18.2 Energia jądrowa dla odsalania wody

Energia jądrowa jest już wykorzystywana do odsalania wody, przyczyniając się do rozwiązania problemu niezwykle istotnego dla znacznych obszarów Świata cierpiących na brak wody pitnej. Spośród ogólnych zasobów wodnych, woda pitna stanowi² zaledwie 2,5%, a i z tego niewielkiego ułamka jej 2/3 jest zamrożona w lodowcach. Z pozostałej części około 20% znajduje się w słabo dostępnych rejonach, a około % pochodzi z monsunów i powodzi, które pojawiają się przypadkowo i przynoszą wodę silnie zanieczyszczoną, więc nie nadająca się do picia. Ostatecznie pozostaje do bezpośredniego użytku zaledwie 0,08% całkowitej ilości wody na kuli ziemskiej. Brak wody jest szczególnie dotkliwy w Azji i Afryce Północnej, ale także na dużych obszarach Kazachstanu i innych dawnych republik radzieckich. Obecnie 1,1 miliarda ludzi jest pozbawionych wody bezpiecznie nadającej się do spożycia, a to powoduje 3,3 miliarda zachorowań i 2 miliony zgonów rocznie. Wraz ze wzrostem zaludnienia naszej planety można przewidywać, że ta już obecnie zła sytuacja będzie się pogarszać i może nawet wywoływać lokalne wojny o wodę, gdyż można oczekiwać, ze w okolicach roku 2025 niemal 2/3 ludności Świata będzie pozbawionych wody. Wynika stąd, że należy bardzo poważnie skupić się na uruchomieniu wszystkich dostępnych technologii, które mogą zapobiec takiej katastrofie.


Jeśli poziom roztworu (rozpuszczalnik plus „duże" cząsteczki) w części A naczynia, oddzielonej od części B membraną M, jest taki sam (rysunek z lewej), jak poziom rozpuszczalnika w części B, cząsteczki rozpuszczalnika (zielone) będą przenikać do części A aż do wyrównania ciśnień rozpuszczalnika po obu stronach membrany (dyfuzja przez membranę może dotyczyć tylko cząsteczek o rozmiarach mniejszych od rozmiarów porów w membranie). Nadwyżkę ciśnienia w części A, pochodzącą od „dużych" cząsteczek nazywamy ciśnieniem osmotycznym (rys. środkowy). Jeśli z kolei na roztwór w części A wywrzemy ciśnienie przewyższające osmotyczne, cząsteczki rozpuszczalnika zaczną przenikać do części B, a roztwór w części A będzie się zatężać (rys. z prawej). Proces ten nosi nazwę odwróconej osmozy.

Podobnie jak w wypadku produkcji wodoru, dzisiejsze metody odsalania wody morskiej (głównie wielostopniowa destylacja i zyskująca na znaczeniu odwrócona osmoza, patrz rys. 18.3) wykorzystują paliwa kopalne, a to z kolei przyczynia się do wzrostu ilości produkowanych gazów cieplarnianych. Aby zdać sobie sprawę z zapotrzebowania, dzisiejsza dzienna produkcja wody pitnej³, to 30 milionów m³, z czego połowa produkowana jest na Bliskim Wschodzie. Największa wytwórnia takiej wody produkuje dziennie 454 tysiące m³, a liczba wytwórni wody na Świecie sięga 12500. Produkcja ta pochłania wielkie ilości energii elektrycznej. Dla wyprodukowania 1 m³ wody pitnej metodą odwróconej osmozy (metoda ta jest popularna w Izraelu i na Malcie, a ostatnio w Singapurze) potrzeba zużyć około 6 kWh. Cena 1 m³ wyprodukowanej w ten sposób wody, to około 50 centów. Przykład jednostopniowego modułu membranowego do odwróconej osmozy pokazuje rys. 18.4. Metody destylacyjne wymagają prowadzenia procesu w temperaturach 70 - 130 stopni i dostarczenia energii elektrycznej 25 - 200 kWh/m³. Produkuje się dzięki nim czystszą wodę niż w metodzie odwróconej osmozy.


Metoda odwróconej osmozy może być także efektywnie wykorzystywana w procesie zatężania odpadów promieniotwórczych. Na rys. 18.5 pokazany jest trzystopniowa kaskada modułów, stosowana w Zakładzie Unieszkodliwiania Odpadów Promieniotwórczych w Świerku. Ze względu na mechaniczną wytrzymałość membran takie zestawy stosuje się do zatężania jedynie odpadów β- i γ-promieniotwórczych, natomiast samo funkcjonowanie membran jest identyczne, jak w wypadku odseparowywania solanki od czystej wody.

W roku 1963 Philip Hammond z Oak Ridge National Laboratory zauważył, że reaktory jądrowe mogą dostarczyć energii niezbędnej do procesu odsalania wody morskiej, a przy tym wytwarzać energię elektryczną, tj. działać jako małe elektrownie jądrowe. Istotnie, Świat ma już za sobą doświadczenia ponad 150 reaktoro-lat takich zintegrowanych układów, w których reaktor jądrowy dostarcza energii niezbędnej dla procesu odsalania. Doświadczenia te były głównie udziałem Kazachstanu, Indii i Japonii. Nota bene, warto wiedzieć, że 1 m³ wody morskiej zawiera ilość uranu wystarczającą do wyprodukowania 1 m³ świeżej wody z energii jego rozszczepienia.

Dla celów odsalania wystarczą reaktory małe i średnie. Ocenia się, że mogłyby one dawać dzienną produkcję wody odpowiednio 80000-100000 m³ i 200000-500000 m³. Przykładem reaktora jądrowego wytwarzającego zarówno energię elektryczną, jak i energię potrzebną do odsalania wody, jest chłodzony sodem reaktor BN-350 na neutronach prędkich w Aktau, Kazachstan, działający od 1999 roku i będący zdolny do produkcji mocy elektrycznej do 135 MWe i wody pitnej 80000 m³/dzień. W Japonii działa 10 instalacji przyłączonych do reaktorów PWR, produkując dziennie 1000 - 3000 m³ wody. Wytwarzana woda służy także chłodzeniu reaktorów. Takie państwa, jak Indie, Rosja i Kanada mają już spore doświadczenia w zastosowaniu reaktorów do odsalania wody, a jednocześnie do celów grzewczych. Międzynarodowa Agencja Energii Atomowej także silnie promuje tego typu zastosowania energii jądrowej. Podobnie jak w wypadku produkcji wodoru główny pomysł polega na wykorzystaniu elektrowni jądrowych do zasilania sieci energetycznych w okresie najwyższego zapotrzebowania, a gdy się ono zmniejsza, wykorzystania energii elektrycznej do innych celów, jak napędzania pomp do odsalania metodą odwróconej osmozy. Projekty tego typu są rozwijane obecnie w Hiszpanii, Anglii, Indiach, Chinach, Pakistanie, Rosji, Tunezji, Maroku, Egipcie, Algierii, Korei Południowej, Indonezji i Argentynie. Istotnym elementem wszystkich projektów jest zapewnienie jak najniższych kosztów produkcji, konkurencyjnych w stosunku do konwencjonalnych technik. Służy temu program DEEP (od ang. Desalination Economic Evaluation Program) prowadzony przez Międzynarodową Agencję Energii Atomowej.


Zagadnienie od strony technicznej wcale nie jest bardzo proste, gdyż niezależnie od normalnych warunków, które musi spełniać teren, aby można w nim umieścić reaktor jądrowy, tu musimy się starać umieścić reaktor w pobliżu centrum odbioru wytworzonej wody, musimy uwzględnić specyfikę odsalanej wody morskiej lub oceanicznej, a także możliwy wpływ odprowadzanej solanki na środowisko. Poza dyskusją staje się sprawa zabezpieczenia produkowanej wody pitnej przed uwolnieniami radioaktywnymi. Warto natomiast zdać sobie sprawę, że czas życia reaktorów jądrowych jest z reguły dłuższy niż czas życia urządzeń do odsalania. Tak więc należy tak przygotować całość instalacji, aby można było po czasie zużycia urządzeń do odsalania (ok. 25 lat) prowadzić ich wymianę bez przeszkadzania reaktorom w ich produkcji energii elektrycznej, ciepła i wody.


W roku 2004 Rosjanie przedstawili⁴ projekt ciekawej instalacji opartej na reaktorze wrzącym VK-300. Tu odsalanie wody odbywa się głównie droga wielostopniowej destylacji, a planowana wydajność instalacji, w skład której wchodzą dwa reaktory, to 300 000 l wody/dzień. Koszt produkcji wody został oceniony na 0,58 USD/l. Instalacja będzie dodatkowo dostarczała do sieci energetycznej 357 MWe, koszt zaś tej energii wyniesie 0,029 USD/kWh. Na rys. 18.6 pokazujemy zaproponowany przez Rosjan uproszczony schemat instalacji, która może dostarczać także ciepła. Rosja też rozpatruje wykorzystanie reaktorów KLT-40 używanych w napędach statków.

