuklidów z "gorących cząstek typu paliwowego" w środowisku leśnym

Abstract

Głównym celem omawianych w pracy badań, prowadzonych w latach 1994-2003, było możliwie szerokie rozpoznanie zróżnicowania depozycji i skali włączenia w obieg mikroelementów wybranych składników opadu czarnobylskiego, związanych z drobno zdyspergowanym paliwem jądrowym, zwanym „gorącymi cząstkami typu paliwowego”. Najbardziej charakterystycznymi radionuklidami dla tej frakcji opadu były izotopy plutonu i inne transuranowce takie jak izotopy kiuru i ameryku [Broda i inni, 1989] oraz 90 Sr. Uwaga autora koncentrowała się głównie, choć nie wyłącznie, na tych radionuklidach. Początkowo, w latach 1994-1997 prace dotyczyły próby rekonstrukcji depozycji na terenie Polski izotopów: 238 Pu, 239 Pu, 240 Pu, 241 Pu, 241 Am i 90 Sr. Badania te były naturalną kontynuacją i uzupełnieniem wcześniejszych prac nad zróżnicowaniem opadu czarnobylskiego pierwiastków gamma-promieniotwórczych, przedstawionych w pracy doktorskiej autora [Mietelski, 1994]. Poznanie zróżnicowania geograficznego opadu stanowiło etap przygotowawczy dla zasadniczych, późniejszych badań prowadzonych w latach 1997-2002. Dotyczyły one przenikania wymienionych radionuklidów do różnych elementów ekosystemu w środowisku leśnym. Po kilkunastu latach od wystąpienia opadu czarnobylskiego, przebywające w środowisku „gorące cząstki” mogły ulec częściowemu lub całkowitemu rozpuszczeniu. Istniało uzasadnione przypuszczenie, że zawarte w nich radionuklidy mogły przedostawać się do różnych elementów środowiska. Przez tytułową „biodostępność” rozumie się właśnie zdolność badanych radionuklidów do przenikania do organizmów żywych. Izotopy plutonu, 241 Am i 90 Sr znajdowały się w środowisku już przed katastrofą czarnobylską, jako pozostałość globalnego opadu promieniotwórczego po atmosferycznych testach broni jądrowej. Rozróżnienie frakcji czarnobylskiej i globalnego opadu stanowiło nieodzowną część badań.

Przedstawione w pracy badania prowadzono w Laboratorium Badań Skażeń Radioaktywnych Środowiska (LBSRŚ) Zakładu Fizykochemii Jądrowej IFJ w ramach działalności statutowej i dwóch projektów badawczych KBN kierowanych przez autora: „Izotopy plutonu, ameryku, strontu, europu i kiuru w kościach dzikich roślinożernych zwierząt” (nr. 6P04G 09014, realizowany w latach 1998- 2000, oceniony przez KBN na „bardzo dobrze”) oraz „Bioindykacja skażeń radioaktywnych, głównie: 90 Sr, 241 Am oraz izotopami plutonu, z wykorzystaniem owadów i roślin oraz innych elementów ekosystemów semi-naturalnych ” (nr. 6P04G 07520, realizowany w latach 2001-2003, jeszcze nie oceniony). Omawiane wyniki były w większości przedmiotem publikacji, wymienionych w niniejszej pracy wśród pozycji literaturowych.

Interdyscyplinarność prowadzonych badań wymagała współpracy głównie z biologami i leśnikami z Akademii Rolniczej w Krakowie. Dzięki temu uzyskiwano próbki właściwie pobrane oraz określone zgodnie z aktualna terminologią stosowaną w naukach leśnych, a w przypadku organizmów żywych poprawnie oznaczone gatunkowo. Współpracowano również z innymi zespołami badającymi radioaktywność środowiska, głównie z Zakładem Biofizyki Akademii Medycznej w Białymstoku. Pomiary, których realizacja nie była w danym momencie możliwa w IFJ wykonano we współpracy w innymi ośrodkami: Uniwersytetem Północnej Arizony w Flagstaff (USA), Instytutem Fizyki UŚ w Katowicach oraz Instytutem Technik Jądrowych Politechniki Budapeszteńskiej. Z ostatnim z wymienionych ośrodków współpracowano też w zakresie rozwoju stosowanych metod radiochemicznych. Zasadniczo posługiwano się metodami radiochemicznymi opracowanymi w Laboratorium Międzynarodowej Agencji Energii Atomowej (IAEA) w Seibersdorfie (Austria), gdzie autor odbył staż naukowy w 1991 roku.

W pierwszej części pracy przedstawiono w zarysie zagadnienia związane z depozycją „gorących cząstek”, scharakteryzowano podstawowe własności plutonu, ameryku i 90 Sr oraz omówione elementy radioekologii. W drugiej części zaprezentowano instrumentalne techniki pomiarowe współczesnej, wysokorozdzielczej stosowanej spektrometrii jądrowej: półprzewodnikową spektrometrię promieniowania alfa, spektrometrię promieniowania beta wykorzystującą ciekłe scyntylatory oraz półprzewodnikową spektrometrię promieniowania gamma. Zaprezentowano spektrometr promieniowania gamma z osłoną czynną skonstruowany w IFJ przy współudziale autora. Oprócz typowych metod przedstawiono metody uzupełniające wykorzystujące takie zjawiska jak efekt Czerenkowa lub promieniowanie hamowania (bremsstrahlung). Zaprezentowano również w zarysie spektrometrię masową i jej zastosowanie w badaniach radioekologicznych oraz zasygnalizowano wzrastające znaczenie w badaniach środowiska tej techniki. Omówienie to w założeniu miało wykraczać ponad niezbędne, z punktu widzenia metodologicznego, przedstawienie zastosowanych w później omawianych badaniach metod pomiarowych. Intencją autora było ich szersze zaprezentowanie metod jądrowych w aspekcie ich zastosowań do badań środowiskowych, na przykładzie rozwiązań przyjętych w LBSRŚ (IFJ). Poszerzonego omówienia tych metod dokonano z myślą o dydaktycznym przesłaniu niniejszej pracy, dla uzupełnienia dostępnej już na rynku wydawniczym literatury przedmiotu [Hrynkiewicz i Rokita, 1999]. W trzeciej, najobszerniejszej części pracy przedstawiono wyniki badań własnych prowadzonych głównie w ramach wspomnianych powyżej projektów badawczych. Z myślą o walorach dydaktycznych pracy przygotowano uzupełniający ją dwuczęściowy Aneks. Zaprezentowano w nim opis opracowanych przez autora programów komputerowych służących do analiz widm promieniowania gamma (PIMP) i alfa (ALF) oraz szczegółowo przedstawiono zastosowane metody radiochemicznego oczyszczania, wydzielania i zatężania poszukiwanych radionuklidów. Dla uproszczenia terminologii w całej pracy przez aktywność rozumie się stężenie aktywności (lub jako synonim: zawartość) wyrażone w Bq/kg suchej masy (s.m.), z wyjątkiem miejsc, gdzie wyraźnie określono to w inny sposób.

Przedmiot pracy dotyczy skutków pewnych działań rodzaju ludzkiego, stąd motto....