اندازه گیری تریتیم موجود در هوای تهران
رضا قلی پور (*)
آزمایشگاه فیزیک بهداشت دفتر پسمانداری هسته ای – سازمان انرژی اتمی ایران
چکیده:
یکی از موادرادیواکتیو موجود در طبیعت گاز تریتیم است که یک ماده پرتوزای گسیلنده بتا می باشد. با توجه به اهمیت اندازه گیری مواد پرتوزا در محیط ومطلع بودن از مقدار آنها در محیط به منظور محاسبه مقدار پرتو گیری افراد جامعه، در این کار پژوهشی اقدام به اندازه گیری مقدار گاز تریتیم موجود در یک نقطه ازهوای تهران گردید، تا مقدار حاصل با استانداردهای جهانی مقایسه گردد.
واژه های کلیدی: پرتوزائی طبیعی- تریتیم- اندازه گیری- غلظت- هوا- تهران
Measurement tritium concentration in air of Tehran-Iran
By: Reza Gholipour
Health physic of waste management department,AEOI, Tehran
Abstract:
Trituim Gas is one of radioactive material in natural and it's beta emmiter. With attention to dimension of measurement radioactive materials in environment and known value in order to natural exposure monitoring for public,in this research work we adventurism for measurement tritium in air of Tehran until can compare this value with international standard limits.
Keywords: tritium nutral radioactive measurement concentration air Tehran
مقدمه:
اولین عنصر شیمیایی جدول تناوبی هیدروژن است که گازی بی رنگ و بی مزه بوده و با نماد H نشان داده می شود. هیدروژن دارای 3 ایزوتوپ می باشد: (ایزوتوپ به ویژه هسته هایی گفته می شود که دارای عدد اتمی یکسان بوده ولی در تعداد نوترونها با هم فرق دارند)
1. هیدروژن با نماد H و جرم اتمی یک که %98/99 این عنصر را تشکیل می دهد.
2. دوتریم با نماد D و جرم اتمی دو، دومین ایزوتوپ عنصر هیدروژن می باشد که 02/0% فراوانی دارد.
3. تریتیم با نماد T و جرم اتمی سه، تنها ایزوتوپ رادیو اکتیو هیدروژن است که در حالت طبیعی بسیار کم بوده، اما بطور مصنوعی از طریق واکنشهای مختلف هسته ای در شتابدهنده ها و راکتورها تولید می شود که علت تهیه آن کاربردهای وسیع آن می باشد. تریتیم مانند هیدروژن بصورت دو مولکولی یعنی T2 می باشد و در شرایط عادی گازی شکل است. تفاوتهای T2 و H2 در جدول زیر نمایش داده شده است:
4.
خواص
H2
T2
نقطه ذوب (°C)
20/259 –
54/252 –
نقطه جوش در فشار یک اتمسفر(°C)
77/252 –
12/248 –
گرمای بخار (cal/mol)
216
333
گرمای تصعید (cal/mol)
247
393
از نظر شیمیایی، تریتیم مشابه هیدروژن عمل می کند، اما از آنجاییکه تریتیم جرم بزرگتری دارد، در بسیاری از واکنشها، خیلی کندتر از هیدروژن جایگزین می شود. با توجه به اینکه تریتیم یک رادیوایزوتوپ است ( رادیوایزوتوپ به ایزوتوپهایی از عناصر گفته می شود که به علت ناپایدار بودن ساختار هسته ای از خود فوتون و ذرات مختلف گسیل می کنند) لذا با ساطع نمودن پرتوهای بتای منفی (تبدیل یک نوترون به پروتون) به تبدیل می شود و در این فرآیند به هیچ وجه نشر اشعه گاما رخ نمی دهد. تریتیم ساطع کننده پرتو b با ماکزیمم انرژی kev 18 (کیلو الکترون ولت = kev) است که این ذرات b توسط لایه ای از هوا با ضخامت mm7 یا کاغذی با ضخامت mm 0.01 کاملاً متوقف می وشند. نیمه عمر فیزیکی تریتیم 12/3سال می باشد.
گاز تریتیم بطور طبیعی در هوا وجود دارد درحالت طبیعی بصورت گاز(بخار) بوده وقابلیت حل در آب را نیز دارد و به ازای هر 1018 اتم هیدروژن یک اتم تریتیم در اتمسفر وجود دارد که منشاء تهیه طبیعی آن بطور عمده از بمباران نیتروژن در قسمتهای فوقانی اتمسفر توسط نوترون و پروتون حاصل از اشعه های کیهانی مانند واکنش ذیل منشاء می گیرد:
البته تریتیم عمدتا به شکل بخار ترکیباتی از اکسیژن (DTO,HTO,….) در هوا وجود دارد.بعد از شروع ازمایشات سلاححهای هسته ای در سال 1954 غلظت این گاز رادیواکتیو در اتمسفر افزایش یافت بطوری که قبل از شورع این آزمایشات آب باران تقریباً شامل 1-10 اتم تریتیم در 1018 اتم هیدرژن بود که این مقدار اکنون به حدود 500 اتم تریتیم به ازای 1018 اتم هیدروژن افزایش یافته است. به علت کاربردهای وسیع این ماده رادیواکتیو برای تهیه آن از شتابدهنده ها و راکتورها از طریق واکنشهای مختلف استفاده می کنند.
