LT5897B

LT5897B - 137 cs radioaktyviosios užtaršos paprastosios pušies rievėse nustatymo būdas

Info

Publication number: LT5897B
Application number: LT2011006A
Authority: LT
Inventors: Donatas Butkus; BATAITIENĖ Ingrida PLIOPAITĖ
Original assignee: Vilniaus Gedimino technikos universitetas
Priority date: 2011-02-07
Filing date: 2011-02-07
Publication date: 2013-01-25
Also published as: LT2011006A

Abstract

Išradimas priklauso analizės būdams, kuriais nustatomas radionuklido, skleidžiančio gama spinduliuotę, savitąjį aktyvumą medienoje, nenukertant medžio. Savitasis 137Cs aktyvumas metinėje rievėje nustatomas pagal šio radionuklido pasiskirstymą dirvožemyje po medžio laja. 137Cs pasiskirstymui dirvožemyje po medžio laja nustatyti surenkami dirvožemio bandiniai 1 m atstumu nuo medžio, išdžiovinami iki pastovios masės 105 oC temperatūroje, paruošiami tyrimui, atliekama gama spektrometrinė analizė. Žinant cheminių analogų konkurencingumo, 40K santykinio pasiskirstymo koeficientus bei gama spektrometrijos tyrimo duomenis, nustatomas savitasis aktyvumas paskutinėje suformuotoje medžio rievėje santykinis skirtumas, išreikštas procentais, tarp būdo ir natūrinio eksperimento rezultatų yra iki 16,7 %. Vertinant 137Cs savitojo aktyvumo pasiskirstymą metinėse rievėse gaunamas vidutinis santykinis skirtumas, išreikštas procentais, tarp būdo ir natūrinio eksperimento rezultatų, yra 27,0 %.

Description

Technikos sritis

Išradimas priklauso aplinkos užtaršos analizės būdams, kuriais nustatomas radionuklido (^l37Cs), skleidžiančio gama spinduliuotę, savitasis aktyvumas medienoje.

Technikos lygis

Aplinkos užtaršos radionuklidais įvertinimo būdas aprašytas patente RU 2265869 Cl. Šis būdas apima medienos bandinių parinkimą, jų paruošimą ir radionuklidų pasiskirstymo metinėje rievėje analizę, taikant skeveldrinės radiografijos būdą. Pasitelkiant šį būdą galima įvertinti maksimalios radionuklidų taršos patekimą į aplinką. Tačiau šiuo metodu nenustatoma konkreti radioaktyvios užtaršos ir konkretaus radionuklido savitojo aktyvumo vertė metinėje rievėje.

Šiuo metu vienas iš taikomų radioaktyviosios užtaršos retrospektyvinės analizės metodų yra ^I37Cs savitojo aktyvumo paprastosios pušies metinėje rievėje nustatymas gama spektrometrinės analizės būdu. Šis metodas apima medžių kirtimo darbus ir pirminį medžio bandinių surinkimą, toliau seka medžio bandinių paruošimas gama spektrometrinei analizei, t.y. skaldymas, džiovinimas, deginimas ir smulkinimas, ir pati medienos bandinių gama spektroanalizė, kurios metu nustatoma metinių medžio rievių radioaktyvioji užtarša (Buziny, M.; Los, L.; Shepelevich, K. 2000. The distribution of ^l37Cs and ⁹⁰Sr in the biomass of pine trees planted in 1987 - 1988 in the near zone of Chemobyl nuclear power plant. Radiation and Isotopes 52: 905-910.; Kagawa, A.; Aoki, T.; Okada, N.; Katayama, Y. 2002. Tree Ring Strontium - 90 and Cesium - 137 as Potential Indicators of Radioactive Pollution. Journal of Envoronmental Quality 31: 2002-2007.; Malek, M. A.; Hinton, T. G.; Webb, S. B. 2000. A comparison of ⁹⁰Sr and ¹³⁷Cs uptake in plants via three pathways at two Chernobyl - contaminated site. Journal of Envoronmental Radioactivity 58: 129-141).

Pagrindinis šio metodo trūkumas - medžių kirtimas.

Išradimo esmė

Išradimo tikslas - sudaryti galimybę įvertinti retrospektyvinę radioaktyviąją užtaršą medžio rievėse, išsaugant medį.

Radioaktyviosios užtaršos medžio rievėse nustatymo būdas kaip ir prototipas apima bandinių surinkimą ir paruošimą spektrometrinei analizei bei spektrometrinę analizę. Nauja yra tai, kad bandiniai formuojami iš dirvožemio po medžio laja, radionuklido kiekis medžio rievėse įvertinamas pagal spektrometrine analize nustatytą radionuklido savitąjį aktyvumą dirvožemyje, naudojant ⁴⁰K santykinio pasiskirstymo ir cheminių analogų konkurencingumo koeficientus. Be to, dirvožemio bandiniai parenkami 0,5-1,3 m atstumu nuo medžio, kas 2 cm iki 10 cm gylio, o gilesniuose sluoksniuose - kas 5 cm.

