اندازه گيري تريتيم موجود در هواي تهران

رضا قلي پور (*)

آزمايشگاه فيزيك بهداشت دفتر پسمانداري هسته اي - سازمان انرژي اتمي ايران

چكيده:

يكي از موادراديواكتيو موجود در طبيعت گاز تريتيم است كه يك ماده پرتوزاي گسيلنده بتا مي باشد. با توجه به اهميت اندازه گيري مواد پرتوزا در محيط ومطلع بودن از مقدار آنها در محيط به منظور محاسبه مقدار پرتو گيري افراد جامعه، در اين كار پژوهشي اقدام به اندازه گيري مقدار گاز تريتيم موجود در يك نقطه ازهواي تهران گرديد، تا مقدار حاصل با استانداردهاي جهاني مقايسه گردد.

واژه هاي كليدي: پرتوزائي طبيعي- تريتيم- اندازه گيري- 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:

 

اولين عنصر شيميايي جدول تناوبي هيدروژن است كه گازي بي رنگ و بي مزه بوده و با نماد H نشان داده مي شود. هيدروژن داراي 3 ايزوتوپ مي باشد: (ايزوتوپ به ويژه هسته هايي گفته مي شود كه داراي عدد اتمي يكسان بوده ولي در تعداد نوترونها با هم فرق دارند)

1.       هيدروژن با نماد H و جرم اتمي يك كه %98/99 اين عنصر را تشكيل مي دهد.

2.       دوتريم با نماد D و جرم اتمي دو، دومين ايزوتوپ عنصر هيدروژن مي باشد كه 02/0% فراواني دارد.

3.    تريتيم با نماد T و جرم اتمي سه، تنها ايزوتوپ راديو اكتيو هيدروژن است كه در حالت طبيعي بسيار كم بوده، اما بطور مصنوعي از طريق واكنشهاي مختلف هسته اي  در شتابدهنده ها و راكتورها توليد مي شود كه علت تهيه آن كاربردهاي وسيع آن مي باشد. تريتيم مانند هيدروژن بصورت دو مولكولي يعني T2 مي باشد و در شرايط عادي گازي شكل است. تفاوتهاي T2 و H2 در جدول زير نمايش داده شده است:

4.        

خواص	H2	T2
نقطه ذوب (°C)	20/259 -	54/252 -
نقطه جوش در فشار يك اتمسفر(°C)	77/252 -	12/248 -
گرماي بخار (cal/mol)	216	333
گرماي تصعيد (cal/mol)	247	393

 

از نظر شيميايي، تريتيم مشابه هيدروژن عمل مي كند، اما از آنجاييكه تريتيم جرم بزرگتري دارد، در بسياري از واكنشها، خيلي كندتر از هيدروژن جايگزين مي شود. با توجه به اينكه تريتيم يك راديوايزوتوپ است (‌راديوايزوتوپ به ايزوتوپهايي از عناصر گفته مي شود كه به علت ناپايدار بودن ساختار هسته اي از خود فوتون و ذرات مختلف گسيل مي كنند) لذا با ساطع نمودن پرتوهاي بتاي منفي (تبديل يك نوترون به پروتون) به  تبديل مي شود و در اين فرآيند به هيچ وجه نشر اشعه گاما رخ نمي دهد. تريتيم ساطع كننده پرتو b با ماكزيمم انرژي kev 18 (كيلو الكترون ولت = kev) است كه اين ذرات b توسط لايه اي از هوا با ضخامت mm7 يا كاغذي با ضخامت mm 0.01 كاملاً متوقف مي وشند. نيمه عمر فيزيكي تريتيم 12/3سال مي باشد.

گاز تريتيم بطور طبيعي در هوا وجود دارد درحالت طبيعي بصورت گاز(بخار) بوده وقابليت حل در آب را نيز دارد و به ازاي هر 10¹⁸ اتم هيدروژن يك اتم تريتيم در اتمسفر وجود دارد كه منشاء  تهيه طبيعي آن بطور عمده از بمباران نيتروژن در قسمتهاي فوقاني اتمسفر توسط نوترون و پروتون حاصل از اشعه هاي كيهاني مانند واكنش ذيل منشاء مي گيرد:

 

البته تريتيم عمدتا  به شكل بخار تركيباتي از اكسيژن (DTO,HTO,….) در هوا وجود دارد.بعد از شروع ازمايشات سلاححهاي هسته اي در سال 1954 غلظت اين گاز راديواكتيو در اتمسفر افزايش يافت بطوري كه قبل از شورع اين آزمايشات آب باران تقريباً شامل 1-10 اتم تريتيم در 10¹⁸  اتم هيدرژن بود كه اين مقدار اكنون به حدود 500 اتم تريتيم به ازاي 10¹⁸  اتم هيدروژن افزايش يافته است. به علت كاربردهاي وسيع اين ماده راديواكتيو براي تهيه آن از شتابدهنده ها و راكتورها از طريق واكنشهاي مختلف استفاده مي كنند.

