Radiactividad ambiental

La radiactividad ambiental es producida por materiales radiactivos en el entorno humano. Mientras que algunos radioisótopos, como el estroncio-90 (Sr) y el tecnecio-99 (Tc), solo se encuentran en la Tierra como resultado de la actividad humana, y algunos, como el potasio-40 (K), solo están presentes debido a procesos naturales., unos pocos isótopos, por ejemplo, el tritio (H), resultan tanto de procesos naturales como de actividades humanas. La concentración y ubicación de algunos isótopos naturales, particularmente el uranio-238 (U), pueden verse afectados por la actividad humana.

Nivel de fondo en suelos

La radiactividad está presente en todas partes y lo ha estado desde la formación de la tierra. La radiactividad natural detectada en el suelo se debe predominantemente a los siguientes cuatro radioisótopos naturales: K, Ra, U y Th. En un kilogramo de suelo, el potasio-40 asciende a un promedio de 370 Bq de radiación, con un rango típico de 100 a 700 Bq; los demás contribuyen cada uno con unos 25 Bq, con rangos típicos de 10 a 50 Bq (7 a 50 Bq para el Th). Algunos suelos pueden variar mucho de estas normas.

Limo de mar y río

Un informe reciente sobre el río Sava en Serbia sugiere que muchos de los sedimentos del río contienen alrededor de 100 Bq kg de radioisótopos naturales (Ra, Th y U). Según Naciones Unidas, la concentración normal de uranio en el suelo oscila entre 300 μg kg y 11,7 mg kg. Es bien sabido que algunas plantas, llamadas hiperacumuladoras, son capaces de absorber y concentrar metales dentro de sus tejidos; El yodo se aisló por primera vez de las algas en Francia, lo que sugiere que las algas son hiperacumuladoras de yodo.

Los radioisótopos sintéticos también se pueden detectar en el limo. Busby cita un informe sobre la actividad del plutonio en los sedimentos intermareales de Gales de Garland et al. (1989), que sugiere que cuanto más cerca está un sitio de Sellafield, mayor es la concentración de plutonio en el limo. Se puede ver alguna relación entre la distancia y la actividad en sus datos, cuando se ajustan a una curva exponencial, pero la dispersión de los puntos es grande (R = 0,3683).

Artificial

La radiactividad adicional en la biosfera causada por la actividad humana debido a las emisiones de radiactividad artificial y de materiales radiactivos naturales (NORM) se puede dividir en varias clases.

1. Liberaciones autorizadas normales que ocurren durante la operación regular de una planta o proceso que maneja materiales radiactivos hechos por el hombre.
   • Por ejemplo, la liberación de Tc de un departamento de medicina nuclear de un hospital que ocurre cuando una persona que recibe un agente de formación de imágenes de Tc expulsa el agente.
2. Emisiones de materiales radiactivos hechos por el hombre que ocurren durante un accidente industrial o de investigación.
   • Por ejemplo, el accidente de Chernóbil.
3. Liberaciones que ocurren como resultado de la actividad militar.
   • Por ejemplo, una prueba de armas nucleares.
4. Liberaciones que se producen como resultado de un delito.
   • Por ejemplo, el accidente de Goiânia donde los ladrones, desconociendo su contenido radiactivo, robaron algunos equipos médicos y, como resultado, varias personas quedaron expuestas a la radiación.
5. Emisiones de materiales radiactivos naturales (NORM) como resultado de la minería, etc.
   • Por ejemplo, la liberación de trazas de uranio y torio en el carbón, cuando se quema en centrales eléctricas.

La agricultura y la transferencia a los humanos de la radiactividad depositada

El hecho de que un radioisótopo caiga en la superficie del suelo no significa que vaya a entrar en la cadena alimentaria humana. Después de su liberación al medio ambiente, los materiales radiactivos pueden llegar a los humanos a través de diferentes rutas, y la química del elemento suele dictar la ruta más probable.