Aplinkos užtarša ¹³⁷Cs atsispindi dendrochronologinėse sekose. Taigi šiame išradime siūlomas būdas ¹³⁷Cs kaupimuisi metinėse rievėse tirti pagal jo pasiskirstymo dirvožemyje po medžio laja analizės duomenis.

Brėžinio aprašymas

Išradimui paaiškinti pateikiamas grafikas, kuriame nurodyta medžio amžiaus priklausomybė nuo koeficiento, apibūdinančio santykį Cs savitojo aktyvumo paskutinėje rievėje (A_r) ir prieš tai suformuotose rievėse (y4(_r._n), čia n = l...n).

Išradimo įgyvendinimo aprašymas ^I37Cs savitasis aktyvumas metinėje rievėje nustatomas pagal šio radionuklido pasiskirstymą dirvožemyje po medžio laja. ¹³⁷Cs pasiskirstymui dirvožemyje po medžio laja nustatyti surenkami dirvožemio bandiniai 1 m atstumu nuo medžio, 0-10 cm gylyje kas 2 cm, 10-25 cm - kas 5 cm. Dirvožemio bandiniai išdžiovinami iki pastovios masės 105 °C temperatūroje, jie paruošiami tyrimui, nustatomas ¹³⁷Cs savitasis aktyvumas dirvožemyje.

Norint įvertinti Cs pasiskirstymą paprastosios pušies (Pinus sylvestris L.) metinėse rievėse priimama, kad:

1. ⁴⁰K (¹³⁷Cs cheminis - biologinis analogas) dirvožemyje yra pasiskirstęs homogeniškai.

2. Cs vienodai pasiskirstęs dirvožemyje po medžio laja pagal pasaulio šalis.

137

3. Cs vertikalus pasiskirstymas dirvožemyje nustatomas eksperimentiškai tiriamaisiais metais.

4. Cs vertikalus pasiskirstymas dirvožemyje prieš tai buvusiais metais įvertinamas teoriškai, pagal ¹³⁷Cs difuzijos ir kryptinės pernašos lygties sprendinį.

5. Atsižvelgiama į tai, kad per šaknų sistemą ¹³⁷Cs į medį patenka apie 80 %, o efektyviausiai ¹³⁷Cs įsisavinamas praėjus apie 9-15 metų nuo užtaršos. Be to, iš 0-5 cm dirvožemio gylio ¹³⁷Cs nežymiai patenka į augančios pušies medieną, tuo tarpu aktyviausia Cs pernaša yra iš 15-20 cm dirvožemio gylio. Paprastosios pušies šaknų biomasės išsidėstymas dirvožemio vertikalėje apibūdinamas taip: 0 - 5 cm gylyje 5 %; 5 - 10 cm - 16,7 %; 10 - 15 cm - 21,7 %; 15 - 20 cm - 28,3 %; 20 - 25 cm - 21,7 %; 25 30 cm - 10,0%.

6. Pagal eksperimentinius duomenis įvertinus ¹³'Cs ir ^4UK savitųjų aktyvumų santykius dirvožemyje ir medienoje nustatomas cheminių analogų konkurencingumo koeficientas G, kuris yra lygus:

4(Cs))

4(K) J_d (D čiaT(Cs)d - ¹³⁷Cs savitasis aktyvumas dirvožemyje tam tikrais metais, Bq/kg;

T(Cs)_m - ¹³⁷Cs savitasis aktyvumas metinėje rievėje, įvertinus radioaktyvųjį suskilimą, Bq/kg;

>l(K)d - ⁴⁰K savitasis aktyvumas dirvožemyje, Bq/kg;

T(K)_m - ⁴⁰K savitasis aktyvumas metinėje rievėje, Bq/kg.

7. Nustatomas ⁴⁰K santykinio pasiskirstymo koeficientas L, nusakantis vidutinį santykį ⁴⁰K savitojo aktyvumo dirvožemyje ir medienoje:

r _ 4(K_d) AKJ’ (2)

Žinant cheminių analogų konkurencingumo koeficientą G ir ⁴⁰K santykinio pasiskirstymo ”37 koeficientą L, nustatomas Cs savitasis aktyvumas paskutinėje suformuotoje medžio rievėje pagal formulę:

^(Cs)_m

4(Cs)_di ^i^d (3) čia Χ, - koeficientas, įvertinantis medžio šaknų vertikalų išsidėstymą;

137

T(Cs)d,i - Cs savitasis aktyvumas tam tikruose dirvožemio gyliuose tiriamaisiais metais, Bq/kg;

Zvid - koeficientas, nusakantis vidutinį santykį ⁴⁰K savitojo aktyvumo dirvožemyje ir medienoje;

Gi - koeficientas, įvertinantis ¹³⁷Cs ir ⁴⁰K savitųjų aktyvumų santykius dirvožemyje ir medienoje, skirtas tam tikram dirvožemio gyliui.

