Uraniul, radioactivitatea si mediul inconjurator

Categoria: Referat Biologie

Descriere:

Exploatarea ÅŸi prelucrarea minereurilor de uraniu
În cele mai multe cazuri minereul de uraniu este exploatat la suprafaţă sau în mine subterane. În esenţă, mina de uraniu nu diferă semnificativ faţă de alte mine pentru minereuri metalifere. În timpul mineritului subteran sau la îndepărtarea stratului superficial în cazul exploatărilor la suprafaţă, se produc cantităţi mari de steril. Haldele de steril conÅ£in adesea radionuclizi din seria uraniului în concentraÅ£ii relativ mari în comparaÅ£ie cu rocile

INTRODUCERE

Unica sursa de energie care a alimentat civilizatia noastra pana in acest secol a fost energia solara , inmagazinata sub forma de energie chimica , prin procesul de fotosinteza , in surse regenerative (lemnul, apele , vintul) sau in combustibili fosili (carbune , petrol , gaze) a caror constanta de formare este de ordinul milioanelor de ani.
            Una dintre problemele principale, de a carei solutionare depinde dezvoltarea civilizatiei noastre , problema care a revenit pe I plan al preocuparilor din ultimii ani , este asigurarea cu energia necesara dezvoltarii activitatilor de baza care conditioneaza evolutia progresiva a nivelului de trai al populatiei globului terestru. Cantitatea de energie consumata de omenire a crescut , din epoca primitiva pana acum , de 2,5 milioane de ori .Este evident ca o astfel de crestere , nu poate fi nu poate sa nu conduca la o problema a energiei necesare pentru dezvoltarea viitoare a omeniri .
         Pana nu demult am fost “sclavii soarelui” ,dar I pas catre dezrobire a fost facut de fizicianul Becqerel pe 26 feb. 1898 cand acesta a lasat cateva placi fotografice ferite de lumina , in apropierea unui minereu de uraniu . Developandu-le le descopera innegrite, ca si cand ar fi fost expuse la lumina De aici, el a tras concluzia ca minereul de uraniu emite radiatii necunoscute.

 De aceea fizicienii francezi Marie Curie si Pierre Curie si-au dedicat multi ani cercetarii radiatiilor radioactive . Impreuna, acesti 3 cercetatori au primit premiul Nobel pentru fizica in 1903. Identificarea si cercetarea acestor radiatii incepe sa-i pasioneze pe cercetatori .
            Asa ca la inceputul secolului trecut Ruthefort si elevii lui , Chadwick, Cockfroft si Walton au investigat proprietatile nucleelor cu ajutorul unor particule accelerate artificial la energii cinetice mai mari decat cele ale radiatiilor, emise de substante radioactive. 

Obtinerea energiei nucleare este conditionata de prezenta radiatiilor radioactive.

Fisiunea  sta la baza obtinerii energiei nucleare.

Figura 3.Procesul de fisiune

În starea A nucleul are forma sferică, datorită energiei de legătură analog cu tensiunea superficială a picăturii. Când nucleul absoarbe un neutron se formează un nucleu excitat B, energia lui fiind egală cu energia de legătură a nucleului plus energia cinetică a neutronului şi pot apărea cazurile:

¨       dacă excesul de energie este insuficient pentru a apărea deformarea, din starea C nucleul revine la forma sferică devenind stabil, excesul de energie se emite ca radiaţii „” (în 16% din cazuri);

¨       dacă excesul de energie depăşeşte o anumită valoare, denumită „energie critică”, are loc ruperea nucleului în două fragmente (starea D de fisiune), ce pot emite un număr de neutroni (starea E ).

Produsele fisiunii nucleare (fragmentele) din starea D au foarte rar nuclee cu mase egale, randamentul în acest caz este sub 0,1% (fisiune simetrică). În cele mai multe cazuri, fisiunea nucleară este „nesimetrică” rezultând nuclee de mase diferite ca în cazul schemei de fisionare nesimetrică a nucleului  (figura 4).