اندازه گیری تریتیم موجود در هوا وتریتیم موجود درآب از لحاظ مسائل پرتوگیری ومحاسبه میزان آلودگیهای رادیواکتیو که از مهمترین عوامل مضراین مواد هستند بسیار حائز اهمیت می باشد و بسیاری از سازمانهای بین المللی که مرتبط با سلامتی افراد ومحیط زیست و مواد رادیواکتیو هستند برای اندازه گیری آن اقدام می کنندوقوانین بسیار زیادی را برای تمام مواد رادیواکتیو از لحاظ حد مجاز آنها در محیط (هواو آب و خاک و غیره)وضع کرده اند.بررسی، تهیه و کاربردهای تریتیم،خواص تریتیم ،سمیت تریتیم و اثرات آن (شامل اثرات بیولوژیکی و ژنتیکی) و ….بسیار گسترده و وسیع و خارج از موضوع این بحث است.البته بر روی این موارد تحقیقات بسیار وسیع در سطح بین المللی صورت گرفته که نتایج آنها موجود است.روشهای مختلف اندازه گیری تریتیم موجود در هوا و آب و اثار مختلف تریتیم نیز بصورت تئوری و کاربردی در سطح دنیا موجود است که از آنها استفاده می شود. امروزه برای اندازه گیری گازتریتیم درمحیط وبخصوص دراطرا ف نیروگاهها که غلظت این گازنسبتا زیاداست وممکن است برای پرسنل نیروگاهها خطرناک باشد دستگاههای پیشرفته ای وجود دارد که بااستفاده ازآنها درظرف چند دقیقه مقدارغلظت این گازدرمحیط مشخص می شود.اما اساس کارتمام این دستگاه بصورت مراحل مذکوراست.
روش کار :
با توجه به مقدمه فوق و اهمیت اندازه گیری مواد رادیو اکتیو موجود در تمام محیط ها شامل هوا و آب و خاک و … یک سری آزمایشات برای اندازه گیری مقدارگاز تریتیم موجود در هوا صورت گرفت که البته با توجه به خطای نسبتا زیاد این روش ولی در عین حال نتیجه قابل قبول آن، به شرح آن می پردازیم:
اساس این اندازه گیری برمبنای مکش وسپس حل گاز تریتیم موجود در هوا( که اغلب به صورت (DTO,HTO,…. درداخل آب و استفاده از روشهای متداول برای تعیین غلظت تریتیم موجود در آب است.
همانگونه که قبلا نیز اشاره شد چون اغلب تریتیم موجود در هوا به صورت ترکیباتی مشابه بخار آب در هوا می باشند لذا این ترکیبات که اساسا هم خانواده با آب H2O می باشند در اثرعبور از آب در داخل آن حل می شوند.در واقع اگر به هر طریق دیگری هم بتوانیم بخار موجود در هوا را بصورت مایع در آوریم باید انتظار داشته باشیم که مقدار تریتیم موجود در هوا را از این طریق هم بتوانیم اندازه بگیریم.
شیوه انجام اندازه گیری بدین صورت است که در ابتدا با برقرار نمودن یک سیستم آزمایشگاهی شامل دو بابلرbubler)) و یک پمپ،شرایط مکش هوا به داخل آب فراهم شد.بابلر اول که Degassing Vessel (ظرف حباب ساز) نام داردیک ظرف شیشه ای استوانه ای شکل کاملآ بسته با حجم cc 200 و شامل یک مسیر ورودی در بالا که هوای ورودی را مستقیمآ به انتهای ظرف هدایت و مسیر خروجی در کناره بالائی آن که هوای
خارج شده از آب را به طرف پمپ هدایت می کند .در انتهای لوله ورودی ظرف اول یک فیلتر شیشه ای(glass filter)قرار دارد که جهت ایجاد حباب بکارمی رود.هرچقدر که مش فیلتر (تعدادروزنه ها درواحد سطح)بیشتر باشد حبابهای ریزتری ایجادمی شود که در نتیجه گازهای(و بخارهای)موجوددر هوا در هنگام عبور از داخل آب بهتر حل می شوند به عبارتی احتمال حل شدن آنها افزایش می یابد.بابلر دوم که Security vessel (ظرف ایمنی) نام دارد نیز یک ظرف شیشه ای مشابه ظرف اول اما با طول لوله ورودی کوتاهتر و بدون فیلتر شیشه ای است که به منظور ایمن سازی سیستم به کار می رود.چنانچه در اثر مکش پمپ رطوبت یا آبی از ظرف اول خارج شود در داخل آن به دام می افتد و مانع آسیب رسیدن به پمپ می شود.مسیر ورود هوا با روشن شدن پمپ در شکل فوق نمایش داده شده است.پمپ مورد استفاده در این آزمایش یک پمپ کوچک مکش با فلوی (مقدار مکش هوا در واحد زمان) حداکثر lit/min 1 است.