اندازه گيري تريتيم موجود در هوا وتريتيم موجود درآب از لحاظ مسائل پرتوگيري ومحاسبه ميزان آلودگيهاي راديواكتيو كه از مهمترين عوامل مضراين مواد هستند بسيار حائز اهميت مي باشد و بسياري از سازمانهاي بين المللي كه مرتبط با سلامتي افراد ومحيط زيست و مواد راديواكتيو هستند براي اندازه گيري آن اقدام مي كنندوقوانين بسيار زيادي را براي تمام مواد راديواكتيو از لحاظ حد مجاز آنها در محيط (هواو آب و خاك و غيره)وضع كرده اند.بررسي، تهيه و كاربردهاي تريتيم،خواص تريتيم ،سميت تريتيم و اثرات آن (شامل اثرات بيولوژيكي و ژنتيكي) و ....بسيار گسترده و وسيع و خارج از موضوع اين بحث است.البته بر روي اين موارد تحقيقات بسيار وسيع در سطح بين المللي صورت گرفته كه نتايج آنها موجود است.روشهاي مختلف اندازه گيري تريتيم موجود در هوا و آب و اثار مختلف تريتيم نيز بصورت تئوري و كاربردي در سطح دنيا موجود است كه از آنها استفاده مي شود. امروزه براي اندازه گيري گازتريتيم درمحيط وبخصوص دراطرا ف نيروگاهها كه غلظت اين گازنسبتا زياداست وممكن است براي پرسنل نيروگاهها خطرناك باشد دستگاههاي پيشرفته اي وجود دارد كه بااستفاده ازآنها درظرف چند دقيقه مقدارغلظت اين گازدرمحيط مشخص مي شود.اما اساس كارتمام اين دستگاه بصورت مراحل مذكوراست.

 

روش كار :

 

 با توجه به مقدمه فوق و اهميت اندازه گيري مواد راديو اكتيو موجود در تمام محيط ها شامل هوا و آب و خاك و ... يك سري آزمايشات براي اندازه گيري مقدارگاز تريتيم موجود در هوا صورت گرفت كه البته با توجه به خطاي نسبتا زياد اين روش ولي در عين حال نتيجه قابل قبول آن، به شرح آن مي پردازيم:

اساس اين اندازه گيري برمبناي مكش وسپس حل گاز تريتيم موجود در هوا( كه اغلب به صورت (DTO,HTO,…. درداخل آب و استفاده از روشهاي متداول براي تعيين غلظت تريتيم موجود در آب است.

همانگونه كه قبلا نيز اشاره شد چون اغلب تريتيم موجود در هوا به صورت تركيباتي مشابه بخار آب در هوا مي باشند لذا اين تركيبات كه اساسا هم خانواده با آب   H₂O  مي باشند در اثرعبور از آب در داخل آن حل مي شوند.در واقع اگر به هر طريق ديگري هم بتوانيم بخار موجود در هوا را بصورت مايع در آوريم بايد انتظار داشته باشيم كه مقدار تريتيم موجود در هوا را از اين طريق هم بتوانيم اندازه بگيريم.

شيوه انجام اندازه گيري بدين صورت است كه در ابتدا با برقرار نمودن يك سيستم آزمايشگاهي شامل دو بابلرbubler)) و يك پمپ،شرايط  مكش هوا به داخل آب فراهم شد.بابلر اول كه Degassing Vessel (ظرف حباب ساز) نام دارديك ظرف شيشه اي استوانه اي شكل كاملآ بسته با حجم cc 200  و شامل يك مسير ورودي در بالا كه هواي ورودي را مستقيمآ به انتهاي ظرف هدايت و مسير خروجي در كناره بالائي آن كه هواي

خارج شده از آب را به طرف پمپ هدايت مي كند .در انتهاي لوله ورودي ظرف اول يك فيلتر شيشه اي(glass filter)قرار دارد كه جهت ايجاد حباب بكارمي رود.هرچقدر كه مش فيلتر (تعدادروزنه ها درواحد سطح)بيشتر باشد حبابهاي ريزتري ايجادمي شود كه در نتيجه گازهاي(و بخارهاي)موجوددر هوا در هنگام عبور از داخل آب بهتر حل مي شوند به عبارتي احتمال حل شدن آنها افزايش مي يابد.بابلر دوم كه Security  vessel  (ظرف ايمني) نام دارد نيز يك ظرف شيشه اي مشابه ظرف اول اما با طول لوله ورودي كوتاهتر و بدون فيلتر شيشه اي است كه به منظور ايمن سازي سيستم به كار مي رود.چنانچه در اثر مكش پمپ رطوبت يا آبي از ظرف اول خارج شود در داخل آن به دام مي افتد و مانع آسيب رسيدن به پمپ مي شود.مسير ورود هوا با روشن شدن پمپ در شكل فوق نمايش داده شده است.پمپ مورد استفاده در اين آزمايش يك پمپ كوچك مكش با فلوي (مقدار مكش هوا در واحد زمان) حداكثر   lit/min   1 است.