W tym kontekście warto także zwrócić uwagę na ocenę⁵, że reaktor wysokotemperaturowy z usypanym złożem, pracujący na mocy 20 MWt i mający rozmiary 10x10x10 metrów, może pracować w cyklu trzyletnim (bez wymiany paliwa) i zaspokoić pełne zapotrzebowanie na energię (elektryczną, cieplną, a także potrzebną na wyprodukowanie odpowiedniej ilości wody) dla ok. 27500 osób. Zgodnie z obecnymi trendami, taki reaktor nie wymagałby obsługi. Jego modułowość pozwala na wyprodukowanie go i przetestowanie u producenta, a następnie przetransportowanie go drogą lądową, wodną lub powietrzną na miejsce pracy. Raz uruchomiony reaktor z turbiną gazową jest sterowany i monitorowany zdalnie. Modułowa konstrukcja sprzyja także łatwości wymiany paliwa, niewielkie rozmiary pozwalają umieścić go częściowo pod ziemią, a całość jest względnie tania zarówno na etapie inwestycji, jak i utrzymania. Podobnie długi cykl paliwowy ma mieć instalacja w Korei Południowej, gdzie myśli się o reaktorze SMART (od ang. System-integrated Modular Advanced Reactor) o mocy 330 MWt, skojarzonym z zespołami do wielostopniowej destylacji.

2 R.S.Faibish, T.Konishi, Nuclear Desalination: a viable option for producing freshwater, Desalination 157 (2003) 241-252
3 Wg http://www.uic.com.au/nip74.htm
4 B.A.Gabarayev, Yu.N.Kuznetsov, A.A.Romenkov, Yu.A.Mishanina, Nuclear Desalination Complex with VK-300 Boiling-Type Reactor Facility, World Nuclear Association Annual Symposium (2004) 1-16
5 G.A.K.Crommelin, I.W.F.Crommelin, Nuclear Desalination. The Small and Peaceful Way, Paper GT2004-53337, Proc. Of ASME Turbo Expo (2004) 1-7

18.3 Energia jądrowa w codziennym użyciu⁶


Czujka dymu, rys. 18.7, jest bodaj najprędzej rozpoznawalnym przedmiotem codziennego użytku, spotykanym w różnych salach i miejscach szczególnie chronionych przed pożarem. Jej „sercem” jest alfa-promieniotwórcze źródło ²⁴¹Am. Izotop ²⁴¹Am jest produktem rozpadu beta izotopu ²⁴¹Pu wytwarzanego w reaktorze jądrowym. Choć istnieją wykrywacze dymu oparte na czujniku fotoelektrycznym, którego zmniejszające się natężenie świecenia sygnalizuje obecność dymu, czujki wykorzystujące promieniowanie alfa są jakościowo lepsze, a także niedrogie.

Sam ameryk-241 jest izotopem długożyciowym, jego okres połowicznego zaniku, to 432 lat. Wysyłane przezeń promieniowanie alfa jest silnie pochłaniane w powietrzu i stąd też znajdująca się pod sufitem czujka nie stanowi dla ludzi żadnego zagrożenia radiacyjnego (zasięg tych cząstek w powietrzu wynosi ok. 4 cm). Dzieje się tak nawet pomimo emisji także niskoenergetycznego promieniowania gamma (energia 60 keV), z reguły silnie pochłanianego przez warstwę powietrza nad nami. Aktywność użytego izotopu jest ponadto niewielka, mniejsza od 35 kBq. Sam ameryk sprzedawany jest w formie AmO₂ w cenie ok. 1500 USD/g, a z jednego grama można wytworzyć aż 5000 czujek.

Konstrukcja izotopowej czujki dymu jest bardzo prosta, gdyż jest to de facto komora jonizacyjna. Promieniowanie alfa wytwarza w powietrzu jony, które z kolei są zbierane przez elektrody o niewielkiej różnicy potencjału między nimi. Gdy do środka czujki dostaje się dym, promieniowanie alfa jest zatrzymywane przez cząsteczki dymu, co radykalnie zmniejsza prąd w obwodzie czujki, a to z kolei wywołuje alarm.

To proste i bezpieczne w działaniu urządzenie nie niesie żadnego niebezpieczeństwa, choć sam ameryk wchłonięty drogą pokarmową do organizmu może stać się dla niego zagrożeniem. Połknięcie dwutlenku ameryku, zawartego w czujce, nie spowodowałoby jednak istotnych konsekwencji, gdyż związek ten nie rozpuszcza się w wodzie i jest więc szybko wydalany przez organizm.

W niektórych fotokopiarkach, aby zapobiec gromadzeniu się statycznych ładunków elektrycznych, używa się innego izotopu alfa-promieniotwórczego, a mianowicie polonu (²¹⁰Po). Pewne ilości izotopów promieniotwórczych jak α-promieniotwórczy rad (²²⁶Ra) czy β-promieniotwórczy tryt (³H) znajdują się w farbach luminescencyjnych używanych w przyrządach stosowanych w nocy (np. w niektórych zegarkach). Nie stwierdzono ujemnego wpływu korzystania z tych zegarków na nasze zdrowie, a przecież globalna dawka związana ze "świecącymi" zegarkami jest około czterokrotnie wyższa niż pochodząca z energetyki jądrowej! Zmiana związków radowych na trytowe znacznie zmniejsza tę dawkę, niemniej jednak wciąż w szerokim użyciu są zegarki starych typów.

Radionuklidy są stale używane w znakach świecących, kompasach, tarczach telefonicznych, itp. Cząstki alfa używane były dla celów antystatycznych w szczoteczkach do odkurzania płyt gramofonowych i w sprzęcie fotograficznym. W szczególnie cienkich soczewkach optycznych zawarty jest czasem tor, który może napromieniowywać oczy dość znaczącą (co nie oznacza koniecznie - szkodliwą) dawką. Uran znajduje się czasem w sztucznych zębach, aby się lepiej błyszczały, ale niepotrzebną ceną za wrażenia estetyczne jest napromieniowanie dziąseł. Na szczęście obecnie odchodzi się od tego typu materiałów dentystycznych.

Techniki radiacyjne, tj. techniki korzystające z naświetlania materiałów promieniowaniem jonizującym, wykorzystuje się do modyfikacji własności ciał stałych, np. półprzewodników, do barwienia tkanin, szkła i kamieni jubilerskich. Te ostatnie działania polegają na wprowadzeniu do materiału odpowiednich defektów strukturalnych przez bombardowanie go wiązką neutronów, protonów, cząstek alfa itp. Przykładem takiego zastosowania może być produkcja tzw. membran trekowych i materiałów termokurczliwych.

Dzięki bombardowaniu folii polietylenowej ciężkimi jonami otrzymujemy w niej bardzo małe kanały - treki (od ang. track - ślad). W wyniku odpowiedniego chemicznego wytrawienia powstają siatki z otworami o żądanej średnicy np. 0,2 mikrometra. Tak wytworzone siatki stosuje się np. jako filtry w kroplówkach. Polietylen ma jeszcze jedną ciekawą cechę. Naświetlony - zapamiętuje swój kształt. Możemy wytworzyć maleńkie rureczki, naświetlić je, a następnie rozciągnąć. Po podgrzaniu - rurki będą się kurczyły. Na tej zasadzie działają rurki i taśmy termokurczliwe, szeroko stosowane w przemyśle elektrycznym i elektronicznym.


W ostatnim okresie wykorzystano techniki radiacyjne do oczyszczania gazów odlotowych (spalin) powstających w elektrowniach węglowych. Dzięki zjawisku wzbudzania cząsteczek gazu za pomocą wiązki elektronów można utleniać związki siarki (SO₂) i azotu (NO_x). Po doprowadzeniu do ich reakcji z parą wodną i neutralizacji amoniakiem otrzymujemy nawozy sztuczne będące mieszaninami siarczanu amonowego (NH₄)₂SO₄ i azotanu amonowego (NH₄)NO₃]. Cała stacja służąca do usuwania tych związków z gazów elektrociepłowni i wytwarzania nawozów jest dużo mniejsza i tańsza w budowie i eksploatacji od standardowych stacji oczyszczających, a uzyskiwane nawozy są chemicznie czystsze od uzyskiwanych dotychczasowymi metodami. Takie instalacje (których schemat pokazuje rys. 18.8) już działają w Elektrociepłowni Warszawa - Kawęczyn i w Elektrowni Dolna Odra. Napromieniowanie gazów wiązką elektronów zmniejsza emisję dwutlenku siarki o 98%, a tlenków azotu o 70-90%. Warto dodać, że Polacy mają patent na tę metodę wspólnie z Japończykami.

