Česká republika využívá jadernou energetiku a plánuje provozovat jaderné elektrárny i v budoucnu. Pokud chceme zjistit, zda svým provozem nezvyšují množství radionuklidů ve svém okolí, je třeba je monitorovat jak v blízkosti elektrárny, tak v referenčních vzdálených oblastech. Vypovídající, ale také náročné, je sledování radionuklidů, jejichž měření je dominantně založeno na detekci elektronů vyzářených v rozpadu beta a nevyzařují záření gama. Mezi jejich zdroje patří i izotopy uhlíku ¹⁴C, jódu ¹²⁹I a izotop vodíku ³H, tedy tritium. Jejich sledováním v životním prostředí se zabývá oddělení dozimetrie záření Ústavu jaderné fyziky AV ČR.

Studium radioaktivního uhlíku ¹⁴C
 
Radioaktivní uhlík ¹⁴C má poločas rozpadu 5730 let. Přirozenou cestou vzniká v interakci jader (většinou protonů a helia) vysokoenergetického kosmického záření s jádry v atmosféře Země. Jádra radioaktivního uhlíku tak vznikají a postupně se rozpadají. Vytváří se tak rovnovážný stav, kdy je v atmosféře i živých organismech, které si vyměňují uhlík s okolím, zhruba konstantní relativní množství radioaktivního uhlíku ¹⁴C vůči stabilnímu izotopu tohoto prvku. Toho se využívá například při známém způsobu datování nalezených pozůstatků živých organismů. Tok kosmického záření přicházejícího z vesmíru se mění a mění se, i když pouze v řádu jednotek procent, i relativní poměr radioaktivního uhlíku. Proto musíme v případě, že chceme stáří vzorku zjistit s vysokou přesností, vývoj úrovně zastoupení radioaktivního uhlíku v historii určit. K tomu se třeba využívá stanovení obsahu radioaktivního uhlíku v letokruzích velmi dlouho žijících stromů. Podrobnosti jsou popsány v článku  o tom, co nám může přinést studium množství radioaktivního uhlíku v atmosféře.

V posledních staletích bylo zastoupení radioaktivního uhlíku v atmosféře velmi silně ovlivněno lidskou činností. Nejdříve začalo v polovině devatenáctého století klesat vlivem tzv. Suessova efektu. Ten vzniká tím, že se spalováním fosilních paliv technickou civilizací dostává do atmosféry fosilní uhlík, který díky svému stáří už dávno neobsahuje radioaktivní izotop a jeho koncentrace v atmosféře se tak zřeďuje. Po druhé světové válce se pak velké množství radioaktivního uhlíku dostalo do atmosféry při testech jaderných bomb. V maximu v první polovině šedesátých let stouplo relativní zastoupení radioaktivního uhlíku v atmosféře až na dvojnásobek. Pak, díky postupnému omezování zkoušek jaderných zbrání až jejich zákazu, se začalo toto zastoupení poměrně rychle snižovat. Bylo to dáno tím, jak se radioaktivní uhlík z atmosféry postupně přesunoval do jiných rezervoárů uhlíku v přírodě. Tento pokles měl zhruba exponenciální průběh až do konce osmdesátých let. V té době bylo  zastoupení radioaktivního uhlíku zhruba něco přes deset procent nad referenční úrovní a rychlost jeho poklesu přesunem do jiných rezervoárů se významně snížila. V devadesátých letech tak začal opět dominovat pokles způsobený zřeďováním daným spalováním fosilního uhlíku a jeho přesunem do atmosféry, tedy zmíněným Suessovým efektem. Grafy dokumentující tento vývoj jsou v již zmíněném dřívějším článku.

Zvětšit obrázek

Pro určování koncentrace radioaktivního se využívá kopřiva (Kredit: www.zivotnistyl.cz)

Při zkoumání toho, jestli se zmíněný radioizotop nedostává z jaderné elektrárny do okolí, je třeba zjistit rozdíly oproti jeho zastoupení způsobeného procesy popsanými v předchozích odstavcích. Je tak třeba měřit v okolí elektrárny a také v referenčních oblastech od elektrárny vzdálených. Při těchto srovnávacích studiích je potřeba řešit řadu těžkostí. Měření je potřeba provádět s dostatečnou přesností v řádu jednotek procent. Problém přináší to, že obsah oxidu uhličitého i koncentrace radioaktivních jader ¹⁴C v něm podléhá sezonním změnám a mění se v průběhu roku. Zároveň je transport uhlíku ovlivňován životními procesy lesů a další vegetace v dané oblasti. Podrobnosti o tom, jak se měří oxid uhličitý v atmosféře, jsou v článku „Jak se měří množství oxidu uhličitého v atmosféře“. 