پس از برقراری سیستم فوق ابتدا در داخل ظرف اول مقدار cc 100آب مقطر می ریزیم. سپس پمپ را در فلوی lit/min 0.5 تنظیم نموده آن را روشن می کنیم و همزمان با روشن کردن زمان را نیز یادداشت می کنیم. هر چه مدت زمان مکش بیشتر شود حجم بیشتری از هوا از داخل آب عبور می کند که در نتیجه دقت آزمایش بیشتر می شود. البته رنج این مدت زمان باید در حدود چند روز به طور پیوسته باشد که از جمله عوامل خطا در این آزمایش گسسته و کم بودن زمان به علت محدودیت زمان کاری بوده است.پس از خاموش کردن پمپ می توان اظهار داشت که در حال حاضر آب مقطر داخل ظرف Degassing Vessel ممکن است حاوی گازها و ذرات معلق مختلف موجود در هوا با ضرایب حلالیت مختلف در آب، باشند .
اما با توجه به اینکه تنها گاز رادیو اکتیو بتا زا موجود در هوا تریتیم است لذا اندازه گیری آن مسیر مشخص خود را دارد و وجود احتمالی سایر موارد تاثیری بر اندازه گیری تریتیم ندارد.
در مرحله بعد از نمونه فوق به مقدار 2CC به عنوان نمونه (ویال شماره 1 ) برداشته شده و در داخل یک ویال(ظرفهای استوانه ای شکل پلی اتیلنی با در پوش که جهت قرار دادن نمونه های مایع مواد شیمیایی به کار می رود) با حجم CC 20 ریخته می شود.چون قرار است نمونه فوق با یک آشکارساز مخصوص شمارش بتا شمارش شود لذا CC 18 از مایع سنتیلاسیون (Liquid Scintillationn) به آن اضافه می کنیم. مایع سنتیلاسیون مایعی است که از مولکولهای بزرگ آلی شامل حلقه های فنیل و نفتالین و …تشکیل شده است. این مایع غیر اکتیو است و کار آن به علت ساختا رشیمیایی جذب ذرات بتای گسیل شده از نمونه محلول در آن و در مقابل ساطع کردن فوتونهایی در ناحیه مرئی می باشد.علت انتخاب CC 18 مایع سنتیلاسیون و CC 2 نمونه استفاده از نتایج تحقیقات در این زمینه بوده است که با چنین نسبتی بهترین نتایج بدست آمده است.
پس از مخلوط کردن و بهم زدن کامل نمونه و مایع سنتیلاسیون ویال به مدت سه ساعت در تاریکی قرار داده شده و سپس توسط شمارنده فوق شمارش می شود.به جهت محاسبه مقدار خطای مراحل شمارش در یک ویال دیگر(ویال شماره2) و CC 2 از نمونه فوق به همراه CC 18 مایع سنتیلاسیون و 0.1 CC از نمونه استاندارد مایع رادیواکتیو تریتیم (tracer)را که اکتیویته آن مشخص است اضافه می کنیم وپس از بهم زدن کامل وقرار دادن به مدت سه ساعت در تاریکی ان راشمارش می کنیم که با این کار می توان مقدار خطای دستگاه شمارنده را با یک تناسب ساده از اختلاف نتایج نمونه های شماره1و2بدست آورد:
همچنین به منظور لحاظ کردن شمارش زمینه در ویال شماره(3) و CC 2 آب مقطر را به همراه و CC 18 مایع سنتیلاسیون قرار می دهیم و شمارش حاصل از این نمونه را به عنوان شمارش زمینه از مقدارشمارش نمونه شماره(1) کم می کنیم .پس از تهیه نمونه های فوق آنها را در داخل آشکارساز شمارنده بتا قرار داده و هر نمونه 3بار وهر بار به مدت 60ثانیه شمارش می شود تا بامیانگین گیری برای هر نمونهتعداد شمارش در ثانیه محاسبه شود.با بدست آمدن نتایج میتوان غلظت تریتیم موجود در هوا را از رابطه زیر محاسبه کرد:
Ctr = (A-B)×V/uDtε ± E
که در آن:
Ctr = غلظت تریتیم موجود در هوا بر حسب Bq/Lit
A = اکتیویته نمونه بر حسب Bq (تعداد شمارش های انجام شده در یک ثانیه)
B = شمارش زمینه در یک ثانیه
V = حجم کل نمونه آب مقطر برحسب CC
u = حجم نمونه برداشته شده جهت اندازه گیری (CC)
t = مدت زمان مکش پمپ بر حسب دقیقه