6 Paragraf ten wykorzystuje w większości treść rozdziału 3 broszury L.Dobrzyński, E.Droste, W.Trojanowski, R.Wołkiewicz, Spotkanie z promieniotworczością, IPJ-Świerk (2005)

Promieniowanie jonizujące o dużym natężeniu i odpowiedniej energii może niszczyć żywe komórki - może więc zabijać drobnoustroje. Z tego względu używane jest często przy wytwarzaniu artykułów codziennego użytku, a także do sterylizowania materiałów medycznych (igieł, strzykawek, endoprotez, szkieł kontaktowych itp.). Promieniowanie jądrowe wykorzystujemy też do higienizacji⁷ opakowań i kosmetyków. Sterylizację poprzez napromieniowanie prowadzi się już po szczelnym zapakowaniu przedmiotów.


Napromieniowanie wiązką promieni γ jest jedną z metod sterylizacji i utrwalania niektórych produktów żywnościowych. Uszkodzenie pod wpływem promieniowania jonizującego kwasu dezoksyrybonukleinowego (DNA) powoduje zahamowanie podziału komórki i może doprowadzić do jej śmierci. W ten sposób promieniowanie skutecznie hamuje rozwój bakterii chorobotwórczych, niszczy grzyby i pleśnie oraz zabija szkodniki (owady, larwy, jaja), które mogą być obecne w konserwowanej żywności. Dlatego też napromieniowanie przypraw, warzyw (np. cebuli i ziemniaków), owoców (np. truskawek), skutecznie przedłuża trwałość wielu produktów żywnościowych, a żywność napromieniowana nie różni się w praktyce od żywności świeżej (w wyniku typowego napromieniowania żywności na każde 10 milionów cząsteczek napromieniowanego obiektu powstaje w wyniku przemian radiacyjnych tylko ok. 6 zmienionych cząsteczek. Są to te same cząsteczki, które obserwuje się w żywności podgrzewanej). W przypadku żywności, w której w okresie składowania zachowane są utajone procesy życiowe (np. w ziemniakach, cebuli, czosnku itp.), niskie dawki promieniowania wywołują korzystny efekt hamowania kiełkowania. Dawki używane przy hamowaniu kiełkowania, czy przy zwalczaniu szkodników nigdy nie przekraczają 0,5 kGy, w konserwacji żywności używa się dawek 5 - 10 kGy. W ten sposób chroni się owoce, cebulę, ziarno, pieczarki (patrz rys. 18.9), małże i mięso oraz przyprawy. Jest to bodaj najefektywniejsza z metod eliminacji zakaźnych drobnoustrojów, jak np. pałeczek słynnej Salmonelli. Napromieniowanie pozostawia żywność w stanie znacznie bliższym oryginalnemu niż czynią to chemiczne konserwanty, a sama metoda jest bezpieczna i efektywna. Warto wiedzieć,że dobranie właściwych dawek powoduje powstawanie możliwie niewielkich ilości nowych związków chemicznych w naświetlanej żywności,a związki te nie są dla ludzi szkodliwe. Naświetlanie nie zmienia własności odżywczych i powoduje znacznie mniejsze zmiany niż obróbka cieplna. A ponadto, ponieważ do naświetlania używane są zewnętrzne źródła promieniowania gamma (⁶⁰Co lub ¹³⁷Cs), naświetlana żywność nie staje się promieniotwórcza, podobnie jak człowiek nie zaczyna promieniować po prześwietleniu płuc!

Napromieniowanie zabija też insekty w ziarnie siewnym. Naświetlając promieniowaniem jonizującym owady, można doprowadzić do ich bezpłodności. Owady takie wypuszczone do swego naturalnego środowiska konkurują z innymi przedstawicielami swoich gatunków i doprowadzają do bardzo szybkiego zmniejszenia populacji na danym obszarze. Ta metoda zwalczania owadów, poprzez sterylizację, ma kilka znaczących przewag nad używaniem insektycydu: nie powoduje trucia innych istot żywych i powoduje znaczną redukcję populacji.


Wprowadzając do badanego obiektu izotop promieniotwórczy możemy śledzić jego drogę w materiale śledząc miejsce emisji promieniowania. Taki izotop, zwany znacznikiem promieniotwórczym, może być więc użyty do badania prędkości przepływu materiałów, czy procesów mieszania się ze sobą (lub rozdzielania) dwóch lub więcej faz. Znaczniki można też stosować do badania stopnia zużycia materiału lub narzędzi pracy, procesu korozji, wykrywania nieszczelności zbiorników płynów i rurociągów. Na przykład, po dodaniu radioznacznika do zbiornika z gazem, patrz rys. 18.10, możemy radiometrem zbadać natężenie promieniowania na zewnątrz pojemnika. Podnoszenie się poziomu promieniowania w jakimś miejscu pojemnika będzie wskazywało na nieszczelność. Największe natężenie promieniowania zaobserwujemy w miejscu przecieku. Metoda ta jest całkowicie bezpieczna, ponieważ ilości i aktywności izotopów radioaktywnych mogą być bardzo małe a używane radioznaczniki nie wchodzą w skład łańcucha pokarmowego istot żywych.

Podobna technika służy analizie przepływu wód gruntowych i przepływów zanieczyszczeń. Wlewając do zbiornika niewielką ilość substancji promieniotwórczych powodujemy, że ciecz staje się lekko promieniotwórcza. Dzięki pomiarom w różnych punktach zlewiska możemy dowiedzieć się, gdzie rozpływa się woda lub ścieki. Ze względu na cechy stosowanych znaczników promieniotwórczych, metoda jest całkowicie bezpieczna.


Na koniec należy wspomnieć o analizie aktywacyjnej, czyli technice pomiaru składu pierwiastkowego materiałów przy pomocy wzbudzania w atomach oraz jądrach atomowych badanego materiału promieniowania α, β, lub γ, które dla każdego izotopu poszukiwanego pierwiastka jest inne. W ten sposób możemy wykryć zanieczyszczenia w półprzewodnikach, wyznaczyć zawartość metali ciężkich w odpadach (takich jak np. popiół), określić zawartość azotu w ziarnach zbóż, zmierzyć koncentrację azotu, potasu i fosforu w nawozach sztucznych itp. Na szczególną uwagę zasługuje tu neutronowa analiza aktywacyjna. Jak sama nazwa wskazuje, punktem wyjściowym jest naświetlenie materiału neutronami. W obiekcie zachodzą reakcje wychwytu neutronów przez jądra atomowe. W ten sposób powstają nowe jądra, będące najczęściej izotopami promieniotwórczymi o znanych własnościach (okresach połowicznego zaniku i energii promieniowania γ). Natężenie mierzonego promieniowania o określonej energii pozwala na wyznaczenie zawartości poszukiwanego pierwiastka - czasem z niewiarygodnie wysoką precyzją.

7 W literaturze medycznej zwykło się odróżniać sterylizację, w którym to procesie materiał naświetla się dawką do 25 kGy (tak jest przy sprzęcie medycznym i biomateriałach zastępujących 14 różnych tkanek ludzkich), od higienizacji, kiedy to dawka nie przekracza 6 kGy (kosmetyki, opakowania itp.)

Neutronową aktywację można zastosować do identyfikacji dzieł sztuki. Znając skład chemiczny farb w różnych epokach, możemy określić, kiedy dzieło powstało i czy jest oryginalne. Przykład techniki, którą posłużono się w Świerku w celu identyfikacji dzieła Tintoretta pokazany jest na rys. 18.12. Na „zdjęciach" możemy zobaczyć również wewnętrzne warstwy obrazów, co daje możliwość studiowania techniki pracy artystów. Tę metodę wykorzystuje się także w archeologii, oceanografii, kosmologii, geologii a także w technologiach materiałowych i górnictwie oraz w kryminalistyce.


W przemyśle stosujemy rozmaite radioizotopowe metody pomiarowe. Ponieważ umiemy określić, jak bardzo jest osłabiane dane promieniowanie podczas przejścia przez różne rodzaje i grubości osłon, możemy budować urządzenia służące do pomiarów gęstości, grubości i stężenia substancji. Jako źródeł używamy w tym celu przede wszystkim cezu ¹³⁷Cs, kobaltu ⁶⁰Co i talu ²⁰⁴Tl.


