Zastosowanie technik izotopowych w ochronie środowiska

Prezentacja na temat: "Zastosowanie technik izotopowych w ochronie środowiska"— Zapis prezentacji:

1 Zastosowanie technik izotopowych w ochronie środowiska
Badania hydrogeologiczne Temat przewidywanej pracy Obszar danych: KWB „Bełchatów” praca na temat modelowania rozpływu zanieczyszczeń ługowanych z (wysadu solnego, składowiska popiołów lub innego tego rodzaju obiektu) przy wykorzystaniu danych z pomiarów trytowych (izotopowych) (czasu przepływu, wymiany, kontaktu...)

2 Badania wykonywane w hydrogeologii
Pomiary aktywności izotopów występujących naturalnie : 222Rn; 235U, 238U -: 3H, 14C, 16N, 35S, 40K Pomiary stosunków masowych izotopów D, 13C, 15N, 16N, 17O, 18O, 34S Pomiary aktywności izotopów wprowadzonych sztucznie jako wskaźniki 3H, 129J, 131J, 24Na, 82Br, 86Rb, 124Sb, 137Cs, 89Sr Analizy chemiczne (kationów i anionów) Pomiary wykorzystywane w badaniach terenowych: Metody znacznikowe, chemiczne i fizyczne

3 Zastosowanie metod znacznikowych
znacznikiem naturalnym jest tryt - występuje naturalnie w środowiskach zawierających wodę, powietrze i części żywe

4 rodzaje znaczników (w jaki sposób można je wykryć)
oraz ich własności, jaki są konieczne aby zastosować wskaźnik

5 Detekcja znacznika Znacznika izotopowego sondy pomiarowe,
liczniki scyntylacyjne, spektrometry masowe Znacznika chemicznego kolorymetry, oznaczanie stężenia Komory jonizacyjne: (jonizacja gazu pod wpływem promieniowania i wzrost prądu pod wpływem przemieszczania się jonów do elektrod) Liczniki gazowe Geigera-Mullera (jonizacja gazu pod wpływem promieniowania i lawinowy wzrost prędkości poruszania się jonów do elektrod) Liczniki proporcjonalne (jonizacja gazu pod wpływem promieniowania i liniowy wzrost prędkości poruszania się jonów do elektrod) Liczniki stałe (NaI-domieszkowany Talem: , X), (antracen /plastikowe, organiczne/ C14H10: ), (półprzewodnikowe Si-dryfowany Litem: , X; Ge-dryfowany Li:  /pow. 50keV/), (proporcjonalny z 10BF3: neutrony termiczne), (helowy 3He: neutrony termiczne), (litowy 6Li: neutrony termiczne), (rozszczepieniowa komora jonizacyjna z 235U: neutrony termiczne), (licznik Geigera Mullera z osłoną 113Cd), (scyntylacyjny ZnS-aktywowany Ag z dodatkiem 10B i 235U: neutrony termiczne), (19F(n, ) 16N - metoda aktywacyjna: szybkie neutrony) Liczniki ciekłoscyntylacyjne (toluen; naftalen, PPO{2,5-dwufenylooksazol}; BBO {2,5-dwu-(4-dwufenylilo) oksazol}; POPOP {1,4-dwu-2,5-fenylooksazoilo-benzen}do pomiaru )

6 Na podstawie Raportów IEA z Wiednia
Zawartości trytu w zimie są mniejsze niż w lecie, gdyż izotopy są cięższe i nie przechodzą do atmosfery podczas parowania (zima parowanie jest mniejsze) W lodowcach jest mniejsze stężenie trytu, ponieważ krzepnięcie oczyszcza sieć krystaliczną (w strukturę wbudowują się tylko atomy tworzące sieć krystaliczną) 1 TU = 1 atom trytu na 1018 atomów H