Figura 4

În urma reacţiei de fisiune nucleară se eliberează o energie ascunsă în profunzimile nucleului. La un act de fisiune nucleară s-a calculat câtă energie se eliberează pentru Uraniu-235:

¨       produsele de fisiune:                 166 MeV (82,5%)

¨       radiaţie  de fisiune:                6 MeV (2,95%)

¨       radiaţie :                                 7 MeV (3,4%)

¨       neutrini:                                     11 MeV (5,4%)

¨       radiaţie  întârziată:                 6 MeV (2,95%)

¨       neutroni:                                               5 MeV (2,8%)

Astfel, 1 kg Uraniu-235 conţine un număr de 6,0·1023 / 0,235 nuclee şi degajată prin fisionare 5·1026 MeV » 1016 J.

Energia de 1016  J echivalează cu căldura eliberată prin arderea a circa 300.000 tone cărbune.

Folosirea uraniului in energetica nucleara reprezinta, incontestabil, principala utlizare a acestui element.

Uraniu, în latină uranium, este un element chimic, un metal, din seria actinidelor a sistemului periodic al elementelor care are simbolul chimicU şi numarul de ordine 92.Uraniul are cea mai mare masa atomica dintre toate elementele naturale. Uraniul este aproximativ cu 70 % mai dens decât plumbul şi este uşor radioactiv. Distribuţia sa naturală este de circa câteva părţi per milion în sol, roci şi apă.

Uraniul exista in scoarta Pamantului, pina la adancimea de 16 km, cu o abundenta medie de 2*10-5% depasind astfel abundenta unor metale ca mercurul, argintul, bismutul sau cadmiul. In apa marilor si oceanelor se gaseste uraniu sub forma de saruri solubile, cu concentratii cuprinse intre 0.4*10-7 si 23*10-7g/l.Se disting trei categorii de roci care pot contine uraniu. Primele doua contin minerale primare si, respectiv, secundare de uraniu; a treia categorie contine uraniu ca impuritate inclusa in retele cristaline de baza.[5,13]

Continutul uraniului dispers unor roci este dat in tabelul de mai jos:

Exploatarea şi prelucrarea minereurilor de uraniu

În cele mai multe cazuri minereul de uraniu este exploatat la suprafaţă sau în mine subterane. În esenţă, mina de uraniu nu diferă semnificativ faţă de alte mine pentru minereuri metalifere.

În timpul mineritului subteran sau la îndepărtarea stratului superficial în cazul exploatărilor la suprafaţă, se produc cantităţi mari de steril. Haldele de steril conţin adesea radionuclizi din seria uraniului în concentraţii relativ mari în comparaţie cu rocile obişnuite. În unele cazuri halda de steril constă în minereu cu concentraţie prea mică de uraniu pentru a putea fi prelucrat în condiţii economice avantajoase.

            O haldă de steril neprotejată reprezintă o sursă importantă de radon. De asemenea precipitaţiile care spală halda reprezintă o sursă de contaminare a apelor de suprafaţă şi a pânzei freatice cu radioizotopi şi alte substanţe toxice (arsen şi metale grele). Astfel, haldele de steril situate în vecinătatea zonelor locuite reprezintă un risc pentru populaţie.

            Datorită nevoii continue de a deseca şi depresuriza tunelurile subterane sau exploatările la suprafaţă rezultă o mare cantitate de apă contaminată. Această apă este deversată în sistemele de ape de suprafaţă după un tratament corespunzător. Tratamentul nu poate elimina complet radionuclizii din apă şi se ajunge la contaminarea maselor de apă (care pot fi folosite ca sursă de apă potabilă) cu radionuclizi sau alţi poluanţi. 