Istotnie, w badaniach przemysłowych często wykorzystujemy zmianę absorpcji promieniowania jonizującego wynikającą z różnic grubości lub gęstości materiału. Na przykład, źródło promieniowania β może być użyte do pomiaru procesu grubości papieru podczas jego produkcji (rys. 18.13). W taki sam sposób można mierzyć grubość blachy, ważyć materiały w ruchu czy określać poziom cieczy w zamkniętych zbiornikach. Można używać promieniowania do analiz szczelności gazociągów, jakości spawów, czy korozji metali. Można też łatwo mierzyć np. poziom wypełnienia zbiornika danym materiałem, np. wypełnienie silosu ziarnem. Podobnie, jak w badaniach nieszczelności zbiorników z gazem, tu także przejeżdża się układem źródła i detektora (umieszczonych po przeciwnych stronach zbiornika) i sprawdza się miejsce, w którym następuje zasadnicza zmiana rejestrowanego natężenia. Jego spadek w określonym miejscu oznacza, że począwszy od tego miejsca zbiornik jest pusty.

Warto podkreślić, że korzystając z radioznaczników staramy się wykorzystywać izotopy krótkożyciowe, co istotnie zmniejsza uciążliwość dalszego postępowania z pozostałymi po takich procedurach odpadami promieniotwórczymi. Urządzenia, na które warto tu zwrócić uwagę, to wagi izotopowe, czy mierniki zapylenia powietrza.

Wagi izotopowe służą do bezdotykowego określenia masy substancji np. węgla. Umieszczając nad ładunkiem źródło i mierząc natężenie promieniowania detektorem po drugiej stronie, jesteśmy w stanie określić całkowitą masę węgla. Wagi izotopowe są stosowane przede wszystkim w elektrociepłowniach, ponieważ pozwalają na określenie zużycia węgla w każdej godzinie, dniu i miesiącu.

Mierniki zapylenia powietrza działają dzięki zjawisku osłabiania promieniowania (stosujemy tu z reguły promieniowanie β) przechodzącego przez materię. Osadzający się na filtrze pył stanowi barierę dla promieniowania. Mierząc absorpcję promieniowania i znając objętość przepuszczonego przez filtr powietrza można wyznaczyć zapylenie środowiska. Jest to w gruncie rzeczy inna metoda określania masy substancji, w tym wypadku - osadzonych pyłów.

W zasadzie ta sama idea pomiarowa leży u podstaw defektoskopii materiałów. Ustawiając źródło po jednej stronie badanej substancji, a radiometr po drugiej i przesuwając je równolegle do siebie, jesteśmy w stanie określić, po zmianie liczby zliczeń, miejsce położenia defektu. Metoda ta szeroko stosowana jest do kontroli rurociągów. Izotopem najczęściej używanym w defektoskopii jest ¹³⁷Cs.

Nauka posługuje się znacznikami promieniotwórczymi przy wytwarzaniu nowych lekarstw, badaniach rolniczych, tworzeniu i rozwoju odmian roślin odpornych na choroby, produkcji nawozów. Znaczniki promieniotwórcze stosuje się w wielu dziedzinach nauki: od biologii, medycyny czy agrotechniki do archeologii i nauk o Ziemi. Małe ilości materiałów promieniotwórczych służą do obserwacji ruchów różnych zanieczyszczeń w środowisku. W geologii określa się wiek skał i bada dryf kontynentalny na podstawie zawartości odpowiednich radionuklidów naturalnych w skałach. Archeolodzy szeroko korzystają z badań zawartości izotopu węgla ¹⁴C dla określania wieku znalezisk organicznych.

Reasumując:

• Promieniowanie jądrowe służy badaniu materiału, ale nie wprowadza doń promieniotwórczości. Przykładami są tu badania np. grubości spawów, czy wzbudzanie tzw. fluorescencji rentgenowskiej celem zbadania składu pierwiastkowego obiektu: promieniowanie jądrowe pobudza tutaj jedynie atomy (a nie jądra) do promieniowania i takie pobudzenie nie powoduje zmian składu chemicznego badanej substancji.
• Promieniowanie jądrowe inicjuje przemiany jąder atomowych badanego materiału, w wyniku czego powstają nowe izotopy lub pierwiastki. Jeżeli są one promieniotwórcze, możemy je zidentyfikować mierząc powstające promieniowanie α, β lub γ. W wyniku zaistniałych przemian jądrowych skład chemiczny obiektu może ulec zmianie.
• Promieniowanie jądrowe służy zmianie własności materiału: zabijane są bakterie, pleśnie, insekty, modyfikuje się strukturę i inne własności fizyczne ciał stałych.
• Badania dotyczą zawartości różnych izotopów (zarówno stabilnych jak i promieniotwórczych) znajdujących się w materiale (np. w badaniach geologicznych, geofizycznych, astrofizycznych czy badaniu zawartości węgla ¹⁴C w archeologii).

Musimy jednak pamiętać, iż stosowanie materiałów promieniotwórczych w działalności człowieka zawsze prowadzi do powstania odpadów promieniotwórczych, głównie nisko-i średnioaktywnych. Brak dziś energetyki jądrowej w Polsce powoduje, że niewielka produkcja odpadów wysokoaktywnych jest jedynie wynikiem eksploatacji reaktora badawczego MARIA w Świerku. W Polsce ponad 90% odpadów promieniotwórczych pochodzi z działalności na rzecz ochrony zdrowia! O postępowaniu z nimi mieliśmy okazję już mówić w rozdz. IX.

18.4 Energia jądrowa w medycynie

W potocznej opinii energia jądrowa łączy się z bombardowaniami Hiroszimy, Nagasaki, awarią reaktora w Czarnobylu i nadzwyczaj przesadnymi opiniami o fatalnych dla zdrowia ludzkości skutkach tych wydarzeń. Wielokrotnie nawiązywaliśmy do tego tematu i pokazywaliśmy, jak bardzo społeczna radiofobia nie znajduje gruntu w faktach. Nie ulega wątpliwości, że śmierć 150 - 200 tysięcy ofiar bombardowań w Hiroszimie i Nagasaki była nadzwyczaj bolesnym i przerażającym doświadczeniem (należy jednak wiedzieć, że większość zginęła nie z powodu promieniowania lecz podmuchu i gorąca). Jeśli jednak uwzględnimy jego nadzwyczajność, związaną z II Wojną Światową, na obraz promieniowania jonizującego powinniśmy patrzeć także przez pryzmat milionów uratowanych istnień ludzkich dzięki zastosowaniu promieniowania jądrowego w medycynie. Zastosowania te są przede wszystkim w diagnostyce medycznej i w radioterapii, ale też nie należy pomijać badań laboratoryjnych prowadzonych z użyciem izotopów promieniotwórczych, gdyż te też mają swój znaczący udział w ratowaniu zdrowia. Dla zilustrowania problemu warto uświadomić sobie, że gdy w Kanadzie załoga ośrodka Chalk River, produkującego izotopy promieniotwórcze, zagroziła strajkiem, zdano sobie sprawę, że jego konsekwencją byłaby konieczność zaprzestania w USA i Kanadzie około 47000 badań diagnostycznych dziennie (!). W tych krajach około 200 000 pacjentów jest rocznie poddawanych terapii z użyciem źródeł promieniowania jonizującego. Z kolei dane dla Niemiec ilustruje rys. 18.14. Jak widać, radioterapia i chirurgia połączona z naświetlaniami stanowi 18% całości procedur. Jeśli pominiemy terapię paliatywną i sytuacje, w których medycyna nie jest w stanie pomóc, okaże się, że promieniowanie jonizujące wykorzystywane jest w 40% stosowanych zabiegów.


Zakłady medycyny nuklearnej czy oddziały radiologiczne znajdują się w wielu szpitalach. Promieniowanie służy zarówno do diagnostyki (zdjęcia rentgenowskie klatki piersiowej, kości czy zębów), jak i do terapii (źródłem promieniotwórczym jest tu izotop kobaltu ⁶⁰Co stanowiący serce tzw. bomby kobaltowej, patrz rys. 18.15). Promieniowanie jonizujące, ściślej - promieniowanie rentgenowskie o wysokiej energii, mogące skutecznie unieszkodliwić rozmnażające się w niekontrolowany sposób komórki rakowe, możemy wytworzyć w medycznym akceleratorze elektronów (jak np. NEPTUN czy Co-line pokazane na rys. 18.16), w którym wysokoenergetyczna wiązka elektronów uderza w tarczę metalową, w wyniku czego powstaje promieniowanie rentgenowskie. Promieniowanie to dociera do pacjenta przez odpowiedni system kolimatorów.



W ostatnim okresie zaczęto wykorzystywać ciężkie cząstki i jony (hadrony) do terapii nowotworów. Ta nowoczesna i bardzo kosztowna technika wykorzystuje z jednej strony możliwość dotarcia cząstki na odpowiednią głębokość (sterowanie energią cząstki), z drugiej zaś przemiataniem promieniowaniem guza nowotworowego przy pomocy magnetycznego odchylania wiązki. Istotą terapii jest tu jednak przede wszystkim fakt, że największa jonizacja następuje w stosunkowo wąskim obszarze, w którym cząstka zatrzymuje się. Jest rzeczą oczywistą, że tak dobieramy parametry wiązki, aby działo się to w obszarze guza.


