Promieniotwórczość naturalna wód źródlanych uzdrowisk południowej Polski — Beata Kozłowska

CIEKAWA MONOGRAFIA Z DZIEDZINY FIZYKI MOŻE ZAINTERESOWAĆ TAKŻE GEOLOGÓW !

Z notatki wydawniczej :

Prezentowana praca została podzielona na trzy części.
Część pierwsza obejmuje zagadnienia promieniotwórczości naturalnej w środowisku, przedstawia wybrane do badań radionuklidy oraz wprowadza pojęcie dawek promieniowania i sposoby ich obliczania.
Część druga monografii prezentuje techniki pomiarowe stosowane w spektrometrii jądrowej, takie jak: spektrometria α, spektrometria ciekłoscyntylacyjna, spektrometria γ oraz dodatkowo spektrometria mas. Omówiono tu testy nowej metody pomiarowej, wprowadzonej po raz pierwszy przez autorkę do badań polskich wód mineralnych, która polega na pomiarze izotopów α-promieniotwórczych w badanej próbie wody za pomocą dysku U/Ra i techniki spektrometrii α.
Część trzecią pracy stanowi opis wykonanych pomiarów stężeń izotopów radu i radonu w źródłach wód naturalnych uzdrowisk Sudetów i Karpat Zewnętrznych z zastosowaniem techniki ciekłoscyntylacyjnej. Dodatkowo dla interesującego geologicznie terenu Zespołu Uzdrowisk Świeradów – Czerniawa przeprowadzono pomiary izotopów uranu, zarówno w wodach podziemnych, jak i w skałach towarzyszących.
Prezentowane przez autorkę rezultaty badań mogą być wykorzystane w dydaktyce.
Pokazano bowiem drogę całego procesu badawczego – od rozpoznania terenu i pobrania reprezentatywnej próby oraz jej zabezpieczenia, przez wybór właściwej techniki pomiarowej lub kilku technik, co determinuje sposób przygotowania próby w laboratorium do pomiaru, do matematycznej obróbki wyników i obliczenia stężenia aktywności, a w razie konieczności – dawki promieniowania wewnętrznego, jaką otrzymuje człowiek.

WSTĘP

W ostatnim dziesięcioleciu znacznie wzrosło spożycie wód mineralnych w Polsce.
Fakt ten spowodował konieczność podjęcia poszukiwań nowych źródeł wody dla celów spożywczych oraz leczniczych. Przydatność wód mineralnych do celów konsumpcyjnych ocenia się na postawie zawartych w nich kationów (Mg2+, Ca2+, Na+, K+, Li+, Se2+) i anionów (HCO3–, SO42–, Cl–), pomijając całkowicie szeroko rozpowszechnione w środowisku naturalnym pierwiastki promieniotwórcze.
Są one obecne zarówno w glebie i skałach, jak i w wodzie i powietrzu, a tym samym również w roślinach, ciele zwierząt i ludzi. Naturalnie występujące radionuklidy, obecne m.in. w wodzie, pochodzą głównie z trzech osobnych szeregów promieniotwórczych (235U, 238U i 232Th). Najdłużej życiowym pierwiastkiem jest tor 232Th z czasem połowicznego zaniku wynoszącym 1,405 · 1010 lat. Protoplastą 232Th był niewystępujący już w przyrodzie w stanie naturalnym uran 236U, którego czas połowicznego zaniku wynosi 2,342 · 107 lat. Drugim w kolejności najdłużej życiowym pierwiastkiem jest uran 238U (4,468 · 109 lat). Czas połowicznego rozpadu protoplasty trzeciego szeregu, promieniotwórczego uranu 235U, wynosi 7,038 · 108 lat. Wymienione szeregi promieniotwórcze są źródłem 12 pierwiastków, reprezentowanych przez 43 izotopy promieniotwórcze.
Dodatkowo woda może zawierać, powstające w górnej atmosferze, radionuklidy kosmogenne, tj.: 3H, 7Be, 10Be, 14C, a także radioaktywny potas 40K, którego stężenie aktywności zawsze pozostaje w stałym stosunku (0,012%) do potasu stabilnego 39K.
Ponadto można w niej znaleźć rubid 87Rb, odkryty na drodze analizy widmowej pozostałości uzyskanych po odparowaniu pewnych wód mineralnych, a także samar 147Sm, którego najbogatszym źródłem są piaski monacytowe.
Izotopy radu, uranu oraz radon zajmują szczególne miejsce pod względem szkodliwości dla człowieka będąc, z wyjątkiem β-promieniotwórczego izotopu radu 228Ra, emiterami promieniowania α. Promieniowanie to charakteryzuje się wysoką jonizacją właściwą, a po przedostaniu się do organizmu ludzkiego może powodować poważne konsekwencje zdrowotne w postaci radiacyjnych uszkodzeń komórek. Pomimo licznych publikacji na temat radonu, w tym kilku autorki tej pracy (Kozłowska i in. 1999a, b; 2001; 2007b; Przylibski i in. 2002a, b; 2004b), z uwagi na znaczący udział, wynoszący około 50% średniej rocznej dawki efektywnej, izotop radonu 222Rn stał się także przedmiotem badań niniejszej monografii.