            Sistemele de ventilaţie ale minelor subterane, plasate în vecinătatea zonelor locuite, reprezintă o sursă de radon şi descendenţii radioactivi ai acestuia. De aici apare o iradiere suplimentară a populaţiei.

            Minereul extras este mărunţit şi spălat în instalaţii speciale. Aceste instalaţii sunt amplasate de obicei în apropierea minelor pentru a se evita transportul la distanţe mari. Pentru extragerea uraniului din minereu se folosesc soluţii acide (acid sulfuric de obicei) sau alcaline. Acestea din urmă sunt mai puţin dăunătoare mediului înconjurător, deşeurile rezultate fiind mai uşor de neutralizat. Deşeurile rezultate sunt depozitate sub formă de şlam în bazine sau halde speciale izolate de restul mediului (în special de apa freatică) prin bariere naturale sau artificiale. Cu excepţia uraniului extras, toţi ceilalţi constituenţi ai minereului se regăsesc în deşeurile rezultate. Aproximativ 85% din radioactivitatea iniţială este prezentă în deşeuri ca uraniu sau descendenţi din seria uraniului. În plus, şlamul conţine toate metalele grele (molibden, plumb, cadmiu, vanadiu etc.) şi alţi poluanţi cum ar fi arsenul şi agenţii chimici utilizaţi în procesul de prelucrare a minereului.

            În urma procesului de măcinare minereul este transformat în pulbere fină, ceea ce face mai uşoară dispersia şi migrarea substanţelor periculoase în mediul înconjurător. Crescând suprafaţa liberă a materialului creşte şi rata de eliberare a radonului. Mai mult, constituenţii din interiorul haldei de deşeuri nu mai sunt în echilibru geochimic, aşa cum erau în minereu, de unde rezultă o serie de reacţii chimice care înlesnesc migrarea contaminanţilor în mediu.

Fabricarea combustibilului

Costul relativ ridicat al uraniului şi cerinţele stricte de gestionare a acestuia fac ca deversările de substanţe radioactive în mediu să fie relativ mici în cazul fabricilor de combustibil. Există însă posibilitatea deversărilor accidentale care trebuie să fie luată în considerare [9]. De exemplu, în caz de incendiu sau explozii, pot fi eliberate în mediu cantităţi mari de substanţe radioactive. În cazul operaţiilor de manipulare, depozitare şi fabricare a combustibilului din uraniu îmbogăţit, pot fi eliberate în mediu cantităţi semnificative de substanţe radioactive ca rezultat al accidentelor de criticitate.

În România, Fabrica de combustibil nuclear de la Piteşti funcţionează din anul 1992 ca entitate separată, pe acelaşi amplasament cu Institutul de Cercetări Nucleare.

Laboratorul de Radioprotecţie şi Protecţia Mediului din cadrul acestui institut efectuează monitorizarea mediului înconjurător pe acest amplasament, inclusiv controlul radioactivităţii efluenţilor

         Sucursala Cercetari Nucleare - Pitesti

                                Pro si contra energiei nucleare

Reactori şi centrale nucleare

Contaminarea mediului datorită exploatării reactorilor nu aduce decât o contribuţie relativ mică la doza colectivă angajată, în cadrul ciclului combustibilului nuclear. În România există în exploatare reactorul de încercări materiale TRIGA la Institutul de Cercetări Nucleare Piteşti şi reactorul CANDU-6 de la CNE-PROD Cernavodă.

 Reactorul TRIGA a fost pus în funcţiune în anul 1979 iar reactorul 1 al CNE-PROD Cernavodă a atins prima criticitate la data de 16 aprilie 1996 şi a fost declarat comercial la data de 02 decembrie 1996. În ambele cazuri, rezultatele de până acum ale programelor de monitorizare demonstrează faptul că dozele pentru persoane din populaţie datorate emisiilor în atmosferă sau ape de suprafaţă au valori nesemnificative în raport cu doza internă datorată fondului natural de radiaţii.