Medycyna nuklearna, wykorzystując źródła izotopowe, wykrywa szereg schorzeń zanim wystąpią symptomy choroby i zapobiega niepotrzebnym zabiegom chirurgicznym. Skanowanie czy obrazowanie, dzięki którym możemy wykryć zmiany w kościach i innych organach, jest z reguły poprzedzone podaniem pacjentowi substancji promieniotwórczej, której promieniowanie jest następnie monitorowane przez system detektorów. Dzięki podaniu odpowiednich ilości radiofarmaceutyków, które gromadzą się w tkance nowotworowej, można określić zarówno miejsce guza, jak i zniszczyć go, nie niszcząc przy tym zdrowej tkanki w jego sąsiedztwie.

Znaczniki izotopowe pozwalają badać procesy biologiczne zarówno w żywym organizmie (in vivo), jak i po wypreparowaniu tkanek czy płynów ustrojowych (in vitro).

Typowymi izotopami wykorzystywanymi w tym celu są jod ¹³¹I (używany również do terapii radioizotopowej) oraz technet ^99mTc. Część analiz można prowadzić bez kontaktu pacjenta z izotopami promieniotwórczymi. Niektóre izotopy (np. jod ¹²⁵I czy tryt ³H) używane są w rutynowych analizach chemicznych, w których określa się poziom hormonów, czy cechy krwi i moczu. Różne techniki stosujące radionuklidy w medycynie nuklearnej, a ściślej mówiąc - w obrazowaniu organów wewnętrznych, pokazane są schematycznie na rys. 18.17.

Podstawową sprawą w danej procedurze jest uzyskanie właściwego radionuklidu. Ten może powstać w drodze reakcji jądrowej zainicjowanej cząstką-pociskiem z akceleratora, może jednak też być wytworzony w reaktorze jądrowym bądź w drodze naświetlenia tarczy strumieniem neutronów, bądź jako produkt rozszczepienia cięższego nuklidu.

Otrzymana aktywność wyprodukowanych izotopów zależy od kilku czynników, jak:

• strumień cząstek - pocisków O, tj. liczba cząstek przypadająca w czasie 1 s na powierzchnię 1 cm2,
• liczba N jąder w tarczy,
• przekrój czynny a na daną reakcję,
• czas napromienienia t,
• stała rozpadu X produkowanego izotopu promieniotwórczego.

Sprawy te omawialiśmy w rozdz. XII. Otrzymywaną aktywność produkowanych nuklidów promieniotwórczych można obliczyć z bardzo prostego wzoru:


gdzie znaczenie symboli podaliśmy wyżej. Z powyższego wzoru łatwo wynika, że długie naświetlanie (w stosunku do czasu życia produkowanego izotopu) w reaktorze nie jest opłacalne, gdyż naświetlając tarczę dłużej niż około połowy połowicznego okresu zaniku w zasadzie nie zyskujemy na wytwarzanej aktywności, natomiast znakomicie podwyższamy koszt produkcji.

Typowymi reakcjami wykorzystywanymi do produkcji izotopów dla celów medycyny nuklearnej są np.


⁵¹Cr używany jest do znakowania czerwonych ciałek krwi i skanowania śledziony;
⁹⁹Mo jest źródłem („krową") dla ^99mTc („mleka") - najczęściej używanego radionuklidu;
¹³³Xe jest wykorzystywany do badania wentylacji płuc.

Typowym izotopem powstającym w reaktorze i wykorzystywanym w medycynie nuklearnej jest ¹³¹I oraz ⁹⁹Mo - jądro macierzyste dla ^99mTc. Jak pokazywaliśmy wcześniej, pierwszy z tych izotopów jest przydatny w radioterapii. Drugi, ze względu na okres połowicznego zaniku ok. 6 godzin jest silnie eksploatowany w diagnostyce.

Wprowadzenie do organizmu radiofarmaceutyka powoduje, że z interesującego nas narządu wydobywa się promieniowanie gamma, którego natężenie można zmierzyć całościowo, a więc w sposób pozwalający ocenić stopień wchłonięcia się specyfiku, bądź też obejrzeć rozkład natężenia wydobywającego się promieniowania. Taki rozkład jest tożsamy z rozkładem przestrzennym wchłonięcia radiofarmaceutyka przez dany narząd, co pozwala nam wydać diagnozę stanu tego narządu. Najpopularniejszym przyrządem służącym do obserwacji tego typu jest tzw. gamma-kamera, która może być jedno- lub wielogłowicowa, jak pokazana na rys. 18.18.

Wzrastająca potrzeba posiadania izotopów promieniotwórczych dla celów medycznych jest zjawiskiem światowym, szczególnie zaznaczonym w krajach wysoko rozwiniętych. Od roku 1995. w USA zaobserwowano wykładniczy wzrost tego zapotrzebowania. Jak się ocenia, w okresie 2000-2020 zapotrzebowanie na izotopy promieniotwórcze dla samej terapii wzrośnie 100 razy! Podobnego, niemal wykładniczego wzrostu należy spodziewać się w Europie.


Kamera obracając się wokół pacjenta wykonuje serię zdjęć pokazujących rozkład natężenia promieniowania w funkcji kąta, pod którym ono wychodzi z pacjenta. W ostatnim etapie dokonuje się rekonstrukcji obrazu tomograficznego.

Wśród pierwiastków promieniotwórczych jod (I) gra szczególną rolę, gdyż jest łatwo i selektywnie wchłaniany przez tarczycę. Pozwala to na wykorzystanie go w niewielkich dawkach dla celów diagnostycznych, a także może służyć do terapii raka tarczycy, niszczonego promieniowaniem jodu znajdującego się wewnątrz tarczycy. W takiej sytuacji jest stosunkowo łatwo dostosować dawkę terapeutyczną do rozmiaru guza. Izotop jodu ¹³¹I (promieniotwórczość β, γ o połówkowym okresie zaniku 8 dni) od ponad 50 lat jest wykorzystywany do badań czynności tarczycy.

Z kolei ^99mTc (metastabilny stan wzbudzony technetu-99 o okresie połowicznego rozpadu 6 godzin) jest także bardzo dobrym znacznikiem promieniotwórczym, wykorzystywanym do badań mózgu, wątroby, płuc itd. Rad i stront, jako nuklidy promieniotwórcze, są wykorzystywane do badań struktur kostnych.

Najbardziej interesującymi z fizjologicznego punktu widzenia są takie pierwiastki jak C (węgiel), N (azot), O (tlen). Pierwiastki te mają krótkożyciowe izotopy emitujące pozytony i są stosowane w technice PET⁸. W użyciu są następujące emitery pozytonów: ¹¹C, ¹³N, ¹⁵O oraz ¹⁸F (Fluor).

Jest rzeczą oczywistą, że promieniowanie jonizujące, które używane jest dla celów diagnostycznych lub terapeutycznych może też nieść ze sobą negatywne dla zdrowia skutki. W związku z tym, przed podjęciem decyzji o użyciu źródeł promieniotwórczych, naturalnych lub sztucznych, lekarz musi mieć pewność, że zyski z zastosowania procedury są wielokrotnie większe niż potencjalne szkody. Zarówno pacjent, jak i personel medyczny muszą działać w taki sposób, aby zminimalizować narażenie.

8 O tej, jak i innej technice diagnostycznej, SPECT, można dowiedzieć się więcej z wykładu L.Dobrzyński, „Podstawy fizyczne medycyny nuklearnej” http://alpha.uwb.edu.pl/ludwik

18.5 Zastosowanie energii jądrowej w archeologii i historii sztuki⁹

Najpowszechniej chyba znaną metodą jądrową stosowaną w archeologii i historii sztuki jest datowanie, tj. badanie wieku obiektów różnego rodzaju znalezisk archeologicznych, obrazów i innych dzieł sztuki. Dotychczas opracowano kilkanaście metod datowania z wykorzystaniem wiedzy na temat izotopów promieniotwórczych. Dla znalezisk organicznych najbardziej podstawową pozostaje metoda węgla ¹⁴C. Metoda ta opiera się na fakcie, że wszystkie żywe organizmy w trakcie swojego istnienia wymieniają z otoczeniem węgiel. W węglu znaną domieszkę stanowi kosmogenny¹⁰, promieniotwórczy izotop ¹⁴C, o okresie połowicznego zaniku 5730 lat. Po śmierci organizmu „dowóz" węgla z pokarmem ustaje, a zawartość ¹⁴C zaczyna spadać ze względu na rozpad promieniotwórczy tego izotopu. Stąd wiemy, że organizm, u którego jest np. 4 razy mniej węgla radioaktywnego niż normalnie, zmarł 11460 lat temu. Innymi słowy, do takiego datowania można użyć pomiaru stosunku zawartości izotopu ¹⁴C do ¹²C. Na rys. 18.19 pokazany jest spektrometr mas służący właśnie do tego celu.