W latach 1998—2007 autorka prowadziła badania jakości wód podziemnych pod względem występującej w nich promieniotwórczości naturalnej. Zakres pracy obejmował badania na obecność izotopów radu, radonu oraz monitoringowo izotopów uranu w podziemnych wodach mineralnych i leczniczych uzdrowisk Sudetów i Karpat Zewnętrznych (Fliszowych). Obszar południowej Polski wybrany został przez autorkę ze względu na bogactwo wód podziemnych spożywanych na co dzień przez mieszkańców i turystów, a także niejednokrotnie butelkowanych przemysłowo i rozprowadzanych na terenie całego kraju. Wyniki badań zostały przeanalizowane pod kątem zgodności z zaleceniami światowych organizacji międzynarodowych zajmujących się wpływem promieniotwórczości na zdrowie człowieka (m.in.: Environmental Protection Agency (EPA), International Commission on Radiological Protection (ICRP), National Academy of Sciences Committee on the Biological Effects of Ionizing Radiation (BEIR), United Nations Scientific Committee on the Effect of Atomic Radiation (UNSCEAR).
Woda podziemna powstaje z opadu atmosferycznego, który infiltruje glebę i podłoże skalne. Ilość deszczu i śniegu, parowanie, czas utrzymywania się mrozu oraz natura gleby mają wpływ na wody podziemne. Część wody deszczowej wyparowuje natychmiast lub przez transpirację, część infiltruje glebę i skały, a część unoszona jest rzekami do morza. Stężenia aktywności radionuklidów naturalnych w wodzie są związane ze stężeniami aktywności uranu (238U i 235U), toru (232Th) i ich produktów rozpadu w glebie oraz w otaczających skałach.
Dzieje się tak dlatego, że wody podziemne, reagując z glebą i skałami, uwalniają część rozpuszczonych składników, w zależności od mineralogicznego i chemicznego składu gleby i skał, chemicznego składu wody, stopnia zwietrzenia skał, warunków utleniająco-redukcyjnych (redox) oraz czasu przebywania wody w glebie i otaczającej skale.
Naturalne radionuklidy oraz produkty ich rozpadu są transportowane z wodą podziemną i powierzchniową.
W wyniku tego transferu radionuklidy mogą przeniknąć z wody źródlanej (stołowej, mineralnej), wody wodociągowej ze studni głębinowych oraz wody powierzchniowej ze strumieni i rzek do łańcucha pokarmowego, a więc także do organizmu człowieka.
Narażenie zdrowia ludzi jest realne, ale stopień zagrożenia nie jest jednoznacznie określony.
Jest to spowodowane brakiem wiedzy na temat stężenia aktywności radionuklidów w środowisku, a co za tym idzie — brakiem badań epidemiologicznych określających ryzyko zależne od spożywania radionuklidów z wodą pitną.
Wchłonięty przez organizm 222Rn atakuje żołądek (National Research Council 1999).
Do dawki efektywnej od wchłoniętego przez drogi pokarmowe radonu 222Rn dochodzi jeszcze wdychany radon znajdujący się w powietrzu w pomieszczeniach zamkniętych, który ze swej natury łatwo uwalnia się w trakcie użytkowania wody. Zainhalowane jądra 222Rn dołączają się do dawki wchłoniętej przez płuca. Długożyciowe radionuklidy, takie jak: 234U, 238U, 226Ra, 228Ra, podwyższają dawkę, jaką otrzymują: nerki, wątroba, pęcherz moczowy, powierzchnia kości oraz szpik kostny (ICRP67 1993, ICRP69 1995).
Oznaczanie pierwiastków promieniotwórczych w próbach środowiskowych wykonuje obecnie kilka ośrodków badawczych w Polsce, specjalizując się najczęściej w pojedynczych izotopach.
Badania takie wymagają wysokich kwalifikacji analitycznych, specjalistycznej aparatury pomiarowej i wykonania czasochłonnej oraz pracochłonnej analizy radiochemicznej próby.
Oznaczanie zawartości radu w próbach ciekłych prowadzi, oprócz Zakładu Fizyki Jądrowej i Jej Zastosowań (ZFJiJZ) Instytutu Fizyki Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach, także Główny Instytut Górnictwa w Katowicach i Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie.
Izotopy uranu w próbach stałych i ciekłych badane są w ZFJiJZ, w Instytucie Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie, w Centralnym Laboratorium Ochrony Radiologicznej w Warszawie oraz na Uniwersytecie Gdańskim. Oznaczeniami radonu zajmuje się wiele ośrodków w Polsce, oprócz wymienionych m.in. Politechnika Łódzka w Łodzi i Akademia Medyczna w Białymstoku.
Długożyciowe izotopy ołowiu 210Pb i polonu 210Po występujące w końcowej części szeregu uranowo-radowego są oznaczane w Polsce bardzo rzadko i nie były przez autorkę analizowane.
Pojedyncze publikacje na temat ich zawartości w polskich wodach źródlanych (Skwarzec 2003) potwierdzają ich niewielki wkład w dawkę efektywną otrzymywaną przez ludność.
Głównym celem niniejszej pracy było oznaczenie stężeń aktywności izotopów promieniotwórczych radu 226,228Ra, radonu 222Rn oraz monitoringowo, na wybranym terenie, izotopów uranu 234,235,238U w wodach podziemnych mineralnych i leczniczych, by móc oszacować roczne i długoterminowe dawki efektywne, jakie ludność terenów południowej Polski otrzymuje, spożywając te wody.
Zamiarem autorki było również:
— porównanie uzyskanych wyników dawek efektywnych otrzymywanych w trakcie spożywania wód podziemnych na badanym terenie z wytycznymi międzynarodowymi; — określenie stopnia korelacji pomiędzy badanymi radioizotopami w próbach wód podziemnych; — przeanalizowanie zawartości badanych izotopów w wodach podziemnych i skałach towarzyszących na wybranym terenie w celu oszacowania transferu radionuklidów pomiędzy różnymi elementami środowiska; — opracowanie i wprowadzenie nowej metody pomiarowej, usprawniającej radiochemiczną analizę prób, biorąc pod uwagę czasochłonność i ponoszone koszty.

