Mjerenje koncentracije aktivnosti tricija (3H) u prirodnim vodama

Mjerenje koncentracije aktivnosti tricija (3H) u prirodnim vodama

Sustav za elektrolitičko obogaćenje vode tricijem

Općenito

Tricij (3H, T) je radioaktivni izotop vodika mase 3 i vremena poluraspada 12,32 godine (4500 dana) koji nastaje u višim slojevima atmosfere djelovanjem termalnih neutrona, koji su produkt interakcije primarnog kozmičkog zračenja u visokim slojevima atmosfere, na atome atmosferskog dušika

14N + n → 3H + 12C

Tricij se raspada uz emisiju beta čestica maksimalne energije 18,6 keV, pri čemu nastaje stabilan izotop helija 3He:

3H → 3He + ß + ῡ

Koncentracija aktivnosti tricija se obično izražava u tzv. tricijevim jedinicama (TU, engl. tritium unit), gdje jedna tricijeva jedinica predstavlja omjer jednog atoma 3H prema 1018 atoma 1H, što odgovara koncentraciji aktivnosti:

1 TU = 7,2 raspad/min/L vode = 0,118 Bq/L

Srednja brzina stvaranja tricija je procijenjena na 0,25 atoma cm-3 s-1, odnosno oko 70 000 TBq ili 200 g godišnje, s time da se dvije trećine tricija stvara u stratosferi, a jedna trećina u troposferi. Ukupna količina (prirodnog) tricija u atmosferi je oko 1,3·106 TBq, odnosno 3,6 kg. Veći dio (99%) prirodnog tricija oksidira u vodu, uključujući se direktno u njenu strukturu u obliku HTO i u tom obliku dospijeva na Zemljinu površinu u oborinama i atmosferskoj vlazi te tako ulazi u hidrološki ciklus. Produkcija tricija ovisi o zemljopisnoj širini te je prirodna raspodjela koncentracije aktivnosti tricija u oborinama nejednolika: na sjevernoj hemisferi iznosi između 5 i 10 TU (od 0,5 do 1 Bq/L) i raste idući od ekvatora prema polu, a u tropskom pojasu i na južnoj hemisferi (osim na Anktarktici) je manja od 5 TU.

Mnogo značajnije količine tricija prisutne u atmosferi, a time i u cijelom hidrološkom ciklusu, uglavnom su umjetnog porijekla. 3H nastaje također i u nuklearnim reaktorima (oko 25 g godišnje) i u termonuklearnim eksplozijama. Procjenjuje se da je od 1952. do 1962. godine oko 600 kg tricija ubačeno u atmosferu, a kasnije (1967.-1980.) još oko 20 kg. Zbog toga je koncentracija aktivnosti tricija u atmosferi porasla nekoliko tisuća puta. 

LNA web

Koncentracije aktivnosti tricija u mjesečnim oborinama od 1950. godine (izvor podataka: GNIP)

Maksimalna koncentracija aktivnosti tricija od 6000 TU (550 Bq/L) zabilježena je 1963. godine u oborinama na sjevernoj hemisferi. Nakon zabrane i prekida termonuklearnih pokusa u atmosferi, količina tricija u atmosferi postupno opada (zbog miješanja atmosferskih slojeva, ispiranja iz atmosfere oborinama te kratkog vremena poluraspada tricija) i danas se približava prirodnim vrijednostima. Prosječna koncentracija aktivnosti tricija u oborinama u umjerenom klimatskom području sjeverne hemisfere danas iznosi oko ili nešto manje od 10 TU.

Hidrološki ciklus

vodeni ciklus (1)

Shematski prikaz vodenog ciklusa te izotopni sastav [delta18O i A(3H)] vode u nekim njegovim dijelovima

Hidrološki ciklus opisuje kruženje vode na, iznad i ispod površine Zemlje, pri čemu na raznim mjestima u ciklusu voda mijenja agregatna stanja – tekuće, plinovito i kruto. Sunce daje energiju potrebnu za isparavanje vode s površine Zemlje, te vodena para ulazu u atmosferu. Svaki dan oko 1200 km3 vode ispari iz oceana, kopna, biljaka (proces transpiracije) i polarnih kapa (sublimacija). Povratak vode na površinu Zemlje počinje njezinom kondenzacijom u oblacima nakon čega pada u obliku kiše, snijega ili tuče. Vode koje teku po površini niz tokove rijeka zovu se površinske vode. Dio oborina prolazi kroz tlo prosječnom brzinom manjom od 1 m na dan i voda ostaje "zarobljena" između nepropusnih stijena (podzemna voda u akviferima - vodonosnicima), a na pogodnim mjestima vraća se na površinu na izvorima. Na kraju, voda opet završava u oceanima.