D = فلوی پمپ (مکش پمپ) بر حسب lit/min
ε=راندمان دستگاه شمارنده بتا(β)
E=مقدار خطا در اندازه گیری
در موارد فوق همانگونه که در تشریح عملکرد آمد مقدار V را CC 100 ،مقدارu را و CC 2 و مدت زمان را 24ساعت قرار داده ایم که همانگونه که بیان شد این مدت زمان گسسته وکوتاه بود .مقدار(D)فلوی پمپ یعنی مقدار هوایی که در واحد زمان مکش می کند را نیز lit/min 5/0 تنظیم کردیم .مقدارeراندمان دستگاه از مشخصات دستگاه شمارنده است که از قبل تعیین شده است وبرای دستگاه مورد استفاده در این آزمایش %58/39 می باشد و E نیز باید مجموع تمام خطاههای موجود در آزمایش باشد که خطای گفته شده در مقدار شمارش یکی از موارد آنست وازسایر موارد چشمپوشی شده است که در محاسبات دقیقتر باید همه موارد لحاظ شوندهمچنین با توجه به اینکه بیشتر تریتیم موجود در هوا بصورت بخار DTO,HTO,…است لذا با عبور این ترکیبات ازداخل آب فرض شده است که تمام این مولکولها درآب حل می شوند که در واقع نیز به همین گونه است البته ممکن است تمام تریتیم موجود در هوای عبوری از آب (بویژه T2) در داخل آن حل نشود وقسمتی از آن از آب خارج می شود.
رابطه فوق در واقع بر اساس پارمترهای موجود در این آزمایش نوشته شده است وممکن است رابطه کا ملی نباشد اما سعی براین است که تمام پارامترهای درگیردرآزمایش واردشوند.همانگونه که گفته شدچون این روش ا ندازه گیری به نوعی ا بتکا ری بوده است لذا ا نتظا رمی رود مقدارخطای حاصل نیززیاد باشد.
نتیجه:
نتایج اندازه گیریهای پیا پی ومیا نگین گیری ا زآ نها مقدارغلظت تریتیم موجود درهوای این آزمایشگاه را که به نوعی قسمتی ا زهوای محیط (شهر تهران) است د رحدود 8/2 × 10-5 Bq/mLit نشا ن داده است .که تقریبا دارای خطای نسبتا زیادی می باشد. براساس استا ندا ردهای جها نی ( EPA, DOE(U.S.A), ICRP ) ما کزیمم حد مجاز گازتریتیم درهوا می توا ند مقدار 3/7 × 10-3(Bq/mLit) باشد که مقدارفوق کمترازاین است بنا براین می توا ن گفت هوای این محیط ا زلحا ظ آلودگی به گازتریتیم یک هوای تمیزاست . نتایج برسی مقدارگازتریتیم درنقاط مختلف کشورهای جهان موجوداست که اکثرآنها درهوای عادی شهرهایشان که به دورازنقاط مختلف آ لودگیهای هسته ای باشد بطورمیانگین اعدادی دررنج 1/6 ± 0.05 × 10-7 (Bq/mLit) را بد ست آورده اند که این عدد با نتیجه بد ست آمده ازاین اندازه گیری قابل مقایسه است.همچنین بر اساس استاندارد DOE (Department Of Energy) که مربوط به قوانین حفاظت هسته ای آمریکا می باشد مقدارغلظت توصیه شده (DCG = Derived Concentration Guides) این گازدرهوا می بایست در حدود ( 1 x 10-4 mCi/L) 3/7 × 10-3 (Bq/mL) باشد.نتایج اندازه گیریها در ایالات متحده نشان می دهد که حداکثر غلظت این گاز در نواحی مختلف این ایالت درحدود 6 x 10-12 Ci/mL (2.6 x 10-7 Bq/mL of air) می باشد.
Refrencs:
1) Summary of results for the third quarter of 2002.the U.S. Department of Energy (DOE) and regulatory standards established by the U.S. Environmental Protection Agency (EPA) for protection of the public)
2) ICRP 1979, International Commission on Radiological Protection, Limits for Intake of Radionuclides by Workers, Publication 30, Part 1, Pergamon Press, Vol. 2, No. 3.
3) LLNL Environmental Report for 1996
(*) reza_gholipour2005@yahoo.com
منبع :www.hupaa.com