Niniejsza praca została podzielona na trzy części.
Część pierwsza obejmuje zagadnienia promieniotwórczości naturalnej w środowisku, przedstawia wybrane do badań radionuklidy oraz wprowadza pojęcie dawek promieniowania i sposoby ich obliczania.
Część druga monografii prezentuje techniki pomiarowe stosowane w spektrometrii jądrowej, takie jak: spektrometria α, spektrometria ciekłoscyntylacyjna, spektrometria γ oraz dodatkowo spektrometria mas. Omówiono tu testy nowej metody pomiarowej, wprowadzonej po raz pierwszy przez autorkę do badań polskich wód mineralnych, która polega na pomiarze izotopów α-promieniotwórczych w badanej próbie wody za pomocą dysku U/Ra i techniki spektrometrii α.
Metoda ta nie wymaga preparatyki radiochemicznej próby wody, co znacznie obniża czas i koszt analizy.
Przystosowanie jej do badań różnych rodzajów wód podziemnych mogłoby sprawić, że stanie się konkurencyjną metodą badawczą dla drogich i czasochłonnych metod tradycyjnych.
Część trzecia pracy to realizacja głównych jej celów. Obejmują one wykonanie pomiarów stężeń izotopów radu i radonu w źródłach wód naturalnych uzdrowisk Sudetów i Karpat Zewnętrznych z zastosowaniem techniki ciekłoscyntylacyjnej.
Dodatkowo dla interesującego geologicznie terenu Zespołu Uzdrowisk Świeradów — Czerniawa przeprowadzono pomiary izotopów uranu, zarówno w wodach podziemnych, jak i w skałach towarzyszących.
W tym celu posłużono się spektrometrią α oraz, dzięki uprzejmości naukowców laboratoriów badawczych IAEA (Międzynarodowej Agencji Energii Atomowej) w Wiedniu, spektrometrią mas.
Dla analizowanego terenu przedyskutowano współczynniki transmisji na granicy faz skała — woda.
Ponadto określono stopień korelacji pomiędzy badanymi radioizotopami w próbach wód podziemnych.
Obliczono także dawki promieniowania wewnętrznego, jakie otrzymuje organizm ludzki od radionuklidów, w tym radonu 222Rn, zawartych w wodzie źródlanej przeznaczonej do konsumpcji przez mieszkańców badanych terenów.
Prezentowane przez autorkę rezultaty badań mogą być wykorzystane w dydaktyce.
Pokazano bowiem drogę całego procesu badawczego — od rozpoznania terenu i pobrania reprezentatywnej próby oraz jej zabezpieczenia, przez wybór właściwej techniki pomiarowej lub kilku technik, co determinuje sposób przygotowania próby w laboratorium do pomiaru, do matematycznej obróbki wyników i obliczenia stężenia aktywności, a w razie konieczności — dawki promieniowania wewnętrznego, jaką otrzymuje człowiek.
Zagadnienie promieniotwórczości naturalnej wód mineralnych i źródlanych, a nawet wód powierzchniowych przeznaczonych do codziennego spożycia przez ludność, nie znajduje w naszym kraju właściwego zrozumienia ustawodawców, ograniczających zakres obowiązkowych badań do analiz chemicznych i bakteriologii.
Polskie przepisy (Rozporządzenie Ministerstwa Zdrowia 2002, 2004, 2006, 2007) w bardzo ograniczonym zakresie sygnalizują problem badania promieniotwórczości w wodach lub całkowicie go pomijają. Przepisy krajów Unii Europejskiej poświęcają temu zagadnieniu znacznie więcej uwagi. Polskie uregulowania będą więc musiały zostać dostosowane do wymogów unijnych, a wyniki badań przedstawione w niniejszej pracy mogą stanowić podstawę ustalenia polskich norm w tym zakresie.