Praćenje kretanja vode kroz cjelokupan sustav, a i modeliranje klimatskih prilika, danas je teško zamisliti bez praćenja različitih izotopa (2H, 3H, 18O), sastavnih dijelova vode. Međunarodna agencija za atomsku energiju (IAEA) i Svjetska meteorološka organizacija (WMO) pokrenule su 1961. godine program praćenja izotopnog sastava mjesečnih oborina (uz klimatološke podatke: količinu oborina, temperaturu zraka i vlažnost), koji danas obuhvaća 740 meteoroloških postaja iz 101 zemlje, a u bazi podataka sadržano je više od 90 000 izotopnih podataka. Od 1976. godine u tom programu sudjeluje i Institut Ruđer Bošković, Laboratorij za mjerenje niskih radioaktivnosti.

Trit za web2017

U svijetu se prati koncentracija aktivnosti u oborinama od 1952. godine, a Otawa (Kanada) i Beč (Austrija) su najstarije postaje. Opaženi podaci omogućili su stvaranje vremenske skale za transport vode kroz različite spremnike hidrološkog ciklusa. Npr., ako podzemna voda ne sadrži tricij, onda je ona ušla u podzemne spremnike prije 1950. godine (sav tada prisutan prirodni tricij se u međuvremenu raspao do ispod granice detekcije mjernih uređaja). Koncentracija aktivnosti tricija u oborinama Zagreba prati se od 1976. godine. Podaci su uključeni u globalni program praćenja izotopa u oborinama, Global Network of Isotopes in Precipitation (GNIP) i dostupni su na internetu preko baze podataka WISER – Water Isotope System for Data Analysis, Visualization and Electronic Retrieval, koju održava IAEA.

Mjerne tehnike

Koncentracija aktivnosti tricija u vodama određuje se mjerenjem u tekućinskom scintilacijskom brojaču (LSC) Quantulus 1220.

Ukoliko se radi o uzorcima u kojima je koncentracija aktivnosti tricija >20 TU (približno 2 Bq/L), može se primijeniti direktna metoda, uz eventualnu destilaciju uzorka ukoliko je potrebno. Potrebno je 20 mL uzorka, a granica detekcije je oko 6 TU (približno 0,6 Bq/L).

Ukoliko se radi o uzorcima vode iz okoliša (kišnice, podzemne i površinske vode) u kojima je koncentracija aktivnosti tricija niska (<20 TU), obavezno je uzorke obogatiti tricijem postupkom elektrolitičkog obogaćenja. Potrebno je dostaviti najmanje 1 L uzorka, a granica detekcije je oko 0,5 TU (oko 0,06 Bq/L).

Obrazac za uslugu

LNA-OB 4.4_1-0-3 Prilog zahtjevu za ispitivanje_H-3 35,68 kB / vnd.openxmlformats-officedocument.wordprocessingml.document

Primjer ispunjenog Priloga zahtjevu za ispitivanje

Cjenik

Cjenik 91,33 kB / pdf

LITERATURA

Barešić, J., Horvatinčić, N., Krajcar Bronić, I., Obelić, B., Vreča, P. Stable isotope composition of daily and monthly precipitation in Zagreb. Isotopes in Environmental and Health Studies 42 (2006) 239–249.

Horvatinčić, N., Barešić, J., Krajcar Bronić, I., Karman, K., Forisz, I., Obelić, B. Study of the bank filtered groundwater system of the Sava River at Zagreb (Croatia) using isotope analyses. Central European Geology 54 (2011) 121–127. http://www.akademiai.com/content/m7j228137878/?sortorder=asc&p_o=0

Horvatinčić, N., Krajcar Bronić, I. 14C and 3H as indicators of the environmental contamination. RMZ -Materials and Geoenvironment 45 (1998) 56–60.

Horvatinčić, N., Krajcar Bronić, I., Barešić, J., Obelić, B., Vidič, S. Tritium and stable isotope distribution in the atmosphere at the coastal region of Croatia. U: Isotopic composition of precipitation in the Mediterranean Basin in relation to air circulation patterns and climate, Gourcy, L. (ur.)., Beč: IAEA, 2005., str. 37–50. http://www-pub.iaea.org/MTCD/publications/PDF/te_1453_web.pdf

Horvatinčić, N., Krajcar Bronić, I., Obelić, B., Bistrović, R. Long-time atmospheric tritium record in Croatia. Acta Geologica Hungarica 39 (1996) 81–84.