El material radiactivo transportado por el aire puede tener un efecto en los seres humanos a través de una variedad de rutas.

Vacas

Jiří Hála afirma en su libro de texto "Radiactividad, radiación ionizante y energía nuclear" que el ganado solo pasa una minoría del estroncio, cesio, plutonio y americio que ingieren a los humanos que consumen leche y carne. Usando la leche como ejemplo, si la vaca tiene una ingesta diaria de 1000 Bq de los isótopos anteriores, entonces la leche tendrá las siguientes actividades.

• Sr, 2 Bq/L
• CS, 5 Bq/L
• Pu, 0,001 Bq/L
• Am, 0,001 Bq/L

Suelo

El libro de texto de Jiří Hála establece que los suelos varían mucho en su capacidad para unir radioisótopos, las partículas de arcilla y los ácidos húmicos pueden alterar la distribución de los isótopos entre el agua del suelo y el suelo. El coeficiente de distribución K _d es la relación entre la radiactividad del suelo (Bq g) y la del agua del suelo (Bq ml). Si la radiactividad está estrechamente ligada a los minerales del suelo, los cultivos y la hierba que crece en el suelo pueden absorber menos radiactividad.

• Cs-137 K _d = 1000
• Pu-239 K _d = 10000 a 100000
• Sr-90 K _d = 80 a 150
• I-131 K _d = 0,007 a 50

La prueba de la trinidad

Una fuente dramática de radiactividad hecha por el hombre es una prueba de armas nucleares. La trinitita vítrea creada por la primera bomba atómica contiene radioisótopos formados por activación de neutrones y fisión nuclear. Además, están presentes algunos radioisótopos naturales. Un artículo reciente informa sobre los niveles de radioisótopos de vida prolongada en la trinitita. La trinitita se formó a partir de feldespato y cuarzo que fueron derretidos por el calor. Se utilizaron dos muestras de trinitita, la primera (barras del lado izquierdo del gráfico) se tomó entre 40 y 65 metros de la zona cero, mientras que la otra muestra se tomó más lejos de la zona cero.

El Eu (vida media 13,54 años) y Eu (vida media 8,59 años) se formaron principalmente por la activación neutrónica del europio en el suelo, está claro que el nivel de radiactividad de estos isótopos es más alto donde la dosis de neutrones al suelo era más grande Parte del Co (vida media 5,27 años) se genera por la activación del cobalto en el suelo, pero parte también se generó por la activación del cobalto en la torre de acero (100 pies). Este Co de la torre se habría esparcido por el sitio reduciendo la diferencia en los niveles del suelo.

El Ba (vida media de 10,5 años) y Am (vida media de 432,6 años) se deben a la activación neutrónica del bario y el plutonio dentro de la bomba. El bario estaba presente en forma de nitrato en los explosivos químicos utilizados, mientras que el plutonio era el combustible fisionable utilizado.

El nivel de Cs es mayor en la muestra que estaba más alejada del punto cero; se cree que esto se debe a que los precursores de Cs (I y Xe) y, en menor grado, el propio cesio son volátiles. Los radioisótopos naturales en el vidrio son casi iguales en ambos lugares.

Productos de activación

La acción de los neutrones sobre los isótopos estables puede formar radioisótopos, por ejemplo, el bombardeo de neutrones (activación de neutrones) de nitrógeno-14 forma carbono-14. Este radioisótopo puede liberarse del ciclo del combustible nuclear; este es el radioisótopo responsable de la mayor parte de la dosis experimentada por la población como resultado de las actividades de la industria de la energía nuclear.

Las pruebas de bombas nucleares han aumentado la actividad específica del carbono, mientras que el uso de combustibles fósiles la ha disminuido. Consulte el artículo sobre datación por radiocarbono para obtener más detalles.