Depozitarea deşeurilor radioactive

Obiectivele managementului deşeurilor radioactive este de a izola substanţele radioactive pe o perioadă suficientă de timp astfel încât impactul asupra omului şi mediului înconjurător să fie minim şi acceptabil. Soluţiile alese pentru depozitarea la suprafaţă a deşeurilor slab şi mediu active cu radionuclizi cu timp de înjumătăţire relativ scurt nu pun probleme deosebite în acest sens. Activităţile în acest domeniu trebuie să se concerteze asupra dezvoltării  metodologiilor de evaluare a riscului pentru fiecare tip de depozitare

luat în considerare care să includă şi deşeurile cu activitate foarte scăzută, deşeurile provenite din minerit şi deşeurile produse în situaţii accidentale [6].

Trebuie dezvoltate modele aplicabile tipurilor de depozite privind studiul migrării şi reţinerii radionuclizilor de-a lungul întregului drum dintre containerul cu deşeuri şi biosferă, pornind de la matricea de depozitare, prin barierele proiectate şi mediul geologic.

Radioactivitatea datorată testelor nucleare

Utilizarea armelor nucleare duce la contaminarea radioactivă la scară planetară şi la consecinţe radiologice pe măsură. Energia nucleară poate fi eliberată dintr-o bombă care urmare a proceselor de fisiune sau fuziune. Aproximativ 50% din energia unei explozii nucleare este eliberată sub formă de undă de şoc, 35% ca radiaţie termică şi 15% sub formă de radiaţii ionizante. Din totalul radiaţiilor ionizante, o treime este reprezentată de radiaţiile prompte produse imediat după detonare, şi două treimi, adică 10% din energia totală a exploziei, constă în radiaţii ionizante întârziate produse prin dezintegrarea produşilor de fisiune şi a radionuclizilor induşi. Radiaţiile ionizante prompte constau în radiaţii g şi neutroni care se eliberează în momentul detonării iar efectul acestora se manifestă în aceeaşi arie în care se simt unda de şoc şi efectul termic.

Transferul radionuclizilor între compartimentele mediului şi legătura între producerea radionuclizilor şi doza la organismul uman sunt prezentate în figura 1.2.1. Transferul între compartimentele succesive prin căile de migrare este definit prin coeficienţii de transfer (Pij) care fac legătura între integralele pe un timp infinit ale concentraţiilor, dozelor sau ale altor mărimi caracteristice. De exemplu, coeficientul de transfer între alimente şi ţesuturi este dat de raportul între concentraţia integrată în ţesut şi concentraţia integrată în alimente.

Testele nucleare s-au efectuat în atmosferă începând cu anul 1945. Programele de testare a armelor nucleare cu puteri mari de detonare s-au desfăşurat în perioadele 1954-1958 şi 1961-1962. Din lipsa datelor despre experimentele care au avut loc, evaluările cantităţilor de materiale radioactive eliberate în mediu se bazează pe măsurarea depunerilor produşilor de fisiune importanţi (90Sr, 137Cs). Prezenţa altor radionuclizi poate fi estimată pornind de la rapoartele observate şi ţinând cont de diferenţele între timpii de înjumătăţire. În funcţie de tipul testului, locul şi randamentul exploziei, particulele radioactive se împrăştie între suprafaţa terestră sau oceanică şi păturile troposferei şi atmosferei.

Depunerile locale, pe o rază de circa 100 km, pot reprezenta în jur de 50% din inventarul eliberat. În evaluările de consecinţe la scară planetară nu se iau în considerare aceste depuneri, deoarece în general, au loc în zone nepopulate.

Dimensiunea particulelor depinde în foarte mare măsură de tipul exploziei. Exploziile în apropierea solului produc mari cantităţi de particule vitrifiate foarte puternic radioactive, ca şi particulele mici cu un spectru de distribuţie a dimensiunilor log-normală. Radioactivitatea particulelor produse într-o explozie nucleară se diminuează cu un factor de 20 la sfârşitul primei zile faţă de prima oră. Indivizii din localităţile în care au loc depuneri radioactive în cursul primei zile de la explozie pot fi expuşi la doze letale.