Za pokazanie możliwości datowania tą metodą Willard Libby otrzymał w roku 1960 Nagrodę Nobla. Zgodnie z obliczeniami Libby'ego, ilość izotopu ¹⁴C na Ziemi jest znikoma: zaledwie 80 ton (98,9% węgla w przyrodzie, to stabilny izotop ¹²C, a niemal cała reszta, ok. 1,1%, to inny izotop stabilny - ¹³C. Zawartość ¹⁴C, to około 10^-10%!). Jego czas życia w zasadzie nie pozwala na dobre wyznaczenie wieku obiektu powyżej około 50 tysięcy lat, natomiast eksperymentalne osiągnięcie precyzji datowania poniżej 100 lat też nie jest łatwe. W datowaniu należy bowiem uwzględniać cały szereg okoliczności, które mogły zmienić w danym okresie względną zawartość izotopu ¹⁴C. Choćby wzmożona aktywność Słońca, zwiększona emisja dwutlenku węgla do atmosfery, prowadzone w swoim czasie próbne wybuchy jądrowe - wszystko to powoduje efektywne zmiany tej zawartości. Natomiast możemy przyjąć z zupełnie dobrym przybliżeniem, że intensywność promieniowania kosmicznego, decydującego o zawartości ¹⁴C w atmosferze w zasadzie nie zmieniała się przez szereg ostatnich tysiącleci a nawet kilkudziesięciu tysięcy lat.

Jeśli aktywność ¹⁴C w chwili przerwania jej przemian (metabolizmu) wynosiła A₀ (aktywność charakterystyczna dla żywego organizmu), natomiast zmierzona i odniesiona do roku 1950-go (przyjęty standard międzynarodowy) aktywność próbki wynosi A, to wiek próbki można obliczyć ze wzoru:


gdzie T_1/2 = 5730 lat.

Niewątpliwie metoda węglowa nie nadaje się do datowania wieku skał i minerałów, podobnie jak samego węgla czy ropy naftowej, gdyż w tym wypadku czas życia izotopu ¹⁴C jest znacznie krótszy i można z dobrym przybliżeniem przyjąć, że tego izotopu po prostu tam nie ma. Tu można efektywnie wykorzystać metody oparte na pomiarze zawartości izotopów ołowiu pochodzących z rozpadów promieniotwórczych uranu i toru. I tak izotopy ²⁰⁶Pb, ²⁰⁷Pb i ²⁰⁸Pb są produktami końcowymi szeregów promieniotwórczych odpowiednio ²³⁸U (T_1/2 = 4,5-10⁹ lat), ²³⁵U (T_1/2 = 0,7-10⁹ lat) i ²³²Th (T_1/2 = 1,2-10¹⁰ lat), których okresy połowicznego zaniku znamy ze względnie dużą dokładnością. Ponieważ wszystkie te trzy izotopy ołowiu wciąż się tworzą, więc znajomość pierwotnych proporcji izotopów oparto na analizie materiałów, w których uran czy tor nie występują, jak w meteorytach żelaznych lub występujących w naturze minerałach typu galeny (kryształów siarczku ołowiu - PbS). W tych standardach powstałe izotopy pochodzą bezpośrednio z nukleosyntezy (należy tu uwzględnić np. izotop ²⁰⁴Pb) oraz z izotopów powstałych w wyniku rozpadów uranu i toru zanim nastąpiło oddzielenie się ołowiu tworzącego galenę. Zawartość pochodzącego wyłącznie z nukleosyntezy ²⁰⁴Pb w badanej próbce jest wskaźnikiem oryginalnej ilości zwykłego ołowiu.

Niewątpliwie zegar mierzący nam czasy geologiczne musi być oparty na izotopach, które rozpadają się w porównywalnych czasach. Oprócz omówionego zegara uranowo-ołowiowego stosuje się także datowanie potasowo-argonowe, w którym korzysta się z faktu, że w 10,7% rozpadów beta izotopu ⁴⁰K tworzy się izotop argonu ⁴⁰Ar. Metoda ta jest stosowana do obiektów o wieku 100 tysięcy do 3 milionów lat. Innym wariantem jest datowanie rubidowo-strontowe, w którym korzystamy z przemiany beta nuklidu  Rb (T_1/2 = 4,8^-10  lat) w ⁸⁷Sr.

Ponieważ liczba jąder pierwiastków wyjściowych zmienia się jak e^-λt, gdzie λ jest stałą rozpadu, podczas gdy liczba jąder pochodnych wzrasta jak 1 - e^-λt, stosunek liczby jąder pochodnych do macierzystych po czasie t wynosi



W datowaniu potasowo-argonowym początkowa wartość N_k/N=0,107. Mając zatem zmierzoną względną zawartość obu izotopów wystarczy podzielić ją przez 0,107 i przyrównać wynik do prawej strony równania (18.2) aby uzyskać wiek t obiektu.

9 W tym paragrafie korzystamy przede wszystkim z materiałów „Czym zajmuje się fizyka i technika jądrowa”, zamieszczonych na stronie internetowej www.ipj.gov.pl
10 Izotop ten tworzy się w wyniku reakcji neutronów spalacyjnych z jądrami azotu. Neutrony zaś powstają w reakcjach kruszenia wysokoenergetycznych protonów z jądrami atmosfery. W wyniku reakcji z tlenem powstaje 14CO₂, który dociera do powierzchni Ziemi i jest przyswajany przez rośliny. Te z kolei są spożywane przez zwierzęta itd.

Dokładność określenia wieku w ewidentny więc sposób zależy od naszej pewności, że od momentu rozpadu liczba jąder macierzystych nie zmieniała się, a także jądra powstałe w szeregu promieniotwórczym, jak np. radon, nie ubywały z próbki. Ponieważ zawartość ¹⁴C w atmosferze nie jest stała w czasie, koniecznością jest kalibrowanie dat otrzymywanych przy użyciu ¹⁴C w oparciu o inne techniki. Jedną z nich jest dendrochronologia, wykorzystująca przyrost słojów drzewnych. Metoda ta pozwala na wyznaczanie okresu około 11400 lat. Dla wyznaczania wieku w granicach 10000 do 30000 lat korzysta się z kalibracji uranowo-torowej korali. Wyniki datowań z użyciem ¹⁴C dotyczą czasów z reguły krótszych niż w powyższych dwóch technikach. Ograniczenie bierze się między innymi ze zmian produkcji ¹⁴C w atmosferze. Dla właściwej kalibracji zawartości ¹⁴C korzysta się zatem z datowania przy pomocy słojów drzewnych, jeśli interesuje nas okres ostatnich 12000 lat, a korali i osadów w jeziorach, jeśli wyznaczamy jeszcze starsze lata. Inną jeszcze techniką datowania¹¹ jest metoda uranowo-torowa. Korale w czasie swego życia pochłaniają uran, w tym izotop ²³⁴U (okres połowicznego zaniku 245500 lat) będący w morzu, nie absorbują jednak też tam obecnego izotopu toru - ²³⁰Th. Gdy koral umrze, ²³⁰Th o okresie połowicznego zaniku 75380 lat, pochodzący z promieniotwórczego rozpadu tego izotopu uranu, kumuluje się w szkielecie korala. Mierząc stosunek zawartości uranu i toru można zatem wyznaczyć wiek korala. Metoda uranowo-torowa wykorzystywana jest do datowania szkieletów, kopalin i zębów, których wiek zawiera się w granicach 10000 do 350000 lat. Jeśli próbka jest starsza niż 30000 lat albo nie zawiera węgla, metoda ta, oparta na promieniowaniu uranu, jest jedyną, dającą się zastosować.

Poniżej podajemy stosunkowo niedawny przykład nietypowej analizy „człowieka lodowego", znalezionego w 1991 roku (rys.18.20).