Productos de fisión

Los vertidos de las centrales nucleares dentro del ciclo del combustible nuclear introducen productos de fisión en el medio ambiente. Las emisiones de las plantas de reprocesamiento nuclear tienden a ser radioisótopos de vida media a larga; esto se debe a que el combustible nuclear se deja enfriar durante varios años antes de disolverse en el ácido nítrico. Las emisiones de accidentes de reactores nucleares y detonaciones de bombas contendrán una mayor cantidad de radioisótopos de vida corta (cuando las cantidades se expresan en actividad Bq)).

De corta duración

Un ejemplo de un producto de fisión de vida corta es el yodo-131, que también se puede formar como un producto de activación mediante la activación neutrónica del telurio.

Tanto en la lluvia radiactiva como en la liberación de un accidente en un reactor de potencia, los isótopos de vida corta hacen que la tasa de dosis en el primer día sea mucho más alta que la que se experimentará en el mismo sitio muchos días después. Esto es cierto incluso si no se realizan intentos de descontaminación. En los gráficos a continuación, se muestran la tasa de dosis gamma total y la parte de la dosis debida a cada isótopo principal liberado por el accidente de Chernobyl.

Vida media

Un ejemplo de vida media es Cs, que tiene una vida media de 30 años. El cesio se libera en la lluvia radiactiva de las bombas y en el ciclo del combustible nuclear. Se ha escrito un artículo sobre la radiactividad en las ostras encontradas en el Mar de Irlanda, que se encontró mediante espectroscopia gamma que contenían Ce, Ce, Ru, Ru, Cs, Zr y Nb. Además, se encontró un producto de activación de zinc (Zn), que se cree que se debe a la corrosión del revestimiento de combustible magnox en los estanques de enfriamiento. La concentración de todos estos isótopos en el Mar de Irlanda atribuible a instalaciones nucleares como Sellafield ha disminuido significativamente en las últimas décadas.

Una parte importante de la liberación de Chernobyl fue el cesio-137, este isótopo es responsable de gran parte de la exposición externa a largo plazo (al menos un año después del incendio) que ha ocurrido en el sitio. Los isótopos de cesio en la lluvia radioactiva han tenido un efecto en la agricultura. [2]

Se liberó una gran cantidad de cesio durante el accidente de Goiânia, donde se robó una fuente radiactiva (hecha para uso médico) y luego se rompió durante un intento de convertirla en chatarra. El accidente podría haberse detenido en varias etapas; primero, los últimos propietarios legales de la fuente no hicieron arreglos para que la fuente se almacenara en un lugar seguro y protegido; y segundo, los chatarreros que se lo llevaron no reconocieron las marcas que indicaban que se trataba de un objeto radiactivo.

Soudek et al. informaron en 2006 detalles de la absorción de Sr y Cs en girasoles cultivados en condiciones hidropónicas. El cesio se encontró en las nervaduras de las hojas, en el tallo y en las hojas apicales. Se encontró que el 12% del cesio ingresó a la planta y el 20% del estroncio. Este documento también informa detalles del efecto de los iones de potasio, amonio y calcio en la absorción de los radioisótopos.

El cesio se une fuertemente a los minerales arcillosos como la ilita y la montmorillonita; por lo tanto, permanece en las capas superiores del suelo, donde las plantas con raíces poco profundas (como el pasto) pueden acceder a él. Por lo tanto, la hierba y los hongos pueden transportar una cantidad considerable de Cs que pueden transferirse a los humanos a través de la cadena alimentaria. Una de las mejores contramedidas en la ganadería lechera contra el Cs es mezclar el suelo arándolo profundamente. Esto tiene el efecto de poner el Cs fuera del alcance de las raíces superficiales de la hierba, por lo que se reducirá el nivel de radiactividad en la hierba. Además, después de una guerra nuclear o un accidente grave, la eliminación de unos pocos centímetros superiores de suelo y su entierro en una zanja poco profunda reducirá la dosis gamma a largo plazo para los humanos debido aCs como los fotones gamma serán atenuados por su paso a través del suelo. Cuanto más alejada esté la zanja de los humanos y cuanto más profunda sea la zanja, mejor será el grado de protección que se brindará a la población humana.