Ve většině případů se koncentrace radioaktivního izotopu ¹⁴C v biotopech určuje ze vzorků listí opadavých dřevin nebo některých zemědělských plodin. Kolega Ivo Světlík provedl se svými kolegy řadu měření obsahu radioaktivního uhlíky v rostlinném materiálu z okolí elektrárny i referenčních vzdálených oblastí. Problémem s využitím listí opadavých dřevin i řady sezónních zemědělských plodin je, že jejich vegetační období, kdy se produkuje biomasa odebíraná pro vzorky, je často velmi krátké. Pokrývá tak jen krátké období, zhruba duben a květen. Zároveň mohou být tato období v různých oblastech vlivem různých mikroklimatických podmínek vzájemně posunutá.  O rozsáhlých období v roce tím ztrácíme informace. Kolegové tak hledali možnosti, jak zvýšit přesnost měření a dosáhnout pokrytí větší části roku. Jednou z cest, po které se vydali, spočívá ve využití kopřiv jako standardního materiálu. Mají velmi dlouhé vegetační období, vytváří biomasu v období od dubna až do konce října. Kopřivy lze najít téměř všude, většinou v dosahu pár desítek metrů od místa, které potřebujeme zkoumat a s ničím se nedá splést. U nás se vyskytují kopřiva dvoudomá a žahavá (Urtica dioica a Urtica urens)

Zvětšit obrázek

Kolektiv oddělení dozimetrie záření. Druhý zprava zezadu vykukuje kolega Ivo Světlík, který je náš hlavní expert na monitorování radioaktivního uhlíku.

Spálením získaného vzorku a převedením uhlíku v něm do vhodné formy se umožní jeho vpravení přímo do scintilační kapaliny, která pak umožňuje detekci elektronů vyzařovaných v radioaktivním rozpadu izotopu ¹⁴C ve scintilačním detektoru. Srovnání měření provedených pomocí analýzy kopřiv a listí opadavých stromů ukazují, že se výrazně snížil rozptyl jednotlivých získaných hodnot. Zároveň se hodnoty získané oběma metodami v mezích nepřesnosti shodují.

Srovnání vzorků v bezprostředním sousedství elektráren Temelín a Dukovany se vzorky v referenčních vzdálených oblastech ukazuje, že přímo v elektrárně a v jejím bezprostředním sousedství bylo v dané studii pozorováno zvýšené množství radioaktivního uhlíku. Jde však o velmi mírné zvýšení, okolo 0,5 %, ležící v hranicích jedné směrodatné odchylky. Při využití kopřiv je však díky vyšší přesnosti metody daleko průkaznější. V každém případě se hodnoty pohybují v rámci hodnot, které představují variace mezi různými lokalitami a obdobími. A nepředstavují žádné zvýšení zdravotních či jiných rizik. Podrobnosti si lze přečíst v článku  z minulého roku.

Radioaktivní uhlík představuje největší část radioaktivity, která se z jaderné elektrárny uvolňuje do ovzduší během normálního provozu. Je tedy potřeba tento radioizotop a jeho cesty velice pečlivě studovat a monitorovat. Dělá se to u všech jaderných elektráren a dlouhodobě i u těch českých. Výrazně zpřesnit lze takový monitoring pomocí kopřiv.  Pokud tedy uvidíte sbírat někoho kopřivy, nemusí jít o housata či morčata, někdy jde o studium cestování radioaktivního uhlíku v prostředí.

Zvětšit obrázek

Jaderná elektrárna Temelín (zdroj JE Temelín)

Ještě bych měl doplnit, že kolegové dělali i dlouhodobé studie vzorků vzduchu a stěrů odebraných v obou reaktorových budovách Jaderné elektrárny Temelín (viz například výsledky zde). Bylo tak možné srovnávat úniky radioaktivity v podobě uhlíku i v podobě oxidu uhličitého.

Radioaktivní izotop jódu ¹²⁹I

Radioaktivní izotop jódu ¹²⁹I má velmi dlouhý poločas rozpadu 1,6∙10⁷ let. V tomto případě nelze využít detekce radioaktivního záření vznikajícího při rozpadu. K identifikaci příslušného radioaktivního izotopu jódu se tak využívá neutronová aktivační analýza. Vzorky se při této metodě vloží na krátký čas do reaktoru. Záchytem neutronu izotopem jódu ¹²⁹I vzniká izotop jódu ¹³⁰I. Ten má poločas rozpadu 12,4 hodiny a řadu linek gama, které jej umožňují přesně identifikovat. Obsah stabilního izotopu jódu ¹²⁷I lze také stanovit pomocí reakce záchytu neutronu. Při ní vzniká izotop ¹²⁸I s poločasem rozpadu 25 minut.