Horvatinčić, N., Krajcar Bronić, I., Pezdič, J., Srdoč, D., Obelić, B. The distribution or radioactive (3H, 14C) and stable (2H, 18O) isotopes in precipitation, surface and groundwaters during the last decade in Yugoslavia. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B 17 (1986) 550–553.

IAEA WISER – Water Isotope System for Data Analysis, Visualization and Electronic Retrieval, https://nucleus.iaea.org/wiser/

IAEA, Guidebook on Nuclear Techniques in Hydrology. Technical Reports Series 91, IAEA, 1983.

IAEA, Stable Isotope Hydrology: Deuterium and Oxygen-18 in the Water Cycle. Technical Reports Series 210, IAEA, 1981.

Jakonić, I., Todorović, N., Nikolov, J., Krajcar Bronić, I., Tenjović, B., Vesković, M. Optimization of low-level LS counter Quantulus 1220 for tritium determination in water samples. Radiation Physics and Chemistry 98 (2014) 69–76.

Krajcar Bronić I., Horvatinčić, N., Obelić, B. Two decades of environmental isotope records in Croatia: Reconstruction of the past and prediction of future levels. Radiocarbon 40 (1998) 399–416.

Krajcar Bronić, I. Kruženje ugljika i vode u prirodi praćeno izotopima. U: Fizika u ekologiji - 23. ljetna škola mladih fizičara. Ban, T., Vučić, Z. (ur.). Hrvatsko fizikalno društvo, Zagreb, 2007., str. 50–59. http://www.hfd.hr/ljskola/arhiva/2007/zbornik.html

Krajcar Bronić, I., Horvatinčić, N., Barešić, J., Obelić, B., Vreča, P., Lojen, S., Vidič, S. Isotope composition of precipitation in Croatia and Slovenia - Basic data for groundwater studies.  RMZ -Materials and Geoenvironment 50 (2003) 173–176.

Krajcar Bronić, I., Obelić, B., Srdoč, D. The simultaneous measurement of tritium activity and background count rate in a proportional counter by the Povinec method: Three years experience at the Rudjer Bošković Institute. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B 17 (1986)  498–500.

Krajcar Bronić, I., Vreča, P., Horvatinčić, N., Barešić, J., Obelić, B. Distribution of hydrogen, oxygen and carbon isotopes in the atmosphere of Croatia and Slovenia. Arhiv za higijenu rada i toksikologiju 57 (2006) 23–29.

Obelić, B., Krajcar Bronić, I. Environmental 14C and 3H activities in Yugoslavia. Newsletter of the International Radiation Physics Society 1/3 (1987) 2–5.

Rozanski, K., Gonfiantini, R., Araguas-Araguas, L. Tritium in the global atmosphere: distribution patterns and recent trends.Journal of  Physics G: Nuclear and Particle Physics 17 (Suppl.) (1991) S523–S536.

Srdoč, D., Horvatinčić, N., Obelić, B., Krajcar Bronić, I., Sliepčević, A. Procesi taloženja kalcita u krškim vodama s posebnim osvrtom na Plitvička jezera. Krš Jugoslavije (Carsus Iugoslaviae) 11/2-6 (1985) 101–204.

Srdoč, D., Krajcar Bronić, I. Primjena prirodnih stabilnih i radioaktivnih izotopa u istraživanju podzemnih tokova u kršu. Naš Krš 12 (1986) 37–47.

Vreča, P., Krajcar Bronić, I., Horvatinčić, N., Barešić, J. Isotope characteristics of precipitation in Slovenia and Croatia: Comparison of continental and maritime stations. Journal of Hydrology 330 (2006) 457–469.

Vreča, P., Krajcar Bronić, I., Leis, A. Isotopic composition of precipitation in Portorož (Slovenia). Geologija 54 (2011)  129–136. doi:10.5474/geologija.2011.010

Vreča, P., Krajcar Bronić, I., Leis, A., Brenčić, M. Isotopic composition of precipitation in Ljubljana (Slovenia).  Geologija (Ljubljana) 51 (2008) 169–182. http://www.geologija-revija.si/dokument.aspx?id=1031

Vreča, P., Krajcar Bronić, I., Leis, A., Demšar, M. Isotopic composition of precipitation at the station Ljubljana (Reaktor), Slovenia – period 2007-2010.  Geologija 57 (2014) 217–230. http://www.geologija-revija.si/en/clanki.aspx?id=94

Vreča, P., Krajcar Bronić, I., Leis, A. Isotopic composition of precipitation at the station Portorož, Slovenia – period 2007-2010.  Geologija 58 (2015) 233–246. http://www.geologija-revija.si/en/clanki.aspx?id=97