En la ganadería, una contramedida importante contra Cs es alimentar a los animales con un poco de azul de Prusia. Este compuesto de cianuro de hierro y potasio actúa como un intercambiador de iones. El cianuro está tan unido al hierro que es seguro para un ser humano comer varios gramos de azul de Prusia por día. El azul de prusia reduce la vida media biológica (que no debe confundirse con la vida media nuclear) del cesio). La vida media física o nuclear deCs es de unos 30 años, que es una constante y no se puede cambiar; sin embargo, la vida media biológica cambiará según la naturaleza y los hábitos del organismo para el que se exprese. El cesio en humanos normalmente tiene una vida media biológica de entre uno y cuatro meses. Una ventaja adicional del azul de Prusia es que el cesio que se extrae del animal en los excrementos se encuentra en una forma que no está disponible para las plantas. Por lo tanto, evita que el cesio sea reciclado. La forma de azul de Prusia requerida para el tratamiento de humanos o animales es de un grado especial. Los intentos de usar el grado de pigmento que se usa en las pinturas no han tenido éxito.

Larga vida

Los ejemplos de isótopos de larga vida incluyen el yodo-129 y el Tc-99, que tienen vidas medias nucleares de 15 millones y 200 000 años, respectivamente.

Plutonio y los demás actínidos

En la cultura popular, al plutonio se le atribuye ser la máxima amenaza para la vida y la integridad física, lo cual está mal; Si bien es poco probable que ingerir plutonio sea bueno para la salud, otros radioisótopos como el radio son más tóxicos para los humanos. De todos modos, la introducción de elementos transuránicos como el plutonio en el medio ambiente debe evitarse siempre que sea posible. Actualmente, las actividades de la industria del reprocesamiento nuclear han sido objeto de un gran debate, ya que uno de los temores de quienes se oponen a la industria es que grandes cantidades de plutonio se manejen mal o se liberen al medio ambiente.

En el pasado, una de las mayores liberaciones de plutonio al medio ambiente ha sido la prueba de bombas nucleares.

• Esas pruebas en el aire esparcieron algo de plutonio por todo el globo; esta gran dilución del plutonio ha dado como resultado que la amenaza para cada persona expuesta sea muy pequeña, ya que cada persona está expuesta a una cantidad muy pequeña.
• Las pruebas subterráneas tienden a formar roca fundida, que se enfría rápidamente y sella los actínidos en la roca, dejándolos así incapaces de moverse; nuevamente, la amenaza para los humanos es pequeña a menos que se excave el sitio de la prueba.
• Los ensayos de seguridad en los que las bombas fueron objeto de accidentes simulados representan la mayor amenaza para las personas; algunas áreas de tierra utilizadas para tales experimentos (realizados al aire libre) no se han liberado completamente para uso general a pesar de que en un caso se llevó a cabo una descontaminación exhaustiva.

Natural

Productos de activación de los rayos cósmicos.

Los isótopos cosmogénicos (o nucleidos cosmogénicos) son isótopos raros creados cuando un rayo cósmico de alta energía interactúa con el núcleo de un átomo in situ. Estos isótopos se producen dentro de materiales terrestres como rocas o suelo, en la atmósfera terrestre y en elementos extraterrestres como meteoritos. Al medir los isótopos cosmogénicos, los científicos pueden obtener información sobre una variedad de procesos geológicos y astronómicos. Hay isótopos cosmogénicos radiactivos y estables. Algunos de estos radioisótopos son el tritio, el carbono-14 y el fósforo-32.

Modos de producción

Aquí hay una lista de radioisótopos formados por la acción de los rayos cósmicos en la atmósfera; la lista también contiene el modo de producción del isótopo. Estos datos fueron obtenidos del informe SCOPE50, ver tabla 1.9 del capítulo 1.