Před ozářením se provádí separace jódu spálením vzorku v proudu kyslíku při teplotě 1000oC a zachycením uvolněného jódu do roztoku LiOH/(NH₄)₂SO₃. Po ozáření se provádí extrakce jódu pomocí chloroformu, která je následována srážením PdI₂. Aktivita takto získaných vzorků se měří pomocí detektorů záření gama z velmi čistého germania. Získaná spektra gama obsahují linky, které odpovídají hledaným rozpadům zkoumaných radioaktivních izotopů jódu ¹²⁸I a ¹³⁰I. Z jejich plochy se tak dá určit množství těchto izotopů. Ze znalosti toku neutronů v reaktoru, doby ozařování a pravděpodobností příslušných reakcí pak i obsah izotopů ¹²⁷I a ¹²⁹I v původním vzorku. Příslušná měření provádí kolektiv fyziků na oddělení jaderné spektroskopie. Jde o stejnou metodu, kterou využili při určování obsahu rtuti ve vousech Tychona Braha a kterou prokázali, že otráven nebyl (podrobnosti zde. Stejně tak se využívá při zkoumání  meteoritů či vzorků z Měsíce (viz zde a zde ).

Zvětšit obrázek

Mech Pleurozium Schreberi (Foto: Ing. Ivan Vergner, stránky obce Zbýšov)

Při studiu přítomnosti radioaktivního jódu v životním prostředí se zkoumaly vzorky  štítných žláz skotu, kde se jód podobně jako u člověka koncentruje, mechu (trávník schreberův - Pleurozium schreberi) a říčních sedimentů právě z okolí Jaderné elektrárny Temelín. Ve  štítných žlázách zvířat byla aktivita izotopu ¹²⁹I v rozmezí 22 až 61 mBq/kg sušiny a poměr mezi radioaktivním a stabilním izotopem jódu mezi hodnotami 2,8 × 10⁻⁹ to 5,4 × 10⁻⁹. Tyto hodnoty odpovídají vzorkům spíše s nižším zastoupením radioaktivního jódu, které se získávají v oblastech mimo jaderné elektrárny. Nebyl také pozorován žádný prokazatelný rozdíl v obsahu radioaktivního jódu ve vzorcích pocházejících z časů před začátkem provozu jaderné elektrárny a doby, kdy již byla elektrárna řadu let v provozu. Stejně tak byly nízké obsahy radioizotopu jódu ve vzorcích zkoumaného mechu a říčních sedimentů i po několikaletém provozu Jaderné elektrárny Temelín. Podrobnosti lze nalézt v nedávném článku Ivany Krausové, Jana Kučery a Ivo Světlíka.  

Tritium

Velice důležitým radionuklidem, který může být uvolňován z jaderné elektrárny do životního prostředí, je tritium. Tritium má relativně krátký poločas rozpadu 12,33 let. Elektron, který vzniká při rozpadu beta tohoto radioizotopu vodíku, má velmi nízkou energii a proto se velmi těžko detekuje. Může vznikat například záchytem neutronů na deuteriu, stabilním izotopu vodíku. A protože se voda vyskytuje v elektrárně ve velkém množství, vznik tritia je poměrně častý. Tritium je z hlediska dávkové zátěže od uvolňovaných radionuklidů nejvýznamnějším radionuklidem vypouštěným do vodotečí. Výskyt tritia (v chemické formě HTO) ve vodotečích je tak rutinně sledován Laboratořemi radiační kontroly okolí jaderných elektráren a rovněž řadou dalších institucí. Stanovení organicky vázaného tritia je však značně náročné na zpracování vzorku a na pozaďový obsah HTO v ovzduší laboratoře. Tritium je totiž normální součástí našeho prostředí. Vzniká v řadě procesů, hlavně v interakcích kosmického záření podobně jako izotop uhlíku ¹⁴C. A právě na zlepšování metodiky monitorování tritia pracují také na Oddělení dozimetrie záření.

Závěr

Sledování radionuklidů, které se mohou uvolňovat během normálního provozu jaderné elektrárny, je důležitou složkou zajištění bezpečnosti využívání jaderné energetiky. Této oblasti se týkaly i dvě práce vypracované v Ústavu jaderné Fyziky AVČR v minulém roce. S jejich praktickým dopadem se budeme setkávat i v podobě vylepšeného monitoringu založeného na sběru kopřiv.