Se cunoaşte faptul că în zonele adiacente exploziei unde există riscul unei expuneri acute, particulele radioactive pot fi atât de mari încât pot fi observate cu ochiul liber. Pescarii japonezi de pe vasul Lucky Dragon care au trecut printr-o zonă cu depuneri radioactive datorate unui experiment cu o bombă termonucleară de mare amploare în martie 1954, au povestit că depunerile radioactive aveau aspectul unui praf alb asemănător fulgilor de zăpadă, puntea vasului fiind astfel acoperită încât se cunoşteau urmele paşilor. Fizicienii japonezi care au investigat acest accident au evaluat depunerile la 38 – 85 grame de praf pe un metru pătrat pe puntea vasului. Particulele au avut dimensiuni cuprinse între 0,1 şi 3 mm, aglomerate în granule de aproximativ 300 mm.

Norul ciuperca provocat de explozia aruncării primei bombe atomice , Little Boy, deasupra oraşului Hiroshima.

Când bombele nucleare sunt detonate în apropierea solului, fluxul mare de neutroni reacţionează cu constituenţii solului, ducând la formarea de radionuclizi, majoritatea cu timpi de înjumătăţire mici, de ordinul orelor şi zilelor. Pornind de la cunoaşterea spectrului de neutroni al celor două bombe folosite la Hiroshima şi Nagasaki şi ţinând cont de rezultatele analizelor radiochimice asupra solului şi materialelor de construcţie din cele două oraşe, a fost estimat [12] un angajament de doză, la indivizii care au fost în epicentrul exploziei la o zi după lansarea bombelor, de 0,8 Gy în Hiroshima şi 0,3 Gy în Nagasaki.

Norul ciupercă provocat de explozia aruncării celei de-a doua bombe atomice, [The] Fat Man, deasupra oraşului Nagasaki s-a ridicat la 18 km (sau 11 mi = 60,000 ft) în atmosferă deasupra hipocentrului.

Depunerile din troposferă constau în aerosoli formaţi din particule mai mici care nu sunt antrenate deasupra tropopauzei imediat după explozie şi care se depun după un timp care poate să ajungă la 30 de zile. În acest timp particulele se dispersează de o parte şi de alta a latitudinii locului exploziei urmărind traiectorii care depind de regimul vânturilor dominante. Aceste traiectorii ajung să acopere aproape întreaga circumferinţă terestră. De exemplu, norul radioactiv având ca sursă un experiment nuclear în Asia Centrală din 16 octombrie 1980, a  atins, deplasându-se către est, Europa Centrală în data de 27 octombrie. Traiectoria a fost stabilită ţinând cont de datele meteorologice şi a fost în general confirmată de măsurători de radioactivitate a aerului la nivelul solului. Din punct de vedere al expunerii omului la radiaţii, aceste depuneri din troposferă sunt importante prin prezenţa radionuclizilor 131I, 140Ba sau 89Sr, al căror timp de înjumătăţire variază de la câteva zile până la două luni.

            Suspensiile din stratosferă reprezintă grosul substanţelor radioactive eliberate în urma unei explozii nucleare şi se depun după un anumit timp pe întreaga suprafaţă a planetei, majoritatea în emisfera în care a avut loc producerea lor.

            Principalii radionuclizi produşi ca urmare a testelor nucleare care contribuie la expunerea prin contaminare internă a organismului uman sunt: 3H, 14C, 54Mn, 55Fe, 85Kr, 90Sr, 89Sr, 106Ru, 131I, 137Cs, 136Cs, 140Ba, 144Cm, plutoniul şi elementele transplutoniene.