We wrześniu 1991 roku dwóch turystów znalazło w górach ciało mężczyzny wystające w połowie spod lodu. Człowiek lodowy (nazwany później pieszczotliwie Otzi: zgodnie z rejonem górskim, w którym został znaleziony) zmarł zapewne ponad 4 000 lat temu. Otzi'ego badano ponad 6 lat na Uniwersytecie w Innsbruku. Pomiary zawartości ¹⁴C przeprowadzono (w laboratoriach w Zurichu i Oxfordu), wykorzystując zarówno miligramowe ilości kości i tkanek Otzi'ego, jak i ekwipunku oraz materiałów ewidentnie należących do Otzi'ego, a także osadów zebranych z miejsca znaleziska (badania w Wiedniu). Wiek bez pełnej kalibracji wynosi 4550 lat przed chwilą obecną. Po kalibracji wykorzystującej krzywe otrzymywane ze słoi drzewnych, wiek ustalono na starszy o 650 lat. Analiza ziaren znalezionych w jelitach, jak również minerałów znajdujących się we włosach prowadzi do wniosku, że Otzi szedł z południowego Tyrolu, gdy zaskoczył go śnieg i lód. Ponadto, analizując izotopowy skład węgla i tlenu w zębach i kościach człowieka lodowego, badacze mogą rozróżnić kraj jego wczesnego dzieciństwa i kraj, w którym przebywał później.

Na rys. 18.21 podajemy przykłady obrazów naskalnych, których wiek określono metodą datowania węglem-14. Tradycyjne datowanie węglem polega na pomiarze promieniowania beta izotopu ¹⁴C. Metoda ta wymaga jednak użycia stosunkowo dużej próbki. Na przykład, próbując określić wiek malowidła naskalnego w Altamirze (Płn. Hiszpania), pokazanego w dolnej partii rys. 18.21, musielibyśmy trochę zniszczyć to malowidło. Metody akceleratorowe, a ściśle - spektrometrii masowej, określania zawartości poszczególnych izotopów wymagają znacznie mniejszych ilości próbek. Wystarczyło zeskrobać przy użyciu skalpela ok. 20-40 mg z ciemnego fragmentu malowidła, aby uzyskać węgiel potrzebny do badań. Datowanie węglem-14 węgla drzewnego użytego do malowania tego obrazu pozwoliło ustalić wiek malowidła na 14 000 ± 400 lat.


11 Zarówno o tej, jak i kilku innych metodach datowania można dowiedzieć się nieco więcej na stronach www.ipj.gov.pl w materiale edukacyjnym „Czy zajmuje się fizyka i technika jądrowa”

Do szczególnego rodzaju datowania nadaje się śledzenie zawartości trytu w zamkniętych zbiornikach wodnych. Tryt jest, jak wiadomo kosmogenny, ale też pojawia się w atmosferze wskutek wybuchów jądrowych i awarii reaktorów. Jeśli wraz z opadem dostanie się do wody, a następnie dopływ atmosfery zostanie przerwany, zawartość promieniotwórczego trytu może stanowić też wskaźnik wieku zamkniętego pojemnika (okres połowicznego zaniku trytu, to 2,34 lat). Pomiar nie jest łatwy, gdyż koncentracje trytu są generalnie szalenie małe, więc w pomiarze należy zapewnić nadzwyczajnie niski poziom tła pomiarowego. Na dobrą sprawę, to co się mierzy to jądro pochodne rozpadu trytu, a więc zawartość stabilnego izotopu ³He np. w wodzie gruntowej. Taka woda może spędzać tysiące lat będąc całkowicie odizolowana od atmosfery. Dzięki znanemu czasowi prób z bronią jądrową, można było użyć zwiększonej koncentracji trytu jako swoistego markera czasu. Badając stosunek koncentracji izotopów ³H i ³He można określić „wiek" wody gruntowej, tj. czas, który upłynął od momentu odizolowania się tej wody od atmosfery. Tego rodzaju badania są użyteczne dla oceniania wielkości zasobów wodnych. Jako przykład może posłużyć zbadanie „wieku" wody gruntowej w jednej z oaz w Omanie, gdzie stwierdzono, że „wiek" ten wynosi 5-6 lat. Ponieważ mamy do czynienia z pustynią, oznacza to, że właśnie taki czas jest potrzebny na przesączenie się wody z powierzchni pustyni na głębokość 1000 m. Oznacza to dalej, że opady deszczowe raz na 5 lat wystarczą dla zapewnienia życia w oazie.


Jak bardzo historia odbija się w zamkniętych zbiornikach widać na dosyć zabawnym przykładzie pomiaru koncentracji ¹³⁷Cs w winie Bordeaux¹², patrz rys. 18.22. W przebiegu aktywności cezu-137 odbija się wyraźnie okres wzmożonych prób jądrowych (lata 1955¬1965), jak i awaria reaktora w Czarnobylu (1986 r.). Pokazany przebieg aktywności może stanowić teraz znakomity zegar dla datowania roczników wina Bordeaux. Zmierzone nadzwyczaj słabe aktywności, zawsze mniejsze od ok. 1 Bq/l, wymagają prowadzenia bardzo dokładnych pomiarów. Nie powinny one w żaden sposób odstraszać amatorów wina od picia, gdyż tak niewielkie koncentracje nie są w najmniejszym stopniu szkodliwe dla zdrowia.

Zastosowanie metod jądrowych w historii sztuki, to nie tylko datowanie. Bardzo często jesteśmy zainteresowani podglądaniem warsztatu danego twórcy, a więc zarówno stosowanych farb, jak i pracy nad ostateczną formą dzieła. Nie mniej istotną sprawą jest stwierdzenie, w jaki sposób powinniśmy konserwować dane dzieło sztuki. We wszystkich tych wypadkach metody jądrowe okazują się bardzo użyteczne. Metody te dzielimy¹³ na trzy rodzaje:

• radiografię,
• techniki analityczne,
• oraz analizę izotopową zawartości nuklidów stabilnych

Jak sama nazwa wskazuje, w technice radiografii bada się obraz wiązki promieniowania rentgenowskiego, beta, gamma lub neutronów po przejściu przez badany obiekt. Z jednej strony możemy, dzięki kontrastowi optycznemu, zobaczyć szczegóły obrazu nie widoczne gołym okiem, z drugiej zaś - dzięki możliwości wzbudzenia fluorescencji, zobaczenia rozkładu pierwiastkowego w obiekcie. Takim obiektem może być obraz, skorupa, obiekty drewniane - w zależności od rodzaju materiału któreś z rodzajów promieniowania będzie miało przewagę nad innymi. W typowej rentgenografii obrazu możemy zauważyć zmiany w kompozycji dzieła, a także rozróżnić stare i nowsze warstwy farby. Rozwinięcie się techniki tomografii komputerowej w medycynie zaowocowało rozwinięciem się tej techniki także w historii sztuki, gdyż pozawala ona na badanie poprzecznych przekrojów badanych obiektów sztuki. Taka technika jest szczególnie przydatna przy badaniu np. wnętrza rzeźb. W wypadku obiektów dużych, promieniowanie rentgenowskie jest nazbyt silnie pochłaniane, aby mogło być użyteczne i z tego względu stosuje się tu raczej wysokoenergetyczne promieniowanie gamma np. ze źródła ¹³⁷Cs (661 keV) czy ⁶⁰Co (energie 1,173 i 1,333 MeV). Jako przykład pokazujemy na rys. 18.23 prześwietlenie rzeźby Afrodyty w celu uzyskania informacji o strukturze marmuru użytego w rzeźbie.


Nieco wcześniej podawaliśmy przykład autoradiografii neutronowej, rys. 18.12. Jej istota polega na powstawaniu pod wpływem neutronów izotopów emitujących promieniowanie gamma i/lub beta, które mogą zaświetlać klisze rentgenowską. Niezależnie można badać oczywiście widmo energetyczne wzbudzanego promieniowania, pozwalającego na analizę pierwiastkową np. pigmentu użytego w farbach czy spoiwach malarskich¹⁴. Ponieważ oddziaływanie neutronów i promieniowania rentgenowskiego z pierwiastkami jest inne, pokazany na rys. 18.13 autoradiogram ujawniający pierwotny zamysł Tintoretta jest różny od rentgenogramu tego samego obrazu, na którym widać portret innego mężczyzny niż admirała uwidocznionego w powłoce zewnętrznej obrazu.

12 F.Hubert, Ph.Hubert, Nuclear Physics News 13 (2003), No.1, 34
13 wg E.Pańczyk, Zastosowanie Technik Jądrowych w Konserwacji i Identyfikacji Dzieł Sztuki,
w „Promieniowanie jako źródło informacji o właściwościach materii”, Polskie Towarzystwo Nukleoniczne, Warszawa (2001), str. 107-119
14 ibid

Jak wspomnieliśmy, dzięki wzbudzaniu fluorescencji przy naświetlaniu neutronami, możemy wykonać analizę pierwiastkową obiektu. Innymi słowy, wykorzystujemy tu neutronową analizę aktywacyjną, która pozwala na jednoczesne zidentyfikowanie kilkudziesięciu pierwiastków w bardzo niewielkiej ilości materiału, rzędu 0,5 mg! Metoda ta stosowana jest w badaniu pigmentów, ceramik, stopów miedzi, kamieni takich, jak marmur, alabaster czy piaskowiec. W tego typu analizach można także wykorzystywać fakt, że różne zaaktywowane izotopy promieniotwórcze mają różne okresy połowicznego zaniku. Pozwala to nastawić się na obserwację konkretnego izotopu pierwiastka, który powinien występować np. w określonym pigmencie. W Instytucie Chemii i Techniki Jądrowej w Warszawie prowadzi się tą techniką prace nad malarstwem tablicowym i znaleziskami archeologicznymi. W badaniach tych szczególną uwagę poświęca się oznaczaniu pierwiastków śladowych w bieli ołowiowej i zaprawach kredowych. Rozkład ten bowiem jest charakterystyczny dla danej szkoły malarskiej, korzystającej z konkretnych źródeł zaopatrzenia w pigmenty. W podobny sposób można starać się ustalić miejsce pochodzenia kamienia, z którego wykonano daną rzeźbę.