Pragnę złożyć serdeczne podziękowania Panu prof. dr. hab. Wiktorowi Zipperowi, Kierownikowi Zakładu Fizyki Jądrowej i Jej Zastosowań Instytutu Fizyki Uniwersytetu Śląskiego, za umożliwienie mi realizacji niniejszej pracy, liczne dyskusje oraz wiele cennych uwag w trakcie jej wykonywania. Gorąco dziękuję Koleżankom i Kolegom — obecnym i byłym pracownikom ZFJiJZ — za pomoc w wyjazdach w teren w celu poboru prób do badań, w analizach radiochemicznych prób, w opracowaniu wyników, szczególnie zaś najbliższym współpracownikom — Panu mgr. Jerzemu Dordzie oraz Paniom dr Barbarze Kłos, dr Agnieszce Hetman i mgr Agacie Walencik.
Jestem głęboko wdzięczna Panu dr. hab. Tadeuszowi Przylibskiemu z Laboratorium Hydrogeologicznego Zakładu Geologii i Wód Mineralnych Instytutu Górnictwa Politechniki Wrocławskiej za długoletnią współpracę, wspólne wyjazdy w teren oraz liczne dyskusje nad wynikami badań do wspólnych publikacji naukowych.
Składam również podziękowania pracownikom zakładów geologicznych i balneoleczniczych oraz pracownikom rozlewni wód mineralnych znajdujących się w uzdrowiskach Sudetów i Karpat Zewnętrznych za umożliwienie mi poboru i pomoc techniczną przy pobieraniu prób wód do badań.
Serdecznie dziękuję Pani prof. dr hab. Annie Pazdur oraz Panu dr. hab. Karolowi Monkosowi za cenne uwagi merytoryczne i redakcyjne, dzięki którym praca uzyskała ostateczny kształt.
Szczególną wdzięczność chcę wyrazić najbliższej Rodzinie za cierpliwość i wsparcie podczas pisania przeze mnie niniejszej monografii.