Analizând toate căile de migrare şi ţinând cont de rezultatele măsurătorilor raportate, s-a evaluat angajamentul de doză individual datorat inhalării produşilor rezultaţi în urma testelor.

            Scopul principal al radioprotecţiei este asigurarea unor standarde de protecţie împotriva efectelor nedorite ale radiaţiilor, fără a împiedica activităţile cu urmări benefice pentru societate şi pentru dezvoltarea durabilă a acesteia [2]. Acest obiectiv nu poate fi realizat fără o bază ştiinţifică solidă care, având în vedere importanţa şi implicaţiile utilizării pe scară largă a tehnologiilor nucleare, nu ar fi fost asigurată în absenţa unei autorităţi ştiinţifice recunoscute pe plan internaţional. Cu o istorie de peste 70 de ani Comisia Internaţională de Radioprotecţie (CIRP) a dezvoltat un sistem consistent de expertiză în domeniul studierii efectelor radiaţiilor, iar recomandările sale sunt folosite ca suport ştiinţific atât de către autorităţile naţionale, pentru elaborarea normelor din domeniu, cât şi de specialiştii în radioprotecţie [4].

Opinia ştiinţifică, acceptată în prezent, conform căreia orice doză poate produce un efect negativ se bazează în primul rând pe dificultăţile pe care le întâmpină orice tentativă de a demonstra efectele dozelor mici de radiaţii. Astfel, se consideră că orice expunere la radiaţii produce anumite leziuni la nivel celular sau subcelular care nu pot fi puse în evidenţă, fie din cauza capacităţii de regenerare a organismelor vii, fie din cauza limitelor mijloacelor de investigare.

Standardele impuse în prezent în domeniul radioactivităţii mediului au drept scop declarat protecţia omului împotriva efectelor radiaţiilor, dar se consideră că ele asigură, implicit, şi protecţia celorlalte specii de vieţuitoare. Se acceptă faptul că nu există motive pentru a pune la îndoială supravieţuirea speciilor, chiar dacă, ocazional, indivizi din aceste specii pot fi afectaţi în urma acţiunii radiaţiilor respective, şi nici nu sunt create condiţii care ar putea duce la distrugerea echilibrului ecologic dintre specii. În situaţii normale se consideră că printr-un control eficient al surselor de radiaţii se poate asigura, simultan, şi controlul expunerii populaţiei [2].

CIRP este preocupată de mediul înconjurător doar din punctul de vedere al mecanismelor de transfer al radionuclizilor către om, acesta fiind singurul mod în care mediul constituie o problemă, din punctul de vedere al principiilor radioprotecţiei [2].

            Omul poate fi expus iradierii din diverse tipuri de surse de radiaţii. Recunoaşterea acestor surse de radiaţii este punctul de plecare al radioprotecţiei populaţiei. Tabelul 1 [1] prezintă evaluarea contribuţiilor diferitelor surse de radiaţii la expunerea unei persoane.

            Dozele pe care le primeşte un individ din surse artificiale sunt, de regula, comparate cu dozele pe care le primeşte din surse naturale. O doza suplimentara mica in comparaţie cu fondul natural nu este considerata semnificativa. Unele surse naturale si majoritatea surselor artificiale sunt controlabile, ceea ce face posibila reducerea contribuţiei lor la expunerea totala

.Pentru a realiza aceasta este necesar sa se cunoască nivelul expunerii fiecărei surse si sa se determine gradul ei de controlabilitate. 

Producerea de energie electrică cu ajutorul reactorilor nucleari presupune existenţa unui ciclu al combustibilului alcătuit din mai multe etape: extracţia şi prelucrarea minereului de uraniu, îmbogăţirea în uraniu-235 (acolo unde este cazul), fabricarea de elemente combustibile, exploatarea reactorilor nucleari, retratarea combustibilului iradiat, transportul materialelor nucleare între diversele instalaţii, tratarea şi depozitarea deşeurilor radioactive.