پس از برقراري سيستم فوق ابتدا در داخل ظرف اول مقدار cc 100آب مقطر مي ريزيم. سپس پمپ را در فلوي  lit/min 0.5 تنظيم نموده  آن را روشن مي كنيم و همزمان با روشن كردن زمان را نيز يادداشت مي كنيم. هر چه مدت زمان مكش بيشتر شود حجم بيشتري از هوا از داخل آب عبور مي كند كه در نتيجه دقت آزمايش بيشتر مي شود. البته رنج اين مدت زمان بايد در حدود چند روز به طور پيوسته باشد كه از جمله عوامل خطا در اين آزمايش گسسته و كم بودن زمان به علت محدوديت زمان كاري بوده است.پس از خاموش كردن پمپ مي توان اظهار داشت كه در حال حاضر آب مقطر داخل ظرف Degassing Vessel  ممكن است حاوي گازها و ذرات معلق مختلف موجود در هوا با ضرايب حلاليت مختلف در آب، باشند .

اما با توجه به اينكه تنها گاز راديو اكتيو بتا زا موجود در هوا تريتيم است لذا اندازه گيري آن مسير مشخص خود را دارد و وجود احتمالي ساير موارد تاثيري بر اندازه گيري تريتيم ندارد.

در مرحله بعد از نمونه فوق به مقدار 2CC  به عنوان نمونه (ويال شماره 1 ) برداشته شده و در داخل يك ويال(ظرفهاي استوانه اي شكل پلي اتيلني با در پوش كه جهت قرار دادن نمونه هاي مايع مواد شيميايي به كار مي رود) با حجم CC 20 ريخته مي شود.چون قرار است نمونه فوق با يك آشكارساز مخصوص شمارش بتا  شمارش شود لذا CC 18 از مايع سنتيلاسيون (Liquid Scintillationn) به آن اضافه مي كنيم. مايع سنتيلاسيون مايعي است كه از مولكولهاي بزرگ آلي شامل حلقه هاي فنيل و نفتالين و ...تشكيل شده است. اين مايع غير اكتيو است و كار آن به علت ساختا رشيميايي جذب ذرات بتاي گسيل شده از نمونه محلول در آن و در مقابل ساطع كردن فوتونهايي در ناحيه مرئي مي باشد.علت انتخاب CC 18 مايع سنتيلاسيون و CC 2 نمونه استفاده از نتايج تحقيقات در اين زمينه بوده است كه با چنين نسبتي بهترين نتايج بدست آمده است.

پس از مخلوط كردن و بهم زدن كامل نمونه و مايع سنتيلاسيون ويال به مدت سه ساعت در تاريكي قرار داده شده و سپس توسط شمارنده فوق شمارش مي شود.به جهت محاسبه مقدار خطاي مراحل شمارش در يك ويال ديگر(ويال شماره2) و CC 2 از نمونه فوق به همراه CC 18  مايع سنتيلاسيون و 0.1 CC از نمونه استاندارد مايع راديواكتيو تريتيم (tracer)را كه اكتيويته آن مشخص است اضافه مي كنيم وپس از بهم زدن كامل وقرار دادن به مدت سه ساعت در تاريكي ان راشمارش مي كنيم كه با اين كار مي توان مقدار خطاي دستگاه شمارنده را با يك تناسب ساده از اختلاف نتايج نمونه هاي شماره1و2بدست آورد:

 

 

 

همچنين به منظور لحاظ كردن شمارش زمينه در ويال شماره(3) و CC 2  آب مقطر را به همراه و CC 18 مايع سنتيلاسيون قرار مي دهيم و شمارش حاصل از اين نمونه را به عنوان شمارش زمينه از مقدارشمارش نمونه شماره(1) كم مي كنيم  .پس از تهيه نمونه هاي فوق آنها را در داخل آشكارساز شمارنده بتا قرار داده و هر نمونه 3بار وهر بار به مدت 60ثانيه شمارش مي شود تا باميانگين گيري براي هر نمونهتعداد شمارش در ثانيه محاسبه شود.با بدست آمدن نتايج ميتوان غلظت تريتيم موجود در هوا را از رابطه زير محاسبه كرد:

C_tr = (A-B)×V/uDtε  ± E

كه در آن:

Ctr = غلظت تريتيم موجود در هوا بر حسب Bq/Lit
A = اكتيويته نمونه بر حسب Bq (تعداد شمارش هاي انجام شده در يك ثانيه)
B = شمارش زمينه در يك ثانيه
V = حجم كل نمونه آب مقطر برحسب CC
u = حجم نمونه برداشته شده جهت اندازه گيري (CC)
t = مدت زمان مكش پمپ بر حسب دقيقه
D = فلوي پمپ (مكش پمپ) بر حسب lit/min
ε=راندمان دستگاه شمارنده بتا(β)
E=مقدار خطا در اندازه گيري

 

در موارد فوق همانگونه كه در تشريح عملكرد آمد مقدار V را CC 100 ،مقدارu را  و CC 2  و مدت زمان را 24ساعت قرار داده ايم كه همانگونه كه بيان شد اين مدت زمان گسسته وكوتاه بود .مقدار(D)فلوي پمپ يعني مقدار هوايي كه در واحد زمان مكش مي كند را نيز lit/min 5/0 تنظيم كرديم .مقدارeراندمان دستگاه از مشخصات دستگاه شمارنده است كه از قبل تعيين شده است وبراي دستگاه مورد استفاده در اين آزمايش %58/39 مي باشد و E نيز بايد مجموع تمام خطاههاي موجود در آزمايش باشد كه خطاي گفته شده در مقدار شمارش يكي از موارد آنست وازساير موارد چشمپوشي شده است كه در محاسبات دقيقتر بايد همه موارد لحاظ شوندهمچنين با توجه به اينكه بيشتر تريتيم موجود در هوا بصورت بخار DTO,HTO,…است لذا با عبور اين تركيبات ازداخل آب فرض شده است كه تمام اين مولكولها درآب حل مي شوند كه در واقع نيز به همين گونه است  البته ممكن است تمام تريتيم موجود در هواي عبوري از آب (بويژه T2) در داخل آن حل نشود وقسمتي از آن از آب خارج مي شود.

رابطه فوق در واقع بر اساس پارمترهاي موجود در اين آزمايش نوشته شده است وممكن است رابطه كا ملي نباشد اما سعي براين است كه تمام پارامترهاي درگيردرآزمايش واردشوند.همانگونه كه گفته شدچون اين روش ا ندازه گيري به نوعي ا بتكا ري بوده است لذا ا نتظا رمي رود مقدارخطاي حاصل نيززياد باشد.

نتيجه:

نتايج اندازه گيريهاي پيا پي وميا نگين گيري ا زآ نها مقدارغلظت تريتيم موجود درهواي اين آزمايشگاه را كه به نوعي قسمتي ا زهواي محيط (شهر تهران) است د رحدود 8/2 × 10^-5 Bq/mLit نشا ن داده است .كه تقريبا داراي خطاي نسبتا زيادي مي باشد. براساس استا ندا ردهاي جها ني ( EPA, DOE(U.S.A), ICRP ) ما كزيمم حد مجاز گازتريتيم درهوا مي توا ند مقدار 3/7 × 10^-3(Bq/mLit) باشد كه مقدارفوق كمترازاين است بنا براين مي توا ن گفت هواي اين محيط ا زلحا ظ آلودگي به گازتريتيم يك هواي تميزاست . نتايج برسي مقدارگازتريتيم درنقاط مختلف كشورهاي جهان موجوداست كه اكثرآنها درهواي عادي شهرهايشان كه به دورازنقاط مختلف آ لودگيهاي هسته اي باشد بطورميانگين اعدادي دررنج 1/6 ± 0.05 × 10^-7 (Bq/mLit) را بد ست آورده اند كه اين عدد با نتيجه بد ست آمده ازاين اندازه گيري قابل مقايسه است.همچنين بر اساس استاندارد DOE (Department Of Energy) كه مربوط به قوانين حفاظت هسته اي آمريكا مي باشد مقدارغلظت توصيه شده (DCG = Derived Concentration Guides) اين گازدرهوا مي بايست در حدود ( 1 x 10^-4 mCi/L) 3/7 × 10^-3 (Bq/mL) باشد.نتايج اندازه گيريها در ايالات متحده نشان مي دهد كه حداكثر غلظت اين گاز در نواحي مختلف اين ايالت درحدود 6 x 10^-12 Ci/mL (2.6 x 10^-7 Bq/mL of air) مي 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

(*) [email protected]

منبع :www.hupaa.com