7 Procesy zachodzące w gruncie:
1. Rozpuszczanie i strącanie 2. Utlenianie i redukcja 3. Adsorpcja i desorpcja 4. Przemiany promieniotwórcze 5. Wytrącanie minerałów Rozpuszczanie minerałów i osadów Strącanie z roztworu do osadów Utlenianie siarczków do siarczanów Redukcja siarczanów do siarczków Absorpcja w skałach i osadach Desorpcja ze skał i osadów Wytrącanie minerałów z roztworu pod wpływem zmiany stężenia lub warunków fizycznych (temperatury, kontaktu z innymi roztworami powodującymi wysalanie) Rozpad radioaktywny prowadzący do powstawania nowych cząstek i gromadzenia się ich w osadach lub pustych przestrzeniach pomiędzy utworami geologicznymi nawiązanie do mojej pracy oraz zjawisk występujących pod powierzchnią gleby w KWB Bełchatów

8 Występowanie trytu w gruncie
Pomiary aktywności trytu w celu określenia czasu (wymiany i przepływu) do określenia stopnia odbudowy zwierciadła wody podczas odwadniania obniża się zwierciadło wody

9 Występowanie 222Rn w obszarze KWB „Bełchatów” O/Szczerców
Mapka rozkładu aktywności radonu (miejsc występowania świeżego dopływu izotopu - prawdopodobnie ze względu na kontakty ze złożami 238U jednostka Bq/dm3 Bq/dm3

10 Współzależność 34S od 18O (KWB „Bełchatów” O/Szczerców)
Podczas odwadniania następuje osuszanie warstw podziemnych w pustych przestrzeniach następuje rozrost kolonii bakterii powodujących utlenianie lub redukcje siarki bakterie te utleniają tylko lekka siarkę 32-S stąd w jonach siarczanowych mniejsze zwartości cięższego izotopu, który przechodzi do siarczków (lub pirytu) jeżeli w jonach siarczkowych znajdują się mniejsze ilości ciężkiego izotopu siarki, świadczy to o występowaniu mikroorganizmów redukujących siarkę, gdyż w w ich procesach życiowych nie bierze udziału cięższy izotop ogólnie występowanie różnic w składzie izotopowym siarki jest efektem pozostałych po odwadnianiu komór wypełnionych powietrzem, gdzie następuje rozrost kultur bakteryjnych wzrost zawartości cięższego izotopu tlenu jest efektem kontaktowania się wyżej wspomnianych przestrzeni z powietrzem atmosferycznym (względnie wodą pochodzącą z opadów atmosferycznych o czasie dopływu mniejszym niż czas połowicznego rozpadu trytu - stąd analizę korelacji 34-S do 18-O potwierdzić należy badaniem aktywności trytu) 34S - wzorzec meteoryt 22,2‰ lub CDT - 18O - wzorzec SMOW

11 Liczniki scyntylacyjne
Scyntylatory używane przy pomiarach aktywności trytu: ciekłe: (toluen; naftalen, PPO{2,5-dwufenylooksazol}; BBO {2,5-dwu-(4-dwufenylilo) oksazol}; POPOP {1,4-dwu-2,5-fenylooksazoilo-benzen}, gazowe: (benzen) Do spektrometrów używanych w zakładzie używa się gotowych żeli na bazie fosforu, służących do generowania błysków światła pod wpływem promieniowania  (fosforoscencja) wytwarzanych dla Hewletta Packarda

12 Licznik ciekłoscyntylacyjny
1. scyntylator z badaną próbką, 2. fotopowielacz, 3. zasilacz wysokiego napięcia, 4. wzmacniacz, 5. układ koincydencyjny, 6. przelicznik Licznik ciekłoscyntylacyjny Hewlett Packard (w zakładzie) służy do pomiaru T, 14-C i 129-J dwa kanały ustawianie czasu zliczania, ilości zliczeń lub poziomu błędu automatyczny podajnik do 300 próbek z możliwością ustawiania grup i powtarzania serii pomiarów jest to układ koincydencyjny dwulicznikowy obudowany stalową osłoną dla zmniejszenia wpływu promieniowania otoczenia możliwe jest ręczne wyłączenie koincydencji, standardowo wynosi ona 20 ns można zliczać dwa izotopy z jednej próbki T/14-C, a także zliczać przy uwzględnieniu gaszenia próbki T/Tgaszony, 14-C/14-Cgaszony, 125J/125Jgaszony T średnia energia ok.. 5.5keV 14-C ok.. możliwa jest praca automatyczna z ustawieniem okienek energetycznych na maksymalną efektywność zliczania (dla T min. 60% przy nastawieniu całkowym lub współczynnik dobroci = min. 180 dla zliczania różniczkowego) dla 14-C efektywność całkowa wynosi min. 95%