(3) formulėje, vertinančioje ¹³⁷Cs kiekį medienoje, atmetamos dedamosios, kurios aprašo Cs patekimą iš gilesnių nei 15 cm sluoksnių dirvožemio, kadangi šiuose sluoksniuose pastarojo radionuklido kiekiai yra nedideli - pagal eksperimentinius, teorinius duomenis vidutiniškai mažiau nei 8 %. Todėl ¹³⁷Cs savitasis aktyvumas paskutinėje suformuotoje medžio rievėje nustatomas pagal formulę:

A(Cs) dj

G L ! Vld

X₀_₂-A(Cs)₀.₂ , X₂_₄-A(Cs)₂_₄ , X₄_₆-A(Cs)₄_₆ ,

- -t b--'----1_ ~*vid ⁷ 0-2

2-4 '4-6 ₊ -^6-8 ' ^(^)0-8 ₊ -^8-10 ' 4(C^)_g_iQ + Y10-15'4(C5)_|Q__|5^6-8 ^8-10 ^10-15 / čia Λ0-2,2-4,4-6,6-8,8-10,10-15 - koeficientas, įvertinantis medžio šaknų vertikalų išsidėstymą 0-2, 2-4,4-6, 6-8, 8-10,10-15 cm dirvožemio gyliuose;

G0-2,2-4,4-6,6-8,8-10, 10-15 - koeficientas, įvertinantis ^l37Cs ir ⁴⁰K savitųjų aktyvumų santykius dirvožemyje ir medienoje, 0-2, 2-4,4-6, 6-8, 8-10, 10-15 cm dirvožemio gyliuose.

⁴⁰K santykinio pasiskirstymo koeficientas f_vid, nusakantis ⁴⁰K santykį dirvožemyje ir medienoje, atsižvelgiant į dirvožemio savybes, pateikiamas 1 lentelėje.

Į 1 lentelė. Koeficiento Lyg vertės priesmėlio diįvožemiui

.Lvid	1,72	2,90	0,70	1,76	2,98	2,53
Dirvožemio pH	4,7	4,0	5,2	4,4	4,2	4,2
Smėlis, %	95	91	91	94	90	90
Molis, %	2	2	4	3	2	2

Cheminių analogų konkurencingumo koeficientas G, įvertinantis ^l37Cs ir ⁴⁰K santykių dirvožemyje ir medyje santykį, pagal dirvožemio gylius paskutinei medžio suformuotai rievei, pateikiamas 2 lentelėje.

lentelė. Cheminių analogų konkurencingumo koeficiento G vertės

Gylis, cm	0-2	2-4	4-6	6-8	8-10	10-15	15-20
G	6,01	7,05	4,56	1,85	0,59	0,33	0,03

Pagal (4) formulę įvertinus ¹³⁷Cs savitąjį aktyvumą paskutinėje suformuotoje medžio rievėje, nustatomi kokie savitieji aktyvumai yra ankstesniais metais suformuotose medžio rievėse. 1 pav. pateikiama medžio amžiaus priklausomybė nuo koeficiento, apibūdinančio santykį ¹³⁷Cs savitojo aktyvumo paskutinėje rievėje (A_T) ir prieš tai suformuotose rievėse (A(_r.

n), čian = l...n).

Rievėms, suformuotoms iki 2005 metų, koeficientas, apibūdinantis santykį ^I37Cs savitojo aktyvumo paskutinėje rievėje (A_T) ir prieš tai suformuotų rievių (A^n), įvertinamas pagal tokią ryšio formulę, gautą eksperimentiškai:

Ar-n/Ab = 7 · 10'⁷ · r⁶ - 6 · 10'⁵ -r⁵ + 0,0022 -r⁴ - 0,0381 · r³ + 0,2971 · r² - 0,7523 -r + 0,8522, (5) čiaA_r- ¹³⁷Cs savitasis aktyvumas paskutinėje rievėje, Bq/kg;

yl(r.n) - Cs savitasis aktyvumas prieš tai suformuotų rievių, čia n = 1 ...n, Bq/kg; r - medžio augimo metai.

Rievėms, suformuotoms po 2005 metų (šiuo atveju atitinka 70 medžio augimo metus), medžio amžiaus priklausomybė nuo koeficiento, apibūdinančio santykį ¹³⁷Cs savitojo aktyvumo paskutinėje rievėje (A_r) ir prieš tai suformuotų rievių G4_tr__n), kur n = l...n), nustatoma pagal formulę:

Ar-n/Ad = 0,0428 · r + 0,9338, (6) čia A - ^l37Cs savitasis aktyvumas paskutinėje rievėje, Bq/kg;

Ar-n) - ¹³⁷Cs savitasis aktyvumas prieš tai suformuotų rievių, čia n = 1 ...n, Bq/kg; r - medžio augimo metai.