Transferencia a tierra

El nivel de berilio-7 en el aire está relacionado con el ciclo de las manchas solares, ya que la radiación del sol forma este radioisótopo en la atmósfera. La velocidad a la que se transfiere del aire al suelo está controlada en parte por el clima.

La tasa de entrega de Be-7 del aire al suelo en Japón (fuente M. Yamamoto

et al.,

Journal of Environmental Radioactivity, 2006,

86, 110-131)

Aplicaciones en geología enumeradas por isótopo

Aplicaciones de citas

Debido a que los isótopos cosmogénicos tienen vidas medias largas (entre miles y millones de años), los científicos los encuentran útiles para la datación geológica. Los isótopos cosmogénicos se producen en o cerca de la superficie de la Tierra y, por lo tanto, se aplican comúnmente a problemas de medición de edades y tasas de eventos y procesos geomórficos y sedimentarios.

Las aplicaciones específicas de los isótopos cosmogénicos incluyen:

• datación por exposición de las superficies terrestres, incluidos lechos rocosos erosionados por glaciares, escarpas de fallas, escombros de deslizamientos de tierra
• datación de entierro de sedimentos, lecho rocoso, hielo
• medición de las tasas de erosión en estado estacionario
• Datación absoluta de la materia orgánica (datación por radiocarbono)
• datación absoluta de masas de agua, medición de tasas de transporte de aguas subterráneas
• datación absoluta de meteoritos, superficies lunares

Métodos de medición de los isótopos de vida larga

Para medir los isótopos cosmogénicos producidos dentro de los materiales terrestres sólidos, como las rocas, las muestras generalmente se someten primero a un proceso de separación mecánica. La muestra se tritura y el material deseable, como un mineral en particular (cuarzo en el caso de Be-10), se separa del material no deseado mediante una separación por densidad en un medio líquido pesado como tungstato de sodio y litio (LST). Luego, la muestra se disuelve, se agrega un portador de isótopo común (vehículo Be-9 en el caso de Be-10) y la solución acuosa se purifica hasta obtener un óxido u otro sólido puro.

Finalmente, la relación entre el isótopo cosmogénico raro y el isótopo común se mide mediante espectrometría de masas con acelerador. A continuación, se calcula la concentración original de isótopo cosmogénico en la muestra utilizando la relación isotópica medida, la masa de la muestra y la masa del portador añadido a la muestra.

Radio y radón de la descomposición de actínidos de vida larga

El radio y el radón están en el medio ambiente porque son productos de descomposición del uranio y el torio.

El radón (Rn) liberado en el aire se descompone en Pb y otros radioisótopos, y se pueden medir los niveles de Pb. La tasa de deposición de este radioisótopo depende del clima. A continuación se muestra un gráfico de la tasa de deposición observada en Japón.

Datacion de uranio-plomo

La datación con uranio-plomo generalmente se realiza en el mineral circón (ZrSiO ₄), aunque se pueden usar otros materiales. Zircon incorpora átomos de uranio en su estructura cristalina como sustitutos de zirconio, pero rechaza fuertemente el plomo. Tiene una alta temperatura de bloqueo, es resistente a la intemperie mecánica y es químicamente inerte. Zircon también forma múltiples capas de cristal durante los eventos metamórficos, cada uno de los cuales puede registrar una edad isotópica del evento. Éstos se pueden fechar mediante una microsonda de iones SHRIMP.

Una de las ventajas de este método es que cualquier muestra proporciona dos relojes, uno basado en la descomposición del uranio-235 en plomo-207 con una vida media de aproximadamente 703 millones de años, y otro basado en la descomposición del uranio-238 en plomo-206 con una vida media de alrededor de 4.500 millones de años, lo que proporciona una verificación cruzada incorporada que permite una determinación precisa de la edad de la muestra incluso si se ha perdido parte del plomo.