13 Spektrometr masowy S1, S2, S3, - szczeliny, P - płytka fotograficzna,
Spektrograf Bainbridge’a S1, S2, S3, - szczeliny, P - płytka fotograficzna, R1, R2 - promienie okręgów Spektrometr masowy (w zakładzie) może rozdzielać 34-S, 18-O, 14-C

14 Rozdział izotopów stabilnych

15 Zagęszczanie próbek - elektroliza
Elektroliza w celu zagęszczenia próbki i zwiększenia stężenia trytu Produktem jest wodór w ciekłej pozostałości zostaje woda zawierająca tryt (poddawany analizie) elektrody: stal nierdzewna lub kwasoodporna (obydwie elektrody) lub zwykła stal węglowa i stal nierdzewna zasilacz niskiego napięcia 1224V (standardowo ok. 18V) i prądu ok. 10A o możliwości regulacji, gdyż podczas kolejnych etapów konieczne jest zmniejszanie natężenia (z powodu ubytku wody oraz zmniejszania się gęstości prądu) termostat utrzymujący temperaturę ok. 10C (wydajność silnie zależy od temperatury) czas elektrolizy (1 stopień 70 h, 2-gi stopień 60 H, 3-ci stopień 70 h) objętość (250 ml we - 15 ml wy) oczyszczanie próbki: bibuła filtracyjna (od zanieczyszczeń mechanicznych) oraz destylacja z KMnO4 alkalizacja NaOH lub KOH elektroliza zobojętnianie Na2CO3 destylacja

16 Wzorcowanie wyników Próbka wzorcowa (trytu) pochodzi z uśrednienia próbek wody pochodzącej z okolic o w miarę stabilnym składzie izotopowym tlenu i wodoru. Próbka odniesienia SMOW (“średnia woda oceaniczna”) jest wzorcem pochodzącym z wody oceanicznej, natomiast próbka NBS-1 pochodzi z destylacji prowadzonej w National Bureau of Standarts w USA. Delta = 0 próbka zawiera tyle trytu ile we wzorcu (1 atom na 1018 atomów wodoru) 1 TU [1 jednostka trytowa] = 1 atom na 1018 atomów wodoru delta większa od zera = więcej trytu niż w próbce

17 Synteza trytu używanego jako znacznik
bombardowanie ciężkich jąder deuteronami, np.: 63Cu (d, t) 62Cu, zderzenia cząstek pochodzących z kosmosu (91.5% protonów, 7.8% cząstek , 0.7% ciężkich jąder) z jądrami gazów atmosferycznych, eksperymenty jądrowe i próby z bombami termojądrowymi (rozszczepianie paliwa jądrowego oraz aktywacja elementów konstrukcyjnych). Najważniejszymi reakcjami są: j.w. Tryt powstaje również w wyniku bombardowania ciężkich jąder deuteronami, np.: 63Cu (d, t) 62Cu. W warunkach naturalnych tryt tworzy się poprzez zderzenia cząstek pochodzących z kosmosu (91.5% protonów, 7.8% cząstek , 0.7% ciężkich jąder) z jądrami gazów atmosferycznych. Powstałe nukleony przechodząc przez atmosferę powodują powstawanie izotopów. W atmosferze zachodzą reakcje: [(n, p), (n, 2n), (n, ), (n, ), (n, f), (p, n), (p, pn), …], stąd w miarę stabilna zawartość trytu w funkcji czasu. Szybkość powstawania trytu wynosi około 21026 atomów na rok. Tryt powstaje również w wyniku eksperymentów jądrowych i prób z bombami termojądrowymi (aktywacja elementów konstrukcyjnych i części otoczenia bomb przez emitowane neutrony). Średnia ilość generowanego trytu wynosi 1.451026 atomów na 1 megatonę wybuchu (1 atom na 180 MeV energii wybuchu). Podczas wybuchów termojądrowych powstaje około 3 razy mniej trytu niż podczas reakcji rozszczepień, natomiast w wyniku wybuchów podwodnych powstaje ok. 6 razy mniej tego pierwiastka, niż w wyniku eksplozji w atmosferze (gdzie większość neutronów zużywa się na wytwarzanie deuteru).