Žinant koeficiento, apibūdinančio ¹³⁷Cs savitojo aktyvumo paskutinėje rievėje (A) ir prieš tai suformuotose rievėse (Ar-n), čia n = l...n) santykį, ¹³⁷Cs savitojo aktyvumo vertės rievėje nustatomos pagal formulę:

ACs)_r=ACs)„ (7) čia X(Cs.A - ^l37Cs savitasis aktyvumas bet kurioje rievėje, Bq/kg;

A(Cs)_m - ^l37Cs savitasis aktyvumas paskutinėje suformuotoje rievėje, įvertintas pagal (4) formulę, Bq/kg;

⁽A ^λ ^Ar-n \ )

XI koeficientas, apibūdinantis Cs savitojo aktyvumo paskutinėje rievėje (A,) ir prieš tai suformuotų rievių (Ar-n), kur n = l...n) santykį, kuris nustatomas iš 1 paveikslo.

Vertinant medžio amžiaus priklausomybę nuo koeficiento, apibūdinančio santykį ¹³⁷Cs savitojo aktyvumo paskutinėje rievėje (A) ir prieš tai suformuotų rievių (Ar-n), čia n =

l...n), atsirado rievių suskirstymas atsižvelgiant į laikotarpį. Nuo 2005m (70 augimo metai) priklausomybės pobūdį nulėmė tokie veiksniai, kaip buvusios radioaktyviosios atmosferos taršos dėl branduolinių bandymų bei branduolinių įrenginių avarijų, vertikali ¹³⁷Cs sklaida dirvožemyje ir įtaka augančiam augalui. 1. pav. medžio amžiaus priklausomybė nuo koeficiento, apibūdinančio Cs savitojo aktyvumo paskutinėje rievėje (Ar) ir prieš tai suformuotose rievėse (Ar-n čia n = l...n), kai rievės suformuotos po 2005 m. yra nežymiai kylančios tiesės pobūdžio. Toks kitimas atitinka prielaidą, kad po 2005m. papildomos atmosferos radioaktyviosios taršos nėra, o medžio radioaktyvios taršos pagrindinis šaltinis radionuklidai, esantys dirvožemyje. Šiuo metu ¹³⁷Cs didžiausi savitieji aktyvumai nustatomi ties 5 cm dirvožemio sluoksniu. Po 40 metų šis radionuklidas turėtų pasiekti medžio pagrindinę šaknų biomasę. Žinant, kad ¹³⁷Cs T0.5 = 30 metų, savitasis aktyvumas šio radionuklido sumažės šiek tiek daugiau nei per pusę. Taip pat dirvožemyje vyksta ne tik vertikali migracija žemyn, bet ir horizontalus persiskirstymas bei dirvožemio remediacija dėl kitų žemesnės klasės augalų veiklos.

Naudojant ¹³⁷Cs savitojo aktyvumo paprastosios pušies metinėje rievėje nustatymo pagal jo pasiskirstymo dirvožemyje po medžio laja analizės duomenis tyrimo būdą, vidutinė santykinė paklaida (%) tarp tyrimo būdo rezultatų ir natūrinių tyrimų, nustatant savitąjį aktyvumą paskutinėje suformuotoje rievėje, yra 4,6 - 16,7 %, o nustatant savitojo aktyvumo pasiskirstymą visose rievėse yra 27,0 %.

Claims

Išradimo apibrėžtis

1 T7

1. Radioaktyviosios užtaršos Cs medžio rievėse nustatymo būdas, apimantis bandinių surinkimą ir paruošimą spektrometrinei analizei bei spektrometrinę analizę,

5 besiskiriantis tuo, kad bandiniai yra formuojami iš dirvožemio po medžio laja, radionuklido kiekis medžio rievėse įvertinamas pagal spektrometrine analize nustatytą šio radionuklido savitąjį aktyvumą dievožemyje, naudojant ⁴⁰K santykinio pasiskirstymo ir cheminių analogų konkurencingumo koeficientus.

10
2. Radioaktyviosios užtaršos ¹³⁷Cs medžio rievėse nustatymo būdas pagal 1 punktą, besiskiriantis tuo, kad dirvožemio bandiniai yra parenkami 0,5-1,3 m atstumu nuo medžio.
3. Radioaktyviosios užtaršos medžio rievėse nustatymo būdas pagal 1-2 punktus

15 besiskiriantis tuo, kad dirvožemio bandiniai yra renkami kas 2 cm iki 10 cm gylio, o gilesniuose sluoksniuose - kas 5 cm.