SPIS TREŚCI :

Wstęp

Promieniotwórczość naturalna w środowisku

1. Promieniotwórczość pierwiastków
1.1. Naturalne szeregi promieniotwórcze w przyrodzie
1.2. Równania Batemana dla rodzin izotopów 226Ra, 228Ra, 224Ra
1.3. Równania Batemana dla rodziny izotopu 222Rn

2. Wybrane radionuklidy pochłaniane przez organizmy żywe
2.1. Krótka charakterystyka badanych radionuklidów
2.1.1. Radon
2.1.2. Rad
2.1.3. Uran
2.2. Zarys geochemii badanych radionuklidów w skorupie ziemskiej i w wodzie
2.2.1. Radon
2.2.2. Rad
2.2.3. Uran
2.3. Równowaga promieniotwórcza w środowisku naturalnym

3. Dawki promieniowania
3.1. Rodzaje dawek promieniowania
3.2. Roczne dawki efektywne
3.3. Efektywna dawka obciążająca

Stosowane metody pomiarowe

4. Spektrometria α
4.1. Przygotowanie źródła α-spektrometrycznego
4.2. Pomiar promieniowania α z zastosowaniem detektora półprzewodnikowego

5. Technika ciekłoscyntylacyjna
5.1. Przygotowanie próby do pomiaru
5.2. Pomiar aktywności techniką ciekłoscyntylacyjną

6. Spektrometria γ
6.1. Przygotowanie próby do pomiaru
6.2. Pomiar promieniowania γ z zastosowaniem detektora półprzewodnikowego Ge(Li)

7. Technika spektrometrii mas

8. Przegląd metod analitycznych oznaczania radionuklidów naturalnych w wodzie
8.1. Radon
8.2. Rad
8.3. Uran

9. Metody oznaczania radionuklidów naturalnych w wodzie stosowane w pracy
9.1. Pobór prób w środowisku
9.2. Metody analityczne
9.2.1. Oznaczanie 222Rn
9.2.2. Oznaczanie 226,228Ra
9.2.3. Oznaczanie 234,235,238U

10. Poszukiwanie uproszczonej metody radiochemicznej pomiaru izotopów U i Ra
10.1. Zastosowanie dysku U/Ra
10.2. Budowa dysku U/Ra
10.3. Otrzymywanie źródła α-spektrometrycznego na dysku U/Ra
10.4. Kalibracja dysków U/Ra
10.5. Test metody

Badania prowadzone w latach 1998—2007

11. Teren objęty badaniami własnymi
11.1. Klasyfikacja wód podziemnych
11.2. Wody podziemne Sudetów
11.3. Wody podziemne Karpat
11.4. Tereny poboru i charakterystyka prób wody naturalnej

12. Wyniki badań własnych
12.1. Pobór prób
12.2. Ocena dokładności metod pomiarowych
12.3. Stężenie aktywności pierwiastków promieniotwórczych w wodach źródlanych Sudetów
12.3.1. Stężenia aktywności 222Rn, 226Ra, 228Ra
12.3.2. Izotopy 234U, 235U, 238U w wodach Zespołu Uzdrowisk Świeradów — Czerniawa
12.4. Stężenie aktywności pierwiastków promieniotwórczych w wodach źródlanych Karpat Zewnętrznych
12.4.1. Stężenia aktywności 222Rn, 226Ra, 228Ra
12.5. Korelacje pomiędzy badanymi radionuklidami szeregu uranowego i torowego
12.6. Transfer radionuklidów w środowisku woda — skała
12.6.1. Współczynnik transferu
12.6.2. Uzdrowisko Świeradów — Czerniawa jako typowy przykład budowy geologicznej jednostek krystaliniku sudeckiego
12.6.3. Naturalne radionuklidy 226Ra, 228Ra, 234U, 238U w skałach
12.6.4. Współczynniki transferu radu i uranu w środowisku skała — woda
12.7. Równowaga promieniotwórcza radionuklidów w badanym środowisku Sudetów i Karpat Zewnętrznych

13. Roczne dawki efektywne od spożywanych radionuklidów
13.1. Zastosowanie wód podziemnych
13.2. Obowiązujące w Polsce akty prawne
13.3. Klasyfikacja radonowych wód podziemnych
13.4. Radonowe wody „lecznicze” na terenie Polski
13.5. Roczne dawki efektywne od radonu i radu wchłanianych drogą pokarmową
13.6. Roczne dawki efektywne pochodzące od radonu wchłanianego drogą oddechową
13.7. Roczne dawki efektywne pochodzące od uranu
13.8. Roczne dawki efektywne pochodzące od spożywanej wody w Polsce
13.9. Roczne dawki efektywne pochodzące od spożywanej wody w Europie

14. Gromadzenie się radionuklidów w organizmie i rekomendowane limity dawek
14.1. Limity dawek pochodzące od radonu
14.2. Limity dawek pochodzące od radu
14.3. Limity dawek pochodzące od uranu
14.4. Dozymetryczna (długoterminowa) interpretacja badań

15. Podsumowanie

Literatura

Summary

Zusammenfassung