Materiały pochodzące z różnych źródeł, o różnej przeszłości geologicznej, charakteryzują się też różnymi stosunkami zawartości nuklidów stabilnych, jako że stosunki te kształtują się w chwili tworzenia danego złoża. Stosunki izotopowe ołowiu w monetach, brązach i szkłach, a także niektórych pigmentach, stosunki izotopowe tlenu i strontu w marmurach, siarki w ultramarynie naturalnej, to tylko przykłady zastosowań analizy stosunków izotopowych izotopów stabilnych. Analiza ta pozwala historykom sztuki na stwierdzenie autentyczności obiektu, a archeologom dowiedzieć się o szlakach handlowych pomiędzy starodawnymi krajami.

Na końcu warto wspomnieć też o radiacyjnej dezynfekcji, tj. wykorzystaniu promieniowania jonizującego do zniszczenia flory bakteryjnej, pleśni, grzybów i owadów uszkadzających powierzchnie obiektów o wartości historycznej. Wykorzystuje się w tym celu zarówno źródła promieniowania gamma (cezowe lub kobaltowe), jak i wiązki elektronów z akceleratorów elektronów. W Polsce ta technika jest głównie rozwijana w Międzyresortowym Instytucie Techniki Radiacyjnej Politechniki Łódzkiej oraz w Instytucie Chemii i Techniki Jądrowej w Warszawie. Przy pomocy promieniowania można też zestalić płynne monomery i żywice syntetyczne. Wprowadzając płynną masę w pory materiału, a następnie przekształcając ją w ciało stałe, możemy dokonać zespolenia (konsolidacji radiacyjnej) drewna, kamienia, betonu, wyrobów ceramicznych itp.

Jako przykład pierwszej metody może posłużyć przypadek konserwacji mumii Ramzesa II, rys. 18.24, która została zainfekowana przez szybko rozmnażający się grzyb, zagrażający konserwacji mumii. W tej sytuacji zadecydowano o przesłaniu mumii z Kairu do Paryża, gdzie mumię naświetlono promieniowaniem γ.

18.6 Przykłady przemysłów i narażenia na promieniowanie jonizujące pochodzące z naturalnych źródeł¹⁵

Kończąc przegląd technik, w których energia jądrowa wykorzystywana jest w inny sposób lub do innych celów niż dotychczas omawiane, chcielibyśmy w niniejszym paragrafie dać przegląd przemysłów, w których wykorzystywane są naturalne źródła promieniotwórcze oraz podać typowe narażenie personelu na promieniowanie jonizujące na stanowiskach pracy. Dziś izotopy promieniotwórcze znajdują różnorakie zastosowania. Część omówiliśmy już wcześniej. Podsumujmy jednak:

• w badaniu złóż i wydobyciu ropy przy pomocy izotopów określa się skład gleby, mierzy poziom ropy, sprawdza szczelność zbiorników i migrację ropy, bada zawartość węgla i popiołu, wreszcie - sprawdza się słuszność modeli matematycznych związanych z badaniem złóż;
• w przemyśle chemicznym korzysta się z izotopów promieniotwórczych do pomiaru szybkości przepływu cieczy, sprawdzania wycieków, postępowania korozji, kontroluje się przebiegi procesów chemicznych;
• w przemyśle budowlanym mierzy się skład betonu i cementu, a także tempo przepływu cementu;
• w przemyśle metalowym mamy do czynienia z defektoskopią spawów i badaniami wewnętrznej struktury metalu, bada się ścieranie, a także przepływ metali płynnych;
• w przemyśle papierniczym bada się grubość papieru, o czym już mówiliśmy, ale także kontroluje się właściwą preparatykę papieru;
• w badaniach materiałowych korzysta się z izotopów do badania składu i struktury materiału, polimeryzacji i pomiarów grubości powłok
• w rolnictwie promieniowanie użytych izotopów służy do pozbywania się insektów czy utrwalania żywności
• w przemyśle kosmetycznym promieniowanie służy do higienizacji kosmetyków
• w przemyśle na usługach medycyny promieniowanie (np. z ⁶⁰Co) służy do sterylizacji sprzętu medycznego
• w badaniach środowiskowych izotopy promieniotwórcze służą do badania zawartości szkodliwych substancji w atmosferze i w wodach, w uzdatnianiu ścieków i odpadów przemysłowych.

We wszystkich tych wypadkach mamy do czynienia z narażeniem personelu obsługi w stopniu przedstawionym w Tabeli 18.1. Rozdział ten kończymy przeglądem typowych zastosowań niektórych izotopów promieniotwórczych.

15 wg. biuletynu: „Bezpieczeństwo jądrowe i ochrona radiologiczna” tom 37, nr 1, rok 1999, str. 17 i 18. Szczegółowe przepisy dotyczące narażenia zawodowego - patrz http://www.paa.gov.pl

18.7 Typowe zastosowania niektórych izotopów promieniotwórczych

Ameryk-241 (²⁴¹Am) - czujniki dymu, pomiary zawartości toksycznego ołowiu w suchych farbach, zapewnienie jednorodnej gęstości materiału produkowanego taśmowo, jak np. papieru

Wapń-47 (⁴⁷Ca) - biomedyczne badania funkcjonowania komórek i rozwoju kości u ssaków

Kaliforn-252 (²⁵²Cf) - wykrywanie materiałów wybuchowych w bagażu pasażerów linii lotniczych, pomiary wilgotności materiałów przechowywanych w silosach i gleb używanych w konstrukcji dróg oraz wilgotności materiałów używanych w konstrukcjach budowlanych

Węgiel-14 (¹⁴C) - datowanie znalezisk, badania nowych lekarstw celem sprawdzenia braku ich szkodliwości

Cez-137 (¹³⁷Cs) - terapia nowotworów, pomiary dawkowania promieniotwórczych radiofarmaceutyków, pomiary przepływów cieczy w rurociągach, zapewnienie odpowiedniego zapełnienia opakowań żywności i innych produktów (zbadane produkty nie stają się, oczywiście, promieniotwórcze)

Chrom-51 (⁵¹Cr) - badania przeżywalności czerwonych ciałek krwi

Kobalt-57 (⁵⁷Co) - medycyna nuklearna, badania podstawowe w fizyce ciała stałego

Kobalt-60 (⁶⁰Co) - sterylizacja narzędzi chirurgicznych, konserwacja żywności (drób, owoce, przyprawy)

Jod-123 (¹²³I) - diagnostyka tarczycy

Iryd-192 (¹⁹²Ir) - testowanie jakości spawów w rurociągach, bojlerach i częściach samolotów

Nikiel-63 (⁶³Ni) - detekcja materiałów wybuchowych, regulatory napięcia w układach elektronicznych

Fosfor-32 (³²P) - badania z zakresu biologii molekularnej

Pluton (²³⁸Pu, ²³⁹Pu) - paliwo jądrowe, baterie do napędów statków kosmicznych

Polon-210 (²¹⁰Po) - redukcja ładunku elektrostatycznego w produkcji błon fotograficznych i płyt gramofonowych

Sód-24 (²⁴Na) - detekcja miejsc wycieku w przemysłowych rurociągach

Technet-99 (^99mTc) - izotop najbardziej wykorzystywany w medycynie nuklearnej do diagnostyki organów wewnętrznych (litera 'm" oznacza stan metastabilny izotopu o długim okresie połowicznego zaniku)

Tor-229 (²²⁹Th) - podtrzymywanie czasu świecenia fluorescencyjnego; tor, jako pierwiastek, używany jest także jako dodatek do wolframu w elektrodach spawalniczych. Daje on większą stabilność iskry i mniejsze zanieczyszczenia spawu

Tryt (³H) - badania metabolizmu nowych leków, farby świecące

Uran (²³⁵U) - paliwo jądrowe, dodatek do szkła fluoryzującego

Ksenon-133 (¹³³Xe) - badania wentylacji płuc i przepływu krwi w medycynie nuklearnej